基于爬山法的风力发电最大功率跟踪控制方法研究

基于爬山法的风力发电最大功率跟踪控制方法研究摘要风能作为可持续开展的清洁能源，越来越受到人们的重视。风力发电作为利用风能的主要形式正在以前所未有的速度开展着。较之传统发电方式，风力发电逐渐增大比例，并且在电力系统中受到越来越多的关注和欢送。本文首先介绍了国内外的能源形势，讨论了风力发电的研究现状和必要性。本文研究的风力发电系统，包括定桨距风力发电机、永磁同步发电机、不可控三相二极管整流电路、Boost升压变换器、MPPT控制器的系统结构。介绍了各个模块的原理和特性，研究了风力发电系统的功率调节的原理。包括尖速比控制、功率信号反响控制、爬山算法和模糊控制等控制算法，对他们的原理进行了分析和比拟。其次，基于MATLAB/Simulink，建立了一个爬山法的风力发电系统仿真模型。仿真结果说明，所采用的爬山法可以有效地跟踪最大功率。关键词：永磁电机，风力发电，最大风能追踪ABSTRACTPeoplepaymoreandmoreattentiontowindpower,becauseit’snopollutionandrenewableenergy.Windpowergenerationisdevelopingataveryhighrateasamajorusedformofwindenergy.Theproportionofwindpowerreplacingtraditionalenergyisgraduallyrising,windpowergenerationismoreandmoreimportantandpopularinthepowersystem.Inthispaper,firstly,thepresentsituationabouttheutilizationanddevelopmentofwindresourcesistalkedandtheresearchstatusofwindpowergenerationsystemisintroduced,thenthestructureofsmallwindpowersystemsisgivenincludingfixedpitchwindturbine,permanentmagnetsynchronousgenerator(PMSG),three-phasedioderectifyingcircuitandtheBoostconverter,etc.Thebasictheoryofwindpowerandwindturbineanditscharacteristicandtheprincipleofmaximumpowerpointtracking(MPPT)areanalyzed.ThetheoryoftheexistingMPPTalgorithmssuchasthetipspeedratiocontrol,powersignalfeedbackcontrol,HCScontrolandfuzzycontrolisanalyzed.Theadvantagesanddisadvantagesofthosealgorithmsareanalyzedandcompared.Secondly,basedonMATLAB,thesimulationsystemofsmallwindpowersystemwiththeMPPTisestablished.Characteristicsofwindpowersystemaresimulated.ThesimulationresultsshowthatHCScontrolcantrackthemaximumpowereffectively.KEYWORDS：PMSG，windpowergeneration，maximumpowerpointtracking目录第一章绪论 51.1选题的背景和意义 51.2国内外关于该课题的研究现状 6永磁直驱同步风力发电系统的建模 7直驱永磁同步风力发电控制系统的研究 8直驱永磁同步风力发电系统中功率变换环节 81.3本文的研究内容 9第二章永磁直驱风力发电系统的结构设计 102.1系统的结构设计 102.2风力发电机系统特性分析 112.2.1贝茨理论 11风力机特性 12永磁同步发电机的数学模型 132.2.4Boost升压变换器的工作原理 15功率调节原理 16第三章直驱永磁风力发电系统仿真建立 183.1仿真环境MATLAB/Simulink简介 183.2系统主要部件建模仿真 193.2.1风力机模型 193.2.2永磁同步发电机模型 203.2.3整流器模型 213.2.4Boost和驱动模块建模 223.3系统整体仿真模型 23第四章风力发电系统最大功率跟踪策略 244.1常用最大功率跟踪算法比拟与分析 244.2本文所用爬山算法实现 27第五章仿真结果 285.1风力机仿真结果 285.2输出功率与占空比特性曲线 315.3参加MPPT的仿真结果 31参考文献 33致谢 34毕业设计小结 35绪论1.1选题的背景和意义随着全球经济的快速开展，人类对能源的需求显著增加，而在地球上传统能源是有限的。如何实现能源可持续开展，保证经济和社会的可持续开展，在世界各国已成为一个无法回避的问题。基于传统能源枯竭和环境保护考虑，目前世界上的技术人员正在研究和开发新能源，可再生能源一定是未来能源开展的方向。可再生能源包括风能、太阳能、水能、生物质能、地热能等，经过多年的开展，开展可再生能源已经成为世界能源供给战略，并且越来越受到各国政府重视，其中风能尤为突出。图1-1图1-1世界主要国家风电累计装机容量据2023年4月发布的《国家电网公司促进新能源开展白皮书》[1]，我国新能源开展已经走在了世界前列，成为全球风力发电规模最大、光伏发电增长最快的国家。2023年风电累计并网容量位居全球第一，2023年光伏发电累计并网容量位居世界第二，新能源开发利用水平与欧美等先进国家相当。2023年我国并网风电、光伏发电装机容量突破1亿千瓦，全年发电量近1800亿千瓦时，相当于一个中等兴旺省份的全年用电量。截至2023年底，我国累计并网风电装机容量到达9581万千瓦，其中国家电网调度范围风电装机容量到达8790万千瓦，是全球接入风力发电规模最大的电网，建成7个超过600万千瓦的大型风电基地，甘肃、蒙西超过1000万千瓦。2023年以来，光伏发电装机容量年均增速到达219%，截至2023年底，我国累计并网光伏发电容量到达2652万千瓦，其中国家电网调度范围光伏发电并网容量到达2445万千瓦，建成3个超过300万千瓦的光伏发电基地。在甘肃、内蒙古、宁夏等11个省〔区〕，风电、光伏发电等新能源已成为第2大电源。2023~2023年，全国风电设备平均利用小时数约为2000小时，保持较高水平。蒙东、甘肃电网风电瞬时出力占到当地负荷比例的最大值、风力发电年发电量占用电量的比例等指标与丹麦、西班牙、德国等国家相当。并且政府承诺2030年非化石能源占一次能源消费比重提高到20%，《能源开展战略行动方案〔2023~2023年〕》明确了新能源开展目标，未来风电、太阳能发电还将保持快速开展，2023年风力发电规划装机规模到达2亿千瓦。在技术研发方面，科研院所和高校紧密围绕国家的战略需求，对风电技术的开展做出了重要奉献。中国电力科学研究院、清华大学、浙江大学、哈尔滨工业大学、华中科技大学、重庆大学、中国北方电力大学、合肥研究院研究所等单位对风力发电技术进行了较为深入的研究，形成了一套完整的理论体系，覆盖风电机组控制、风力发电机组模型研究、发电机运行控制和并网策略，实现风力发电低电压穿越，奠定了我国在风电行业未来开展的良好根底。同时，由于受到国家宏观经济政策支持，一些大型国内风电设备制造商也在崛起。这些国内厂商通过技术转让、联合设计、创新等方式，逐步拥有多项专有风电技术和产品。通过引进国际先进技术，以金风科技为例，已经实现了1.5MW、2.5MW和永磁电机组的生产，自主开发3MW的机组，并开始设计和开发的6MW机组；由国内科研单位自主研发的3MW双馈电机，并已成功应用于上海东海大桥海上风电场工程。国内大型风电设备制造商的出现，有力地促进了科研成果的实际应用，不断推动国内风电产业的开展，同时也为国际风电行业做出了重要奉献。随着风电产业的快速开展，风电技术的未来将出现以下趋势[2]：〔1〕单机容量增加，风力发电本钱下降。电动机设计水平的提高和生产水平的进步，使单机的风力涡轮机容量将进一步增加，降低了风电场的风力涡轮机的数量和需要的容量，降低了根底设施本钱。风力涡轮机的可靠性和平安性将得到进一步提高，运营本钱将降低，风力发电将成为一种廉价而丰富的可再生能源。〔2〕新的技术、新的解决方案不断被采用，使得功率调节变速恒频方面的功率调节技术和桨矩角调节的技术将成为主流技术；在驱动方式上，无齿轮直接驱动技术和半直驱技术将得到快速开展；在控制算法方面，非线性鲁棒控制智能化控制等先进控制算法将被逐步应用；同时新的转换器拓扑、新的电源转换器〔多级转换器和多路转换器等〕将逐步推广。〔3〕海上风电技术将成为一个热门话题。陆上风电工程开展受到有限的土地资源和公共环境等因素制约，但海上风力发电有幅员辽阔风能资源丰富、高风速、无噪声标准限值等优势，使海上风力发电开发已成为世界风电产业开展的必然趋势，并且海上风电技术必将成为技术人员研究的热点。1.2国内外关于该课题的研究现状随着风电场的规模化和风力发电机组的大功率化开展，当前风力发电技术也在不断的开展着，正在逐步提高风电系统运行效率和可靠性。当前世界各国关于大功率风电系统的研究主要集中在变速恒频风力发电技术，在变速恒频风电系统中，主要有双馈式和直驱式这两种，相比于双馈风力发电机组，永磁直驱同步风力发电机组由于没有齿轮箱，因而降低了其初始本钱和运行维护本钱，使得它更加受到人们的青睐。为了说明直驱永磁同步风力发电机的特点，将它和双馈异步风力发电机综进行合比拟，如下表1-1所示：表1-1两种表1-1两种电机综合比拟工程永磁直驱风力发电机组双馈异步风力发电机组系统体积大大系统价格高中维护本钱低较高平均效率较高高变流单元IGBT，电流较大，技术难度大IGBT，电流较小，技术难度小变流稳定性高中变流容量全功率逆变仅需全功率的1/4电压变化率无高电压变化高，需要进行电压过滤可承受瞬间电压-85％至10％-10％至10％谐波畸变容易控制，谐波频率稳定难以控制，随转速变频50Hz／60Hz之间的配置变化变流滤波参数需调整变流滤波参数和齿轮箱变比需调整发电机造价高低发电机体积大小发电机重量重轻发电机电缆的电磁释放无有，需要屏蔽线发电机滑环无碳刷，无滑环半年换碳刷，2年换滑环从表中可以看出，普通的双馈异步发电机的主要优点是，转换器的容量小，投资少，但有齿轮箱、电刷和滑环的问题，使得系统不那么可靠，需要维修，同时噪音污染严重。相比而言，直驱永磁同步风力发电机组主要在以下四个方面有优势[2]：=1\*GB3①高发电效率：直接驱动风力涡轮机，因为没有齿轮箱，减少了传输损耗，提高了发电效率，风能利用效率高，特别是在低风环境，效果更加显著。=2\*GB3②高可靠性：风力发电机组齿轮箱运行故障率高，直驱技术消除了齿轮箱及其附件，简化传动结构，从而提高机组的可靠性。同时，本机是在低速运行，较少的旋转部件，使之更加可靠。=3\*GB3③低运行和维护本钱：无齿轮直接驱动技术减少了风力涡轮机的组件的数量，防止了齿轮箱油的定期更换，减少了操作和维护本钱。=4\*GB3④电网接入性能：直接驱动永磁风力涡轮机低电压穿越，电网电压下降，风力涡轮机仍在运行中，该网络可以在一定范围电压降的范围内运作，以保持电网稳定运行。基于以上四点，直驱永磁同步风力发电系统由于具有直接驱动良好的技术，开展前景较好，推动了风力涡轮机的开展，使风力发电成为研究的热点。直驱永磁同步发电系统和控制技术的成熟，使其得到了越来越多研究者的关注，也使其成为现在风电行业的开展方向的关键技术之一。直接驱动永磁同步风力发电系统的研究，一般可分为以下三个重要方面。永磁直驱同步风力发电系统的建模目前，由于风力发电技术的飞速开展，使得风力发电机组的容量也越来越大，风电机组控制系统的控制越来越复杂，控制策略升级的要求越来越高，可以通过风力发电系统建模和仿真，分析和研究风力发电机操作特性，研发设计系统控制器。因此，研究风力发电系统，建模与仿真是一种必要的手段，对于风电产业的开展具有非常重要的意义。风力发电系统的建模和分析的仿真精度，对系统精度的开展有直接影响。精确的建模和仿真可以有效地提高风力发电系统的运行和管理水平，提高风电场的经济和平安的运行和维护，优化风电场运行和维护，可以带来巨大的经济效益。目前，异步双馈异步风力发电机的建模已经比拟成熟，但直驱永磁同步发电系统建模与仿真相对较少。直驱永磁同步风力发电系统建模主要有两种方法：(1)状态平均法。该方法使用一个电机等效风力涡轮机，使用三相交流发电机等效永磁同步发电机，用三相二极管整流桥和纯电阻取代在逆变器和负载。上述假设创立系统等效电路的仿真模型，建立当开关被接通和关断时的状态方程和占空比的功率因数，接通和关断时合并平均方程加权平均状态，线性化系统，以获得系统的传递函数，该系统通过传递函数进行分析。由于这种方法较麻烦，并且该系统有局限性，所以不能广泛使用。(2)另一种方法，不同于状态平均法，利用Simulink仿真模型内置模块、整流器、DC电压转换器，建立整个系统的仿真模型。该系统的仿真模型主要基于MATLAB、LABVIEW、PSCAD等软件来实现。1.2.2直驱永磁同步风力发电控制系统的研究现在对离网的小型风力发电系统的控制方法的研究主要集中在最大功率跟踪控制和蓄电池充放电控制这两个方面。最大功率点跟踪目的是在风速不断变化的情况下，通过测量转速或者其他参数，通过某些方法对转速进行控制，实现对风机转速的实时调整，从而到达风力发电系统最大功率点跟踪〔MPPT〕的目的。现有的最大功率点跟踪的控制算法主要有最正确叶尖速比法、功率反响法和扰动观察法等三种算法。每种控制方法都有各自优点和缺点，需要根据控制目标的要求，选择适宜的方法。1.2.3永磁直驱同步风力发电的功率变换环节转换器的电源转换局部可以分为AC到DC和DC到AC两步，AC到DC电路由整流器控制整流，可以实现发电机输出的电流和最大功率控制。一个DC到AC逆变器连接，以保持DC总线电压，同时实现相同的注入电网的正弦电流控制并网功率因数的目标，以满足并网的要求。现在的电源转换拓扑结构主要有以下四个局部：(1)三相二极管不可控整流电路连接晶闸管逆变器的结构。这种方法的优点是本钱低，可靠性高，并且功率高。在风力发电系统早期时使用这种框架结构居多，但可控硅作为逆变器，会吸收一些电路中的无功功率，并且在电网侧产生很大的谐波电流，对电网谐波的网络污染，因此需要无功补偿系统来抑制谐波，对于变速恒频风力发电系统，这是一个很大的影响，所以系统需要无功补偿装置的快速调节和响应。因此会增添复杂无功功率补偿装置，增加了本钱。(2)不可控三相二极管整流器电路后接一个PWM逆变器的结构。这种结构逆变局部被替换为PWM电压逆变器，和晶闸管比拟，有更高电压源PWM逆变器开关频率，从而降低了谐波污染。这种结构的转换器也可通过控制逆变器的相位和振幅灵活地调整无功功率和有功功率输出，来调节发电机电压。这种方法的缺点是由于随机变化的风速，使得逆变器输入直流电压是不稳定的。当风力比拟小，逆变器的输入电压是比拟小的，根据电网要求，提高脉宽调制的深度，然后导致开关利用率和逆变器的操作效率降低、传导损耗和峰值电流上升。该转换器现在主要用于小型风力发电系统的结构。(3)后接升压转换器与三相电压源逆变器的不可控三相二极管整流器电路连接结构。这种安排的目的是要提高升压转换器的电压电平，使逆变器的输入电压在一定范围内保持稳定，克服了逆变器输入电压低，影响逆变器的操作问题。此结构也可通过调整发电机输入电流的旋转速度，以实现电机的速度控制调节。使用PWM逆变改善转换器的运行效率，降低谐波污染，在现在大多在大型风力发电系统中使用。(4)双PWM背靠背变流器结构。与上文相比，双PWM变换器配置使用两个相同的电压整流器，它也被称为背靠背双PWM变换器。机侧PWM整流器将发电机输出交流电调节为直流电，也用于调节电网侧的电流。这种结构只有两个级别的转换，主电路是相对简单的，但结构是多个电子设备，增加了本钱，而且会增加谐波控制的难度。1.3本文的研究内容本文的研究一个独立的小型风力发电系统，选择使用了升压电源转换器拓扑结构，研究了风力发电的背景和意义，对风力发电原理、系统结构、控制策略进行研究，分析了仿真结果。本文的内容大致为：(1)它描述了所研究课题的背景和意义，对国内外直驱永磁风电状况进行了概述，总结了风力发电相关技术的开展。(2)本文介绍了小型独立发电系统的结构，分析和研究了其结构特点，同时对风力发电系统的运行特性进行分析。根据所采用结构，分析了当前最大功率跟踪方法，并着重研究了本文所用的爬山法。(3)分析独立小型风电系统主要的部件的结构和原理，并且基于MATLAB建立其仿真模型，并给出风电系统运行特性的仿真结果以及爬山法MPPT控制的仿真结果。初步验证爬山有效跟踪最大功率的特性。永磁直驱风力发电系统的结构设计2.1系统的结构设计独立运行小型风力发电系统主要组成局部包括：风力机、发电机、不可控整流桥、直流变换器、逆变器、控制器和负载组成。典型系统的结构如图：图图2-1小型风电系统结构图风力机风力机发电机负载直流变换器不可控整流桥逆变器控制器由风轮将风能转化为机械能，以驱动发电机，将机械能转换成电能。由于风速变化，使电压和风力涡轮机的频率不断变化，不能轻易使用的负载，所以一般独立运行小型风力发电系统采用AC-DC-AC的方式供电。〔1〕发电机发电机局部主要的作用是在风力机的风轮轴的带动下旋转，把机械能转化成电能。它也是整个风力发电系统的核心局部,使用的发电机转化效率的上下，将影响到风能利用的效率。风力发电过程中,自然界的风是不稳定而且时刻变化的,加之外界环境的变化,对发电机的要求也随之提高,因此在选择发电机类型时需慎重考虑。通过对文献资料的查阅知,目前永磁同步电机技术已经比拟成熟,因此本文采用的是永磁同步发电机(PMSG)，它具有以下的优点：较好的稳定性；免去外加的直流励磁电源；结构简单，本钱较低；便于操作和低维修本钱；⑤适用于小型的直驱式风力发电机，免去了外加变速装置；=6\*GB3⑥没有电刷式转子，比拟巩固耐用。〔2〕DC/DC变换器它是小型风力发电系统的重要组成局部，也是最大功率追踪实现不可或缺的一个环节，外界风随时间和环境的变化而改变，发电机发出的电能也随着风速的改变发生变化。而整流桥仅起到将变化的交流转化成变化的直流的作用，因此系统需要一个可控稳的局部，该局部就是DC/DC变换器。该局部的作用就是调整整流器输出的直流电，完成系统最大功率追踪。DC/DC变换器使用BOOST变换器，它满足了风力发电的需求，和其它类型的变换器相比拟，具有如下优点：电路简单，调整方便，可靠性较高；对功率管和续流二极管的耐压要求比拟低；=3\*GB3③在功率管导通时储能电感储存能量，在功率管关断的时候，储存的能量向负载供电，带负载能力比拟强，电压调整率较好；④输出的电压纹波较低。但是BOOST变换器的输入电流是脉动的，这便会引起对输入发电机的电磁干扰。因此在实际应用中在电源和变换器之间需要增加一个输入滤波网络。〔3〕控制器系统运行时，发电机输出功率、负载功率随时都处于不同状态，必须协调它们的关系和保护风力机。因此，在实际运行中，控制器应具有以下主要功能：①保证风机平安运行，在电气特性和机械特性允许范围内运行；②减少风速随机变化对输出电能的影响，减少纹波，使输出电压稳定；③合理调度系统电能，保证向负载提供连续电能；④实现最大功率点跟踪，提高电能传输效率；〔4〕逆变器逆变器的可以将整流桥输出的直流电转换成负载所需要的交流电。在风力发电中，所选用的逆变器都要求具有较高的效率，特别是轻负载时的效率要比拟高，这是由于风电发电系统经常运行在轻负载状态。〔5〕负载负载主要用来保护风力发电机组。在风力机发出的能量满足负载所需电量，消耗风力机发出的多余能量，这样可以防止采用停车的方式去保护风力机。根据上文的表达，与常规的小型风力发电的系统相比，这个系统有以下特点：①因为采用了不可控整流桥和DC/DC变换器，可控开关器件只有一个，通过调节占空比来实现整个控制过程，具有动态特性好、结构简单、高效率和高可靠性等优点；②通过调节占空比大小可以调节发电机的输出电压和电流大小，进而改变发电机的转矩-转速特性，这样就可以控制风力机的风能利用系数Cp③不需要检测风速和风力机转速，便可以实现系统功率控制；④极端情况下切入负载，减小了频繁切换负载带来的问题。2.2风力发电机系统特性分析2.2.1贝茨理论贝茨理论由贝茨在1926年建立的。假设风力机是能量转换器，没有损耗，外界的风在风力机叶面扫过的面积也是均匀的，外界风速的方向也都是沿着风力机轴线的。外界的自然风经过风力机以后，风的速度必然要减小，能量转移，如果忽略了少许的能量损失影响，风力机的机械能便是从风能中所截取出来的能量，可以表示为下面的公式：Pm=1其中：P：风力机机械能，单位为(W)；V：通过风力机叶轮前的自然风风速，单位为(m/s)；V0：通过风力机叶轮后自然风的风速，单位为(m/s)假设风力机的叶片数无数多、风力机对外界风没有阻力即没有能量的损失、几乎不含缝隙，是理想的模型，考虑到风力机叶片前后的平均风速，风的质量流率m可修正为如下公式：m=ρAV+V由上述两个公式得外界自然风转化为风力机的机械能，带动风力发电机工作，输入功率如下公式：Pm=1可以解得V0=Pmax=0.2963ρAηmax=P由此可以知道，0.593是风力机把风能转换成机械能的效率极限值。风能的利用率本来就很低，再考虑到一些损耗的影响，风力发电机的转换效率便远远达不到理论上的理想效果，转换效率一般在0.3-0.4范围左右，利用率很低，这也是限制风力发电推广使用和推广的主要原因，为了改善风力发电机的转换效率，对最大功率进行追踪是小型风力发电系统的重要局部[3]。2.2.2风力机的特性把风能转化成机械能是风力机的作用，这在空气动力学过程是非常复杂的，要想精确地对风力机进行建模，需要运用基于空气动力学理论中较为复杂的桨叶根本理论知识，但是假设要用桨叶的根本理论来进行建模，那么便不可防止遇到风力机叶片的几何学问题和繁琐复杂的计算问题等困难，并且还需要同时处理一系列的风速信号。为了避开这些麻烦，人们设计了一种比拟简单的数学模型来描述风力机特性，模型反映了风力机从风中获得的能量与风速的关系，方程是：Pm=12Cpλ,其中：λ=wRV1λi=式中：P是风力机机械功率，单位为(W)；ρ是风力机周围空气密度，单位为(Kg/m3R是风力机叶轮的半径，单位为(m)；V是自然风的速度，单位为(m/s)；β是桨叶的桨距角；λ是叶尖速比；ω是风力机叶轮的转速；Cp是桨矩角为0时，风能的利用系数Cp和叶尖速比λ图2-图2-2风能利用系数与叶尖速比关系图2.2.3永磁同步发电机的数学模型〔1〕永磁同步发电机简介永磁同步发电机〔PermanentMagneticSynchronousGenerator,PMSG〕，是将从风轮中吸收到的机械能转换为电能的装置。PMSG是由电励磁三相同步发电机开展而来。PMSG与电励磁式电机的不同地方在于它的转子不是非绕线式结构，而使用了永磁体结构，它的转子上没有励磁损耗，PMSG可以到达比拟高的功率密度，而且转子上也没有集电环，它的运行更加可靠，它的体积和尺寸也得到了降低。一般来说，永磁材料有铁氧体和钕铁硼这两种，由于使用了钕铁硼制造的发电机体积较小，而且重量比拟轻，因此应用比拟广泛。但是两种电机在结构方面上根本相同。定子铁心和电子绕组构成了PMSG定子，在定子铁心槽内安放着三相绕组。当今流行的永磁风力发电机属于同步发电机的一种,与大电网所用的发电机的区别在于，普通发电机的励磁装置被永磁体所代替，免去了电刷装置，它的结构变得更加简单且更加可靠，它的发电机效率也得到了较大的提高。永磁风力发电机所发出电能的频率根据风力机转速的改变而变化的。所以，如果想将风力发电系统发出的电能送入电网,还需要其它的设备，比方变频器，把该电能改变为恒频恒压的交流电能。在永磁同步发电机应用中，最为广泛的是直驱永磁风力发电机，它防止了沉重的增速装置，发电机轴和风机轴连接在一起，转子的转速随风速改变而改变，输出交流电的频率也由此发生变化，经过大功率整流变换器和斩波器，将变化的交流电整流成稳定的直流电提供给负载使用。直驱永磁风力发电机现在已经被设计成在较低风速情况下都能从空气中获得不错的动力效率，不断提升风力机捕获风能的能力。同时，由于减轻了机舱的重量和改善了传动系统各部件的受力状况，风机的支撑结构也得到了相应的减轻,根底等费用也降低，运行维护价格也较低，这是一种很有开展前景的技术。永磁同歩发电机有很多优点，如下:=1\*GB3① 由于传动部件的减少，提高了风力发电机组的可靠性和可利用率；=2\*GB3②变频技术及永磁发电技术的采用提高了风电机组的效率；=3\*GB3③ 机械传动部件的减少,改善了风力发电机组的噪音问题,提高了整机的效率；=4\*GB3④ 可靠性的提高降低了风力发电机组的运行和维护的本钱。〔2〕永磁同步发电机数学建模[6]在对永磁同步发电机进行建模之前，首先可以假定永磁同步发电机满足以下四个条件:=1\*GB3① 三项绕组呈完全对称状态,间隙中的磁束也呈现正弦波状对称分布；=2\*GB3② 电枢绕组分布连续、均匀；=3\*GB3③忽略电枢反响和在运行过程中电压、电流产生高次谐波的影响；=4\*GB3④磁路中不存在饱和现象,忽略涡流及其磁滞带来的损耗。对于永磁同步发电机来说，它的转子的磁链幅值及其励磁都是恒定的。它在同步旋转坐标系中的数学模型可由下面的公式给出：diddt式中:id、iq分别Ld、Lq分别是发电机的dRa是ωe是φf是ud、uq分别是d轴和可以假设发电机d轴和q轴的电感取值相等,即Ld=Lq=L，那么diddt其电磁转矩的模型公式为：Te=1.5p当Ld=LTe=1.5p其中,p是发电机转子的极对数。2.2.4Boost升压变换器的工作原理升压型变换器的电路结构如下列图2-3所示,该变换器的主要作用是使变换器的输出电压高于输入电压。图2-图2-3Boost电路图在对电路工作原理进行理论分析之前,还需对电路工作条件进行如下假设:=1\*GB3① 电路处在稳定的工作状态下；=2\*GB3② 开关S的开关周期Ts是其导通时间和关断时间分别为：DBoostTs和(=3\*GB3③电路工作在连续导通模式下(ContinuousConductionMode,CCM)，并且流经电感L上的电流始终是连续正值；=4\*GB3④ 输出电容C工作在稳定状态下，它的值相当大,输出电压Vdc是一固定常数；=5\*GB3⑤ 各元器件均是理想元件。当开关S处于闭合的状态时，二极管D处于逆向偏压截止的状态，电路的输入电能储存在电感L中，负载所需要的电能由输出电容C所提供，这种状态下输入电压Vg和电感电压了VL构成回路。由KVL定理，可以Vg=VL根据前面的假设可以知道，电流变化率是一常数，因此当开关S处于闭合的状态时，电感电流在线性变化，由于它开关时间比拟短，它的变化率可由下式等效表示:∆iL∆t对公式(2-15)进行变换求得∆iL在开关S闭合状态下的解(∆iL)o当开关S处于断开状态时，电路中电感L中所储存的电能有一局部提供给负载使用，而另一局部为输出电容C充电。因为电感上的电流方向不能瞬间变化，又加上此时二极管D处于正向导通的状态，便构成了电感L的放电回路，根据KVL定理可得公式(2-17)和公式(2-18)如下:VL=VgdiLdt=和开关S闭合状态相似，这时电感电流变化率是一个固定常数，而且呈线性变化，并且开关时间比拟短，得到的电感电流变化率等效公式为(2-19):∆iL∆t对公式(2-19)进行变换可以求得∆iL在开关S断开状态下的解(∆iL)c根据假设可以知道，稳态工作状态下的电感L上的初始电流值与最终电流值大小在一个周期内的值是相等的，也就是说，在一个周期内电感L上的平均电流值不变。根据公式(2-16)和(2-20)可得公式(2-21)如下:(∆iL)o可推导出输出电压Vdc与输入电压Vg之间的关系如下式〔2-22VdcVg=12.2.5功率调节原理永磁同步发电机发出的电经过一个三相二极管整流器整流后，流经一个直流电容滤波，再流经Boost变换器提供给负载。调节Boost变换器的占空比，可以改变发电机的负载特性与输出功率，来实现以最大功率点跟踪控制为主要内容的功率调节。采用三相二极管整流电路作为发电机到Boost变换器AC/DC转换器。发电机与二极管整流器的电路示意图所示:EaEEERVV图2-4整流电路图其中，Rdc1为整流电路的等效负载电阻。如果忽略二极管整流桥电路的功率损失，也就是如果整流电路的输入功率和输出功率相等，那么有3VLIs=式中：VL是线电压，VS和IS分别是相电压和相电流，线电压和相电压关系是：VL=3VS，Vdc1=32将(2-23)式带入(2-24)式，得到：Idc1=π6用式(2-24)除以(2-25)式，得到：Vdc1Idc1定义发电机的等效负载电阻为:Rg=VsI将(2-26)式带入(2-27)式，得到:Rg=π218图2-5Boost变换器原理图为了分析便利，采用等效直流电源来取代经二极管整流后得到的直流电，Boost升压电路后面所接逆变器可以用负载电阻代替。Boost变换器的拓扑图2-5Boost变换器原理图可以求得：Rdc1=(1-D将(2-28)式带入(2-29)可以得:Rg=π218通过调节占空比D，可以改变发电机负载等效电阻Rg直驱永磁风力发电系统仿真建立3.1仿真环境MATLAB/Simulink简介MATLAB由两个单词Matri及Laboratory缩写而来。上个世纪70年代末，新墨西哥大学的计算机主任CleveMoler教授为方便教学，同时也为了学生不再被编写Fortran程序问题所困扰，便对代数软件包Linpack以及特征值计算软件包Eispack设计了一些接口程序，这成了MATLAB最初的版本。经过了三十多年的开展之后，MATLAB也在不断地跟新换代，从最初的DOS环境下运行到现在的Windows、UNIX等多个操作环境下都可以运行。从这可以看出运行环境有显著的改良，由此MATLAB成为了在国际上被公认的最优秀的科技应用软件之一。在学校里，它被用于初等和高等数学、工程学科和自然学科的根本数学研究工具；在工业领域方面，它作为研究、开发及分析的实用工具，性价比拟高。伴随着科技的不断开展，同时经过许多工程师孜孜不倦的努力，MATLAB已经从最初简易的矩阵分析软件逐步开展成为一个具有极佳通用性，同时具有很多实用工具的运算操作平台。MATLAB的工具箱利用MATLAB语言编写某些指定应用方向的工具。这些工具中，控制领域工具箱在MATLAB的众多工具箱里具有很高的地位，它以繁多的关于经典和现代控制系统设计技术在一定程度地扩展了MATLAB的功能。而在MATLAB中与控制关联的根本工具箱主要有以下六种：控制系统工具箱、系统辨识工具箱、模型预测控制工具箱、鲁棒控制工具箱、神经网络工具箱以及模糊逻辑工具箱[8]。刚开始时，MathWorks软件公司为MATLAB设计研发了了一个用于控制系统模型化图形输入和仿真的工具，同时为它取名SIMULAB，这种工具迅速便在控制工程领域得到了普遍的认可，使得仿真软件迈进了模型化图形组态的时代，之后，于1992年将这款软件命名为Simulink。Simulink挂接在MATLAB环境上，由于有MATLAB强大的计算功能，可以利用直观的模块框图进行仿真模拟。Simulink拥有易编程、易扩展等的优点，同时也能够处理在运用MATLAB过程中碰到的非线性和变系数等问题。Simulink也支持线性和非线性系统、连续和离散的时间模型，或者两者的混合模型。系统也可以是多采样率的，例如系统的局部可以拥有不同的采样率。对于建模方面，Simulink提供了一个比拟图形化的用户界面(GUI)，可以直接用点击鼠标拖拉模块的图形来建模。通过图形界面，可以直接画模型图。Simulink也包括一个复杂的由接收器件、信号源、线性与非线性组件以及连接件的模块库，甚至可以定制用户自己的模块。作为图形化的仿真工具包，Simulink能够实现动态系统建模、仿真和综合分析功能，可以应对线性和非线性系统，以及离散、连续、混合系统和单任务与多任务系统，并且在同一系统中能够支持不同变化率。因为Simulink环境使用户摆脱了冗繁的数学推理，同时摆脱了烦琐的编程困扰，只需使用者拥有相关的专业知识即可操作。因此，用户在此环境下对工程应用领域仿真、分析和计算变得十分简单。特别对一些研发的工作而言，能够帮助缩短研发周期，也能提高设计的可靠性。本文基于上述优点，采用MATLAB/Simulink软件对风力发电机组控制进行仿真模拟研究，以便能够在较短的时间内验证控制方案的可行性，直观的看到控制结果。3.2系统主要部件建模仿真3.2.1风力机模型图3-1风机模块本文通过使用MATLAB/simulink对风力机进行建模仿真，风力机的封装模块如下列图所示。其中，Generatorspeed为风机旋转的角速度，Pitchangle为桨距角，Wind图3-1风机模块图图3-1风力机模块图风力机内部模块的结构如3-2所示：图图3-2风力机仿真模型子模块结构如图3-3所示：图图3-3风能利用系数模型3.2.2永磁同步发电机模型因为永磁直驱风力发电系统的风力机和永磁发电机轴直接连接，风力机转速也将随着风速的变化而变化，致使发电机的转速随着风速的变化而变化。永磁同步发电机和电动机的工作原理相同，但是功能恰恰相反。如果转子由于施加动力矩而转动，定子中便会产生三相对称的交流电。根据电机理论知识可知，当给永磁同步电动机输入了机械转矩时，将由电动机运行状态转成发电机运行状态。本文采用Matlab/Simulink/SimPowerSystems中的永磁同步电机(PMSM)模块。如果输入的转矩为正，该模块便为电动机模式，如果输入的转矩为负，该模块为发电机模式，所以可以把风力机输出机械转矩乘以-1，当作永磁同步发电机(PMSG)的输入转矩。本篇论文PMSG参数设置如下列图所示。图图3-4发电机参数3.2.3整流器模型把风力发电机输出的三相交流电转换成直流电是整流器的主要作用，然后经过直流电压变换器提供给负载。整流器主要分成两种，一种是可控整流器，而另一种是不可控整流器，可控的整流器一般应用于功率比拟大的系统中，可以改善电感过大造成的体积大与损耗大等缺点；而不可控的整流器一般应用在比拟小的功率系统中。目前在我国的小型风力发电系统中大量使用三相二极管不可控整流电路。三相二极管不可控整流电路如下图，该电路主要由二极管组成，电路简单、功耗低。图3-5图3-5三相二极管不可控整流电路三相二极管不可控整流电路的仿真模型可以利用6个二极管直接搭建而成，也可以利用MATLAB/Simulink/SimPowerSystems中的UniveralBridge模块，将该模块的桥臂设为3，功率器件设为二极管，然后直接用作三相二极管不可控整流电路。图3-6图3-6simulink三相二极管不可控整流模块3.2.4Boost和驱动模块建模通过选用Matlab/simulink/SimPowerSystems中的电感、电容和功率器件等模块，建立了Boost变换器的仿真模型。图3-7图3-7Boost电路模型图3-8PWM信号产生模块Boost变换器模块的占空比驱动PWM产生模块如下列图所示，其中三角波的周期即为功率器件的开关周期。给出的三角波的输出范围为0到1，如果控制器输出的占空比值大于了三角波的输出值时，便输出高电平，反之，图3-8PWM信号产生模块3.3系统整体仿真模型由于Boost变换器的输入电流是脉动的，这便会产生对输入发电机的电磁干扰，于是在实际应用的时候经常会在整流器和Boost变换器之间参加一个滤波的环节，本文直接使用电容进行滤波。同时由于本文主要研究风电系统的最大功率跟踪控制方法，所以直接把逆变器、负载等效成了纯电阻。图图3-9系统整体仿真模型图风力发电系统最大功率跟踪策略4.1常用最大功率跟踪算法比拟与分析因为自然界的风能是随时变化的、不可以控制的，而且如果外界条件变化如：风速强度的变化、空气密度的变化或者温度和系统组件的老化程度的变化都会影响到风力发电机的输出功率。为了让风力机在使用的过程中发挥其最大的转换效用，需要对风力发电系统功率转换加以约束，使它在不同工作环境不同风速运行的时候，发电机的功率曲线都可以和最正确功率曲线吻合，也就是说总能将从风中获取的能量最大限度的转化成电能，供给负载使用，这种控制方法被称作最大功率追踪法(MaximumPowerPointTracking,MPPT)。目前最大功率点跟踪方法主要有下面的几种:最正确叶尖速比控制方法、功率信号反响控制方法、爬山法、模糊控制法。(1)最优叶尖速比控制(TSRControl)通过测量风速与风力机转速，可以计算出实际叶尖速比，当作控制系统的输入信号，并和给定的参考叶尖速比作比拟，实现最正确叶尖速比控制算法。如果实际叶尖速比偏离参考叶尖速比，由此产生偏差信号，便可以对风力机转速进行调节，直至风速与风力机转速到达最正确的叶尖速比，到达获得最大功率的目的。下列图为叶尖速比算法的控制原理框图:风机转速参考风机转速参考叶间速比控制器风电系统ωR/V风速V+-图4-1最正确叶尖速比法控制框图ω控制原理相比照拟的简单，最正确叶尖速比控制算法容易实现，对风力机的控制只需一个PI控制器。这种算法的缺点需要测量风速与风力机的转速，并且要提前知道风电系统运行时的最正确叶尖速比。对于不同的风力发电系统，最正确叶尖速比的特性曲线不尽相同，但是厂家只是粗略给出了风力机的最正确叶尖速比。如果作为控制信号，便需要知道准确的最正确叶尖速比。并且比拟困难准确地测量风速，风力机周围空气扰动很大。风速传感器一定要装在远离风力机的地方，于是带来了测量的困难，所测风速和风力机安装处的风速有一定的偏差。并且市面上的风速传感器价格比拟昂贵，增加了系统的本钱和维护的困难。由此可以看出，这种方法看似简单，但是实际执行起来却有一定的困难[9]。(2)功率信号反响控制(PSFcontrol)这种控制方法的控制原理是：首先测量出风力机转速，然后根据的不同风速下最优转速-功率曲线，再通过发电机电磁转矩来直接控制发电机的有功功率，实现最大功率曲线跟踪，从而实现对最大风能的捕获。下列图是功率信号反响算法的控制原理框图：控制器控制器风电系统风机机械功率+-风K*角速度ω参考功率图4-2功率信号反响法控制框图由：V=ωRλ得到：Pm=12如果叶尖速比是最正确叶尖速比，对于一个风电系统来说，上式中的所有参数是的，那么上式就以化简成：Pm=kk=12ρπR从上面的推导可以知道，当风力发电系统在最正确的叶尖速比运行时，风机的最大功率和风机角速度的三次方成比例，比例系数如上式所示。所以为了到达获得最大功率的目的，可以控制风机输出功率和角速度三次方成比例。这种方法通过测量风力机的角速度信号和机械功率信号，并对它们进行比拟，得到偏差信号，用它来调节风力发电机的输出，根据这些便可以做到使风力发电机运行在最正确叶尖速比的条件下，追踪到最大功率。但是获取风力机机械功率信号比拟困难，仍然需要安装测量转矩装置，这便增加了风电机组的造价，使其更加复杂。于是在实际应用中，我们可以使用发电机的输出电功率用以代替机械功率信号。虽然该控制算法不需要测量风速，而且和最正确叶尖速比法相比，比拟简单，更加具有使用的价值，但是需要事先知道风机系统固有的最大功率特性曲线，而对于不同的风机系统来说，它们最大功率特性曲线往往是不同的，所以需要提前通过实验或仿真来测得，这便会使得功率信号反响算法的难度与实际应用的本钱有所增加。同时，这种控制算法使用发电机的输出电功率来替代风机的机械功率，而在整个运行风速范围内，发电机的效率是变化的，因此机械功率与电功率的比例关系不固定，结果运行时就会偏离风力机的最大机械功率，即偏离了最正确叶尖速比运行。(3)爬山搜索法(HCScontrol)爬山搜索法通过搜索的方式来找到当前风速的最大功率点。跟踪策略主要依靠当前的工作点位置、电机功率和电机转速。通过计算得到期望的搜索信号,经过控制器得到电磁转矩使风力机转速改变,反复执行上述过程直到到达最大功率点,下列图控制原理图：控制控制风力机+-风电磁转矩爬山搜索法参考转速电机转速电机输出功率图4-3爬山法控制框图爬山算法的优点:需要的系统信息较少,不需要知道具体的关系,只需要知道采样每个时刻的功率值和电机转速。爬山算法的缺点:对于惯量比拟大的风力发电系统,由于时间常数大，使转得速滞后,导致无法进行正确的搜索控制。〔4〕模糊控制(FuzzyControl)模糊逻辑控制(FuzzyLogicControl)也简称模糊控制，是把模糊集合论、模糊语言变量与模糊逻辑推理当作根底的一种计算机数字控制技术。在二十世纪六十年代，美国人首先创立了模糊数学，并提出了相应的基于模糊的集合论概念；数十年后，他总结并提出了有关模糊控制的定义与定理。到了二十世纪七十年代，英国人首先提出模糊控制器的理念，同时将其成功运用到锅炉和蒸汽机的实验室实验中，使用获得了成功[5]。近代控制理论中，模糊控制基于模糊集合理论根底，它和人类逻辑思维模式近似，它的根本原理框图如下列图4-4所示。从图中可以看出，这种控制方法和负反响控制系统流程大致一样，它的差异点在于这种方法它的控制局部采用的是基于模糊控制理论的控制器实现的。输出接口输出接口输入接口参考输入模糊控制器+-图4-4模糊控制框图执行机构对象检测装置输出模糊逻辑法和一般的控制方法相比，它的显著优点有:=1\*GB3①免去了复杂性系统设计，简化了系统；=2\*GB3②它是一种基于语言型控制规那么的控制，这种规那么是确定的、定量的条件语句；=3\*GB3③ 不需要对被控对象建立确定的数学模型，用算式或模糊式语言代替数值来描述系统；=4\*GB3④它基于启发性的知识和语言决策规而设计的，有利于模拟人工控制的方法和过程，增强了控制系统适应能力，使它具有一定的智能水平；=5\*GB3⑤它的系统鲁棒性强，抗干扰和参数变化，尤其适合于非线性、时变系统的控制。此法缺点[6]:控制精度不高,会出现稳态误差；模糊集的定义、确定隶属函数的形状以及规那么表的制定这些关键的设计环节，需要设计人员直觉和经验。4.2本文所用爬山算法实现本文以永磁同步发电机为发电机、以Boost变换器为功率调节电路的小型风力发电系统结构，可以实现最大功率点跟踪。传统的爬山法定步长扰动MPPT策略，如图：图图4-5爬山法控制原理图P(n-1)和P(n)为前一时刻输出功率和当前输出功率值，D(n-1)和D(n)为扰动前和扰动后的占空比值，∆D是占空比扰动值的大小。具体跟踪过程：当P(n)大于P(n-1)时，按原来方向扰动；当P(n)小于P(n-1)时，扰动方向保持原来方向，占空比先回到扰动前的值，继续扰动。第五章仿真结果5.1风力机仿真结果(1)在定风速下的仿真给定风速为V=9m/s并且保持不变，然后改变风机的角速度，使它从0开始不断均匀增加，相邻的转速间隔为2rad/s，得到的输出曲线如下列图所示：图5-2风机转矩图5-2风机转矩与角速度的关系图5-1风机输出功率与角速度的关系图图5-2风机输出转矩与角速度的关系图5-3图5-3风能利用系数和叶尖速比的关系图5-1给出了风力机的输出功率关于风力机角速度的关系图，图5-2给出了输出转矩关于风力机角速度的关系图，图5-3给出了风能利用系数关于叶尖速比的关系图。从图5-1和图5-2可以知道，在风速给定不变的前提下，风力机的输出转矩和输出功率并不在同一个角速度到达最大值，而是有两个角速度，一个最大功率角速度与一个最大转矩角速度。从上图可知两个角速度分别为104rad/s和86rad/s，原因是功率和转矩之间有一个转速的因子，而转速是不是不变的，所以功率和转矩不能在同一个转速下到达最大值。从图5-3可以知道，风能利用系数关于叶尖速比的抛物线函数，在某个风速情况下，存在唯一的叶尖速比能够使风能利用系数到达最大值，相应的这个叶尖速比也被称作最正确叶尖速比，从图上可以知道叶尖速比为8.1时风能利用系数到达最大值0.48，小于理论最大值0.593，符合贝茨理论。(2)在不同风速下的仿真通过在不同风速情况下对风机进行仿真，来验证最大功率跟踪控制的根本原理。在不同风速的情况下，研究风机的输出功率和角速度的关系。仿真风速变化范围为6m/s到12m/s，风速间隔是1m/s，仿真结果如图5-4和图5-5