永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機建模報告.docx

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1、永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機建模報告（改4）2012.5一、按變流器拓?fù)浞诸?、不可控整流+逆變器拓?fù)鋱D1不控整流+電壓源型逆變器不控整流+逆變器構(gòu)成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單,由二極管整流電路將PMSG發(fā)出的交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?然后由電壓源型逆變器VSI轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?送入電網(wǎng)。由不控整流得到的直流側(cè)電壓隨輸入而變化,通過全控型器件構(gòu)成VSI,可以通過改變調(diào)制比來實現(xiàn)并網(wǎng)電壓頻率和幅值恒定;這種拓?fù)淇梢赃M(jìn)一步提高開關(guān)頻率,減小諧波污染,靈活調(diào)節(jié)輸出到電網(wǎng)的有功功率和無功功率,從而調(diào)節(jié)PMSG的轉(zhuǎn)速,使其具有最大風(fēng)能捕獲的功能;缺點是不能直接調(diào)節(jié)發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩,動態(tài)響應(yīng)較慢,不控整流會造成定子電流諧波含量

2、較大,會增大電機損耗和轉(zhuǎn)矩脈動,并且當(dāng)風(fēng)速變化范圍較大時,VSI的電壓調(diào)節(jié)作用有限。2、不控整流+DC/DC變換+逆變拓?fù)渫ㄟ^增加DC/DC變換器,可以實現(xiàn)輸入側(cè)的功率因數(shù)校正(PFC),提高發(fā)電機的運行效率;同時當(dāng)風(fēng)速變化時,不控整流得到的電壓也在變化,而通過DC/DC變換器的調(diào)節(jié)可以保持直流側(cè)電壓的穩(wěn)定,并能對PMSG的電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制,實現(xiàn)變速恒頻運行,使其具有最大風(fēng)能捕獲功能。3、背靠背雙PWM變換器拓?fù)浒l(fā)電機定子通過背靠背變流器和電網(wǎng)連接。發(fā)電機側(cè)PWM變換器通過調(diào)節(jié)定子側(cè)的d軸和q軸電流，控制發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩和定子的無功功率(無功設(shè)定值為0)，使發(fā)電機運行在變速恒

3、頻狀態(tài)，額定風(fēng)速以下具有最大風(fēng)能捕獲功能；網(wǎng)側(cè)PWM變換器通過調(diào)節(jié)網(wǎng)側(cè)的d軸和q軸電流，保持直流側(cè)電壓穩(wěn)定，實現(xiàn)有功和無功的解耦控制，控制流向電網(wǎng)的無功功率,通常運行在單位功率因數(shù)狀態(tài)，此外網(wǎng)側(cè)變換器還要保證變流器輸出的THD盡可能小，提高注入電網(wǎng)的電能質(zhì)量。一、機組各部分?jǐn)?shù)學(xué)模型（一）背靠背拓?fù)?、風(fēng)速模型風(fēng)速模型是進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電研究的源參數(shù)。自然界的風(fēng)，并不是由單一元素構(gòu)成的，在考慮風(fēng)的組成時，可根據(jù)風(fēng)電場實測風(fēng)速數(shù)據(jù)，做出各種風(fēng)速出現(xiàn)的概率分布，由此確定幾種典型的風(fēng)函數(shù)。為了簡單且具備一定的準(zhǔn)確性，常常采用簡化的四種分量模型來模擬風(fēng)速隨時間變化的特征。該模型較精確地描述了風(fēng)速的

4、隨機性和間歇性特點，將自然風(fēng)速分為基本風(fēng)速、陣性風(fēng)、漸變風(fēng)和隨機噪聲風(fēng)，每一部分都易于計算，可以把風(fēng)速的特點集中在較短時間內(nèi)顯示，而且能夠全而檢驗風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)性能。1）基本風(fēng)Vwb基本風(fēng)，在風(fēng)力機正常運行過程中一直存在，基木反映了風(fēng)電場平均風(fēng)速的變化。風(fēng)力發(fā)電機向系統(tǒng)輸送的額定功率大小也主要由基本風(fēng)決定，其可以由風(fēng)電場測風(fēng)數(shù)據(jù)獲得的韋布爾分布參數(shù)近似確定。一般認(rèn)為基本風(fēng)速不隨時間變化，因而可以取常數(shù)。2）陣性風(fēng)Vwg陣性風(fēng)，用于描述風(fēng)速突然變化的特性。在電力系統(tǒng)動態(tài)分析中，特別是在分析風(fēng)電系統(tǒng)對電網(wǎng)電壓波動的影響時，通常用它來考核系統(tǒng)在較大風(fēng)速變化情況下的動態(tài)特性。Vwg用于表述風(fēng)

5、速的突然變化，在3個時間段內(nèi)有不同的風(fēng)速，其表達(dá)式為式中，為陣性風(fēng)最大風(fēng)速；為陣性風(fēng)的起始時間；為陣性風(fēng)的持續(xù)時間。3）漸變風(fēng)VwrVwr用于描述風(fēng)速中逐漸的變化成分，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為其中，為漸變風(fēng)最大風(fēng)速；分別指漸變風(fēng)的開始和結(jié)束時間。4）隨機噪聲風(fēng)VwnVwn用以描述在指定的高度的風(fēng)速變化的隨機風(fēng)的特性，山許多諧波分量構(gòu)成，其表達(dá)式為:其中，為風(fēng)速波動的平均間距，常取0.5π-2π；為初相角，是0-2π之間均勻分布的隨機變量，Ram(-1,1)為(-1,1)之間均勻分布的隨機數(shù)，是隨機風(fēng)速分量的最大值。綜合上述四種風(fēng)速描述，由此可建立組合風(fēng)速數(shù)學(xué)模型:2、風(fēng)輪的數(shù)學(xué)模型風(fēng)輪是捕獲

6、風(fēng)能的部件，根據(jù)空氣動力學(xué)原理，風(fēng)輪捕獲的功率為：其中為空氣密度，為風(fēng)速，為風(fēng)輪的掃略面積，有，R為風(fēng)輪的半徑。為風(fēng)能利用系數(shù)，他是葉尖速比和槳距角的函數(shù)，即為風(fēng)速和風(fēng)機轉(zhuǎn)速的比值。的值是比較復(fù)雜的，他決定了風(fēng)能利用的效率。合理的選擇這個值可以使風(fēng)機運行在最大效率處。一般來講，的曲線都是由風(fēng)輪的制造商以查表的形式給出的。但是，這個參數(shù)實際上和受到許多因素的影響，比如內(nèi)部因素，包括風(fēng)輪本身的結(jié)構(gòu)外形，外部因素，比如風(fēng)機運行環(huán)境下的風(fēng)速，濕度，空氣密度，以及氣溫等。實際運行中，這個參數(shù)還會發(fā)生變化。因此實際上很難對這個參數(shù)給予準(zhǔn)確的描述。本文中則采用一種近似的代數(shù)模型來表示，其表達(dá)式如

7、下：其中，，同時其中的c的取值如下：，這些取值主要根據(jù)實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行估計出來的經(jīng)驗參數(shù)。的值對最大功率捕獲非常的重要。如果知道在某個風(fēng)速下的最大值，那么由上式就可以控制風(fēng)機捕獲最大的功率。綜合上述各式，就可以導(dǎo)出風(fēng)輪上的轉(zhuǎn)矩：3、傳動鏈模型傳動鏈主要是指從風(fēng)輪到發(fā)電機的轉(zhuǎn)子之間的軸，如果是雙饋式的系統(tǒng)，那么中間還要由齒輪箱相連接。一般來說，對風(fēng)機的簡化分析會將風(fēng)輪和發(fā)電機的轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量加在一起，也就是說，認(rèn)為風(fēng)輪和發(fā)電機之間的軸是絕對剛性的，這種模型成為單質(zhì)量模型。但