直驱型风电机组建模及仿真分析本科毕业设计说明书(编辑修改稿)

直驱型风电机组建模及仿真分析本科毕业设计说明书(编辑修改稿)内容摘要：

十八大 建设生态美丽中国的目标打下坚实的能源基础。 与此同时，我国从风电大国转变为风电强国，风电成为社会主要电源，使用清洁能源的观念将深入人心。 风电技术的发展趋势 变速恒频方式迅速取代恒速恒频方式。 变速恒频方式可通过调节机组转速追 踪最大风能，提高了风力机的运行效率。 变桨距功率调节方式迅速取代定桨距调 节方式。 采用变桨距功率调节方式避免了定桨距功率调节方式中超过额定风速时 发电功率下降的缺点。 今后采用变桨变速功率调节方式的风电机组还会大幅上升，取代落后的定桨恒速功率调节方式。 机组单机容量不断上升。 风电机 组单机容量越大则发电效益也就越高，单位千瓦的造价就越低，正是基于经济效益的优势，单机容量逐步提高成为国际风电设备技术的主要趋势之一，但是研制和生产的技术难度也加大。 随着电力电子技术的发展，近几年来变速恒频风机得到了快速发展，并成为 市场的主流技术。 同时，随着全功率变流技术正在兴起，无齿轮箱系统的市场份 额也在迅速扩大，其取消了沉重的增速齿轮箱，发电机轴直接连接到风机轴上， 转子的转速随风速而改变，其交流电的频率也随之变化，经过置于地面的大功率 电力电子变换器，将频率不定的交流电整流成直流电，再逆变成与电网 同频率交 流电输出。 为了提高风力发电系统效率和运行可靠性，目前风力发电系统正在向 取消增速机构的由风力机直接驱动永磁发电机的趋向发展，并已在不同功率等级 的风力发电系统中得到应用。 根据风能条件，直驱永磁风力发电机转速可以在一个相对较宽的范围内变化，从而使风力机在不同的风速都能输出最大的功率。 这样的变速运行有很多优点，比如：缩短驱动链、减小机械应力、提高输出电能质量、增加能量捕捉等。 风力机的制造正朝着半径更大、性能更优的方向发展。 使用直驱发电机能大大减少发电机组转动部分组件数量。 对风力发电来说，直驱方案是更有 前景的选择。 现将直驱式风力发电系统和双馈式风力发电系统以表格的形式进行对比，如下所示： 对比内容 异步双馈 永磁直驱 驱动链结构 有齿轮箱，维护成本高 无齿轮箱或低传动比 （半直驱） 电机种类 电励磁 永磁 电机尺寸、重量、造价 小，轻，低 高，大，重 电机电缆的电磁释放 有释放，需要屏蔽线 无释放 电机滑环 半年 换碳刷， 2年 换滑环 无碳刷，无滑环 变流单元 IGBT，单管额定电流小，技术难度大 IGBT，单管额定电流大， 技术难度小 变流容量 全功率的 1/4 全功率逆变 变流系统稳定性 中 高 电网电压突降的影响 电机端电流、电机转矩急增 电流、转矩稳定 塔内电缆工作电流类型 高频非正弦波，谐波分量较大，必须使用屏蔽电缆 正弦波 可承受瞬间电压波动 [10%, +10%] [85%, +10%] 谐波畸变 难以控制，因为要随电机转速变化进行变频 易控制，因为谐波频率稳定 50Hz/60Hz 之间的配置变化 变流滤波参数需调整，齿轮箱需改变 变流滤波参数需调整 电控系统平均效率 中 高 本论文主要研究 工作 风力发电是一门新式学科，但是它所涵盖的方面非常之广，是一个复杂的系统工程。 本论文为了突出论述重点，从永磁直驱风力发电系统的原理开始入手，队系统各部分进行模型的建立，之后运用相关软件对其进行仿真分析，本论文所展现的内容主要有以下点： 介绍了近年来中国和世界其他各国队风力发电系统的研究进展和发展情况，对比了目前主流应用中的永磁直驱风力发电系统和双馈异步风力发电系统的优缺点。 从原理入手，介绍了 不控整流后接升压斩波电路后接 PWM 型永磁直驱风力发电系统的构成、。 研究了永磁同步发电机的矢量控制的方法，阐述 了虚拟磁链观测法的原理。 对永磁直驱风力发电系统各部分进行了数学建模，有风速模型、风力机模型 轴系模型、永磁式同步发电机模型、不控整流模型、 Boost 模型、 PWM 模型，提出了网侧相关控制策略。 运用 Simulink 的建模功能，建立各部分的仿真模型，对整个系统进行了仿真验证研究，仿真结果表明了模型的正确性和控制策略的有效性以及撰写本论文的必要性。 第 2 章 直驱式风力发电系统运行原理和数学模型 直驱式风力发电系统运行原理 传统风力发电系统，常采用增速齿轮箱来提高风力机的转速，然而齿轮箱不仅会产 生噪声、增加系统故障率，而且会降低风能的利用率。 新型的直驱风力发电系统采用低速永磁同步发电机，通过功率变换电路直接并入电网，大大提高了系统效率。 因此，永磁直驱 式 风 力发 电系统正在成为目前风力发电技术领域的重要发展方向。 从前一章节的分析可以得出，直驱式永磁同步风力发电系统综合优势优于双馈式异步风力发电系统。 直驱型风力发电系统主要构成有： 风力机、永磁同步发电机、电力电子变流系统、控制系统等。 其基本结构如图 2． 1 所示： 图 直驱式风力发电系统原理图 直驱式风力发电系统的风力机与发电机转子直接耦合，所以发 电机的输出端电压、频率随风速的变化而变化。 要实现风力机组并网，需要保证机组电压的幅 值、频率、相位、相序与电网保持一致。 其基本原理是首先将风能转化为幅值和 频率变化的交流电，再经整流之后变为交流，然后经逆变器变换为三相频率恒定 的交流电送入电网。 通过中间的电力电子变换环节来对系统的有功和无功功率进 行控制，以达到最大风能追踪的目的。 直驱系统有如下优点：首先，永磁同步发电机 具有结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高、可靠性高的特点。 该系统中 的永磁同步发电机是低速电机，它能与风力机很好的匹配，风力机可以 和永磁发电机直接耦合，省去了其 它风力发电系统中的增速箱，使机组结构大大简化，减少发电机的维护工作并且降低噪声：其次，该方案在一定程度上实现了系统的解耦控制，提高系统运行可靠性，可以独立设计逆变器部分。 无齿轮驱动的转速低， 力矩大，转子直径大，转子极间的间隙很小，对定子开槽的要求很高，造价昂贵，因此采用的是多极外转子结构，包括固定轴、转动轴、线圈绕组、永磁磁钢、铁心、定子和外转子。 发电机无自带冷却风扇或外装冷却风扇，因而结构简单，损耗小，提高了整机组的可靠性和寿命，减少了运行和维护费用。 电力电子变流装置可以根 据要求进行有功功率、无功功率及频率输出的任意调节，谐波分量低，具有很强的低电压穿越能力，以适应电网扰动，并网特性完全满足目前国际上最新风电并网技术标准的要求。 系统各部分数学模型 风电机组以风作为原动力，风速 则 直接决定了风电机组的动态特性。 要掌握风电机组的动态特性，就必须获得风电场短期的风速波动数据，如秒级的风速。 本论文采用将四个风速分量合成代表现实风速的方法， 这种方法考虑了风速 的 随机分量分布谱密度、风速 的 频率、地表 的 粗糙度和扰动范围，能够比较全面地模拟 现实 风速变化，本文在 进行变速恒频风电机组的动态仿真时，将风速 的 模型简化为 4种典型的风速变化情况，即基本风 AV 、阵风 BV 、渐变风 CV 和随机风 DV。 的运行状态下，一般 处于同一功率水平，我们可以将基本风 AV 定义为常数值。 ，风速有可能发生突然地变化，我们定义阵风 BV 如下所示：      GGGGGGGGGBTTtTTtTTtTTTtGv 111121m a x0//2c o s12/0 其中： BV ：阵风风速分量，单位为 m/s； GT ：周期，单位为 S； )( GT1 ：阵风启动时间，单位为 S； maxG ：阵风峰值； ，风速会有一个缓慢的渐变特性，因此我们把这一特性定义为渐变风如下所示：     RRRRRRRRRRRCTTtTTtTRTtTTTTtRTtV222m a x21212m a x10/10 其中： CV ：渐变风分量，单位为 m/s； maxR ：渐变风峰值，单位为 m/s； RT1 ：渐变风起始时间，单位为 s； RT2 ：渐变风终止时间，单位为 s； RT ：渐变风持续时间，单位为 s； ，风湿有波动性质的，为了体现风速的随机扰动特性，我们定义随机风 DV 如下所示：        4/322212/1/122/1c o s2 IFFKiSViNiNiiiiVD 其中： DV ：随机风风速分量，单位 m/s； i ：均匀分布的随机变量，范围介于 0 到 2π； NK ：地表粗糙系数，不同地域数值不同； F ：扰动范围，单位为 m178。 ； )()(  ：相对高 度的平均风速，单位为 m/s； 综上所述：我们将上述四种风速分量叠加用以模拟实际作用在风机上的风速： DCBA VVVVV  在风力发电机组中 ,风力机作为原动机 ,负责将空气的动能转变为机械能 ,之后通过轴系将其传输至发电机把机械能转变为电能 ,它是整个风电系统能量转换的首要部件。 风力机截获流动空气所具有的动能 ,并将风力机叶片迎风扫掠面积内的一部份空气的动能转换为有用的机械能 ,风力机决定了整个风力发电系统装置有效功率的输出 ,也直接影响机组能否的安全、可靠并 且稳定运行。 由风力机的空气动力学特性可知 ,风力机的输入功率为：   ,21 3 pm CVSP  VRW 其中： S：桨叶扫风面积，单位为 m178。 ；  ：空气密度，单位为 kg/m179。 ； V：风速，单位为 m/s；  ：桨叶的浆距角；  ：叶尖速比； w ：风力机转子转速，单位为 rad/s； R：风力机转子半径，单位为 m； PC ：与叶尖速比和浆距角相关的功率系数； 当浆距角为定值的时候，风速和风机转速总是在变化的，我们发现总是存在一个最佳的叶尖速比，使得功率因数最大。 )()()( 风力机从空 气中捕获 的功率如下所示： WWW TP  所以，我们可以将风力机的输出转矩表示如下：   2 ),(23 Pww CVRT  我们通过调节转速为适当值，即可使 Cp 值保持最大，从而捕获最大风能，相关控制策略我将在 下一章体现。 轴系是连接风力机和发电机的中间部件，现将数学模型表示如下： )(220 gwsgge nEssgge nwtursswwturdtdDTKdtdHDKTdtdH 其中： 0 ：同步转速； eT ：发电机电磁转矩； s ：发电机转子转速； s ：为两质块之间相对角位移，单位为 rad； genHHtur和 ：分别为风力机和发电机的惯性时 间常数，单位为 s； gentur DD 和 ：分别为风力机转子和发电机转子的自阻尼系数，单位为 Nm/rad； 由于直驱风力发电机的风轮机与低速永磁发电机轴直接耦合，因此风能的随 机和风速的变化，导致风轮机的转速将随之变化，从而发电机的转速跟随风速而 变化。 永磁同步电机的转子磁极是用永久磁钢制成的，通过对磁极极面形状的设 计使其在定、转子之间的气隙中产生呈正弦分布的转子磁场。 该磁场的轴线与转 子磁极的轴线重合，并随转子以同步速度旋转。 因此矢量控制中的同 步旋转轴系 )()()( 与转子旋转轴系重合。 永磁同步电动机的定子磁场是由定子绕组中通以对称的交 流电建立的，定子磁场在定、转子气隙中也呈正弦分布并以同步速度旋转。 因此， 当负载一定时，定、转子旋转磁场之间的差角一功率角是恒定的，通过折算并保持功率角为 90 度。 这样，永磁同步发动机就和直流电动机基本相同了，可以实现解耦控制，即转子磁场定向的矢量控制。 我们 做以下假设 ，以便对发电机进行系统建模 ： 忽略铁心磁饱和；忽略发电机的齿槽效应；转子磁链在气隙中呈正弦分布。 转子上没有阻尼绕组，不计涡流及磁滞损耗；定子各相绕组参数一样，即各 相绕组的电枢电阻值、电感值等。 永磁同步发电机的三相定、转子空间分布如图 2． 9 所示，三相绕组在空间对称分布，沿逆时针方向各绕组轴线互差 120 度电角度，转子按逆时针方向旋转，在上述规定下，定子绕组将产生三相正序电压。 图 永磁同步发电机定、转子空间分布图 永磁同步发电机定子电压方程如下： 。