千瓦級風力發(fā)電系統(tǒng)建模與設(shè)計
千瓦級風力發(fā)電系統(tǒng)建模與設(shè)計,千瓦,風力,發(fā)電,系統(tǒng),建模,設(shè)計
武漢理工大學本科生畢業(yè)設(shè)計(論文)任務(wù)書
學院：
自動化學院
專業(yè)班級：
電氣1003
姓名：
王凱
學號：
0121011350303
畢業(yè)設(shè)計(論文)題目: 千瓦級風力發(fā)電系統(tǒng)建模與設(shè)計
（一）設(shè)計（論文）主要內(nèi)容：
了解風力發(fā)電原理，設(shè)計一套KW級的風力發(fā)電系統(tǒng)。
（二）完成的主要任務(wù)及要求：
了解風力發(fā)電原理，從異步電機、同步電機、直驅(qū)電機中選取一種適合千瓦級發(fā)電的發(fā)電機建立電機模型，基于matlab軟件建立風力發(fā)電機系統(tǒng)模型，選擇某地全年氣象信息建立風速模型。
（三）完成任務(wù)的時間節(jié)點：
選該題的學生每周必須匯報進展。
第1周，選題。
第3-4周，根據(jù)網(wǎng)上擬定的任務(wù)，在查閱相關(guān)資料后遵照教師要求網(wǎng)上提交并完成開題。
第5周，開題報告審查。
第9周，在網(wǎng)上進行畢業(yè)設(shè)計（論文）中期檢查。
第13周，上傳畢業(yè)論文，指導(dǎo)教師審核批閱畢業(yè)論文，并進行打分。
第14周，學生提出答辯申請。學生將畢業(yè)設(shè)計（論文）裝訂成冊并在答辯前提交答辯組。
第16周-17周，畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯。
（四）必讀參考文獻：
[1]林飛,杜欣.電力電子應(yīng)用技術(shù)的MATLAB仿真.北京:中國電力出版社,2008
[2]陳堅，電力電子學—電力電子變換和控制技術(shù).北京:高等教育出版社，2002
指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日
系主任簽名： 年 月 日
院長簽名(章) 年 月 日
武漢理工大學本科學生畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告
1 目的及意義（含國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀分析）
1.1 主要研究內(nèi)容和意義
國際電工委員會（IEC）針對小型風力發(fā)電機組的最新標準IEC 61400-2定義的小型風力發(fā)電機組，適用于風輪掃掠面積小于200m2，將風能轉(zhuǎn)換為電能的系統(tǒng)。
隨著世界工業(yè)化進程的不斷加快，能源消耗逐漸增加，全球工業(yè)有害物質(zhì)的排放量與日俱增，從而造成氣候異常、災(zāi)害增多、惡性疾病的多發(fā)，因此，能源和環(huán)境問題成為當今世界所面臨的兩大重要課題。由能源問題引發(fā)的危機以及日益突出的環(huán)境問題，使人們認識到開發(fā)清潔的可再生能源是保護生態(tài)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的客觀需要。
在當前能源緊缺的環(huán)境下，風能利用是受國內(nèi)外廣泛重視的新能源項目之一，其最大的優(yōu)點是在目前多種新能源利用中相對制造成本價格是最低的。
現(xiàn)在的流行方式是大型風力發(fā)電機組大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電的形式，然而投資巨大，動輒幾十個億、幾百個億的投入額度，令普通的中小投資者望而生畏。
本次設(shè)計主要研究小型家用kw級風力發(fā)電裝置，這種小型風力發(fā)電機，廣泛使用在多風的海島和偏僻的鄉(xiāng)村。該研究有利于優(yōu)化未來的能源利用模式。在21世紀這個飛速發(fā)展的時代，無論是工業(yè)、科技都在不斷進步著，隨之而來的是對能源的巨大需求。風力發(fā)電這一可再生能源的利用方式能很好地適用這種需求。而作為新興技術(shù)，也有著較大的發(fā)展空間和發(fā)展前景。
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析
2008年統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，當年我國的小型風力發(fā)電機組的產(chǎn)量為78,411臺，裝機容量為72.8MW。其中國內(nèi)銷售39,024臺，裝機容量21.3MW，占總裝機容量的29.3%；出口39,387臺，裝機容量51.5MW，占總裝機容量的70.7%。
另據(jù)不完全統(tǒng)計，到2008年年底，我國共有小型風力發(fā)電機組生產(chǎn)企業(yè)102家，其中，從事小型風力發(fā)電機組開發(fā)、研制、生產(chǎn)的單位共74家（主要風力發(fā)電機組生產(chǎn)廠36家），配套企業(yè)28家，大專院校科研院所10家。作為一個產(chǎn)業(yè)，我國的小型風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的規(guī)模還很小。
小型風力發(fā)電機市場更多見于離網(wǎng)和微型電網(wǎng)應(yīng)用盛行的發(fā)展中國家。在電網(wǎng)無法延伸的地方，及時沒有附加政策的支持，小型風力發(fā)電機也往往是經(jīng)濟可行的，比如在一些孤立的海島上。小型風力發(fā)電的發(fā)展也部分或者全部替代高價燃油、破壞環(huán)境的柴油發(fā)電系統(tǒng)提供可行的替代能源方案。
截至2010年年底，世界小型風力發(fā)電機總裝機容量達到443.3MW。美國總裝機容量約占世界總裝機容量的40%，這主要受益于各級政府制定的可再生能源扶持政策和資金援助。
全球5個主要國家（中國、美國、英國、加拿大和德國）的小型風力發(fā)電機制造廠商占總數(shù)的50%以上。在小型風力發(fā)電機制造商在世界的分布方面，小型風力發(fā)電機仍集中在北美和歐洲的發(fā)達國家，發(fā)展中國家仍繼續(xù)呈現(xiàn)相對緩慢的發(fā)展。具有豐富的風力資源的非洲、東南亞和南美等這些非常適合小型風力發(fā)電機應(yīng)用的地區(qū)還未被開發(fā)。
2 基本內(nèi)容和技術(shù)方案
2.1 研究的基本內(nèi)容
整個小型風力發(fā)電機結(jié)構(gòu)主要包括風輪、傳動系統(tǒng)、發(fā)電機、主機架與機艙、偏航系統(tǒng)、控制與安全系統(tǒng)、塔架和基礎(chǔ)等。各部分功能為：
1、 風輪由葉片、輪轂和變槳系統(tǒng)組成，風電機組通過葉片吸收風能，轉(zhuǎn)換成風輪的旋轉(zhuǎn)機械能。因此風輪是風電機組的關(guān)鍵部件；
2、 傳動系統(tǒng)由主軸、增速齒輪箱、聯(lián)軸節(jié)與機械制動器組成（直驅(qū)式除外）。傳動系統(tǒng)將風輪產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)機械能傳遞到發(fā)電機轉(zhuǎn)子，并實現(xiàn)風輪轉(zhuǎn)速與發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的匹配；
3、 發(fā)電機實現(xiàn)機械能到電能的轉(zhuǎn)換。目前風電機組采用的發(fā)電機形式有多種，包括異步發(fā)電機、同步發(fā)電機、雙饋異步發(fā)電機和永磁發(fā)電機等；
4、 主機架用于安裝風電機組的傳動系統(tǒng)與發(fā)電機，并與塔架頂端連接，機艙罩起保護作用；
5、 偏航系統(tǒng)主要由偏航軸承、驅(qū)動電機、齒輪傳動機構(gòu)、制動器等功能部件組成，主要用于調(diào)整風輪的對風方向。對于小型風力發(fā)電機來說，偏航系統(tǒng)就可以直接用尾舵代替；
6、 塔架是風電機組的支撐部件，承受機組的重量、風載荷以及運行中產(chǎn)生的各種動載荷，并將這些載荷傳遞到基礎(chǔ)。
本次設(shè)計需要研究的主要內(nèi)容包括：
1、 根據(jù)當?shù)厝隁庀蠼L速模型；
2、 小型風力發(fā)電機（離網(wǎng)）整體方案設(shè)計，包括風輪葉片的選型，發(fā)電機的選型等；
3、基于MATLAB的風力發(fā)電機系統(tǒng)模型的建立；
4、對裝置的運動過程進行仿真計算分析；
2.2 技術(shù)方案
用戶
發(fā)電機
變壓器
齒輪箱
圖1 有齒輪箱的風力發(fā)電機組示意圖
圖1為簡單的有齒輪箱的風力發(fā)電機組示意圖。
本次小型風力發(fā)電機擬采用離網(wǎng)型應(yīng)用，即不依賴現(xiàn)有電網(wǎng)而進行獨立發(fā)電的供電方式。適用于傳統(tǒng)電網(wǎng)不能延伸到的地方，小型風力發(fā)電的離網(wǎng)型應(yīng)用，主要分為獨立風力發(fā)電系統(tǒng)、風光互補發(fā)電系統(tǒng)、風柴互補發(fā)電系統(tǒng)和風光柴互補發(fā)電系統(tǒng)等，本次設(shè)計采用獨立風力發(fā)電系統(tǒng)。
風機葉片一般為2～3個，發(fā)電機選配具有低速特性的永磁發(fā)電機。調(diào)速保護采用被動式側(cè)偏調(diào)速保護，風輪的最大功率系數(shù)已提高到0.38～0.42，且啟動風速較低。調(diào)向裝置采用上風向尾翼調(diào)向，風力發(fā)電機軸采用水平軸，考慮到成本問題，小型風力發(fā)電機風輪一般都采用定槳距。調(diào)速裝置采用方式包括風輪偏置和尾翼鉸接軸傾斜式調(diào)速、變槳距調(diào)速機構(gòu)或風輪上仰式調(diào)速。
3 進度安排
第1、2、周：科研調(diào)研，可行性研究；
第3、4、周：論文開題，完成課題總體思想及結(jié)構(gòu)的勾畫，原理框圖的設(shè)計；
第5、6、周：理論分析，原理圖設(shè)計，理論分析，找出關(guān)鍵問題的解決途徑；
第7、8、9、周：建模仿真，數(shù)據(jù)分析；
第10、11周：試驗階段，將試驗數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)進行比較分析，以達到好的效果；
第12、13、14周：論文撰寫，按照標準格式撰寫畢業(yè)設(shè)計論文；
第15、16、周：論文評審閱，論文答辯。
4、參考文獻
[1]林飛,杜欣.電力電子應(yīng)用技術(shù)的MATLAB仿真.北京:中國電力出版社,2008.
[2]陳堅.電力電子學—電力電子變換和控制技術(shù).北京:高等教育出版社，2002.
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[5]張亞彬，馬麗娜，呂志友. 小型風力發(fā)電實用技術(shù)[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2013.9.
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[7]李發(fā)海，王巖. 電機與拖動基礎(chǔ)[M]. 第三版.北京: 清華大學出版社， 2005.8.
[8]李發(fā)海，朱東起. 電機學[M]. 第三版.北京：科學出版社，2001.
[9]張希良.風能開發(fā)利用[M].北京：化學工業(yè)出版社，2005.1
[10]李德孚. 我國小型風力發(fā)電行業(yè)2006年發(fā)展概況及建議[J].可再生能源，2007.
[11]王兆安，劉進軍.電力電子技術(shù)[M].第五版.北京：機械工業(yè)出版社，2009.5.
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[13]申寬育. 中國的風能資源與風力發(fā)電[J]. 西北水電, 2010，1:76-81.
[14]Umar K Mirza, Nasir Ahmad, Tariq Majeed, et al.Wind energy development in Pakistan. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2007, (11) : 2179～2190 .
[15]Em ilio M igoya, Antonio Crespo, ángel Jiménez, et al .Wind energy resource assessment in Madrid region . Renewable Energy, 2007,(32):1467～1483 .
報告人簽字：
年 月 日
5、指導(dǎo)教師意見
結(jié)論：
指導(dǎo)教師簽名：
年 月 日
注：
1．開題報告應(yīng)根據(jù)教師下發(fā)的畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書，在教師的指導(dǎo)下由學生獨立撰寫，在畢業(yè)設(shè)計開始后兩周內(nèi)完成。
2．“設(shè)計的目的及意義”至少800字，“設(shè)計任務(wù)、重點研究內(nèi)容及進度計劃”至少600字。
3．指導(dǎo)教師意見：應(yīng)從選題的理論或?qū)嶋H價值出發(fā)，闡述學生利用的知識、原理、建立的模型正確與否？學生的論證充分否？通過學生的努力，能否完成課題，達到預(yù)期的目標？課題及報告的難度、深度、綜合性、創(chuàng)造性等是否達到本科生應(yīng)該具有的要求。
4．結(jié)論：是否同意進入設(shè)計（論文）階段。
武漢理工大學畢業(yè)設(shè)計（論文）
千瓦級風力發(fā)電系統(tǒng)建模與設(shè)計
學院（系）： 自動化學院
專業(yè)班級： 電氣工程及其自動化專業(yè)1003班
學生姓名： 王凱
指導(dǎo)教師： 黃亮
學位論文原創(chuàng)性聲明
本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本論文不包括任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。
作者簽名：
年 月 日
學位論文版權(quán)使用授權(quán)書
本學位論文作者完全了解學校有關(guān)保障、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向有關(guān)學位論文管理部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)省級優(yōu)秀學士論文評選機構(gòu)將本學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學位論文。
本學位論文屬于1、保密囗，在 年解密后適用本授權(quán)書
2、不保密囗 。
（請在以上相應(yīng)方框內(nèi)打“√”）
作者簽名： 年 月 日
導(dǎo)師簽名： 年 月 日
摘要
人類的生存和發(fā)展離不開能源，能源問題與人類文明的演進息息相關(guān)。隨著社會和經(jīng)濟的發(fā)展，能源的消耗在急驟增長。為了實現(xiàn)人類社會未來的可持續(xù)發(fā)展與解決化石能源帶來的環(huán)境問題，必須大力發(fā)展新型能源，風能就是一種非常清潔的能源。
現(xiàn)在常用于風力發(fā)電的發(fā)電機有雙饋發(fā)電機和永磁直驅(qū)同步發(fā)電機，永磁同步直驅(qū)發(fā)電機相比雙饋發(fā)電機省去了齒輪箱環(huán)節(jié)，減小了因為齒輪箱帶來的機械損耗和設(shè)備的不穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)換效率高，具有優(yōu)越的低電壓穿越能力。本文分析了永磁同步直驅(qū)風力發(fā)電機的工作原理，建立風力發(fā)電系統(tǒng)各部分的數(shù)學模型，并在MATLAB/SIMULINK中搭建仿真模型進行仿真。風力發(fā)電機系統(tǒng)仿真模型包括風速模型、風力機模型、發(fā)電機模型、變流器模型等。仿真對比了不同風速下風力發(fā)電機特性。
關(guān)鍵詞：風力發(fā)電；MATLAB仿真；數(shù)學建模；永磁同步發(fā)電機
Abstract
Human can not live without energy, the energy issue is closely linked with the evolution of human civilization. With the social and economic development, energy consumption grow rapidly. In order to achieve the sustainable development of human society in the future and solve the environmental problems caused by fossil fuels, we must vigorously develop new energy sources, wind energy is a very clean source of energy.
Now doubly-fed generator and direct-drive permanent magnet synchronous generator are commonly used in wind power generation system.Compared to doubly-fed generator,direct-drive permanent magnet synchronous generator eliminates the gearbox links, mechanical instability and loss of power reduced because of gearbox’s elimination.Besides,direct-drive permanent magnet synchronous generator brings high conversion efficiency, with superior low-voltage ride-through capability. This paper analyzes how direct-drive permanent magnet synchronous wind turbine works, and builds mathematical model,simulation model in MATLAB/SIMULINK of each part of wind power system. Wind system simulation model includes wind model, wind turbine model, generator model, rectifiers model. The simulation compares the characteristics of the wind turbine under different wind speed.
Key words:wind power generation； MATLAB simulation； mathematical model； permanent magnet synchronous generator
目錄
第1章 緒論 1
1.1 風力發(fā)電研究的目的及意義 1
1.2 國內(nèi)外小型風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀 1
1.3 發(fā)展我國小型風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的有利條件 2
1.4 論文主要研究內(nèi)容 2
第2章 風力發(fā)電系統(tǒng)介紹 4
2.1 風力發(fā)電系統(tǒng)分類 4
2.1.1 恒速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng) 4
2.1.2 變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng) 5
2.1.3 永磁直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng) 5
2.2 風電機組主要參數(shù) 6
2.2.1 風輪直徑與掃掠面積 7
2.2.2 輪轂高度 8
2.2.3 葉片數(shù) 8
2.2.4 額定風速、切入風速和切出風速 8
2.2.5 風輪轉(zhuǎn)速、葉尖速比 9
第3章 永磁直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學模型 10
3.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) 10
3.2 風速模型 10
3.3 風力機模型 11
3.4 永磁同步發(fā)電機模型 12
3.5 變流器模型 13
3.5.1 不可控整流器+BOOST電路+PWM逆變器 13
3.5.2 PWM整流器+BOOST電路+PWM逆變器 14
第4章 系統(tǒng)MATLAB建模與仿真 15
4.1 系統(tǒng)仿真模塊設(shè)計 15
4.1.1 風速仿真模型 15
4.1.2 風力機仿真模型 16
4.1.3 永磁直驅(qū)發(fā)電機模型 17
4.2 仿真參數(shù)設(shè)定 17
4.2.1 風速仿真模型參數(shù) 17
4.2.2 風力機仿真模型參數(shù) 18
4.2.3 永磁同步發(fā)電機仿真模型參數(shù) 18
4.2.4 變流器仿真模型參數(shù) 19
4.3 仿真結(jié)果及分析 20
4.4 本章小結(jié) 22
第5章 總結(jié)與展望 23
5.1全文總結(jié) 23
5.2課題展望 23
參考文獻 24
致謝 25
IV
武漢理工大學畢業(yè)設(shè)計（論文）
第1章 緒論
1.1 風力發(fā)電研究的目的及意義
國際電工委員會（IEC）針對小型風力發(fā)電機組的最新標準IEC 61400-2定義的小型風力發(fā)電機組，適用于風輪掃掠面積小于200m2，將風能轉(zhuǎn)換為電能的系統(tǒng)[1]。
隨著世界工業(yè)化進程的不斷加快，能源消耗逐漸增加，全球工業(yè)有害物質(zhì)的排放量與日俱增，從而造成氣候異常、災(zāi)害增多、惡性疾病的多發(fā)，因此，能源和環(huán)境問題成為當今世界所面臨的兩大重要課題。由能源問題引發(fā)的危機以及日益突出的環(huán)境問題，使人們認識到開發(fā)清潔的可再生能源是保護生態(tài)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的客觀需要[2]。
在當前能源緊缺的環(huán)境下，風能利用是受國內(nèi)外廣泛重視的新能源項目之一，其最大的優(yōu)點是在目前多種新能源利用中相對制造成本價格是最低的?，F(xiàn)在的流行方式是大型風力發(fā)電機組大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電的形式，然而投資巨大，動輒幾十個億、幾百個億的投入額度，令普通的中小投資者望而生畏。
本次設(shè)計主要研究小型家用千瓦級風力發(fā)電裝置，這種小型風力發(fā)電機，廣泛使用在多風的海島和偏僻的鄉(xiāng)村。該研究有利于優(yōu)化未來的能源利用模式。在21世紀這個飛速發(fā)展的時代，無論是工業(yè)、科技都在不斷進步著，隨之而來的是對能源的巨大需求。風力發(fā)電這一可再生能源的利用方式能很好地適用這種需求。而作為新興技術(shù)，也有著較大的發(fā)展空間和發(fā)展前景。
1.2 國內(nèi)外小型風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀
小型風力機械已經(jīng)有幾十年的歷史，是一項成熟的技術(shù)，最早流行于20世紀初的小農(nóng)場、小牧場中，大多數(shù)用于風力機械提水。在美國農(nóng)村大規(guī)模電氣化項目啟動前，許多農(nóng)場安裝了風力發(fā)電機組為自己供電。但是小型風能設(shè)備的普及率，在美國經(jīng)濟衰退期間和第二次世界大戰(zhàn)后農(nóng)村大規(guī)模電氣化項目啟動后有所降低。最近幾年，由于相當一部分人搬到農(nóng)村沒有電網(wǎng)的地區(qū)居住，以及其他激勵政策的陸續(xù)出臺，小型風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)再次興旺起來。
雖然小型風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)在持續(xù)的發(fā)展，但遠沒有大型風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)那么迅速。到目前為止，全球100w-100kw的小型風力發(fā)電機組生產(chǎn)量為650000-700000臺，裝機容量為200-280mw。最成功的案例是應(yīng)用于分散家庭的小型風力發(fā)電機組，功率往往僅幾百瓦。最大的市場是我國內(nèi)蒙古的戶用系統(tǒng)，也包括一些較大容量為村落供電的風能互補系統(tǒng)，風力發(fā)電機組的單機容量為1-50kw。同時，還有大量的小型風力發(fā)電機組被應(yīng)用到了移動通信基站[3]。
小型風力發(fā)電機組的生產(chǎn)和研發(fā)主要集中在北美、歐洲、和亞洲，而應(yīng)用幾乎遍及全世界。處于小型風力發(fā)電市場領(lǐng)導(dǎo)地位的生產(chǎn)企業(yè)有northern power公司（美國）、energrity公司（加拿大）和bergey windpower公司（美國）等。
在美國和歐洲，小型風力發(fā)電機有70%-80%是并網(wǎng)使用的，并且這一比例正在不斷上升，單機功率較大，一般至少在5kw以上。
小型風力發(fā)電機市場更多見于離網(wǎng)和微型電網(wǎng)應(yīng)用盛行的發(fā)展中國家。在電網(wǎng)無法延伸的地方，即使沒有附加政策的支持，小型風力發(fā)電機也往往是經(jīng)濟可行的，比如在一些孤立的海島上。小型風力發(fā)電的發(fā)展也部分或者全部替代高價燃油、破壞環(huán)境的柴油發(fā)電系統(tǒng)提供可行的替代能源方案。
全球5個主要國家（中國、美國、英國、加拿大和德國）的小型風力發(fā)電機制造廠商占總數(shù)的50%以上。在小型風力發(fā)電機制造商在世界的分布方面，小型風力發(fā)電機仍集中在北美和歐洲的發(fā)達國家，發(fā)展中國家仍繼續(xù)呈現(xiàn)相對緩慢的發(fā)展。具有豐富的風力資源的非洲、東南亞和南美等這些非常適合小型風力發(fā)電機應(yīng)用的地區(qū)還未被開發(fā)[4]。
1.3 發(fā)展我國小型風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的有利條件
我國具有發(fā)展小型風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的有利條件。1）我國是世界上小型風力發(fā)電機組的生產(chǎn)大國。世界上2/3的風力發(fā)電機組是由我國生產(chǎn)制造的，生產(chǎn)成本具有優(yōu)勢。2）風力發(fā)電與其他可再生能源技術(shù)不同，我國擁有生產(chǎn)和研發(fā)小型風力發(fā)電機組的自有技術(shù)和知識產(chǎn)權(quán)，與國際上的先進水平差距不大，產(chǎn)業(yè)的發(fā)展不會受制于別國的技術(shù)。3）小型風力發(fā)電設(shè)備規(guī)格較為齊全，性能較為可靠。我國已經(jīng)能夠生產(chǎn)100w-30kw的風力發(fā)電機組，且設(shè)備的可靠性較高，能夠滿足國內(nèi)各類應(yīng)用場合的需要。同時，我國也已經(jīng)研制出50kw和100kw的風力發(fā)電機組，并開始小批量制造和投入市場，為在我國各領(lǐng)域大量應(yīng)用小型風力發(fā)電機組打下了堅實的基礎(chǔ)。4）我國從20世紀80年代初期就開始批量應(yīng)用小型風力發(fā)電機，從內(nèi)蒙古草原逐步擴展到三北地區(qū)、沿海地區(qū)和湖區(qū)，從邊遠無電地區(qū)的應(yīng)用擴展到通信基站、油田抽油機、城鎮(zhèn)道路路燈等應(yīng)用，已積累了豐富的經(jīng)驗，為今后的成功應(yīng)用打下了堅實的基礎(chǔ)。5）產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的規(guī)模已經(jīng)基本形成。我國擁有世界上最多的小型風力發(fā)電機組制造企業(yè)，所有的零部件生產(chǎn)和供應(yīng)基本上都能立足于國內(nèi)，并有一定的研發(fā)能力。6）我國有豐富的風力資源，10m高度的技術(shù)可利用風能儲量約為2.53億千瓦。對于中小型機組來說，我國的風力資源非常豐富，潛在市場巨大[5]。
1.4 論文主要研究內(nèi)容
本文以獨立運行小型風力發(fā)電系統(tǒng)作為研究對象，本文的工作重點是了解風力發(fā)電原理，選擇某地全年氣象信息建立風速模型,從異步電機、同步電機、直驅(qū)電機中選取一種適合千瓦級發(fā)電的發(fā)電機建立電機模型，基于matlab軟件建立風力發(fā)電機系統(tǒng)模型。本文的主要研究內(nèi)容如下：
第一章， 闡述了離網(wǎng)小型風力發(fā)電這個課題提出的背景、目的和意義，介紹了國內(nèi)外風力發(fā)電發(fā)展概況以及我國發(fā)展小型風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的有利條件，概括總結(jié)了風力發(fā)電相關(guān)技術(shù)的發(fā)展狀況，并簡述了本文的研究內(nèi)容；
第二章， 論述小型風力發(fā)電系統(tǒng)的基本組成及工作原理。介紹了目前比較常見的風力發(fā)電的技術(shù)。包括恒速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)以及變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)，對各種發(fā)電技術(shù)進行了比較；
第三章，根據(jù)當?shù)厝隁庀蠼L速模型；查找風輪資料建立風力機模型；了解風力發(fā)電原理，從異步電機、同步電機、直驅(qū)電機中選取一種適合千瓦級發(fā)電的發(fā)電機建立電機模型；
第四章，對風力發(fā)電基本系統(tǒng)，包括風速、風力機、發(fā)電機的數(shù)學模型進行了全面的分析，說明了風力發(fā)電系統(tǒng)各個部風最通用的模型，對各個數(shù)學模型，應(yīng)用 MATLAB 軟件進行了各模塊的建模，對建好的模型進行仿真，同時對仿真出的結(jié)果進行分析、評價；
第五章，總結(jié)全文的主要工作,并對課題的下一步研究工作進行展望,指出有待改進以及可以進行進一步研究的內(nèi)容。
第2章 風力發(fā)電系統(tǒng)介紹
2.1 風力發(fā)電系統(tǒng)分類
按風力機容量來分，主要有三種：一是小型單個的風力發(fā)電系統(tǒng)，這種系統(tǒng)一般運用于較為偏遠、人口稀少的地區(qū)，風機的容量較小，一般在幾十到幾百千瓦之間，相對于大型風力發(fā)電系統(tǒng)來說，供電穩(wěn)定性較低；二是區(qū)域性的風力發(fā)電系統(tǒng)，由多臺風力機發(fā)電并供給一小片區(qū)域住戶用電；三是大型的風力發(fā)電系統(tǒng)，大型風場建立在風力資源豐富的地區(qū)，將發(fā)出來的電能通過電網(wǎng)供給用戶[6]。
按葉輪旋轉(zhuǎn)的方式風力發(fā)電系統(tǒng)可以分為水平軸風力發(fā)電機和垂直軸風力發(fā)電機兩種。在風力發(fā)電系統(tǒng)出現(xiàn)的早期，人們普遍認為水平軸風力發(fā)電較垂直軸風力發(fā)電有更高的風能利用率，因而對水平軸風力發(fā)電系統(tǒng)研究較多；后來隨著研究的深入和新型葉輪形式的出現(xiàn)，人們慢慢認識到有些垂直軸型風力發(fā)電系統(tǒng)不僅葉尖速比能達到1，甚至還能達到6，變逐漸對垂直軸風力發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生了新的興趣[7]。
按發(fā)電機類型來分又可分為以下幾種：鼠籠型異步發(fā)電系統(tǒng)、繞線式異步發(fā)電系統(tǒng)、雙饋型發(fā)電系統(tǒng)、無刷雙饋發(fā)電系統(tǒng)以及永磁直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)等。其中雙饋型發(fā)電系統(tǒng)和永磁直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)是現(xiàn)如今最常見的兩種用于風力發(fā)電的發(fā)電系統(tǒng)。
在風力發(fā)電發(fā)展的早期階段由于電力電子技術(shù)的限制，人們對風力發(fā)電系統(tǒng)研究主要集中于恒速恒頻型風力發(fā)電系統(tǒng)，即發(fā)出固定頻率的電能必須要在風速合適的情況下。這種恒速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)對風能利用效率低，平均工作時間短。近年來，控制技術(shù)以及電力電子技術(shù)得到飛速的發(fā)展，進而提出了變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)，在變化風速的情況下，通過對葉輪迎風角或電機轉(zhuǎn)速的控制實現(xiàn)恒定功率的電能輸出。本文只是進行簡單的風力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計，沒有涉及到控制部分的內(nèi)容。
2.1.1 恒速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)
在恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)中,風力發(fā)電時發(fā)電機的轉(zhuǎn)速不變,這樣就得到了和電網(wǎng)頻率一樣的恒定的電能。恒速恒頻系統(tǒng)比較簡單,它的發(fā)電機一般為鼠籠式感應(yīng)發(fā)電機和同步發(fā)電機。同步發(fā)電機轉(zhuǎn)速是由電機極對數(shù)和頻率確定的,而鼠籠式感應(yīng)發(fā)電機轉(zhuǎn)速稍微高于同步轉(zhuǎn)速。早期的恒速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)是采用普通三相同步發(fā)電機,同步發(fā)電機的主要優(yōu)點是可以向電網(wǎng)或負載提供無功功率,頻率穩(wěn)定,而且電能質(zhì)量高,可省去無功補償裝置。但在實際利用中，風速的變化是隨機的,因此，風力機輸出轉(zhuǎn)矩很不穩(wěn)定,同步發(fā)電機的結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)又比較復(fù)雜,并網(wǎng)時其調(diào)速性能很難達到同步發(fā)電機所要求的精度,成本較高,所以用在風力發(fā)電機組上使用效果不是很好[8]。
2.1.2 變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)
為了解決恒速恒頻風力發(fā)電中風能利用系數(shù)不高等問題，在上世紀七十年代提出了變速恒頻風力發(fā)電技術(shù)。電機控制技術(shù)的發(fā)展成熟，以及高性能電力電子器件的出現(xiàn)，為風力發(fā)電實現(xiàn)變速恒頻工作提供了技術(shù)基礎(chǔ)。變速恒頻技術(shù)能夠根據(jù)風速的大小，調(diào)整風力機的轉(zhuǎn)速，保持風力發(fā)電機的轉(zhuǎn)速在最佳也尖速比左右，實現(xiàn)最大的風能捕獲。實現(xiàn)變速恒頻的技術(shù)主要有兩個：一個是變槳矩控制，另一個是電機轉(zhuǎn)速控制。
早期變速恒頻的實現(xiàn)方法主要是通過變槳矩來實現(xiàn)，通過不同風速下調(diào)整葉片的攻角來改變風力機的轉(zhuǎn)速。這種方法對葉片的技術(shù)要求較高，葉片需要進行復(fù)雜的氣動特性分析和設(shè)計，葉片制造成本較高。同時葉片的攻角的改變損失了部分風能，無法實現(xiàn)風能利用的最大化。通過對電機電磁轉(zhuǎn)矩的控制來達到調(diào)整電機轉(zhuǎn)速的方法是如今變速恒頻研究的熱點。這種變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)可以分成兩大類：
一種是發(fā)電機定子和電網(wǎng)相連，轉(zhuǎn)子通過電力電子變流器和電網(wǎng)相連的雙饋系統(tǒng)；另一種是通過電力電子變流器直接和電網(wǎng)相連的交-直-交系統(tǒng)[9]。
雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)又可分為雙饋異步風力發(fā)電和無刷雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)。雙饋發(fā)電系統(tǒng)是風力發(fā)電中一種重要的結(jié)構(gòu)，已經(jīng)得到了大范圍的應(yīng)用，運行效果良好。由于風力機的轉(zhuǎn)速較低，而異步電機和普通同步電機需要在轉(zhuǎn)速較高時才能有良好的工作特性，因而這種系統(tǒng)需要齒輪箱對葉輪的轉(zhuǎn)速進行變比，然后與發(fā)電機相連發(fā)電。齒輪箱的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價較高，給系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和維護都帶來了較多問題。
交直交變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)按照發(fā)電機的種類大致可以分成異步型風力發(fā)電系統(tǒng)和永磁同步型風力發(fā)電系統(tǒng)。鼠籠型異步發(fā)電機結(jié)構(gòu)簡單、結(jié)實耐用。它的定子經(jīng)過變流器和電網(wǎng)相連，通過控制變流器的電流和功率等因素來實現(xiàn)對機側(cè)轉(zhuǎn)速控制和網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)控制。這種結(jié)構(gòu)主要有兩個方面的問題，一方面是上面所提到的齒輪箱的問題，另一方面由于全部的能量都需要經(jīng)過變流器送入電網(wǎng)，對變流器的功率和耐壓等級都較高，需要大容量的變流器。
2.1.3 永磁直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)
隨著電力電子控制技術(shù)以及更高電壓電流等級開關(guān)器件的出現(xiàn)，大容量變流器的研制中遇到的困難日漸解決。這為直驅(qū)型風力發(fā)電系統(tǒng)的研究奠定了一定的基礎(chǔ)。本文著重對無齒輪箱的永磁直驅(qū)型風力發(fā)電系統(tǒng)進行研究。永磁同步電機的低速特性良好，無需齒輪箱就能實現(xiàn)較好的風能捕獲和利用。減少了齒輪箱環(huán)節(jié)后，一方面減少了齒輪箱可能給系統(tǒng)帶來的影響，另一方面降低了在齒輪箱上的功率傳遞損耗，提高了整個發(fā)電系統(tǒng)的風能利用率。
風力機是低速旋轉(zhuǎn)機械，一般運行在每分鐘幾十轉(zhuǎn)，而發(fā)電機要保證發(fā)出50Hz的交流電，如采用4級發(fā)電機，其同步轉(zhuǎn)速為1500r/min，所以大型風力發(fā)電機組在風力機與交流發(fā)電機之間裝有增速齒輪箱，借助齒輪箱提高轉(zhuǎn)速。如果風力發(fā)電系統(tǒng)取消增速機構(gòu)，采用風力機直接驅(qū)動發(fā)電機，則必須應(yīng)用低速交流發(fā)電機。
直驅(qū)式風力發(fā)電機是一種由風力直接驅(qū)動的低速發(fā)電機。采用無齒輪箱的直驅(qū)發(fā)電機雖然提高了發(fā)電機的設(shè)計成本，但卻有效的提高了系統(tǒng)的效率以及運行可靠性，可以避免增速箱帶來的諸多不利，降低了噪聲和機械損失，從而降低了風力發(fā)電機組的運行維護成本，這種發(fā)電機在大型風電機組中占有一定的比例。因發(fā)電機工作在較低轉(zhuǎn)速狀態(tài)，轉(zhuǎn)子極對數(shù)較多，故發(fā)電機的直徑較大、結(jié)構(gòu)也更復(fù)雜。目前在實際風力發(fā)電系統(tǒng)中多使用低速多極永磁發(fā)電機。
直驅(qū)永磁發(fā)電機與雙饋式風機相比主要優(yōu)勢如下表[10]。
表2.1 直驅(qū)永磁發(fā)電機與雙饋異步發(fā)電機比較表
性能
永磁直驅(qū)式與雙饋式風機比較
分析
電網(wǎng)兼容性
永磁風機更強
具有優(yōu)越的低電壓穿越能力，可在電網(wǎng)干擾期間內(nèi)保持接入電網(wǎng)。
可靠性
永磁風機更可靠
直驅(qū)永磁風機省去了齒輪箱及其部件，簡化了傳動結(jié)構(gòu)，提高了機組的可靠性。
防護
等級
永磁風機更高
機艙、發(fā)電機、輪轂采用內(nèi)正壓技術(shù)，可有效防止潮濕、鹽霧、沙塵的進入，防護等級高。
發(fā)電
效率
永磁風機更高
采用葉輪直接驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，無需電勵磁，減少了電能損耗；同時，沒有齒輪箱等中間部件，傳動鏈短，減少了傳動損耗，提高了發(fā)電效率。
維護
成本
永磁風機較低
采用無齒輪直驅(qū)技術(shù)，減少了風力發(fā)電機組零部件數(shù)量，避免了齒輪箱油的定期更換，降低了運行維護的成本。
2.2 風電機組主要參數(shù)
風電機組的性能和技術(shù)規(guī)格可以通過一些主要參數(shù)反映，如下表，以某型號1.5MW機組為例列出了其主要技術(shù)參數(shù)[1]。
表2.2 某型號1.5MW機組的主要技術(shù)參數(shù)
參數(shù)
數(shù)值
參數(shù)
數(shù)值
額定功率/kw
1500
齒輪箱結(jié)構(gòu)形式
一級行星輪+兩級平行軸斜齒圓柱齒輪
轉(zhuǎn)子直徑/m
77
變槳距控制方式
獨立電動變槳距控制
塔架高度/m
65
制動方式
獨立葉片變槳距控制+盤制動
切入風速/(m/s)
3
偏航控制系統(tǒng)
四個電動齒輪電機
額定風速/(m/s)
12
發(fā)電機類型
感應(yīng)式帶集電環(huán)發(fā)電機
切出風速/(m/s)
20
發(fā)電機極對數(shù)
4
轉(zhuǎn)子
上風向、順時針轉(zhuǎn)動
額定功率/kw
1500
葉片數(shù)
3
功率因數(shù)
0.9-1.0
偏角/度
4
電網(wǎng)連接
通過變流器
轉(zhuǎn)速范圍/（r/min）
11-20
塔架
錐形鋼筒塔架
2.2.1 風輪直徑與掃掠面積
風輪直徑是風輪旋轉(zhuǎn)時的外圓直徑，用D表示。風輪直徑大小決定了風輪掃掠面積的大小以及葉片的長度，是影響機組容量大小和機組性價比的主要因素之一。
根據(jù)貝茨理論，風輪從自然風中獲取的功率為[1]
（2.1）
式中，S為風輪的掃掠面積，
（2.2）
式（2.2）表明，風輪直徑D增加，則其掃掠面積與成比例增加，其獲取的風功率也相應(yīng)增加。早期的風電機組直徑很小，額定功率也相對較低，大型兆瓦機組的風輪直徑在70-80m范圍，目前已有風輪直徑超過100m、額定功率超過若干兆瓦的風電機組投入商業(yè)運行。
2.2.2 輪轂高度
風輪高度是指風輪輪轂中心離地面的高度，也是風電機組設(shè)計時要考慮的一個重要參數(shù)，由于風剪切特性，離地面越高，風速越大，具有的風能也越大，因此大型風電機組的發(fā)展趨勢是輪轂高度越來越高。但是輪轂高度增加，所需要的塔架高度也相應(yīng)增加，當塔架高度達到一定水平時，設(shè)計、制造、運輸和安裝等方面都將產(chǎn)生新的問題，也導(dǎo)致風電機組成本相應(yīng)增加。
2.2.3 葉片數(shù)
風輪葉片數(shù)是組成風輪的葉片個數(shù)，用B表示。選擇風輪葉片數(shù)時要考慮風電機組的性能和載荷、風輪和傳動系統(tǒng)的成本、風力機氣動噪聲及景觀效果等因素。
采用不同的葉片數(shù)，對風電機組的氣動性能和結(jié)構(gòu)設(shè)計都將產(chǎn)生不同的影響?，F(xiàn)代水平軸風電機組風輪的功率系數(shù)比垂直軸風輪高，其中三葉片風輪的功率系數(shù)最高，其最大功率系數(shù)約為0.47,對應(yīng)葉尖速比約為7。
雙葉片和單葉片風輪的風能轉(zhuǎn)換效率略低，其最大功率系數(shù)對應(yīng)的葉尖速比也高于三葉片風輪，即在相同風速條件下，葉片數(shù)越少，風輪最佳轉(zhuǎn)速越高，因此有時也將單葉片和雙葉片風輪稱為告訴風輪。相比之下，多葉片風車的最佳葉尖速比較低，風輪轉(zhuǎn)速可以很慢，因此也稱為慢速風輪。當然，多葉片風輪由于功率系數(shù)很低，因而很少用于現(xiàn)代風電機組。
風輪的作用是將風能轉(zhuǎn)換成推動風輪旋轉(zhuǎn)的機械轉(zhuǎn)矩。因此用于衡量風輪轉(zhuǎn)矩性能的另一個重要參數(shù)是轉(zhuǎn)矩系數(shù)，它定義為功率系數(shù)除以葉尖速比。
從上述分析看，三葉片風輪的性能比較好，目前，水平軸風電機組一般采用兩葉片或三葉片風輪，其中以三葉片風輪為主。
2.2.4 額定風速、切入風速和切出風速
風電系統(tǒng)輸出的電功率與機組設(shè)計風速密切相關(guān)，所謂設(shè)計風速一本包括額定風速、切入風速和切出風速。
額定風速是指風電機組達到額定功率對應(yīng)的風速，額定風速的大小直接影響機組的總體構(gòu)成和成本。額定風速取決于風電機組所在區(qū)域的風能資源分布，需要事先掌握平均風速及其出現(xiàn)的頻率?？梢詤⒄诊L速條件，按一定的原則評估額定風速。
切入風速和切出風速也是反映機組功能的重要設(shè)計參數(shù)，切入風速指風電機組開始并網(wǎng)發(fā)電的最低風速，決定了機組在低風速條件下的性能。切出風速則主要用于在極端風速條件下，對機組進行停機保護。當風速達到切出風速時，機組將實施制動停機。
2.2.5 風輪轉(zhuǎn)速、葉尖速比
葉尖速比是描述風電機組風輪特性的一個重要的無量綱量，定義為風輪葉片尖端線速度與風速之比，即
（2.3）
式中，R為風輪的最大旋轉(zhuǎn)半徑，或葉尖半徑（m）；為風輪角速度（rad/s）；為風速（m/s）。
圖2.1 定槳距風力機性能曲線
對于特定的風輪形式，其功率系數(shù)與葉尖速比的關(guān)系曲線確定，如圖（2.1）中三葉片風輪的曲線，形狀如同一個山包。在某一葉尖速比值處，功率系數(shù)達到最大值，此時風輪吸收的風能最多，對應(yīng)的葉尖速比值成為最佳葉尖速比。風電機組的風輪的主要設(shè)計目標是盡可能的多吸收風能，因此在低于額定風速的區(qū)域，希望使風輪盡可能工作在最大功率系數(shù)附近，即風輪轉(zhuǎn)速與風速的比值盡可能保持在最佳葉尖速比附近。由于風速是連續(xù)不斷變化的，因此需要對風輪的轉(zhuǎn)速進行控制，使之與風速變化匹配。對于風輪轉(zhuǎn)速的控制有恒速、雙速和變速控制等多種方式，相關(guān)內(nèi)容見本章2.1節(jié)。
第3章 永磁直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學模型
3.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)
新型的直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)采用低速永磁同步發(fā)電機，通過功率變換電路直接并入電網(wǎng)。本文研究的是離網(wǎng)型風力發(fā)電系統(tǒng)的建模仿真，所以不需要接入電網(wǎng)，只需將發(fā)電機發(fā)出的交流電整流即可。直驅(qū)型風力發(fā)電系統(tǒng)主要包含風力機、永磁同步發(fā)電機、電力電子變流系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖。
圖3.1 風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
風力機和永磁同步發(fā)電機通過軸系直接耦合，使系統(tǒng)的可靠性得到提高，由于不存在齒輪箱連接部件，降低了系統(tǒng)的運行噪聲，也使發(fā)電機的維護工作量大大降低。風力機輸出轉(zhuǎn)矩驅(qū)動永磁同步發(fā)電機發(fā)電，發(fā)出的交流電經(jīng)整流器整流，濾波后逆變，最后送給用戶，整流后還可給蓄電池組充電備用。本文只需考慮逆變之前的部分,同時由于能力及所學知識有限，控制電路部分沒有進行仿真設(shè)計。
3.2 風速模型
由于風速具有隨機性和間歇性的特點，本文中的風速模型采用四分量疊加法的風速模型，即基本風、陣風、漸變風、隨機風這四種風速[13]?；撅L即為年平均風速。陣風描述的是風速突然變化的情況，陣風數(shù)學模型為
（3.1）
漸變風描述的是風的漸變特性，其數(shù)學模型為
（3.2）
隨機風模擬的是風速變化的隨機特性，在建模時用隨機數(shù)代替。
3.3 風力機模型
風力機是用來捕捉風能 并將捕捉到的風能轉(zhuǎn)化為機械能的裝置，其捕捉風能的多少決定了整個風力發(fā)電系統(tǒng)的有功出力的多少。
風力機基本特性，即風輪的空氣動力特性，通常由一簇包含風能利用系數(shù)和葉尖速比的無因次性能曲線來表達。葉尖速比可以表示為
（3.3）
式中，為風力機風輪角速度（rad/s）；為葉片半徑（m）；為主導(dǎo)風速（m/s）。
代表了風輪從風能中吸收功率的能力，它是葉尖速比和漿距角的高階非線性函數(shù)，理論研究中可采用以下函數(shù)計算：
（3.4）
（3.5）
根據(jù)式(3.4),（3.5）風能利用系數(shù)隨葉尖速比變化的曲線如圖（3.2）所示。
圖3.2 風力機性能曲線
可以看出曲線對槳距角的變化規(guī)律：當葉片槳距角逐漸增大時，曲線將顯著的縮小。如果保持槳距角不變，用一條曲線就能描述出它作為的函數(shù)的性能和表示從風能中獲取的最大功率。
一臺風輪半徑為R的風輪機，在風速為v時，所產(chǎn)生的機械功率為
（3.6）
機械轉(zhuǎn)矩為
（3.7）
式中，ρ為空氣密度（）；為風輪半徑（m）;為風輪機的功率系數(shù);為槳距角；為風速。
3.4 永磁同步發(fā)電機模型
永磁同步發(fā)電機不需要電勵磁，具有效率高、運行可靠、噪聲小，維護量小、風速適應(yīng)范圍寬，控制簡單、有功和無功控制靈活等諸多顯著優(yōu)點，在風力發(fā)電系統(tǒng)中越來越受到歡迎。
直驅(qū)風力發(fā)電機的風輪機與低速永磁發(fā)電機軸直接結(jié)合在一起，風速隨機性變化，然后風機的轉(zhuǎn)速也跟著變化，導(dǎo)致發(fā)電機的轉(zhuǎn)速也隨之變化。
為了簡化永磁同步發(fā)電機的數(shù)學模型，假設(shè)永磁同步發(fā)電機為理想電機[14]：
1） 忽略發(fā)電機鐵芯的飽和；
2） 轉(zhuǎn)子上沒有阻尼繞組，忽略發(fā)電機中的渦流損耗和磁滯損耗；
3） 不考慮在不考慮在電機運行時永磁體磁鏈會受到外界條件的影響,也就是說,認為永磁體工作時的磁鏈為一固定常數(shù),且永磁體在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢是正弦。
為了分析永磁同步發(fā)電機的動態(tài)性能，基于旋轉(zhuǎn)坐標軸建立起數(shù)學模型如下
電壓方程
（3.8）
磁鏈方程
（3.9）
電磁轉(zhuǎn)矩方程
式中，、分別為電機端電壓軸分量；、分別為定子磁鏈軸分量；、分別為定子電流軸分量；為發(fā)電機中永磁體建立的磁鏈幅值；、分別為軸同步電感；為電角速度；為發(fā)電機轉(zhuǎn)子極對數(shù)。
由上面給出的公式可知，永磁同步發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩與定子q軸電流成正比，調(diào)節(jié)電流即可調(diào)節(jié)永磁同步發(fā)電機組的電磁轉(zhuǎn)矩，從而調(diào)節(jié)永磁同步發(fā)電機和風力機的轉(zhuǎn)速，是永磁同步發(fā)電機與風力機達到最佳輸出狀態(tài)。在MATLAB仿真平臺中有封裝好的模塊，直接調(diào)用即可。
3.5 變流器模型
根據(jù)拓撲結(jié)構(gòu),直驅(qū)式風力發(fā)電系統(tǒng)主要可以分為以下幾種:1)不可控整流器+晶閘管逆變器;2)不可控整流器+PWM逆變器;3)不可控整流器+Boost電路+ PWM逆變器;4) PWM整流器+PWM逆變器。在此提出兩種常用變流器拓撲結(jié)構(gòu)。
3.5.1 不可控整流器+BOOST電路+PWM逆變器
圖3.3 不可控整流器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
圖（3.3）為常見的變流器結(jié)構(gòu)之一:不可控整流器+Boost電路+PWM逆變器。
發(fā)電機發(fā)出的交流電的幅值和頻率都是不斷變化的,在頻率和幅值不斷變化的交流電后接一個不可控整流器,把交流電轉(zhuǎn)化為直流電。因為使用的是不可控的整流器,它具有有非線性特性,這樣輸出來的電流具有很大的諧波,發(fā)電機的功率因數(shù)會因此降低,如果諧波含量較高,嚴重時會發(fā)生振蕩。直流電通過不可控整流器整流輸出時，電壓值比較低,這樣PWM逆變器的運行特性變差。因為存在上面的問題,我們在整流器和逆變器中間增加了一個環(huán)節(jié),加入DC-DC boost升壓電路結(jié)構(gòu),來起到升壓作用,把直流電的電壓升高,達到PWM逆變器的要求,這樣會有效地提高PWM逆變器的工作效率。
但是,因為不控二極管整流橋具有非線性特性,它的使用會使得整流橋輸入側(cè)的電流特性發(fā)生嚴重畸變,降低發(fā)電機的效率,也增加了電路內(nèi)部損耗。此外,Boost升壓電路在工作時要借助直流電感進行能量的存儲和釋放,由于電感中流過單極性脈動電流,造成電感嚴重偏磁,極易飽和,所以需要采用大氣隙甚至空心電感,這將大大增加電感的體積、重量和成本。
3.5.2 PWM整流器+BOOST電路+PWM逆變器
圖3.4 PWM整流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
PWM整流器+BOOST電路+PWM逆變器結(jié)構(gòu)圖如圖（3.4）所示。
將圖（3.3）中的不控整流橋部分換成PWM整流器得到如圖（3.4）所示的背靠背結(jié)構(gòu),所以該設(shè)計方案也叫背靠背PWM變流器結(jié)構(gòu)。釆用PWM整流技術(shù),將頻率和幅值變化的交流電整流成恒定直流。
這種結(jié)構(gòu)中,發(fā)電機的PWM整流器通過調(diào)節(jié)定子側(cè)的交直軸的電流,控制發(fā)電機輸出的電磁轉(zhuǎn)矩和定子的無功功率大小,一般會把無功功率設(shè)定為0。這樣當發(fā)電機運行在變速恒頻狀態(tài)時,小于額定風速,也可以捕獲最大風能；網(wǎng)側(cè)的PWM逆變器也是通過調(diào)節(jié)網(wǎng)側(cè)的交直軸電流,保持直流側(cè)電壓穩(wěn)定,并把有功功率和無功功率的控制解耦開來,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)。
綜合對比上述各種方案的優(yōu)缺點,考慮成本和設(shè)計難度等因素,本文選用不可控整流器。
第4章 系統(tǒng)MATLAB建模與仿真
4.1 系統(tǒng)仿真模塊設(shè)計
因為電力系統(tǒng)電壓等級和安全等因素的要求,仿真是電力系統(tǒng)分析的有效途徑之一。以前的電力系統(tǒng)數(shù)字技術(shù)仿真技術(shù),往往局限研究人員自己進行建模仿真。其數(shù)學模型是否真實描述實際情況,將在很大程度上影響到仿真是否取得成功。Matlab是當前比較通用的一種仿真軟件,它具有強大的控制和仿真能力,并開發(fā)了電力系統(tǒng)仿真工具箱(Simpower)[18],在電力電子和電力系統(tǒng)中均有廣泛的應(yīng)用。風力發(fā)電系統(tǒng)是電力電子與電力系統(tǒng)的結(jié)合,本論文采用Matlab/Simulink仿真軟件,對永磁直驅(qū)風電系統(tǒng)的所有模型進行建模和仿真。
本章按照第三章中的風力發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學模型建立仿真模型,對風力發(fā)電系統(tǒng)進行仿真研究。
系統(tǒng)仿真圖如下，在下面的小節(jié)中會有各個模塊的介紹。
圖4.1 系統(tǒng)仿真圖
4.1.1 風速仿真模型
根據(jù)上一章關(guān)于風速的數(shù)學模型在MATLAB\SIMULINK中建立仿真模型，需要輸入的參數(shù)有:陣風起始、持續(xù)時間,陣風的峰值風速,漸變風的開始、終止和保持時間, 漸變風的峰值風速以及基本風的風速。仿真模型如下圖。
圖4.2 風速仿真模塊
上圖為系統(tǒng)仿真圖中wind子模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從上到下分別為漸變風、陣風、隨機風、基本風。輸出為風速（m/s）。
4.1.2 風力機仿真模型
下圖是由風力機數(shù)學模型建立的風力機仿真模型，輸入為風速和發(fā)電機轉(zhuǎn)速，輸出為風力機轉(zhuǎn)矩和功率。
圖4.3 風力機仿真模塊
4.1.3 永磁直驅(qū)發(fā)電機模型
永磁直驅(qū)同步發(fā)電機模型直接在SIMULINK仿真庫中調(diào)用，Tm為輸入轉(zhuǎn)矩接口，m為發(fā)電機各運行參數(shù)輸出接口。A,B,C為輸出三相交流電。
圖4.4 發(fā)電機仿真模塊
4.2 仿真參數(shù)設(shè)定
4.2.1 風速仿真模型參數(shù)
漸變風最大值設(shè)為3m/s,起始時間為0s，終止時間為2s，各參數(shù)設(shè)置在simulink中用constant模塊實現(xiàn);陣風最大值為3m/s,起始時間為0s，終止時間為2s，同樣也用constant模塊修改;隨機風用random number模塊實現(xiàn)，參數(shù)設(shè)置如下圖，為了便于觀測風速波形，random number模塊中平均值（mean）設(shè)為0，方差（variance）設(shè)為0.01，初始值設(shè)為0；基本風用constant模塊設(shè)為3.5m/s。風速模型沒有輸入，輸出為風速。
圖4.6 隨機風參數(shù)設(shè)置
圖4.7 風速仿真波形
4.2.2 風力機仿真模型參數(shù)
風力機參數(shù)包括切入風速、切出風速、風輪半徑、槳距角、空氣密度等。風力機的輸入為風速和發(fā)電機轉(zhuǎn)速，其中發(fā)電機轉(zhuǎn)速是由永磁同步電機反饋回來的，風速由風速模型輸出；風力機輸出為風力機發(fā)出功率和轉(zhuǎn)矩。
本次設(shè)定切入風速為2m/s，切出風速為10m/s，風輪半徑為1m，為，取1.225kg/。
4.2.3 永磁同步發(fā)電機仿真模型參數(shù)
永磁同步發(fā)電機在MATLAB/simulink中有已經(jīng)建好的模型，直接調(diào)用即可。永磁同步發(fā)電機的輸入為轉(zhuǎn)矩，由風力機提供；輸出為三相交流電，同時其還有一個測量端口，輸出發(fā)電機的各項參數(shù)，包括定子電流，定子電壓，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩等。永磁同步發(fā)電機具體參數(shù)具體如下圖。
圖4.7 永磁同步電機參數(shù)設(shè)置
4.2.4 變流器仿真模型參數(shù)
變流器采用三相橋式不可控整流，在simulink中選擇Universal Bridge模塊，在參數(shù)設(shè)置對話框中Power Electronic device項選擇Diodes，即為三相不可控整流橋，其他參數(shù)不變。
圖4.8 不可控整流器參數(shù)設(shè)置
4.3 仿真結(jié)果及分析
本節(jié)根據(jù)建立的PMSG風力發(fā)電系統(tǒng)仿真模型，在給定不同的風速值的情況下進行仿真研究。
設(shè)定風速為10m/s，下圖（4.9），（4.10），（4.11）分別為發(fā)電機轉(zhuǎn)矩、定子電壓（三相中的一相）、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、定子電流（三相中的一相）、直流側(cè)電壓波形。以下所有圖中，橫坐標均為時間（單位：s）。
圖4.9 發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩Tn及定子電壓Vs波形
圖4.10 發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速及定子電流波形
圖4.11 整流器直流側(cè)電壓
改變風速，設(shè)為5m/s，重新檢測上面的參數(shù)波形，結(jié)果如下：
圖4.12 轉(zhuǎn)矩及電壓對比圖
圖4.13 轉(zhuǎn)速及電流對比圖
圖4.14 變流器直流側(cè)電壓對比圖
仿真結(jié)果表明，對風速、風輪、發(fā)電機等各個部分建立的數(shù)學模型正確，仿真結(jié)果與實際相符。
4.4 本章小結(jié)
本章針對文中所設(shè)計的小型風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分析了各個部分的原理和風力機的特性曲線，建立了各部分的數(shù)學模型及整個系統(tǒng)的仿真模型，給出了風力發(fā)電系統(tǒng)的特性模擬結(jié)果，包括斬波器的特性仿真、發(fā)電機在不同風速下的發(fā)電機定子電流模擬仿真、發(fā)電機轉(zhuǎn)速以及直流側(cè)輸出電流的對比仿真。仿真結(jié)果證明本文設(shè)計的小型風力發(fā)電系統(tǒng)在理論上是合理的。
第5章 總結(jié)與展望
5.1全文總結(jié)
風力發(fā)電近幾年迅速崛起,尤其直驅(qū)風力發(fā)電成為未來發(fā)展方向。在閱讀了大量中外文獻的基礎(chǔ)上,本論文對直驅(qū)風力發(fā)電變流系統(tǒng)進行了深入研究。永磁同步電機控制靈活,具有較好的性能,應(yīng)用于風力發(fā)電系統(tǒng)時,可與風機直接相聯(lián),形成結(jié)構(gòu)緊湊、效率較高的直驅(qū)式風電系統(tǒng)。風力機是風力發(fā)電系統(tǒng)實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換的主要部分。
本文從分析風力機的相關(guān)理論入手，對模擬系統(tǒng)的控制方法進行了較全面的研究，通過仿真軟件模擬了整個風力發(fā)電的過程。將永磁同步電機應(yīng)用于直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng),在Matlab仿真環(huán)境下對風力發(fā)電系統(tǒng)進行了仿真研究,同時對風力機模擬進行了研究分析,論文工作總結(jié)如下:
首先，介紹了本課題的研究背景，闡述了課題的目的和意義，綜述了國內(nèi)外風力發(fā)電的現(xiàn)狀和風力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展和研究現(xiàn)狀，明確了本文研究內(nèi)容。
其次，針對文中的小型風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分析了各個部分的原理和風力機的特性曲線，建立了各部分的數(shù)學模型及整個系統(tǒng)的仿真模型。
緊接著，本文給出了永磁同步電機基本工作原理,分析磁鏈和電勢、電感等靜態(tài)特性,在此基礎(chǔ)上建立了永磁同步電機的數(shù)學模型。
最后，使用Matlab軟件對整個風力發(fā)電系統(tǒng)進行了仿真實現(xiàn),同時也仿真驗證了風力機模擬的可行性,給出了實驗波形，并對實驗結(jié)果分析,比較波形與理論的區(qū)別。
5.2課題展望
本文是基于理論的研究，結(jié)合仿真得到的一些有意義的結(jié)論，為風力發(fā)電系統(tǒng)的實際工作，建立了一個良好的開端。由于作者水平和時間有限,仍然有許多問題需要作進一步研究,具體有以下幾個方面:
第一，風力發(fā)電技術(shù)是一個相對較新的領(lǐng)域，其技術(shù)涉及空氣動力學，機械學，控制理論，電力電子技術(shù)，計算機技術(shù)。對于變速恒頻風力發(fā)電技術(shù)，還有很多的問題需要進行深入的研究。由于風的變化是沒有規(guī)律，風力發(fā)電系統(tǒng)運行在一個不斷變化的環(huán)境中，因此對系統(tǒng)的可靠性具有非常嚴格的要求。本文對風電系統(tǒng)的建模主要基于理論上理想的數(shù)學模型，忽略了很多因素可能對風電系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。
第二，本文僅僅是對風力發(fā)電的過程進行了簡單的仿真模擬，沒有涉及到更復(fù)雜的控制電路部分，雖然介紹了一些控制策略，但由于水平有限，沒能實現(xiàn)更精確的控制。
第三，本文設(shè)計在Matlab仿真平臺上運行良好,但是沒有使用變流器等電子器件做出實物來驗證。在實物實驗中,由于功率較大,一個大的難題就是開關(guān)器件的容量問題,以后的研究中可以在這方面做出一些工作。
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致謝
時間飛逝，大學的學習生活很快就要過去，在過去的學習生活中，我收獲了很多了，而這些成績的取得是和一直關(guān)心幫助我的人分不開的。
畢業(yè)論文暫告收尾，這也意味著我在武漢理工大學自動化學院的四年的學習生活既將結(jié)束。在這四年的時間里，我在學習上和思想上都受益非淺。這除了自身努力外，與各位老師、同學和朋友的關(guān)心、支持和鼓勵是分不開的。
在此，我特別要感謝我的導(dǎo)師黃亮老師對我的悉心指導(dǎo)。我的論文書寫及設(shè)計過程中給了我大量的幫助和指導(dǎo)，為我理清了設(shè)計思路和操作方法，并對我所做的課題提出了有效的改進方案。同時，黃亮老師淵博的知識、嚴謹?shù)淖黠L和誨人不倦的態(tài)度給我留下了深刻的印象。從他身上，我學到了許多能受益終生的東西。再次對黃亮老師表示衷心的感謝。
其次，我要感謝大學四年中所有的任課老師和輔導(dǎo)員在學習期間對我的嚴格要求，感謝他們對我學習上和生活上的幫助，使我了解了許多專業(yè)知識和為人的道理，能夠在今后的生活道路上有繼續(xù)奮斗的力量。
另外，我還要感謝大學四年和我一起走過的同學朋友對我的關(guān)心與支持，與他們一起學習、生活，讓我在大學期間生活的很充實，給我留下了很多難忘的回憶。
最后，我要感謝我的父母對我的關(guān)系和理解，如果沒有他們在我的學習生涯中的無私奉獻和默默支持，我將無法順利完成今天的學業(yè)。
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