直驅(qū)風力發(fā)電機通用模型仿真研究

畢紅續(xù)，李文迪，方雯

(三峽大學 電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002)

直驅(qū)風力發(fā)電機通用模型仿真研究

畢紅續(xù)，李文迪，方雯

(三峽大學 電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002)

本文研究對象為永磁直驅(qū)風力發(fā)電機，提出直驅(qū)風力發(fā)電機通用模型。該通用模型包含通用風力機模型、同步發(fā)電機模型和直驅(qū)風力機傳動模型。模型中風力發(fā)電機采用變槳距技術(shù)，通過改變?nèi)~尖速比實現(xiàn)在不同的風速下實現(xiàn)最大風速追蹤，實現(xiàn)風能利用最大化。基于Matlab/Simulink平臺建立模型，當輸入為變化風速信號時，分析模型輸出結(jié)果，發(fā)現(xiàn)結(jié)果符合風力發(fā)電機特性。由于在研究風力發(fā)電中，風力發(fā)電機模型必不可少，文中所建立的風力發(fā)電機模型簡單可靠具有較強的通用性，具有較強實用性。

風力發(fā)電機；模型；最大風速追蹤；通用模型

1 引言

隨著電力需求的不斷增長與環(huán)境壓力的雙重要求，可再生清潔能源的研究愈來愈熱，由于風力發(fā)電具有良好的發(fā)展前景，開發(fā)利用風力資源對于緩解能源短缺、保護生態(tài)環(huán)境具有重要意義，因此受到世界各國的廣泛關(guān)注，使得風電在全球范圍內(nèi)迅猛發(fā)展[1]。近10年來，全球風力發(fā)電累計裝機容量穩(wěn)步增長[2]。截至2013年，全球風力發(fā)電的累計裝機總?cè)萘恳堰_到3.18億千瓦，排名前五位的國家依次為中國、美國、德國、西班牙、印度。

2012年我國風力發(fā)電的并網(wǎng)總電量達到了77000kW，連續(xù)兩年位居全球第一，且年發(fā)電量總量超過1000億千瓦時，占當年全國總發(fā)電量的2%，已經(jīng)成為我國第三大主力電源，對于優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、促進節(jié)能減排有明顯作用。目前我國風電發(fā)展面臨前所未有的發(fā)展機遇與挑戰(zhàn)。因此積極研究風力發(fā)電機仿真技術(shù)將，有助于加快我國風力發(fā)電的發(fā)展步伐，從而縮小與發(fā)達國家的技術(shù)差距[3]。通過仿真技術(shù)來研究風能發(fā)電機，已經(jīng)成為滿足電力需求和協(xié)調(diào)社會發(fā)展的重要措施。

本文從風力發(fā)電機組的運行機理入手，建立永磁直驅(qū)風力發(fā)電機模型及提出其控制策略。其中包括發(fā)電機，風力機以及傳動部分。在MATLAB/Simulink中建模仿真運行，分析結(jié)果。驗證了該模型及其控制策略的正確性和有效性。

2 風能及風力機特性

2.1 永磁直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)

風力機是低速旋轉(zhuǎn)機械，一般旋轉(zhuǎn)速度為每分鐘幾十轉(zhuǎn)，而風力發(fā)電機要保證發(fā)出50Hz的交流電，如采用4級對數(shù)發(fā)電機，其同步轉(zhuǎn)速為1500r/min，所以大型的風力發(fā)電機組要使的產(chǎn)生50Hz的交流電，要使風力機與交流發(fā)電機之間裝有增速齒輪箱，提高發(fā)電機轉(zhuǎn)速。

直驅(qū)式風力發(fā)電機是指不含有齒輪箱直接由風力驅(qū)動的發(fā)電機。直驅(qū)式發(fā)電機無齒輪箱雖然提高了發(fā)電機的設(shè)計成本，但能有效地提高系統(tǒng)的效率以及運行可靠性，能夠降低噪聲和機械損失，避免增速箱帶來的諸多不便，從而使得風力發(fā)電機的運行維護成本降低，這種發(fā)電機在大型風電機組中占有一定比例。由于直驅(qū)式風力發(fā)電機在較低轉(zhuǎn)速恒頻運行，則發(fā)電機定子需通過變流器與電網(wǎng)連接。

直驅(qū)式風力發(fā)電機組主要由風輪機、發(fā)電機、傳動機構(gòu)、機側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器組成。永磁直驅(qū)風力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 永磁直驅(qū)風力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)圖

2.2 風力機模型

風力發(fā)電機是通過風輪將風輪轉(zhuǎn)換為機械能，從而帶動發(fā)電機發(fā)電。通過對風輪葉片的受力分析，可以了解風力機風力機如何吸收風能。基于風能動量理論，我們可以描述風輪所受的力與風流速之間的關(guān)系。通過Betz極限理論可知，風力發(fā)電機從自然界中索取的能量是有限的，但在理想情況下，風力機最多能吸收59.3%的風的動能。

一般通過風能利用系數(shù)Cp與葉減速比λ的非線性曲線來表示風力機的基本特性，其中葉尖速比可表示為：

(1)

將其簡化為：

變槳距PMSG控制分為槳距角控制和網(wǎng)側(cè)變流器控制。分別實現(xiàn)較大的風功率追蹤與穩(wěn)定并網(wǎng)的功能。

(2)

根據(jù)式(2)，可畫風輪利用系數(shù)隨葉尖速比變化曲線如圖2所示。

圖2 風力機的性能曲線

3.2.3 網(wǎng)側(cè)變流器控制策略

圖3 風能利用功率最大功率點圖

在風速給定的情況下，風能利用率決定了葉輪所獲得的功率。風力機所獲得的功率可表示為。

(3)

式中：Pm是風輪輸出機械功率，單位kW；Tm是風輪輸出機械轉(zhuǎn)矩，單位為Nm；Cp是風能利用系數(shù)；CT為風輪的轉(zhuǎn)矩系數(shù)；β是葉片槳距角，單位為°；λ為葉尖速比；A是風輪掃掠的截面積，單位m2；ρ表示空氣密度，單位為kg/m3。

3 永磁直驅(qū)風力機模型與控制策略

3.1 永磁同步電機模型

永磁直驅(qū)風力機發(fā)電機部分在dq旋轉(zhuǎn)坐標系下的數(shù)學模型為:

(4)

式中：id和iq分別為發(fā)電機的d軸和q軸電流；Ld和Lq分別為發(fā)電機的d軸和q軸電感；Ra為定子電阻;ωe為電角頻率，ωe=npωg；np為發(fā)電機轉(zhuǎn)子的極對數(shù)；λ0為永磁體的磁鏈；ud和uq分別為ug的d軸和q軸分量。

定義d軸的反電勢ed=0，q軸的反電勢eq=ωeλ0，假設(shè)發(fā)電機d軸和q軸電感Ld=Lq=L，則式(4)可寫為：

(5)

電磁轉(zhuǎn)矩表達式為：

Te=1.5np[(Ld-Lq)idiq+iqλ0]

(6)

式中，R為風輪半徑，單位為m；v為主導風速，單位為m/s；ωr為風輪角速度，單位為rad/s。

Te=1.5npiqλ0

傳統(tǒng)理論認為法律趨同有兩種方式：一種是被動地接受其他國家的法律，又稱移植，對應(yīng)上文法律的強行趨同；另一種是主動地接受其他國家的法律，又稱繼受，對應(yīng)上文法律的自發(fā)趨同。該理論同時主張，不論是移植還是繼受，都是經(jīng)濟落后國家對經(jīng)濟發(fā)達國家法律制度的趨同。并且，不同法律體系的移植和繼受都從法律制度的改變開始，該制度可以脫離一國的法律文化而產(chǎn)生，但要使制度有穩(wěn)定性和適應(yīng)性則需要由該法律制度所表征的法律文化與本土原先的法律文化消解沖突并相互融合，最終才能在新產(chǎn)生的法律文化上彰顯制度的生命力。[注]參見米健：《當今與未來世界法律體系》，第14-19頁。

(7)

由上公式得到傳動系統(tǒng)模型與發(fā)電機模型，分別如圖4、5所示。

圖4 傳動系統(tǒng)模型

3.2 PMSG的控制策略

3.2.1 控制目標

假設(shè)在不計功率損耗的情況下，風力機的風輪捕獲的總的能量為Em可分為發(fā)電機輸出的電能EM、和調(diào)節(jié)槳距所用的能量EP、發(fā)電機轉(zhuǎn)子獲得的能量EE之和如下式所示：

Cp為風輪從風能中吸收功率的能力，它是槳距角β及葉尖速比λ的高階非線性函數(shù)，理論計算函數(shù)如下：

3.2.2 槳距角控制

傳統(tǒng)工程測繪極易受到地形條件及障礙物的影響，造成測繪數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤差，無法滿足后期施工要求。但GPS測繪技術(shù)主要采用接受及分析衛(wèi)星信號的方式實現(xiàn)測量，不必受到天氣、溫度等影響，只要滿足觀測條件，就可實現(xiàn)全天候的連續(xù)觀測，大大提升了工程測量工作效率。

圖5 同步發(fā)電機模型

ΔEm=ΔEE+ΔEP+ΔEM

(8)

當風速超過額定風速時，風速增加，風力機Em增加，若風力機組不采用變槳距控制，要使得等式成立，且發(fā)電機輸出的功率仍然維持不變，那么只能使EE增加，由于發(fā)電機的轉(zhuǎn)速變大，它的輸出有功也必然會增大，相互矛盾，使得風速增大的時候能量無法守恒，若此時增加槳距角控制系統(tǒng)，當風速超過額定值時，調(diào)節(jié)槳距角，如果調(diào)節(jié)槳距角的能量EP等于轉(zhuǎn)子增加的動能，就可使得能量守恒。相反，風速低于額定風速時，風速減小，風力機Em減少，若反向調(diào)節(jié)葉片的槳距角，仍可使能量保持守恒。

則β0為初始槳距角，Δβ為槳距角實際調(diào)節(jié)變化量，Δβ*為槳距角變化參考值，τ為慣性時間常數(shù)，他們的關(guān)系式為：

辣椒為了后代種子能夠繼續(xù)繁衍，身體里多余的水分優(yōu)先供給果實的生長，在極度干旱的情況下，寧愿犧牲自己（葉與莖）也要保全果實。多么神奇的生命之力。

(8)

拉普拉斯變換后可變?yōu)椋?/p>

合川是畜牧業(yè)生產(chǎn)大區(qū)（縣），生豬養(yǎng)殖是合川農(nóng)業(yè)經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)之一，是農(nóng)民增收的重要來源，是合川區(qū)畜牧業(yè)的骨干產(chǎn)業(yè)，同時是重慶市最大的生豬主產(chǎn)區(qū)，是重慶市百萬頭優(yōu)質(zhì)瘦肉豬產(chǎn)業(yè)化工程項目基地重點區(qū)（縣）、無公害生豬生產(chǎn)基地區(qū)（縣）和國家級PIC豬農(nóng)業(yè)標準化示范區(qū)（縣），生豬規(guī)模養(yǎng)殖場、生豬出欄量、生豬外調(diào)量等均居重慶各區(qū)縣第一位。

(9)

因此輸出的槳距角角度為：

β=β0+Δβ

(10)

圖6 槳距角控制器

由圖可知，當葉片槳距角β一定時，風力機的輸出功率有且僅有一個特定葉尖速比λ對應(yīng)于最大風能利用效率，此時的λ值即為最優(yōu)葉尖速比λopt，如圖3所示。

結(jié)果表明，這種先經(jīng)過蒸汽低溫烹飪，再高溫燒烤的方法，是將蒸汽低溫和燒烤完美結(jié)合，利用低溫烹飪可以減少蒸煮損失，保留食物的原味和色澤，食物口感嫩滑，但還沒有燒烤的效果；此時，再經(jīng)過高溫燒烤，瞬間鎖住水分，表面快速上色，就可以達到外焦里嫩的燒烤效果。

直驅(qū)風力發(fā)電機常用的變流器由兩部分組成，一部分為轉(zhuǎn)子側(cè)整流器，另一部分為網(wǎng)側(cè)變流器。由于自然風的風速不斷變化，使得直驅(qū)式風力發(fā)電機發(fā)出交流電的頻率是不斷變化的，因此應(yīng)首先將頻率變化的交流電通過三相橋式整流變換成直流電，然后再將該直流電通過三相逆變器轉(zhuǎn)換為50Hz的交流電才能并入電網(wǎng)。

直流電機由于結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)速性能好，在工業(yè)、航空航天等領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用。[1]模糊PID控制技術(shù)結(jié)合了PID控制技術(shù)和模糊控制技術(shù)兩者的優(yōu)點，可以實時調(diào)整PID的控制參數(shù)，具有很好的魯棒性，應(yīng)用于直流電機調(diào)速系統(tǒng)可以得到滿意的控制效果。[2]

一是防汛能力有新提升。加強防汛基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，大定海、龍華機場、新宛平等排水系統(tǒng)以及中心城區(qū)積水改善工程、區(qū)域排澇泵閘、“一江一河”防汛墻薄弱段整治、海塘歲修和保灘等工程建設(shè)進展順利,成功抵御了多次暴雨襲擊。特別是在10月7—8日受臺風“菲特”影響，出現(xiàn)上海防汛史上首次“四碰頭”的嚴峻局面后，全市上下共同努力，成功抵御了臺風、暴雨、天文大潮、上游洪水的侵襲，把災(zāi)害損失降到了最低，確保了城市正常運行和人民群眾生命財產(chǎn)安全。

網(wǎng)側(cè)變流器的控制目標是保持風力發(fā)電機發(fā)出穩(wěn)定并能并入大電網(wǎng)的電能。目前，網(wǎng)側(cè)變流器的控制策略多為在dq旋轉(zhuǎn)坐標系下的直接電流矢量控制，經(jīng)過電網(wǎng)電壓矢量定向后，利用d軸有功電流id調(diào)節(jié)母線電壓idc，利用q軸無功電流iq調(diào)節(jié)輸出無功功率，通過增加負載電流前饋控制環(huán)節(jié)加快指令調(diào)節(jié)速率。具體如下：

可以適當增加豬只的飼養(yǎng)密度，利用豬體自身的散熱來取暖，例如可放15頭豬的圈舍，可增加到20頭，等飼養(yǎng)4周后，再把生長緩慢的5頭仔豬調(diào)出重新組圈。

網(wǎng)側(cè)PWM變流器dq坐標系中的模型：

(11)

(12)

則式(11)為：

當前高中學校教學資源較為豐富，因此，為提高高中物理演示實驗教學的有效性，教師應(yīng)充分利用現(xiàn)有資源，做好實驗教學方法的創(chuàng)新，不斷豐富實驗教學形式，給學生新鮮感，更好的吸引學生注意力，激發(fā)其積極思考的熱情.一方面，為使學生更加直觀的觀察、理解實驗現(xiàn)象，教師可采用多媒體制作相關(guān)的課件，對演示實驗相關(guān)環(huán)節(jié)的補充.同時，實驗過程中，應(yīng)多與學生進行互動，幫助學生理解實驗重點知識.另一方面，教師可引導學生做好演示實驗內(nèi)容的預習，鼓勵學生參與到演示實驗中.在課堂上，教師可要求學生充當“教師”角色進行演示，教師則做好指導.

(13)

大黑貓最近也總愛把眼睛瞇成一條縫，它不再怔怔地望著對面的寓所發(fā)呆，我看到它常癡迷陶醉地盯著李小樹旁邊的那處小洋樓。我猜想可能是那只通體雪白的波斯貓在紫藤架上上躥下跳的原因，又或者是新搬進小洋樓里的那個女人引起了它的注意。

(14)

(15)

則式(12)可寫成

(16)

為了簡化使控制算法，通常使用基于電網(wǎng)電壓定向的方法，取d軸的方向為電網(wǎng)電壓方向，則有下式成立：

(17)

將上式代入式(15)則有：

(18)

圖7 網(wǎng)側(cè)變流器控制結(jié)構(gòu)圖

3.2.4 PMSG控制系統(tǒng)總框圖

在風力發(fā)電系統(tǒng)運行過程中，風輪處的風速大小決定了PMSG的輸出功率，通過改變槳距角可以使得風力機運行在風速功率風力機功率曲線的最高點。

當定槳距角時，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速值在確定的風力機功率曲線中都有對應(yīng)的功率匹配點。此時，控制轉(zhuǎn)速意味著控制風力發(fā)電機的有功輸出，可見轉(zhuǎn)速的控制性能對于風力發(fā)電系統(tǒng)來說有著關(guān)鍵性的作用。其控制系統(tǒng)框圖如下：

圖8 PMSG控制系統(tǒng)框圖

4 仿真系統(tǒng)結(jié)果分析

根據(jù)上述模型得PMSG風力發(fā)電機仿真模型如圖9所示。

1.2.2.1 成立專門病房環(huán)境管理小組,護理管理者定期對小組成員進行培訓,宣貫“整理、整頓、清掃、清潔、素養(yǎng)、安全”的6s管理理念。6S管理的理念是提高效率,保證質(zhì)量,使工作環(huán)境整潔有序,預防為主,保證安全。每位護士都是成員,明確自身職責,落實6s管理。執(zhí)行6S的好處 :學習6S精益管理中在于學神,不在于形 。6s精益管理的精髓是:人的規(guī)范化及地、物的明朗化。通過改變?nèi)说乃伎挤绞胶托袆悠焚|(zhì),強化規(guī)范和流程運作,進而提高科室的管理水準,從而達到 人--規(guī)范化 ,事--流程化,物--規(guī)格化。

暑盡七夕夜?jié)u涼，金風玉露好時光。8月18日，由山東金沂蒙生態(tài)肥業(yè)有限公司（以下簡稱“金沂蒙”）主辦的金沂蒙土壤改良接地工程研討會在徐州沛縣順利召開。來自沛縣人民政府、中國農(nóng)科院、中國農(nóng)業(yè)大學的領(lǐng)導、專家及經(jīng)銷商代表，共100余人與會。

仿真使用的PMSG系統(tǒng)參數(shù)如下：額定功率為3.3kW，定子相電壓幅值為220V，額定轉(zhuǎn)速為6.4rad/s，定子電阻Rs=0.35Ω，轉(zhuǎn)子磁鏈為0.5Wb，定子漏感為6mH，轉(zhuǎn)動慣量為0.06kg·m2，電機極對數(shù)為8。風力機的參數(shù)為：風輪半徑為1.5m，空氣密度1.225kg/m3。

圖9 PMSG風力發(fā)電系統(tǒng)整體仿真結(jié)構(gòu)圖

仿真在風速發(fā)生突變時，即當風速為10m/s突然上升到13m/s時，該模型運行仿真結(jié)果如下所示。

單胺類氧化酶可催化單胺類神經(jīng)遞質(zhì)的氧化，從而使它們失活，以及最后被降解。因此單胺類氧化酶抑制劑可以提高大腦中單胺類神經(jīng)遞質(zhì)的水平，該生理效果被認為是該類藥物抗抑郁效果的療效基礎(chǔ)，三環(huán)類藥物的神經(jīng)系統(tǒng)活性較為廣泛，包括但不限于提高突觸間單胺類神經(jīng)遞質(zhì)的水平。結(jié)合后續(xù)的一些神經(jīng)科學研究，科學家們提出了單胺類假說：神經(jīng)突觸間單胺類神經(jīng)遞質(zhì)—5-羥色胺或去甲腎上腺素的缺乏降導致了抑郁癥的發(fā)生。

圖10 電機輸出功率

圖11 葉尖速比與Cp

圖12 槳距角變化

圖13 定子d軸電流

圖14 定子q軸電流

圖15 定子三相電流波形

圖16 風力機輸出轉(zhuǎn)矩

圖17 機械轉(zhuǎn)速變化

根據(jù)仿真結(jié)果，在風速10m/s突變?yōu)?3m/s時，PMSG發(fā)電系統(tǒng)的槳距角增大，風力機輸出轉(zhuǎn)矩增大，風力發(fā)電機發(fā)出并入電網(wǎng)的電流增大，并且頻率與電網(wǎng)一致。在調(diào)節(jié)過程中，變槳距控制系統(tǒng)順利動作，以保證風能最大吸收，當風速變化之后穩(wěn)定，系統(tǒng)各項運行參數(shù)又重新保持穩(wěn)態(tài)運行。由風速突變時的仿真結(jié)果正確可以推斷，若是風速一直在不斷變化，該模型的結(jié)果同樣真確合理。

5 結(jié)論

本文研究了直驅(qū)式風力發(fā)電系統(tǒng)，從風力發(fā)電理論一步步研究，建立了永磁直驅(qū)風力發(fā)電機的通用模型。將所建立的模型通過仿真，結(jié)果驗證了本文所提出的模型及其控制策略的正確性及系統(tǒng)的可靠性。

本文通過建立模型，結(jié)合仿真結(jié)果得到的一些正確結(jié)論，為研究風力發(fā)電系統(tǒng)仿真模型提供好的方向。但是由于風電系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)非常復雜，其中涉及到的參數(shù)很多，因此技術(shù)要求很高，還存在一些不足之處需要進一步來完善。本文中所建立的永磁直驅(qū)風力發(fā)電機的模型簡單，控制策略容易實現(xiàn)，可作為風力發(fā)電機模型參考，為風力發(fā)電后續(xù)研究奠定基礎(chǔ)。

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Modeling and Simulation of Directly Driven Wind Turbine

BIHong-xu，LIWen-di，F(xiàn)ANGWen

(College of Electrical Engineering & Renewable Energy,Three Gorges University,Yichang 443002,China)

Choosing permanent magnet directly driven wind turbines for the studying.Acomplete model ofPMSG has been built,which includes windturbine model,drive train model and generator model as well.Inaccordance with the variation of wind speed,strategies for pitchangle control and rotational speed control are developed.By pitch angle control and the grid-side converter control to achieve maximum wind speed at different Winds to maximize wind energy utilization.Simulation for the case of wind speed steppingchange by Matlab / Simulink verifies the validity of the model and the feasibility of thecontrol strategies.Due to research of wind power,wind generator model is essential.Wind turbine model which is established in this paper is simple and reliable.

wind-driven generator;model;max.wind speed trailing;general model

1004-289X(2016)03-0088-06

TM61

B

2015-09-14作者簡介：畢紅續(xù)(1992-)，男，碩士研究生，新能源發(fā)電、微電網(wǎng)技術(shù)等方面的研究。