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1、永磁同步电机在风力发电系统中的应用摘要：风能作为可再生、洁净无污染、取之不尽用之不竭的能源，成为世界可再生能源发展的重要方向。永磁直驱风力发电机由于机械损耗小、运行效率高、维护成本低等优点而成为研究的重点机型。本文主要研究两方面容，一是直驱风力发电系统的模拟仿真，二是最大功率跟踪方法(MPPT)。本文分析了风力发电机最大功率跟踪控制的基本原理和方法，基于他们的数学模型在MATLAB/SIMULINK中分别搭建了包括风力机气动模型、坐标系下永磁发电机模型和控制系统模型等，在此基础上建立了直驱式永磁风力发电系统的模型，并采用最正确叶尖速比控制法，对风力机在额定风速以下进行了仿真，通过仿真验证了该方
2、法的控制效果。关键词： 直驱风力发电；最大功率跟踪；风力机模拟；仿真；随着科学技术的飞速发展，人类对能源的需求日益增加，世界能源消耗量的持续增加，使全球围的能源危机形势愈发明显，开发可再生能源成为实现世界各国能源发展战略的重大举措。目前风力发电不断向大型化发展。但是随着风力发电的快速发展，一系列技术问题逐渐显现。如何降低成本，提高技术优势，以提高风电设备的稳定性与高效性成为摆在研究人员面前的一道难题。齿轮箱就是亟待解决的问题之一。目前风力发电系统的主流机型是功率容量为 1.5MW 的双馈式风力发电系统。主要部件有风力机、齿轮箱、发电机、调向机构、制动机构、控制单元、塔架等。由于风能的特殊性，风
3、力机一般都低速旋转，如大型风力机的转速低至每分钟几十转甚至十几转。发电机属于高速旋转机械，所以两者之间往往通过升速齿轮箱连接，使风力机轴上的低速旋转输入转变为高速旋转输出，以便与发电机转速相匹配。但是由于机组运行过程中齿轮箱也一直处于高速旋转，增加了系统损耗，降低了能量利用率。还有由于风电机组往往安装在环境条件恶劣的偏远山区、孤岛等野外的高空，导致升速齿轮箱的维护保养工作量大。而且随着单机容量的不断增大，使齿轮箱的造价也更加昂贵，在MW 级风电机组中更容易造成过载或过早损坏。因此人们开始研究省去齿轮箱的直驱式发电系统。省去齿轮箱面临最大的困难就是发电机，由于一般发电机旋转速度高，必须采用低速的
4、发电机，所以研究人员将永磁同步电机用于风力发电。永磁电机采用永磁体结构，无需外部励磁，省去了电刷和滑环，简化了系统结构，提高了可靠性和发电效率。而且永磁结构比电励磁结构更适合做成多极低速结构，极矩小、电机体积和质量也相对较小，所以直驱永磁同步电机系统成为现今研究重点。1 风力发电系统的总体结构风力发电机组的整体结构示意图如图1.1所示。主要的部件包括风力机、永磁同步发电机、测量与控制系统、功率变换器等。风轮是吸收风能并将其转化成机械能的部件，风以一定的速度和功角作用在桨叶上，使桨叶产生旋转力矩而转动，将风能转变成机械能，进而直接驱动永磁同步发电机发电机。发电机发出的电能经过电力电子变换器输送到
5、电网。本文介绍风力机和发电机。图1.1 风力发电系统示意图风力机1.1 风力机风力机是风电机组的最主要部件之一，是由桨叶与轮轴组成，桨叶具有良好的空气动力学外形，在气流作用下能产生空气动力使风轮旋转，将风能转换成机械能，再通过发电机将机械能转换成电能。所以它不仅决定了整个风力发电系统有效功率的输出，还直接影响机组的安全稳定运行。在理论上，最好的风轮也只能将约60%的风能转换成机械能。在目前风力机主要是以水平轴、上风向、三叶片的机组为主。其中又有定桨距和变桨距风轮，定转速和变转速发电机。本文主要研究的是采用定桨距，变转速发电机的变速风力发电系统。1.2 发电机在风力发电系统中，发电机与其控制系统
6、承当了风力发电系统的能量转换任务。它不仅直接影响这个重要转换过程的性能、效率和供电质量，而且也影响到前一个转换过程的运行方式、效率和装置结构。因此，研制和选用适合于风电转换用的运行可靠、效率高、控制与供电性能良好的发电机系统，是风力发电工作的一个重要组成部分。永磁同步发电机具有许多优点：由于省去了励磁绕组和容易出问题的集电环和电刷，结构较为简单，加工和装配费用减少，运行更为可靠。采用稀土永磁体后可以增大气隙磁密，并把电机转速提高到最正确值，从而显著缩小电机体积，提高功率质量比；由于省去了励磁损耗，电机效率得以提高：处于直轴磁路中的永磁体的磁导率很小，直轴电枢反应电抗较电励磁同步发电机小得多，因
7、而固有电压调整率比电励磁同步发电机小。2风力机的理论基础2.1 风能利用系数 (1)这就是贝兹理论的极限值，它说明风力机从自然风中获取的能量是有限的，其功率损失部分可以解释为在尾流中的旋转动能。能量的转换将导致功率的下降，它随所采用的风力机和发电机的型式而异。目前的技术水平下，风力机能达到的风能利用系数大都在0.40.5之间。2.2 叶尖速比叶尖速比是为了表示风轮在不同风速中的状态而引入的，用叶片的叶尖圆周速度与风速之比来表示。 (2)其中为风轮的转速；R为风轮的半径。2.3 风力机特性风力机把风能转化为机械能是个复杂的空气动力学过程，要精确地对风力机进行建模，必须用基于空气动力学中桨叶的基本
8、理论。但是，如果用桨叶的基本理论建模，将不可避免要解决风力机风轮几何学问题、复杂冗长的计算问题等困难，此外，还要同时处理一系列的风速信号，而不是只有一个风速信号。为了避免这些问题，人们设计了一种简易的模型来描述风力机，它反映了风速与从风中获得的能量的关系，气动方程为：(3) (4)式中为通过风轮扫掠面积的风的功率；为空气密度，一般为1.25；为风轮半径；为实际风速；为风力机的实际功率系数；为叶尖速比。3 最大风能跟踪最大风能跟踪(MPPT)是风力发电的核心问题，但风能的跟踪的特性是由风力机决定的。因此无论是那种风力机，其风能跟踪的思想是相通的。目前常用的最大风能跟踪控制主要有最正确叶尖速比控制
9、法、功率反馈法和爬山搜索法。本文采用最正确叶尖方法进行控制。 最正确叶尖速比法的基本思想是当风速变化时，通过测量风速和风力机固有特性计算出此时的最正确转速，并适时调整发电机转速始终运行于该最正确转速，从而实现最大风能跟踪。用风速计直接测出风速信号，由最正确叶尖速比和式(2)求得对应的最正确转速，将它与测得的风力机转速信号进行比较，组成闭环控制系统，由转速误差信号调节发电机的电功率输出，进而达到调节转速的目的，使风力机转速正比于风速而变化，即始终运行在最正确叶尖速比的情况下。图 3.1 最正确叶尖速比控制法原理图4 永磁直驱风力发电系统建模4.1风力机的建模直驱式风力机由于省去了齿轮箱，其运动方
10、程为5： (5)式中为风力机的转动惯量；为风力机的转速；为风力机的气动转矩；为传动装置传给发电的扭矩。由式(3)得风力机的气动转矩为： (6) SIMULINK中建立风力机的风速-转矩模型，如图4.1所示：图 4.1 风力机的风速转矩模型4.2发电机的建模永磁风力发电机的模型一般在坐标系下建立，坐标系是包括永磁同步电机在的所有交流电机最常用的坐标系。电机转矩的产生，是由于定子磁链与转子磁链相互吸引作用而产生的。电机转矩的大小、方向与定子磁链与转子磁链的幅值、相位有关。为了便于分析，将坐标系定位于转子磁链之上，此时在轴方向为磁链方向，轴方向超前轴90。电角度，这样就形成了一个同步旋转的正交坐标系
11、。电机所有交流变量都可以在这个坐标系中转化为直流量并投影于、两个轴上，对两个轴上的分量分别控制，就控制了这个变量。转子永磁同步电机的转子磁场由永磁体产生，是不可控制量，因此只需控制定子磁场，就可以控制电机电磁转矩。定子磁场中可变的部分是定子电流产生的电流励磁磁场，在坐标系对定子电流的解耦控制，就实现了电机电磁转矩的控制，这也是矢量控制的实现方法。本文在同步旋转坐标系下建立的永磁同步发电机组数学模型为： (7)式中：分别为发电机的轴和轴电流；和分别为发电机的轴和轴电感；为定子电阻；为电角频率，；为发电机转子的极对数；为永磁体的磁链；和分别为的轴和轴分量。定义轴的反电势，轴的反电势已，假设发电机轴
12、和轴电感相等，即，所以，式(7)可写为： (8)由此在MATLAB/SIMULINK中建立发电机模型为如图4.2所示：图 4.2永磁发电机模型4.3 发电机转矩模型发电机的转动方程为： (9)其中为发电机的转动惯量，为发电机反力矩，为发电机转速。由于采用永磁直驱风力发电机，没有使用增速齿轮箱，所以风轮转速和发电机转速相等，即有： (10)直驱式永磁同步发电机的电磁转矩表达式为： (11)简化为： (12)由此可得永磁同步发电机的传动系统，电磁转矩模型如图4.3所示：图 4.3 发电机转矩模型4.4 控制系统模型永磁发电机由永磁体励磁，不需要提供励磁电流，定子电流只产生转矩，因此可以采用同步旋转
13、坐标系下的矢量控制法产生相应的电压矢量和，从而控制发电机转速。为确定矢量方向，因轴分量与无功功率相关，采用零轴电流控制方法，设置轴电流参考值为，从而在最小电流的情况下得到最大的电磁转矩。因轴分量与转矩相关，可以通过控制轴的速度控制轴电流参考值。由式(4.4)可知，、轴之间存在着耦合项和，即不仅依赖于，而且也与有关系，这会给控制带来很大问题。通过加入前馈补偿的方法可以消除耦合项。因此定义两个新的输入量分别为(13)通过加入前馈补偿，消除了、轴之间的耦合项。控制系统采用的是转速外环、电流环的双闭环结构，其中外环速度参考值由最大功率点跟踪算法得出，与实际测得的转速相比较，通过PI控制器得到轴电流参考
14、值，轴电流参考值设置为0。由永磁发电机的转矩公式可以看出，发电机的电磁转矩与有功电流成正比，可以通过调节有功电流来控制发电机转矩，从而改变发电机的转速，跟随设定的最优转速。控制系统模型如图4.4所示：图 4.4 控制系统模型其中：PI子模块如图4.5所示：图 4.5 PI子模块模型4.5最正确转速计算模块由最正确叶尖速比计算公式可得最正确转速计算模块如图4.6所示：图 4.6 最正确转速计算模块4.6系统模型由各个子系统搭建起来的永磁直驱式风力发电系统的模型如图4.7所示：模型中用到的风力机和发电机参数如下：风力机部分：风轮半径为35m；风轮转动惯量为350000 ；空气密度为1.225 ；发
15、电机部分：额定功率：1500KW；额定转速为20rpm；电机极对数为30；转动惯量：32000定子、轴电感;定子电阻为0.037。图 4.7 直驱式永磁风力发电系统模型5系统仿真风速输入为阶跃风速，给定值为9m/s，在50s时上升为11.35m/s.经过试验，选取转速环PI控制器参数为Kp=10，Ki=0.01；电流环PI控制器参数为Kp=5，Ki=0.05。 (a) 阶跃风速输入(b)叶尖速比 (c)风机转速(d)发电机输出功率 (e)风能利用系数Cp图 4.8 仿真结果由仿真曲线可以看到当风速由9m/s阶跃上升到11.35m/s时，输出功率也随之产生了阶跃上升。并且在风速变化过程中，风机转
16、速也随之变化，使得叶尖速比始终保持在最正确叶尖速比，而风能利用系数也保持在最大，得到了最大限度地捕获风能的效果，实现了最大功率跟踪控制。 参考文献1 方军. 风力发电技术与其发展方向J.电气时代，2005，11：22-24.2 王晓刚. 小型并网风力发电系统的建模与仿真D. ：工业大学，2009.3 伊明，庚银，建成等. 直驱式永磁风力发电机组建模与其控制策略J.电网技术，2006，2：102-105.4 吴迪，建文. 变速直驱永磁风力发电机控制系统的研究J.大电机技术，2006，(6)：51-55.5 汤凌峰，梅柏杉. 风力发电系统中的风力机模拟J.电力电子技术，2008，42(9).6 Y
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