最大功率跟踪控制在直驱型风力发电系统中的应用

摘要燕山大学本科生毕业设计（论文）本科毕业设计（论文）最大功率跟踪控制在直驱型风力发电系统中的应用***燕山大学年月摘要能源、环境是当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题常规能源以煤、石油、天然气为主，它不仅资源有限，而且造成了严重的大气污染因此，对可再生能源的__利用，特别是对风能的__利用已受到世界各国的高度重视近年来人类所取得的高新科学技术应用于风力发电系统中，不断提高风能的变换效率和质量，具有十分重要的意义风能资源属于自然现象，所以对风力资源的__和利用具有许多不便的方面本文主要研究变速风力发电系统最大功率点的跟踪问题，以使风力机在处于额定风速以下时能够实现最大风能捕获风力发电系统所采用的功率变流器和最大功率点的跟踪控制策略提供了基本的研究平台，以完成本课题的研究为了将风能输送给电网，变速风力机要有变流器将发电机发出的电压和频率都不断改变的电能转换成恒频恒压的电能，再传输给电网本文采用了变速风力机，永磁发电机，三相AC-DC-DC-AC变流器，变压器等构建了变速风力发电系统鉴于DC-DC直流环节在能量传输中的重要性，本文专门研究了Boost变换器在变速风力发电系统中所起的作用本文接着阐述了变速恒频风力发电系统最大功率输出原理，分析对比了几种常见的风能跟踪算法，对爬山算法进行了着重研究关键词变速风力机，永磁发电机，最大功率点跟踪，AC-DC-DC-AC变换器，Boost变换器最后用__tlab仿真工具建立了风力发电控制系统的仿真模型，实现风力机最大功率点追踪MPPT__ximumPowerPointTracking控制AbstractTheenviro__ent，energyareurgentproblemsofsurvivalanddevelopmentofhu__n．__inly，Conventionalenergyarecoaloilandnaturalgas．Itisnotonlyrestricted，butalsocausingseriousairpollution．Therefore，theutilizationofrenewableenergyespeciallywindpowerdevelopmentisregardedby__nycountryintheworld．Inthere__ntyear，thehu__nusedhigh—techappliedtowindpowersystem，Continuouslyimprovingtheefficiencyandqualityofthewindpowerh__egreatsignifican__．Windenergyresour__sbelongtothenaturalphenomenon，Sothedevelopmentanduseofthewindresour__h__e__nyinconvenien__.Thisthesisfocusesontheproblemof__ximumpowerpointtrackingforachievingthe__ximumwindenergytrackingofvariablespeedwindturbinepowergenerationsystemsatlowwindspeed．Powerelectronicconvertersand__ximumpowerpointtrackingstrategysinwindgeneratorsystemsprovidethebasicplatformtoaccomplishtheresearchofthisthesis．Inordertosendwindenergytoautilitygrid，avariablespeedwindturbinerequiresapowerelectronicconvertertoconvertavariablevoltagevariablefrequencysour__intoafixedvoltagefixedfrequencysupply．Variablespeedwindturbine、per__nent__gnetgenerator、three--phaseAC-DC-DC-ACconverteraswellastransformerareintrodu__dinthethesisforestablishingvariable-speedwindenergyconversionsystems.Furthermore，astheimportantsectionofDClinktodeliverpowerofenergyintheconvertersystemBoostconverterareintrodu__dandspecifically____yzedinthisthesis．Second，introdu__dtheprincipleof__ximumpoweroutputofVSCFwindpowergenerationsystem，____yzedandcomparedofseveralfamiliarwindpowertrackingalgorithm，especiallyclimbingalgorithm．Atlast，setupthewindpowersystemmodelby__tlabtool，andachievedwindturbine__ximumpowerpointtrackingMPPT．Keywords Variablespeedwindturbine，Per__nent__gnetgenerator__ximumpowerpointtracking，AC—DC—DC—ACconverterboostconverter目录TOC\o1-3\h\z\u摘要4Abstract5第1章绪论

91.1课题背景

91.

1.1全球风电产业的发展现状及前景

91.

1.2我国发展风力发电的必要性

101.2风力发电技术的现状及发展

131.4论文的内容安排

161.

4.1主要研究工作

161.

4.2论文结构安排17第2章风力发电系统介绍

182.1风力发电的理论基础

182.2风力发电机的组成结构

212.3风力机的分类及功率控制方法

222.4本章小结25第3章最大功率点跟踪控制系统的设计

263.1最大功率点跟踪算法的分类

263.

1.1叶尖速比控制算法Tip-Speed—RatioTSRControl

263.

1.2功率__反馈算法PowerSignalFeedbackPSFControl

273.

1.3登山搜索算法Hill-climbSearchingHCSControl

283.2最大功率点跟踪控制系统的设计

313.3本章小结37第4章DC／Dc变换器的设计

384.1DC/DC变换器概述

384.2DC/DC变换器参数设计及其仿真

394.3本章小结42第5章变速风力发电系统的仿真与分析43第1章绪论

1.1课题背景目前，作为世界能源主要支柱的石油、天然气、煤炭等不可再生资源的储量非常有限近年来在世界能源消费构成中，占能耗比重展大的是石油，其次是煤和天然气，这些都是非可再生能源资源已探明的石油储量将于2010-____年耗掉800；而天然气和煤，从现在算起天然气只能再用40-80年，煤可再用200-300年随着世界能源消费量的增大，二氧化碳、氮氧化物、灰尘颗粒物等环境污染物的排放量逐年增大，化石能源对环境的污染和全球气候的影响将日趋严重据美国能源信息署EIA统计，1990年世界二氧化碳的排放量约为215．6亿吨．2001年达到239．0亿吨，2010年为277．2亿吨．预计2025年达到371．2亿吨，年均增长1．85％稳定、可靠和清洁的能源供应是人类文明、经济发展和社会进步的保障，石油、天然气、煤等化石能源在上两个世纪无疑促进了人类文明的进步和发展但是，化石燃料的大量消耗，不仅让人类面临资源枯竭的压力，同时也__到了环境恶化的威胁，能源危机及其带来环境污染成为阻碍人类进一步发展的桎梏因此必须采取可持续化发展战略，利用科技手段__洁净绿色的可再生能源，研究风力发电、太阳能发电、生物质能、海洋能发电等环保型可再生能源全球已有35个发达国家和100个发展中国家制定了全国性的可再生能源的发展目标

1.

1.1全球风电产业的发展现状及前景在政策的鼓励下，2003-2007年，全球风电平均增长率为24．7％2007年，全球大约生产了2000亿千瓦时风电电力，约占全球电力供应的1％，全球风电新增装机容量约为2000万千瓦，累计装机9400万千瓦2008年风电成为非水电可再生能源中第一个全球装机超过1亿千瓦的电力资源作为能源领域增长最快的行业，风电行业共为全球提供了近20万个就业机会，仅2006年风电场建设投资就接近170亿欧元目前在全球范围内，欧洲和美国在风电市场中占统治地位，其中德国是目前风电装机容量最大的国家，装机容量超过2000万千瓦，美国和西班牙也都超过了1000万千瓦印度是除美国和欧洲之外新增装机容量最大的国家，装机总量也超过了600万千瓦风电与火电等传统电力相比，最大的竞争劣势就是成本较高、经济性不好经过30年的努力，随着市场不断扩展，风电的成本也大幅度下降，每千瓦时风电成本由20世纪80年代初的20美分下降到2007年的4-6美分在风能资源较好的地方，风电完全可以和燃煤电厂竞争，在某些地区甚至可以与燃气电力匹敌尽管风电还存在着如电网适应能力、风能资源预报水平、海上风电发展等方面的问题，但在市场逐步扩大、技术和产业成熟度不断提升、与常规能源相比的经济性优势逐步凸显、特别是政策环境前景非常明朗的情况下，世界各国都对风电发展充满了信心全球风能理事会对风力发电的成本下降进行了研究，认为风力发电的成本下降60％依赖于规模化发展，40％依赖于技术进步估计到2020年，陆上风机的总体造价还可以下降20％-25％，海上风机的造价可以降低40％以上，发电成本可以同幅下降欧美都公布了2030年风电发展目标，提出了2030年风电满足20％甚至更多电力需求的宏大目标，届时都将发展约3亿千瓦的规模，这也为全球风电的__发展定下了基调国际能源署2008年颁布的2050年能源技术情景》判断，2010-2050年，全球风电平均每年增加7000万千瓦，风电将成为一个庞大的新兴电力市场随着风电技术的同趋成熟，依靠风力发电来增加能源供应的方式越来越受到世界各国的青睐以欧美等发达国家为代表，全球风电呈现出规模化发展态势

1.

1.2我国发展风力发电的必要性人类利用风能的历史可追溯到中世纪甚至更早，最初是将风能转换为机械能，以后则是电能我国利用风能的历史悠久，迄今已经有数千年，是世界上利用风能最早的国家之一远在三千年前，就有了风帆航运，在一千七百年前发明了帆布风车提水机，主要用于农田灌溉、盐池提水、风力磨粉等随着中国经济发展的提速，社会发展日新月异，人民生活水平不断提高，但是这很大程度上是以牺牲大量资源、破坏生态环境为代价的我国能源发展面临的问题日益突出，概括起来主要有四个方面1能源资源总量少，__资源尤其短缺中国人均拥有能源只有世界平均值的40％，特别是中国石油资源量严重不足，最终可开采储量仅占世界石油可采储量3％左右，剩余可开采储量仅占世界剩余可开采石油储量的1．8％因此，中国能源供应将面临__后备资源不足，特别是__能源短缺的问题2能源利用技术__，能源利用效率低目前，中国在能源利用技术方面与世界其他国家存在着较大的差距，能源效率仅为32％，约低于世界平均水平10个百分点；单位GDP能源消耗是美国的

3.5倍、__的

9.7倍，是世界平均水平的3倍3环境污染问题日益严峻中国是世界上少数几个以煤炭为主要能源的国家目前能源消耗构成中煤炭占67％，过分依赖消耗煤炭能源造成了严重的煤烟型环境污染中国每吨标准煤的能源消耗，排放的温室气体比世界平均水平高出50％在不远的将来，中国将在排放总量上超过美国，成为世界第一大温室气体排放国4能源结构不合理中国能源以煤为主，这远远偏离当前世界能源消耗以油气等__能源为主的基本趋势和特征据专家预测，为实现中国2020年国民生产总值翻两番的目标，能源供应至少要翻一番，2020年中国仅用发电的煤耗将需要近14亿吨标煤，能源供应需求量将超过30亿吨标准煤面对如此巨大的能源需求和“石油供求不足，煤炭接近开采极限的严峻形势下，调整能源结构和大规模__可再生能源成为当务之急世界风能总量为2×10”，大约是世界总能耗的3倍；如果风能的l％被利用，则可以减少世界3％的能源消耗风能的利用将可能改变人类__依赖化石燃料和核燃料的局面从可再生能源的发展和利用来看，风能是世界上增长最快的能源，年增长率达到27％风能产业将作为新兴产业在未来20年高速增长，是可再生能源发展的重点，也是最有可能大规模发展的能源之一国际能源专家预言2l世纪是风力发电的世纪，绿色能源一风力发电将为人类最终解决能源问题带来新的希望我国具有非常丰富的风力资源，国家非常重视风电产业的发展利用风能来发电，能减少环境污染、保护气候资源，使人类的健康和地球上的生命免受不良影响我国发展风电的必要性主要体现在以下几个方面1实现能源多元化，调整我国当前能源结构目前，我国可__和利用的风力资源储量约为10亿kΩ，而目前我国风力发电仅占全国电力装机容量0．11％根据国家___的__产业规划，中国的风电装机规划为2005年完成100万kΩ，2010年500万kΩ，2015年i000万kΩ，2020年3000万kΩ，届时风电装机占全国电力装机的2％因此，风力发电作为成熟技术的优势对缓解我国电能紧张、改善我国能源结构有重要作用2通过自主研发，提升风力发电机组的国产化率和行业竞争力我国风力发电起步较晚，目前全国已建成60多个风电场，装机规模达到了100多万kW，装机量以每年20％以上的速度递增目前风电机组主要制造商集中在欧美国家，我国大部分风力发电机依靠进口如2004年我国76．4万kW的风电装机容量中，82％的设备来自进口，其中丹麦NECMICON公司的产品就占到中国总装机容量的30％；而大部分国产风力机组，其技术也主要靠国外引进因此，研究具有自主知识产权的风力发电系统具有极大的产业化和市场发展前景，同时能够提高我国风力发电的技术水平，提高我国风电行业在国际上的行业竞争力3减少能源损耗，减少温室气体排放风能属于可再生能源，风电作为一种温室气体零排放的替代能源技术，被广泛认为有可能在未来取代传统的化石燃料，选择风力发电可以延缓煤、石油、天然气等常规能源日益严峻的枯竭趋势经过计算，平均每装一台单机容量为l兆瓦的风能发电机，每年可以减排2000吨二氧化碳相当于种植276平方千米的树木、10吨二氧化硫、6吨二氧化氮随着全球气候变暖和能源危机，各国都在加紧风力的__和利用，尽量减少二氧化碳等温室气体的排放，我国在这种国际形势下更应该加大对风能利用的研究4在解决偏远边区用电、脱贫致富方面发挥重大作用我国地域辽阔，广大边远山区、沿海岛屿和少数民族地区地广人稀、交通不便，利用大电网的延伸难以解决供电问题这些地方一般使用柴油或汽油发电机组供电，发电成本相当高，而这些地方大部分处在风力资源丰富地区如果能够充分利用该地区的风力资源来解决无电、缺电问题，将大量节约燃料和社会资源，同时还能减少环境污染，有着十分显著的经济效益和社会效益地球上风能资源蕴藏丰富，是一种清洁、廉价的可再生能源近年来，可再生能源利用的迅猛发展特别是风力发电的高速增长引起了能源界的高度重视大力发展风力发电必将对我国的能源结构产生积极的影响，为中国实现可持续发展做出突出贡献我国__己通过立法将可再生能源纳入国家可持续发展战略，__新能源尤其是风能资源已成为中国实现可持续发展的关键

1.2风力发电技术的现状及发展在风力发电技术方面，目前实际运用的技术主要有

1、定桨距风力发电技术定桨距风力发电机组的主要结构特点是桨叶与轮毂的连接是固定的，即当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之变化这一特点给定桨距风力发电机组提出了两个必须解决的问题一是当风速高于风轮的设计点风速即定额风速时，桨叶必须能够自动地将功率限制在额定值附近，因为风力机上所有材料的物理性能是有限度的桨叶的这一特性被称为自动失速性能二是运行中的风力发电机组在突然失去电网突甩负载的情况下，桨叶自身必须具备制动能力，使风力发电机组能够在大风情况下安全停机早期的定桨距风力发电机组风轮并不具备制动能力，脱网时完全依靠__在低速轴或高速轴上的机械刹车装置进行制动，这对于数十千瓦级机组来说问题不大，但对于大型风力发电机组，如果只使用机械刹车，就会对整机结构强度产生严重影响为了解决上述问题，桨叶制造商首先在20世纪70年代用玻璃钢复合材料研制成功了失速性能良好的风力机桨叶，解决了定桨距风力发电机组在大风时的功率控制问题20世纪80年代又将叶尖扰流器成功地应用在风力发电机组上，解决了在突甩负载情况下的安全停机问题，使定桨距失速型风力发电机组在近20年的风能丌发利用中始终占据主导地位，直到最新推出的兆瓦级风力发电机组仍有机形采用该项技术

2、变桨距发电技术变桨距风力发电机组与定桨距风力发电机组相比，具有在额定功率点以上输出功率平稳的特点变桨距风力发电机组的功率调节不完全依靠叶片的气动性能当功率在额定功率以下时，控制器将叶片节距角置于0°附近，不作变化，可认为等同于定桨距风力发电机组，发电机的功率根据叶片的气动性能随风速的变化而变化当功率超过额定功率时，变桨距机构开始工作，调整叶片距角，将发电机的输出功率限制在额定值附近但是，随着并网型风力发电机组容量的增大，大型风力发电机组的单个叶片已重达数吨．对操纵如此巨大的惯性体，并且响应速度要能跟上风速的变化是相当困难的事实上，如果没有其他的措施的话，变桨距风力发电组的功率调节对高频风速度变化仍然是__为力的因此，近年来设计的变桨距风力发电机组，除了对桨叶进行节距控制以外，还通过控制发电机转子电源来控制发电机转差率，使得发电机转速在一定范围内能够快速响应风速的变化，以吸收瞬变的风能，使输出的功率曲线更加平稳变桨距风力发电机组与定桨距风力发电机组相比，在相同的额定功率点，额定风速比定桨距风力发电机组要低对于定桨距风力发电机组，一般在低风速段的风能利用系数较高当风速接近额定点，风能利用系数开始大幅下降因为这时随着风速的升高，功率上升已趋缓，而过了额定点后，桨叶己开始失速，风速升高，功率反尔有所下降对于变桨距风力发电机组，由于桨叶节距可以控制，无需担心风速超过额定点后的功率控制问题，可以使得额定功率点仍然具有较高的功率系数由于变桨距风力发电机组的桨叶节距角是根据发电机输出功率的反馈__来控制的，它不受气流密度变化的影响无论是由于温度变化还是海拔引起空气密度变化，变桨距系统都能通过调整叶片角度，使之获得额定功率输出这对于功率输出完全依靠桨叶气动性能的定桨距风力发电机组来说，具有明显的优越性

3、变速恒频发电技术变速恒频风力发电机组于20世纪的最后几年加入到大型风力发电机组主流机型的行列中与恒速风力发电机组相比，变速风力发电机组的优越性在于低风速时它能够根据风速变化，在运行中保持最佳叶尖速比以获得最大风能；高风速时利用风轮转速的变化，储存或释放部分能量，提高传动系统的柔性，使功率输出更加平稳因而在更大容量上，变速风力发电机组有可能取代恒速风力发电机组而成为风力发电的主力机型变速风力发电机组的控制主要通过两个阶段来实现在额定风速以下时，主要调节发电机反力矩使转速跟随风速变化，以获得最佳叶尖速比，因此可作为跟踪问题来处理在高于额定风速时，主要通过变桨距系统改变桨叶节距来限制风力机获取能量，使风力发电机组保持在额定值下发电，并使系统失速负荷最小化目前具有变速恒频发电技术的机组主要有

1、双馈型风力发电机组双馈异步发电机是结合了异步发电机和同步发电机的优点而发展起来的一种新型发电机双馈异步发电机由绕线转子感应发电机和在转子电路上带有整流器和直流侧连接的逆变器组成发电机向电网输出的功率由两部分组成，即直接从定子输出的功率和通过逆变器从转子输出的功率风力机的机械速度足允许随着风速而变化的通过对发电机的控制使风力机运行在最佳叶尖速比，从而使整个运行速度的范刚内均有最佳功率系数因此双馈异步发电机具有良好的调速性能、有功和无功功率__可调、改善电网功率因数、提高系统的稳定性以及相对较小的励磁容量等优点，在风力发电技术中，由于双馈发电机能变速恒频运行，实现了机组和电网的柔性连接从而大大缓解了机组轴系的机械应力并降低了系统成本与此同时，采用原动机最佳效率跟踪控制还能够提高整个风力或水力发电系统的效率因此目前双馈发电机己经成为主流的风力发电机

2、无刷双馈发电机组双馈无刷发电机定子有两套级数不同的绕组，一个称为功率绕组，直接接电网；另一个称为控制绕组，通过双向变频器接电网，取消了电刷和滑环，转子的极数应为定子两个绕组极对数之和这种无刷双馈发电机定子的功率绕组和控制绕组的作用分别相当于有刷双馈发电机的定子绕组和转子绕组，因此，尽管这两种发电机的运行机制有着本质的区别，但却可以通过同样的控制策略实现变速恒频控制

3、高速同步发电机组在同步发电机和电网之间使用变频器，转速和电网频率之间的耦合问题将得以解决，变频器的使用，使风力发电机可以在不同的速度下运行，并且使发电机内部的转矩得以控制，从而减轻传动系统应力，通过对变频器电流的控制，就可以控制发电机转矩，而控制电磁转矩可以控制风力机的转速，使之达到最佳运行状态同步发电机经全容量变频器接入电网实现变速恒频发电除具有变速恒频运行、有功无功__可调以及良好的运行稳定性以外，同步发电机还具有以下特点电机制造技术成熟、运行可靠且无需定期维护，特别适用于海上风电场等维护与检修困难的场合；交直交变频器中的交一直变换可采用二极管整流+直流斩波，结构简单；发电机发出的全部功率均通过变频器，较双馈风力发电系统容量大，投资和损耗大，谐波吸收困难；在相同的条件下，同步发电机的调速范围比异步发电机更宽异步发电机要靠加大转差率才能提高转矩，而同步发电机只要加大功角就能增大转矩因此，同步发电机比异步发电机对转矩扰动具有更强的承受能力，能做出更快的响应

4、低速永磁直驱发电根据风能资源的特点，风力机通常以转速20～30r／min旋转，而常见的风力发电机由于极对数较小因此额定转速较高如4极电机额定转速为l500r／min为连接转速不同的风力机与发电机，采用转速比较高的如l50齿轮箱传动装置不可避免齿轮箱传动装置的引入不但增加了系统的技术要求和成本，同时还降低了系统的可靠性永磁直驱或半直驱风力发电机采用永磁材料并通过适当的设计提高发电机极对数以减小发电机额定转速，从而实现风力机直接驱动或通过低转速比齿轮变速装置半直接驱动发电机与双馈风力发电机与变速感应风力发电机相同，永磁直驱或半直驱风力发电机也具有变速恒频发电、有功无功__调节等优点，此外这类发电机还具有以下特点降低了机械传动的要求，减小系统成本并提高运行可靠性采用永磁材料，发电机能量密度高，重量轻，效率高；无碳刷与滑环，运行可靠，维护工作量小

1.4论文的内容安排

1.

4.1主要研究工作

1、掌握直驱永磁同步风力发电机最大功率跟踪控制的原理

2、利用MPPT控制策略设计一个适合于直接驱动型风力发电系统的变流器

3、建立数学模型

4、利用Ｍａｔｌａｂ/ｓｉｍｕｌｉｎｋ软件对设计的电路进行仿真研究

1.

4.2论文结构安排第一章介绍了风力发电研究的意义和背景，以及全球和我国风电发展的现状和前景第二章阐述了风力发电的理论基础，介绍了风力发电系统的一些重要特性参数，分析了风力机的组成结构、分类以及各种功率控制方法第三章重点研究了风力机的最大功率跟踪控制方法，分析比较了采用尖速比控制、采用功率曲线控制和爬山搜索算法这三种常见的最大功率跟踪控制算法针对直驱永磁同步发电系统提出了一种爬山搜索控制策略第四章利用MPPT控制策略设计一个适合于直接驱动型风力发电系统的变流器针对DC/DC变换选用了boost升压电路，然后对变换阻抗的DC／DC变换器进行了具体设计第五章第2章风力发电系统介绍

2.1风力发电的理论基础风能的计算，由流体力学可知，气流的动能为E=1/2mv22-1式中E气流动能m气流质量v气流速度设单位时间内流过截__为S的气体的体积为V，如果以p表示空气密度，则该体积的空气质量为m=ρv=ρSv2-2这时气流所具有的动能为E=1/2ρSv32-3式中E风能空气密度S截__v气流速度由风能的公式可以看出，风能大小与气流通过的__成正比，与气流速度的立方成正比贝兹定理由风力机气动理论一贝兹定理，假定风轮是理想的，也就是说没有轮毂，具有无限多的叶片，气流通过风轮时没有阻力，此外，假定气流经过整个风轮扫掠面时是均匀的，并且气流通过风轮前后的速度为轴向方向分析理想风轮在流动大气中的情况，如图2-1所示​S1v1SVS1V1S2V2S1V1​图2-1风轮在流动大气中的情况距离风力机一定距离的上游风速；v通过风轮时的实际风速；v2离风轮远处的下游风速；设通过风轮气流的上游截__为，下游截__为是由于风轮的机械能量仅由空气的动能降低所致，因而v2必然低于，所以通过风轮的气流截__从上游至下游是增加的，即是大于假定空气是不可压缩的，由连续条件可知S1v1=S2v2=Sv2-4风作用在风轮上的力可由Euler理论写出F=ρSvv1-v22-5式中F作用力故风轮吸收的功率为P=Fv=ρSv2v1-v22-6式中P吸收的功率此功率是由动能转换而来的，从上游到下游动能的变化为△E=1/2ρSvv1-v22-7令P=△E，可以得到v=v1+v2/22-8作用在风轮机上的力和提供的功率可写为F=1/2ρSvv12-v222-9P=1/4ρSvv12-v222-10对于给定的上游速度，可写出以为函数的功率变换关系，将上式微分得到dP/dv2=1/4ρSvv12-2v1v2-3v222-11令dP/dv=0，求解可得到v2=v1/3，将其代入P的表达式，得到最大功率为P__x=8/27ρSv132-12最大风能利用系数Cp__x=P__x/ρSv13=2-13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应此，风力机实际风能利用系数q

0.593，目前的技术水平下，风力机能达到的风能利用系数大都在

0.4-

0.5风轮实际能得到的有用功率输出为P=ρSv3CP2-14除了风能利用系数外，风力发电机还有两个非常重要的参数叶尖速比λ和桨距角β叶尖速比λ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λ=ωR/v2-15其中ω风轮的转速R风轮半径v风速桨距角β是指风轮叶片上某一点的弦线与叶片旋转平面间的夹角定桨距风力发电机的桨距角在__时固定，不能变化而变桨距风力机的桨距角可以随着风速变化而变化，以限制功率的增加

2.2风力发电机的组成结构风力发电系统由风轮、传动系统、发电机、偏航系统、液压系统、机舱、电控系统、整流逆变系统、塔架等部件组成结构如图2-2所示​​图2-2风力发电机结构图

1.叶片

2.叶轮毂

3.机头

4.主轴

5.齿轮箱

6.发电机

7.风向风速仪

8.整流器

9.偏航机构

10.塔架

11.变电箱1风轮由叶片和轮毂组成，是风力发电机组获得风能的关键部件，将捕获的风能转变为机械能2传动系统将风轮捕获的机械能传递到发电机传动系统包括主轴、主轴承、增速箱、刹车机构等部件3发电机将机械能转变为电能4机舱由底盘和机舱罩组成5偏航系统偏航系统根据风向标接受的信息，由控制系统自动执行机舱的偏转，使风轮始终处于迎风状态偏航系统主要包括以下三个部分偏航检测和控制、偏航驱动和偏航制动6液压系统完成偏航制动、主轴制动和主轴润滑7塔体和基础塔架是支撑机舱的结构部件，它使风力机风轮处在较为理想的高度上运转，也是__维护人员上下机舱的通道8电控系统完成整个发电机组的控制、电压并网和远程通讯等控制功能主要由主控制器、调桨控制器、机舱控制器组成9整流和逆变系统完成电力变换

2.3风力机的分类及功率控制方法按照并不并入电网，风力机可分为并网型和离网型并网型发电机组功率较大，直接并入电网离网型主要用于电网到达不了的偏远地区如牧区、海岛、高山等场所，离网型风力发电机组的功率较小，通常不超过10KΩ按照主轴相对于地平面的方向，分为水平轴和垂直轴两种型号现在大多数的风力发电机都是水平轴三叶片的风机，垂直轴的风机由于叶片固定，功率不易控制，商业应用很少目前的水平轴风力发电机按照转速和功率调节方式的不同可以分为以下几种1定桨距失速调节型定桨距是指桨叶与轮毂的连接是固定的，桨距角固定不变，即当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之变化失速型是指桨叶翼型本身所具有的失速特性，当风速高于额定风速时，气流的攻角增大到失速条件，使桨叶的表面产生涡流，效率降低，来限制发电机的功率输出为了提高风电机组在低风速时的效率，通常采用双速发电机即大／小发电机在低风速段运行时，采用小电机使桨叶具有较高的气动效率，提高发电机的运行效率失速调节型的优点是失速调节简单可靠，风速变化引起的输出功率变化只通过桨叶的被动失速调节而控制系统不作任何控制，使控制系统大为减化其缺点是与变桨距风机相比叶片重量大，桨叶、轮毂、塔架等部件受力较大，机组的整体效率较低2变桨距调节型变桨距是指__在轮毂上的叶片通过控制改变其桨距角的大小调节方法为当风电机组达到运行条件时，控制系统命令调节桨距角调到45°，以获得最大的起动力矩当转速达到一定时，再调节到0°直到风力机达到额定转速并网发电；在运行过程中，当输出功率小于额定功率时，桨距角保持为0°位置不变，不作任何调节；当发电机输出功率达到额定功率以后，调节系统根据输出功率的变化调整桨距角的大小，使发电机的输出功率保持在额定功率输出功率小于额定功率状态时，变桨距风力发电机组一般采用最大功率跟踪控制技术，即根据风速大小调整风轮转速，使其尽量运行在最佳叶尖速比，优化输出功率变桨距调节的优点是桨叶受力较小，桨叶做的较为轻巧桨距角可以随风速大小进行自动调节，因此能够尽可能多的吸收风能转化为电能，同时在高风速段保持功率平稳输出缺点是结构比较复杂，故障率相对较高3主动失速调节型风力发电机组将被动失速和变桨距调节两种风力发电机组的优点相结合，桨叶采用失速特性，调节系统采用变桨距调节在低风速时，将桨叶节距调节到可获取最大功率位置，桨距角调整优化机组功率的输出；当风力机发出的功率超过额定功率后，桨叶节距主动向失速方向调节，将功率调整在额定值以下，限制机组最大功率输出，随着风速的不断变化，桨叶仅需要微调维持失速状态制动刹车时，调节桨叶相当于气动刹车，很大程度上减少了机械刹车对传动系统的冲击主动失速调节型的优点是具备了定桨距失速型的特点，并在此基础上进行变桨距调节，提高了机组的运行效率，减弱了机械刹车对传动系统的冲击，控制较为容易，输出功率较平稳4变速恒频风力发电机组风力机产生的功率与风速和发电机转速密切相关，而且在一个特定风速下存在一个最优转速，使得风力机获得的功率最大因此对于风能系统而言，如果可以根据风速的变化对发电机转速进行控制以使风轮捕获到最大的风能，会对风能系统的整体效率有相当大的提升另一方面，通过及时调整风轮转速可以吸引强烈阵风带来的风能扰动，将扰动能量暂时储存到转子惯量上作为缓冲，相当于增加了风机的“弹性，因此可以减少传动系统所承受的冲击应力变速恒频是指在风力发电的过程中发电机的转速可以跟踪风速变化，由于转速发生变化必然导致发电机频率的变化，必须采用适当的控制手段AC-DC-AC或AC-AC变频器来保证与电网同频率后并入电网在额定风速以下时主要调节发电机反力转矩使转速跟随风速变化，保持最佳叶尖速比以获得最大风能；变速恒频的优点是大范围内调节运行转速，来适应因风速变化而引起的风力机功率的变化，可以最大限度吸收风能，因而效率较高，但控制系统较为复杂据统计，采用变速恒频风力系统，在风轮直径和风能资源相同的条件下，年发电量比恒速恒频系统可增加20％-30％，因此目前的大型风力发电机都采用此种方式变速恒频通常结合变桨距实现额定风速以下和额定风速以上两个阶段的功率控制在额定风速以下桨距角设置为0°，调节风轮转速，使转速跟随风速变化，获得最大的风能；在额定风速以上，由于传动系统负荷增加，调节范围窄，因此主要依靠变桨距调节来改变叶片的角度，从而改变风能利用系数的值，将功率调整在额定功率，保证功率平稳输出目前的变速恒频风电系统，按照励磁方式不同，最常见的两种是双馈感应风力发电机和永磁同步风力发电机双馈式系统采用电励磁，研究比较早，技术也比较成熟，但是由于使用的是异步发电机，要求较高的转子转速，而风轮转速很低，直接用风轮带动双馈电机转子满足不了双馈发电机对转子转速的要求，必须引入增速齿轮箱升速后，再同双馈发电机转子连接进行风力发电齿轮箱随着发电机组功率等级升高，成本变的很高，且很容易出现故障，需要经常维护，可靠性差，加入齿轮箱也影响了传动系统的效率，同时齿轮箱也是风力发电系统产生噪声污染的一个主要因素在大力开展风能利用的今天，风力发电机组的发电量正在不断增加，对风力发电机组可靠性和效率要求也在不断提高，齿轮箱的存在严重限制了风力发电机的发展直驱永磁风力发电系统就是在这种情况下出现的应用于风力发电的永磁同步发电机采取特殊的设计方案，其较多的极对数使得在转子转速较低时，发电机仍然可以工作，因而在直驱永磁同步风力发电系统中使风轮机与永磁同步发电机转子直接耦合，省去齿轮箱，提高了效率，减少了发电机的维护工作，并且降低了噪音另外直驱永磁风力发电系统转子采用永磁体，不需要电励磁装置，具有重量轻、效率高、可靠性好的优点本课题就变速恒频、永磁直驱风力发电机进行研究分析

2.4本章小结本章介绍了风力发电的理论基础，包括空气动力学方面的基本理论、风力机的几个重要特性参数和风力机的组成结构，分析比较了风力机常见的类型及功率控制方式重点介绍了永磁直驱式风力发电机和变速恒频的功率控制方法第3章最大功率点跟踪控制系统的设计

3.1最大功率点跟踪算法的分类变速风力发电系统中最大功率点跟踪控制算法近年来成为了一个热门的研究课题，尽管这些算法是基于不同的功率变换器拓扑结构，但根据它们的控制原理可以大致分为三类叶尖速比控制算法、功率__反馈算法、登山搜索算法

3.

1.1叶尖速比控制算法Tip-Speed—RatioTSRControl叶尖速比TSR控制算法是要维持风力机的叶尖速比力在最佳值丸，处TSR的最佳值一般是通过计算或实验获得，这样在任何风速下风力机对风能的利用率都最大，从而达到对风力机最大功率点跟踪的目的图3-1所示为TSR的控制原理框图，将风速v和风力机转速ω的测量值作为控制系统的输入__，通过计算得出风力机此时的实际叶尖速比λ，然后与风力机的最佳值，相比较，所得误差值用来对风力机的转速进行控制，直到风力机运行在最佳叶尖速比上​控制器风力机λ=wR/v+-λ参考叶尖速比λ风速v风力机转速w​图3-1TSR控制原理图该控制算法的优点是控制原理比较简单，容易实现，一个PI控制器即可满足风力机的控制要求缺点是需要预先得到风力机的最佳叶尖速比需要测量风速v和风力机风轮角速度ωTSR的最佳值在不同的风力发电系统中也不相同，它与风力机和发电机的特性以及所采用的变频器拓扑结构相关，因此该算法的移植比较困难同时实时测量风速会增加系统的成本和实际执行的难度，其测量精度也难以保证而且由于风速的随机性和不确定性，该控制算__引起风力机输出功率的剧烈波动

3.

1.2功率__反馈算法PowerSignalFeedbackPSFControl功率__反馈PSF控制原理测量出风力机的转速ω，并根据风力机的最大功率曲线计算出与该转速所对应的风力机的最大输出功率P，并将它作为风力机的输出功率给定值，对风力机进行控制，以实现对最大功率点的跟踪图3—2为在功率__反馈算法的控制下风力机运行状态点的变化图如果只是当前风速下风力机的最大功率输出点，ω1是此时风力机实际的风轮转速，PSF控制算法将由该转速ω1，根据最大功率曲线计算出相应的最大输出功率，并将它作为风力机输出功率的给定值；由于风力机此时的输出功率只小于风力机实际捕获的机械功率，风力机的转速ω将从逐渐增加到ω0，随着转速ω的增加风力发电系统在PSF的控制下最终将运行在最大功率点P0上​W1W0W2P2P0P1PWv1v2v3​图3-2风力机运行状态点变化图同样，在风速为v2时，如果当前的风轮实际转速为ω2，则在PSF算法的控制下，风力机将会减速，即从ω2逐渐降低到ω0，同样最终会运行在最大功率点上图3-3即为PSF算法的控制原理框图​控制器风力机最大功率曲线风力机转速w+-风力机输出功率P-PP1风速v​图3-3PSF控制原理图该控制算法的优点是能够有效地避免风力机输出功率的波动，控制原理比较简单缺点是对于不同的风力机，最大功率曲线需要事先通过仿真或试验测得，这会增加实际应用的成本；同时随着使用年限的增加，风力机特性的变化，其控制精度也难以保证

3.

1.3登山搜索算法Hill-climbSearchingHCSControl登山搜索算法原理给风力机施加人为的转速扰动，然后通过测量风力机输出功率的变化来自动搜索发电机的最优转速点图3—4为风力机输出功率与转速的关系图​上坡区域下坡区域MPPPW​图3-4风力机输出功率与转速关系假设风力机转速的增加引起风力机输出功率的增加，HCS控制使风机转速沿着上升的区域接近最大功率点，反之，将减速使风力机沿着下降区域接近最大功率点观察图3—5风力发电系统以速度ω为横坐标在不同风速下的风力机输出功率P的特性曲线，每一条曲线都有一个最大点，最优转速ω随着风速v的增加而增加每条曲线的形状就像一座小山，有了这种关系，我们就不需要知道任何Pω曲线的细节，也不需要知道实际的风速v，只需要检测风力机的转速ω和输出功率P的改变，根据登山搜索算法来搜索最佳的参考速度，在该速度下风力机的输出功率最大，即为山坡的顶点在风速恒定的情况下，工作点将沿着图3—5中的某条Pω曲线向上或向下__直到获得最大功率输出点为止如果风力机速度保持恒定而风速发生变化，工作点将会沿着图3—5中垂直轴线移到另一条Pω曲线上根据这些考虑，在下列情况下输出参考速度设置增加1输出功率P增加，风力机速度恒定或者增加；2输出功率P和风力机转速都减小相反，在下列情况下，参考速度设置必须减小1输出功率P减小，风力机速度恒定或者增加2输出功率P增加而转速减小登山搜索算法包括以下几个步骤1选择初始的参考转速和步长并测量风力机的输出功率2通过某一步长来增加或减小参考转速并再次测量风力机的输出功率3计算Sign△P和Sign△ω4n=n-1+Sign△PSign△ω5从步骤三开始重复直到搜索到最优的运行点​W1W2W3P3PWv1v2v3P2P1ABCDEFG​图3-5登山搜索示意图在图3—5中，假设风速发电机运行在A点，即风机运行在P-ω特征曲线的ωAPA处同时假设风力机转速按步长ωstep增加到新的速度ωB，则新的运行点位ωBPB，则△P=PB-PA0sign△P=13-1△ω=ωB-ωA0Sign△ω=13-2由式4．1和式4．2可得ωstep=ωB+ωstep经过第一次反复，新的运行点变为ωcPc重复这个过程直到系统运行点为ω1P1，这时即为风速下的最大功率点假如风速由变成，新的最优运行点将会从ωDPD点开始搜索，则△P=PD–P10Sign△P=l3-3△ω=ωD-ω10Sign△ω=13-4由式3-3和式3-4可得ωref=ω1+ωstep下一个运行点将会是，然后与上面的情况类似，风机最后会运行到最大功率点ω3P3现在，假如风速变化为v2，运行点将会移到ωFPF，则△P=PF-P30Sign△P=-13-5△ω=ωF-ω3=0Sign△ω=13-6由式

3.5和式

3.6可得ωref=ω3-ωref在这种情况下，转速将会降低，风机运行点为ωGpG接着△P=PG-PF0Sign△P=13-7△ω=ωG-ωF0Sign△ω=-13-8由式

3.7和式

3.8可得ωref=ω3-ωref不断的重复这个过程直到参考转速运行到风速的最大功率点ω2p2为止以上所述即为登山搜索算法对风力机的最大功率点的跟踪过程HCS能够成功地应用于无惯性的太阳能变换系统中和惯性很小的小型风力发电系统但是对于惯性较大的大型风力机系统，由于风力机具有较大的转动惯量，系统的时间常数较长，因此登山搜索算法对整个风电系统无法进行有效的控制登山搜索算法的优点是无需测量风速，控制算法与风力机及发电机的特性无关，便于应用及硬件简单但是只适用于小惯性风力发电系统，对于惯性较大的大型风力机系统控制算法失效

3.2最大功率点跟踪控制系统的设计在综合分析研究以上三种最大功率点跟踪控制算法优缺点的基础上，本节提出了一种新的最大功率点跟踪MPPT控制算法即根据风力机的输出功率和转速的变化来确定风力机实际工作点即确定风力机的实际运行状态点与该风速下的最大功率点___的关系在风力机的运行过程中实际工作点是在趋向于最大功率点还是在背离最大功率点，并以此作为调节图3-1的风力发电系统拓扑结构中的双重Sepic变换器PWM触发脉冲的脉宽大小，以调节三相不控整流桥输出端电容上的电压值，实现对风力机的变速控制，使风力机跟踪最大功率点该方法不需要知道风力机的最佳功率曲线，也不需要测量风速控制原理下图3-6是风速为V时，风力机的实际运行状态点与最大功率点的关系图​MPPPmaxPKP（K-1）wK-1W（K）WoptPW​图3-6风力机的运行状态点与最大功率点的关系Pk-1表示在k-1时刻风力机的输出功率Pk表示在k时刻风力机的输出功率ωk-1表示在是k-1时刻风力机的转速ωk表示在k时刻风力机的转速假设风速不变，在k—l时刻风力机输出功率为pk-1，转速为ωk-1，小范围地调节风力机的转速，则到k时刻，风力机输出功率PK，转速为ωK，k-1时刻风力机输出功率与转速和k时刻风力机输出功率与转速的关系有以下4种情况1Pk-1pk且ωk-1ωK表示转速增加后，风力机的输出功率也增加了根据这一关系可以确定，k-l时刻与K时刻风力机的运行状态点都在最大功率点的左侧如图3-7，且k时刻的状态点比k-1时刻的状态点更加接近最大功率点因此应继续增加转速直到最大功率点​MPPPmaxPKP（K-1）wK-1W（K）WoptPW​图3-7风力机的运行状态点趋向于最大功率点2Pk-1Pk且ω（K-1）ωK表示转速减小后，风力机输出功率也减小了，根据这一关系可以确定，k-1时刻与k时刻风力机的运行状态点都在最大功率点的左侧如图3—8，且k时刻的状态点比k-1时刻的状态点远离最大功率点因此必须改变转速的变化趋势既增加转速直到最大功率点​MPPPmaxPKP（K-1）wK-1W（K）WoptPW​图3-8风力机运行状态点偏离最大功率点3Pk-1Pk且ωK-1ωk表示转速减小后，风力机的输出功率增加了，根据这一关系可以确定，K-1时刻与后时刻风力机的运行状态点都在最大功率点的右侧如图3—9，且K时刻的状态点比k-1时刻的状态点更加接近最大功率点因此继续降低风力机的转速，直到风力机运行在最大功率点上​MPPPmaxPKP（K-1）wK-1W（K）WoptPW​图3-9风力机状态点趋向于最大功率点4Pk-1Pk且ωk-1ωk表示转速增加后，风力机输出功率减小了，根据这一关系可以确定，K-1时刻与k时刻风力机的运行状态点都在最大功率点的右侧如图3-10，且K时刻的状态点比K-l时刻的状态点远离最大功率点因此，必须改变转速的变化方向即降低风力机的转速，直到风力机运行在最大功率点上​MPPPmaxPKP（K-1）wK-1W（K）WoptPW​图3-10风力机运行状态点偏离于最大功率点综合以上四种情况，本节所提出的最大功率点跟踪算法可以归纳为根据风力机输出功率和转速的变化趋势，判断出风力机的实际运行状态点与最大功率点的位置关系，即当Pk-1Pk且ω（K-1ω（K）或者Pk-1PK且ω（K-1）ωK时，说明输出功率和转速的变化趋势相同，根据输出功率与转速的关系可以判定此时风力机的运行状态点在最大功率点的左侧，所以要提高风力机的转速，直到风力机运行在最大功率点上同理当Pk-1PK且ω（K-1）ω（K）或者Pk-1pk且ωk-1ωK说明输出功率和转速的变化趋势相反，根据输出功率与转速的关系图可以判定此时风力机的运行状态点在最大功率点的右侧，所以要减小风力机的转速，直到风力机运行在最大功率点上根据以上的算法对风力机的转速进行控制，就可以实现对最大功率点的跟踪，且不需要测量风速，不需要预先知道风力机的最大功率曲线，同时该控制方法容易实现控制方框图如图3-11​△P*△w0则输出1，否则输出-1调制波三角波发生器比较器延时延时比较器比较器△P△wPWM波风力机输出功率P风力机转速w​图3-11登山搜索控制框图风力机的输出功率P、转速ω经过延时比较后得到各自的变化量△P△ω；逻辑判断是根据△P△ω值的正负关系判断出风力机的实际工作点与最大功率点的位置关系如果△P*△ωO，则说明此时风力机的输出功率和转速同时增加或同时减小，因而风力机实际工作点在最大功率点左侧，判断结果确定为1即逻辑判断器输出为1如果△P*△ω0，则说明此时风力机输出功率和转速的变化方向相反，即输出功率在增加而转速却在减小，或者输出功率在减小而转速却在增加，因此风力机的实际工作点在最大功率点右侧，判断结果确定为-1即逻辑判断器输出为-l比例系数C用来调节sepic变换器的PWM触发脉冲占空比的变化速率，比例系数C选的越大，则PWM触发脉冲占空比的变化速率就越快，风力机转速的变化率就越大，相应地对最大功率点的跟踪速度就越快，但是太大的转速的变化率容易引起风力机输出功率的大幅度的波动因此比例系数C大小的选择必须合适，既要提高风力机对最大功率点的跟踪速度，又要尽量减小风力机输出功率的波动三角波发生器产生的三角波与积分器输出的带有转速控制信息的调制波相比较后就得到所要的PWM触发脉冲，用来调节三相不控整流桥输出端电容上的电压，进而对发电机的转速以及风力机的转速进行控制，实现对最大功率点的跟踪该控制算法的缺点是当风力机的惯性比较小时，控制效果比较好；而对于大惯性的风力机，则控制效果非常差，几乎达不到对最大功率点的跟踪

3.3本章小结本章重点研究了风力机额定风速以下的最大功率跟踪控制算法，对采用尖速比控制、采用功率曲线控制和爬山搜索算法控制这三种算法进行了比较分析并着重对爬山搜索法控制进行了详细分析、描述针对风力发电系统提出了一种可行的爬山搜索控制策略第4章整流器的设计

4.1DC/DC变换器概述直流电压变换器DC／DC变换器具有变换阻抗的作用，既可起到发电机与负载之间的电压匹配作用，也能通过改变直流电压变换器的输入阻抗，使发电机处于最大输出电功率状态为了便于分析，用一等效直流电源代替发电机和二极管整流后所得电压，逆变后的部分可看作Boost变换器输出端的负载阻抗，用一负载电阻RL代替，则斩波器的等效电路如图4-1所示​����������​图4-1Boost等效电路假设等效电路的电感和电容足够大，开关器件电流经电感平稳，输出直流电压经电容得到平稳的Udc2当开关管Sw开通ton时，能量储存在电感L两端；关断toff时，能量被转移到电容C两端由此得到以__程Udc1Idc1ton=（Udc2-Udc1）Idc2toff4-1因两边电流相等，用占空比α表示为:Udc2=Udc1ton+toff/toff=Udc1/1-α4-2其中占空比α表示为α=ton/ton+toff4-3当风力发电机输出电压随风速变化时，DC—DC变换器的输入电压Udc1也随之改变，通过调节PWM触发脉冲的占空比α大小，使输出电压Udc2不变变换器输入电阻Rdc1会随直流电压占空比的变化而变化，可定义为Rdc1=Udc1/Idc14-4输出电流可由输出电压和负载电阻表示Idc2=Udc2/RL4-5如果忽略开关损耗和电路损耗，设斩波电路的输入功率与输出功率相等，可得Udc1*Idc1=Udc2*Idc24-6将式8代入式12，可消去Udc1和Udc2，得Idc2=1-αIdc14-7将式两边同时除以，并将式代入可得Udc2/Idc2=4-8另外，将式代入式可得Rdc1=1-α2RL4-9可见，当改变占空比就可以改变输入端负载即改变发电机的负载特性，也就实现了调节输入电压的功能

4.2DC/DC变换器参数设计及其仿真l、功率开关器件在DC／DC变换器应用中，我们需要控制电子开关以控制电路导通时间在开关电源设计中，效率是一个关键性参数功率器件的开关损耗在整个系统损耗中占有很大比重，选用低开关损耗的IGBT是提高效率的重要环节下面就它的实际工作情况做一个简要分析IGBT是在MOSFET基础上研制成功的，它兼有功率MOSFET高输入阻抗、高速特点和巨型晶体管大电流密度特性，具有安全工作区宽、易于并联等独特优点，IGBT被认为是理想的新型电力电子器件功率电子系统中使用IGBT器件，可以改进系统的体积、重量和效率，也可以提高电气设备频率、节约材料和节能．IGBT的利用能够有效减少__运行小型风力发电系统的能量损失，是有效利用风电设备的重要方法，同时IGBT能够有效减小升压变换器中储能电感的体积因此，本文功率开关器件选择使用IGBT

2、整流二极管D整流二极管，是一种将交流电能转变为直流电能的半导体器件整流二极管具有明显的单向导电性，整流二极管可用半导体锗或硅等材料制造整流二极管主要用于各种低频半波整流电路，如需达到全波整流需连成整流桥使用小型风力发电机组采用永碰交流发电机时，通过整流器，将交流变换成直流，向储能装置充电整流器的主要元件是整流管，在三相全波桥式整流电路中．风力发电机组的输出电压与输出电流随风速波动很大，整流管的参数应根据其在电路中可能承受的最大正、反向峰值电压和流过的最大工作电流来选择

3、储能电感L的选择电感器本身就是一个储能原件，其储存的电能与自身的电感和流过它本身的电流的平方成正比E=L*I*I／2由于电感在常温下具有电阻，电阻要消耗能量，所以很多储能技术采用超导体材料模拟电感值为30mH

4、滤波电容c的选择电容是一种静态电荷存储介质它的用途广泛，是电子、电力领域中不可缺少的电子元件，主要用于电源滤波、__滤波、__耦合、谐振、隔直流等电路中输出滤波电容选取470uf选取直流电源为

21.7V，占空比为

55.6%则电路仿真如图4-2图4-2电路仿真仿真波形如图4-3图4-3DC/DC电路输出电压波形

4.3二极管整流器的输入和输出关系二极管不控整流桥将永磁同步发电机发出的交流电整流后经电容滤波，变换成直流电如果忽略电路损耗，则认为整流器的输入功率和输出功率相等，即有3UsIs=Udc1Idc14-10）其中Udc1，Idc1分别为直流侧电压和电流为简化分析，如果忽略线路漏感等影响，设Ulm为线电压峰值三相二极管整流电路输出直流电压值为Udc1=4-11）由此可得，直流电压Udc1和Idc1与相电压Us和Is之间的关系如下Udc1=（4-12）Idc1=（4-13）

4.3本章小结在确定总体控制策略的基础上，对负载变换的DC／DC变换器进行了设计以及对不控整流器进行了概述第5章变速风力发电系统的仿真与分析5．1风力发电系统仿真模型的建立前面章节都对风力发电机的最大功率点跟踪系统作了分析和研究，为了验证所提出的控制方案的正确性及可行性，本节对整个风力发电系统进行建模与仿真应用__tlabr2011b软件中的仿真工具箱Simulink里的相关模型建立了变速风力发电机组的最大功率点跟踪控制的仿真系统见下图5—1这里采用了__tlabr2011b软件中的Simulink中的SimPowerSystcms提供的变速风力机模型，参数的设定为Nominalmechanicaloutputpower哪30631；BasepowerofelectricalgeneratorVA

27567.6；BasewindspeedIⅣs12；__ximumpoweratbasewindspeedpuofnominalmechanicalpower

0.73；BaserotationalspeedQ.U.ofbasegeneratorspeed

1.2；Pitchangle0本文主要研究风力机在额定风速以下的运行状态，不涉及风力机的变桨距控制，所以桨距角设定为0发电机采用的是永磁电机模型参数为定子电阻为

0.05；电感为[LdH，LqH]

0.000795，

0.000795；转子磁通量Wb为

0.192摩擦系数N.m.s为

0.001417；极对数p为36主电路仿真模型如图5-1所示图5-1主电路仿真模型三相不控整流桥中选用的二极管为普通二极管，其正向电流定额和反向电压定额分别可达数千安和数干伏以上；虽然其反向恢复时间一般为5us，适用于开关频率再lkHz以下的整流电路中，由于本仿真系统中发电机的转速不是很高，整流二极管的开关频率远在lkHz以下，所以选用普通二极管来构建三相整流桥是合适的三相不控整流桥输出端滤波电容为47000e-6F Sepic变换器电感的大小都为45000e-06H，电容的大小为4700e-6FSepic变换器输出端的滤波电容大小为47000e-6F在图5-1中采用了Boost变换器，在该仿真系统中，直接将Boost变换器输出的直流电输送给电阻负载，以减小仿真的复杂程度，突出本文的对变速风力发电系统最大功率点跟踪控制的思想控制电路采用了登山搜索法，仿真电路如图5-2所示图5-2控制电路仿真模型由仿真可得当风速为9m/s时，发电机转速为13rad/s时，有风力机发电系统发出的三相交流电相压和线电压分别如图5-3和5-4所示图5-3风力机输出相电压图5-4风力机输出线电压电压经过主电路和控制电路作用后的负载电压如图5-5示图5-5系统输出电压此时的占空比为32%，如图5-6所示系统输出功率如图5-7所示图5-6占空比脉冲电压图5-7系统输出功率由仿真可得当风速为13m/s时，测得发电机转速为27rad/s时，有风力机发电系统发出的三相交流电相压和线电压分别如图5-7所示图5-8风力机输出相电压电压经过主电路和控制电路作用后的负载电压如图5-8示图5-9系统输出电压此时的占空比为43%，如图5-9所示系统输出功率如图5-10所示图5-10占空比脉冲电压图5-10系统输出功率可以看出，当风速由9m/s突变为13m/s此时，系统输出功率由

8.7kW跳变到

15.4kW，占空比

0.3变为

0.41同理，可分析风速由13m/s突变为9m/s时的情况仿真结果表明，随着风速的变化，风机捕获功率基本与系统输出功率一致通过登山搜索控制，再经控制器调节产生变化的PWM触发脉冲，实现对发电机及风力机的变速运行控制以及对最大功率点的跟踪，从而验证了该MPPT控制策略的正确性结论风能是一种不产生任何污染物的可再生能源，已经成为2l世纪最具发展潜力的绿色能源永磁同步电机的优秀性能使它获得了广泛的应用，其优越的特性和节能效果使其在兆瓦级风力发电机领域极具发展潜力本文对永磁同步风力发电机最大功率控制作了较为深入的研究，主要工作体现在以下几点l.在大量阅读文献的基础上，了解了人类利用风能的过程及风力机的发展历程熟悉了水平轴风力发电机的结构和各种变速恒频风力发电系统方案，介绍了风力发电机的各种控制方法

2.在认真学习并结合风力机最大风能捕获原理，详细阐述了登山搜索法并将这一方法应用于主电路的控制中，通过改变IGBT脉冲电压即改变占空比的基础上实现永磁同步风力发电机最大功率控制

3.通过__tlab／Simulink软件建立仿真模型，验证了控制方法及实现最大功率跟踪的正确性和有效性鉴于国外已经推出商品化的兆瓦级永磁同步风力发电机，而我国在这一领域的理论研究才刚刚起步，实用化的产品还是空白，所以本文的研究具有较重要的意义____1．李俊峰等．风力12在中国[M]．化学工业出版社，北京，2005．102．李勇东等．中国风力发电的发展现状和前景[J]．电气时代，2006，0316-20．3．李亚西，武鑫，赵斌等．世界风力发电现状及发展趋势[J]．太阳能，200416-7．4．李传统．新能源与可再生能源技术[M]．南京东南大学出版社，20052-5．5．薛衍，朱瑞兆，杨振斌等．中国风能资源储量估算[J]．太阳能学报，2001，222167-170．6．朱兆瑞，祝昌汉．中国太阳能、风能资源及其利用[M]．北京气象出版社，19887．徐大平，肖运启，吕跃刚，李炜．基于模糊逻辑的双馈型风电机组最优功率控制．太阳能学报，2008，296644-65l

8.勒古里雷斯D．风力机的理论与设计[M]．北京机械工业出版社，1985．

9.彭国平，李帅，鱼振民，等．小型风电系统最大功率跟踪的研究[J]．西安交通大学学报，2004，438357-359．

10.许洪华，倪受元．__运行风电机组的最佳叶尖速比控制[J]．太阳能学报，1998，11930-35．

11.叶杭冶.风力发电机组的控制技术[M].北京机械工业出版社，

2002.

12.吴迪，张建文.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.

13.谢丽蓉，南新元，高瑜等．基于PMSG风力发电系统的最大功率追踪控制，水利发电，2008，345100-

10314.SioshansiFP．Theemergen__oftradingandrisk__nagementinliberalizedelectricity__rkets[J]．EnergyPolicy，2002，3010449-459．

15.DentonM，PalmerA，__sielloR，eta1．__naging__rketriskinenergy[J]．IEEETransonPowerSystems，2003，l82494-502．致谢本论文是在***老师的严格要求和精心指导下完成的，值此论文脱稿之际，致以我最诚挚的谢意在毕业设计期间，闫老师渊博的知识、敏锐的洞察力、严谨的治学态度和丰富的经验都给我留下了深刻印象，使我系统的掌握了科学研究的基本手段、方法，令我受益终身该论文的完成，还离不开实验室其他同学的帮助与支持，和他们一起研究科研难题，__生活的快乐，使得苦闷的科研生活变得不再乏味在半年的学习和生活中，他们给予我很大的帮助和支持最后，再次将我诚挚的谢意献给所有帮助过我的老师、同学、亲人和朋友！谢谢你们！附录1开题报告

一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义能源是支持世界经济发展的重要因素和战略资源人类社会发展的历史与能源__和利用水平密切相关每次新型能源的__都使人类经济的发展产生质的飞跃在21世纪，能源结构也正孕育着重大的转变20世纪的两次世界范围内的石油危机，使人们意识到寻求和发展可以替代化石燃料的其他能源的重要性和紧迫性，世界经济的发展对能源供应提出了稳定持续增长的要求随着现代工业的飞速发展，地球上可利用的常规能源日趋匮乏为了实现能源的可持续发展，世界各国都在大力__新能源和可再生能源风力发电作为一种新型的可再生能源，是全球范围内增长最快的一种能源形式，具有环境友好、技术成熟、全球可行的特点，在世界各地得到越来越广泛的应用H1风能安全、清洁、资源丰富、取之不竭，且不同于化石能源，是一种永久性大量存在的本地资源，可以为我们提供__稳定的能源供应；同时没有燃料风险、更没有燃料__风险、不产生碳排放中国资源综合利用协会可再生能源专业委员会与NREL合作，在UNEP的支持和资助下，___部分地区的风力资源进行了详细的测算，初步结论是不包括__、__等西部地区，风能密度在300瓦／平方米以上的陆地__超过65万平方公里，可以__风力电机组37亿千瓦；风能密度400瓦／平方米以上的陆地__超过28万平方公里，可以__14亿千瓦的风力发电设备；如果再考虑海上风能资源__潜力，可能超过20亿千瓦的发电装机和4万亿～5万亿千瓦时的电量⋯晦儿引可见，我国的风能资源是十分丰富的，而且风力发电具有无污染、施工周期短、投资灵活、占地少、造价低等显著优势综合资源、技术、经济、环保各因素，具有大规模__利用前景的风力发电是解决我国电力和能源紧缺的重要战略选择

二、研究的基本内容，拟解决的主要问题通过查阅相关资料对本课题有初步了解，知道研究本课题所需掌握的知识框构风力发电机结构，风力发电机机变速运行原理，最大功率跟踪控制原理和方法确定自己需要做哪些理解，工作，同时对自己所需解决的问题有个清楚的脉络我解决的主要问题有

1、掌握直驱永磁同步风力发电机最大功率跟踪控制的原理1最佳叶尖速比法最佳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佳转速，并实时调整发电机转速使其始终运行于该最佳转速，从而实现最大风能跟踪该方法需要测量风速、转速还需要知道风力机固有的叶尖速比曲线，由于风速的实时准确测量较为困难，因此该方法在实际应用中存在一些问题但由于该方法是最大功率跟踪的最直接实现思想，在风速测量精确的前提下，具有很好的准确性和反应速度．因此该方法仍然获得了一定应用2功率反馈法功率反馈法的基本思想当风速变化时，首先测量得到转速，根据风力机同有的最优功率曲线计算此时的发电机输出参考功率，对发电机进行功率调节保证风力发电机运行在最优功率曲线上实现最大风能跟踪该方法无需测量风速，但需测量转速，还需知道风力机固有的最优功率曲线相比速度控制，该方法省去了风速测量3登山搜索算法登山搜索算法原理给风力机施加人为的转速扰动，然后通过测量风力机输出功率的变化来自动搜索发电机的最优转速点

2、利用MPPT控制策略设计一个适合于直接驱动型风力发电系统的变流器不控整流器加BOOST电路加并网PWM变换器结构为了解决不控整流器加并网PWM变换器并网电压较低的缺点，在不控整流器和并网PWM变换器之间可以加入一级BOOST升压电路图1，可以有效地提高并网电压避免并网失败B00ST电路模型分析如图2设整个系统处于稳态运行当功率开关S0导通时．电源向电感充电，同时电容向负载供电，设导通的时间为ton，此段时间电感上储存的能量为UdciIdclton当功率开关截止时电源电感共同向电容C充电并向负载传送能量，设功率开关截止的时间为toff在此段时间电感上释放的能量为（Udco-Udci）Idcltoff因电感和电容数值均较大，因此在充放电过程中可以认为充电电流和电容电压均保持不变当电路处于稳态运行时，一个周期T内电感储存的能量和释放的能等即UdciIdclton=Udco-UdciIdcltoffUdci=Udco1-DIdcl1-D=Idco由于D≤1，因此该电路是升压电路该电路之所以能使输出电压高于输入电压，关键在于两个原因一是电感储能具有电压泵升的作用；二是电容数值较大使电压近似稳定通过调节占空比D可以灵活地调节输出电压，可以有效地将发电机出口较低且变化的电压变换为较高且稳定的电压

3、建立数学模型

4、利用Ｍａｔｌａｂ/ｓｉｍｕｌｉｎｋ软件对设计的电路进行仿真研究

三、研究步骤、方法及措施

1.研究前期工作一方面对这个课题做一个深刻的理解，另一方面对以前学过的知识在在再次学习的基础之上再整合一下，把以前学过的知识运用起来，对课题评一下制定研究方案和专题研究计划，搜索、整理、归纳研究中所获得的文献资料，以及怎样开展研究等等

2.研究中期工作这个阶段是个漫长的过程，在上一阶段对研究中所要用的的工作原理及系统功能构成有了印象，主要是完成主电路的和控制电路方案选择，对设计的系统进行理论分析，系统参数设计与仿真研究

3.研究后期工作整理研究所有资料，以及参考实验数据并与理论比较，撰写论文方法及措施1．文献资料研究法，查阅与课题相关的资料，学校图书馆和学校电子图书库，利用网络，搜集材料，有放矢的

2.实验仿真法，在仿真过程，有效利用电脑软件比如__tlab、simulink和等等做好仿真

3.数学建模法，通过定量计算把研究电路中各个部分环节整合成建立模型，进行近似的理论值计算4．__法，.遇到不懂的地方，向老师和同学请教，在__完成毕业设计的前提下，在一定程度上与同学合作

四、研究工作进度

1.（1—4周）查阅资料，学习理论知识，了解题目概况、工作原理及系统构成

2.（5—8周）完成主电路和控制电路方案选择，对所设计的系统进行理论分析

3.（9—12周）系统参数设计与仿真研究

4.（13—16周）系统仿真实验研究

5.（17—18周）整理实验数据，并与理论比较，撰写论文

5、主要____【1】叶杭冶．风力发电机组的控制技术【M】．北京机械工业出版社，2006．【2】薛清梅．大型海上风力发电的__【J】．发电设备，2007，2161．163．【3】刘吉辉．大型陆上风力发电技术综述【J】．__节能，2006，653．55，【4】马晓爽．风力发电发展简史及各类型风力机比较概述【J】．应用能源技术，2007，117924．27．【5】闵英光．风力发电设备发展的大型化海洋化【J】．__大中型电机，2007，21-4．【6】刘细平．风力发电技术研究及发展【J】．微电机，2007，40476—79．【7】潘文霞，艾斯卡尔，史__等．变速恒频风力发电系统控制方案的分析与比较．太阳能，2004，645-48．【8】杜新梅，刘坚栋，李泓．新型风力发电系统．高电压技术，2005，l63-65．【9】王丰收，沈传文，孟永庆．基于MPPT算法的风力永磁发电系统的仿真研究．电气传动，2007，3716-10【10】徐大平，肖运启，吕跃刚，李炜．基于模糊逻辑的双馈型风电机组最优功率控制．太阳能学报，2008，296644-65l【11】贾要勤，曹秉刚，杨仲庆．风力发电的MPPT快速响应控制方法，太阳能学报，2004，25217l-176【12】薛娟妮，马鹏．风电系统最大功率捕获分析．装备制造技术．2008，242-44【13】薛衍，朱瑞兆，杨振斌等．中国风能资源储量估算[J]．太阳能学报，2001，222167-170．【14】SioshansiFP．Theemergen__oftradingandrisk__nagementinliberalizedelectricity__rkets[J]．EnergyPolicy，2002，3010449-459．【15】__ximeR．Dobuis．Reviewofelectromechanicalconversioninwindturbines·ln GroupElectricalPowerPro__ssing．Nederland，2000，70-73\附录2文献综述

1、课题国内外现状风力发电的不断发展过程中，根据控制方式不同出现了恒速恒频与变速恒频发电系统，变速恒频风力发电系统最大的优点就是当风速变化时，发电机的转速可以相应地改变，同样能保证输出电能的频率恒定，从而提高了风力机的风能利用率如何实现最大功率跟踪，一直是风电机组控制中的热点问题

2、研究主要成果在风力发电技术方面，目前实际运用的技术主要有1定桨距风力发电技术定桨距风力发电机组的主要结构特点是桨叶与轮毂的连接是固定的，即当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之变化2变桨距发电技术变桨距风力发电机组与定桨距JxL力发电机组相比，具有在额定功率点以上输出功率平稳的特点3主动失速调节技术将被动失速和变桨距调节两种风力发电机组的优点相结合，桨叶采用失速特性，调节系统采用变桨距调节4变速恒频发电技术所谓变速恒频就是通过交-直-交系统先通过电机发出交流电作为风电这种电流是不稳定的因为风力属于垃圾电力.然后通过整流电路比如三相桥或者12相整流把交流转化为直流然后再用逆变器通过PWM控制达到一个稳定频率的三相电流

三、发展趋势在风力发电系统中两个主要部件是风力机和发电机风机叶片是风力发电技术进步的关键核心，风力机向着变浆距调节技术、发电机向着变速恒频发电技术，这是风力发电技术发展的趋势，也是当今风力发电的核心技术尤其值得注意的是，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由于它被设计成在几乎所有的风况下都能获得较大的空气动力效率，从而大大地提高了捕捉风能的效率与定速恒频风力机组相比，变速恒频风力机组可以在风速低于额定风速时，通过调节发电机转子转速，尽可能多地捕获风能，同时稳定发电机输出能的频率；在风速高于额定风速时通过变桨距保持额定发电功率

4、存在问题风力发电机功率由于随着风速的变化而变化，发电机转速变化的离散性非常大另外，发电机也会经常碰到大滞后、时变、非线性负荷影响，还有叶片上的沉积物、下雨、老化、大气条件、电网电压和频率变化等误差源和不确定因素，使得控制过程和系统数学模型变得非常复杂，因此对于风力发电机很难总结出一个精确的数学模型

5、主要____1．李俊峰等．风力12在中国[M]．化学工业出版社，北京，2005．102．李勇东等．中国风力发电的发展现状和前景[J]．电气时代，2006，0316-20．3．李亚西，武鑫，赵斌等．世界风力发电现状及发展趋势[J]．太阳能，200416-7．4．李传统．新能源与可再生能源技术[M]．南京东南大学出版社，20052-5．5．薛衍，朱瑞兆，杨振斌等．中国风能资源储量估算[J]．太阳能学报，2001，222167-170．6．朱兆瑞，祝昌汉．中国太阳能、风能资源及其利用[M]．北京气象出版社，19887．徐大平，肖运启，吕跃刚，李炜．基于模糊逻辑的双馈型风电机组最优功率控制．太阳能学报，2008，296644-65l

8.勒古里雷斯D．风力机的理论与设计[M]．北京机械工业出版社，1985．

9.彭国平，李帅，鱼振民，等．小型风电系统最大功率跟踪的研究[J]．西安交通大学学报，2004，438357-359．

10.许洪华，倪受元．__运行风电机组的最佳叶尖速比控制[J]．太阳能学报，1998，11930-35．

11.叶杭冶.风力发电机组的控制技术[M].北京机械工业出版社，

2002.

12.吴迪，张建文.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.

13.谢丽蓉，南新元，高瑜等．基于PMSG风力发电系统的最大功率追踪控制，水利发电，2008，345100-

10314.SioshansiFP．Theemergen__oftradingandrisk__nagementinliberalizedelectricity__rkets[J]．EnergyPolicy，2002，3010449-459．

15.DentonM，PalmerA，__sielloR，eta1．__naging__rketriskinenergy[J]．IEEETransonPowerSystems，2003，l82494-502．附录3中期报告毕业设计的进展情况经过这几周的努力毕业设计已经初具轮廓，但是仍有很多问题还是没能够解决，自己也是十分的努力去按照毕业设计开题报告的进度安排进行，现对最近几周的学习情况进行总结首先，查阅资料阅读文献，进一步对课题“最大功率跟踪控制在直驱型风力发电系统中的应用”有了更为深刻的理解，理解它的详细的工作原理和工作过程根据其工作原理和工作过程选取了主电路的控制方式，选择了爬山搜索法控制，通过查阅相关资料学习各种控制方法，学到了很多知识也巩固加深了以前学习的书本知识由此主电路和控制电路有了构思其次，学习VISIO软件，先对VISIO进行了最基础的了解，对其基本概念和主要功能做了详细的掌握通过画一些简单的图去熟悉其用法并且学习了__TLAB和PSIM两种用于仿真的原件比较之后决定用__TLAB为仿真做好了准备1永磁直驱同步风力发电系统结构与数学模型永磁直驱同步风力发电系统结构如图1所示，该系统由风力机、永磁同步发电机、整流、逆变等部分组成为简化控制采用了二极管整流电路与BO0ST斩波电路作为AC—DC变换器为了最大限度地利用风能，使系统工作在一个较宽的风速范围内，需引入DC～DC变换器这里采用Boost升压变换器将二极管整流输出的脉动直流电变换为恒压输出的直流电可通过调节PWM脉冲，改变开关管的占空比α，完成改变负载的功能，以实现负载阻抗的匹配，进而实现最大风能捕获

1.1永磁同步发电机的数学模型假设采用隐极同步发电机其三相电路对称，则发电机输出的相电压可表示=--

（1）式中为发电机定子电阻；为发电机同步电抗；为相电流；为与永磁同步电机拖动转速成比例感应电动势，且有=Kφ（2式中k为电机常数，φ为发电机的励磁磁通；为机械角速度

1.2二极管整流器的输入和输出关系二极管不控整流桥将永磁同步发电机发出的交流电整流后经电容滤波，变换成直流电如果忽略电路损耗，则认为整流器的输入功率和输出功率相等，即有3UsIs=Udc1Idc13）其中Udc1，Idc1分别为直流侧电压和电流为简化分析，如果忽略线路漏感等影响，设Ulm为线电压峰值三相二极管整流电路输出直流电压值为Udc1=4）由此可得，直流电压Udc1和Idc1与相电压Us和Is之间的关系如下Udc1=

（5）Idc1=

（6）

1.3DC—DC变换器的变流控制及其模型为了便于分析，用一等效直流电源代替发电机和二极管整流后所得电压，逆变后的部分可看作Boost变换器输出端的负载阻抗，用一负载电阻代替，则斩波器的等效电路如图3所示假设等效电路的电感和电容足够大，开关器电流经电感平稳，输出直流电压经电容得到平稳的当开关管SW开通时，能量储存在电感L两端，关断（），能量被转移到电容C两端由此得到以__程因两边电流相等，用占空比α表示为其中占空比α表示为当风力发电机输出电压随风速变化时．DC—DC变换器的输入电压也随之改变，通过调节PWM触发脉冲的占空比α大小，使输出电压不变变换器输入电阻会随直流电压占空比的变化而变化．可定义为输出电流可由输出电压和负载电阻R表示如果忽略开关损耗和电路损耗，设DC—DC斩波电路的输入功率与输出功率相等，可得将式8代人式12，可消去和，得将式8两边同时除以，并将式9代入可得另外，将式1O、11代人式14，得可见，当改变占空比α，就可以改变输入端负载即改变发电机的负载特性，也就实现了调节输入电压的功能2MPPT控制策略

2.1最大功率点控制原理由式5和式6可得以__程假如令/为二极管整流电路交流侧的等效输入电阻值R，并将式15代入式16可得由式1可得发电机相电流表达式则发电机的输出功率P为2．2最大功率点的捕获由式19知，发电机输出功率可由占空比α、角速度表示，并具有最大功率点发电机转速总是随风速不断变化，为有效地获得电功率，需控制DC—DC占空比α来获得最大功率当占空比为时，电功率最大为简化计算，定义对式20两边对α求导得则发电机输出功率P用x的函数可以表示如下两边同时对α求导，并令dP／dα=0，可求出最大功率时的占空比

2.3风能MPPT跟踪变速风力发电系统中最大功率点跟踪控制算法近年来成为了一个热门的研究课题，尽管这些算法是基于不同的功率变换器拓扑结构，但根据它们的控制原理可以大致分为三类叶尖速比控制算法、功率__反馈算法、登山搜索算法

2.

3.1叶尖速比控制算法Tip-Speed—RatioTSRControl叶尖速比TSR控制算法是要维持风力机的叶尖速比在最佳值处TSR的最佳值一般是通过计算或实验获得，这样在任何风速下风力机对风能的利用率都最大，从而达到对风力机最大功率点跟踪的目的图3所示为TSR的控制原理框图，将风速v和风力机转速w的测量值作为控制系统的输入__，通过计算得出风力机此时的实际叶尖速比，然后与风力机的最佳值相比较，所得误差值用来对风力机的转速进行控制，直到风力机运行在最佳叶尖速比上实现这个方案的主要困难在于很难取得准确的风速__风力机在旋转时，周围的空气会产生很大的扰动因此测量风速的传感器必须要装在远离风力机的地方，这样测得的风速与风力机__处的风速就会存在一定的偏差，而且从风速传感器取得的风速__还必须能反映风力机跟踪风向的偏差，否则又会造成误差这个方案虽然看起来简单，但是由于误差较大，不能获得很好的功率控制效果，因此在对功率控制要求较高的时候一般不采用

2.

3.2采用最佳功率曲线控制功率__反馈PSF控制原理测量出风力机的转速国，并根据风力机的最大功率曲线计算出与该转速所对应的风力机的最大输出功率P，并将它作为风力机的输出功率给定值，对风力机进行控制，以实现对最大功率点的跟踪图4为在功率__反馈算法的控制下风力机运行状态点的变化图如果是当前风速下风力机的最大功率输出点，是此时风力机实际的风轮转速，PSF控制算法将由该转速，根据最大功率曲线计算出相应的最大输出功率，并将它作为风力机输出功率的给定值；由于风力机此时的输出功率小于风力机实际捕获的机械功率，风力机的转速W将从逐渐增加到，随着转速W的增加风力发电系统在PSF的控制下最终将运行在最大功率点上同样，在风速为时，如果当前的风轮实际转速为，则在PSF算法的控制下，风力机将会减速，即从逐渐降低到，同样最终会运行在最大功率点上图4—1即为PSF算法的控制原理框图

2.

3.3爬山搜索算法采用功率曲线进行控制的方法需要知道风力机的最大功率曲线的知识，而获得最大功率曲线需要获得风机的曲线、传动系统和发电机效率特性等参数在实际中，获得这些参数需要通过大量的计算和实验采用爬山搜索算法，既不需要知道最大功率曲线，也不用实时测量风速爬山搜索算法就是对风车转速控制的指令值以一定的转速扰动值△W进行扰动，然后观察风车的功率变化如果功率增加，那么风车转速的扰动方向不变，如果功率减小，则将风车转速扰动反向所提出的最大功率点跟踪算法可以归纳为根据风力机输出功率和转速的变化趋势，判断出风力机的实际运行状态点与最大功率点的位置关系，即当Pk-1Pk且W（K-1）WK或者Pk一1PK且W（K-1）WK时，说明输出功率和转速的变化趋势相同，根据输出功率与转速的关系可以判定此时风力机的运行状态点在最大功率点的左侧，所以要提高风力机的转速，直到风力机运行在最大功率点上同理当Pk-1Pk且W（K-1）WK或者Pk-1pk且W（K-1）WK时说明输出功率和转速的变化趋势相反，根据输出功率与转速的关系可以判定此时风力机的运行状态点在最大功率点的右侧，所以要减小风力机的转速，直到风力机运行在最大功率点上根据以上的算法对风力机的转速进行控制，就可以实现对最大功率点的跟踪，不需要预先知道风力机的最大功率曲线，同时该控制方法容易实现3系统仿真

3.1风力发电系统仿真模型的建立见附录

13.2风力发电控制系统仿真模型的建立4毕设中遇到的问题和解决方案在做毕业设计的过程中，遇到的可能一个小的问题，有时也解决不了，说明自己在大学期间的学习有很大的漏洞自己会去查以前学习的书籍，向同学和老师请教问题主要体现在电路的仿真上，其实也可能是前面一些参数选择上要求不满足，在电机拖动曾学过的PI调节器的计算选择，仿真的检验和调试，是很要功夫的地方把曾经学过的知识串联起来很重要提高了自己__分析问题解决问题的能力5毕业设计的下一步工作如何安排，写出具体的时间进度表内容时间安排风力发电系统模型仿真4月28日至5月4号风力发电控制系统模型仿真5月5号至5月7号仿真整体的调试与检验5月8号至5月9号6撰写毕业论文工作的具体安排和打算，完成毕业论文的时间进度表内容时间安排毕设整个知识点的__，电路原理图的整理5月4日至5月5号毕设前言翻译5月6号至5月8号电路硬件的设计5月9号至5月14号附录1附录四无位置传感器最大功率点跟踪控制在永磁同步发电机风力发电系统中的应用NVSureshKu__rSrighakollapu电气工程部门印度理工学院KanpurU.P.-208016印度____:sureshsnv@yahoo.co.in​__ilto:snv@yahoo.co.in​ParthaSarathiSensar__MemberIEEE电气工程部门印度理工学院KanpurU.P.-208016印度____:sensar__@iitk.ac.in这篇文章提出了一种控制策略利用直接驱动永磁同步发电机PMSG对可变的风速风能转换系统WECS执行最大功率点跟踪MPPT算法通过控制被三相整流器转换成的直流，发电机的操作运行速度保持在基本控制速度以下电压参考是基于动态变化方向上的活跃功率的变化该控制算法是__于涡轮参数以及__参数的该方法避免了转子的速度和风速测量因此结果系统具有成本低可靠性更高本控制结构包括通过一个电压控制回路的变化来改变发电机的速率的控制系统，和改变系统效率的直流变化系统该控制器的性能通过仿真各种变化风速得到验证近年来，重视对非常规能源如风能和太阳能的__利用风能增长的动力是因为它相对低廉的成本根据最大大气条件整个系统可以进一步降低成本通过最佳控制电力电子变换器提取最高效率一个典型的风能转换系统（风力机）显示如图1所示，在该系统中使用电力电子接口得到最大功率各种电力电子接口用于发电机外，在发电机外可以是不控整流的直流/直流转换器

[1]-

[3]或完全控制的有源整流器

[4]-

[6]图1典型的风能和转换系统电网侧的接口是一个完整的控制逆变器俯仰角控制opti__lpower报道

[7]最佳功率输出通过测量计算转子转速之间的差异最佳功率与实际功率输出是用来提供控制作用在

[1]和

[2]，最大功率点跟踪（控制）控制提出采用直流斩波器发电机输出功率测量工作周期直流/直流转换器控制功率方向扰动周期变化一个优化的电压控制方法是在

[3]，其中直流/直流变换器的控制电压控制模式中的电池应用程序通过改变控制二极管充电整流器输出电压在

[1]-

[3]，可变速度控制永磁发电机二极管整流器由直流斩波器显示在控制发电机功率因数是不可能的，从而降低发电机效率此外，本机线谐波目前的原因振荡扭矩在

[4]-

[6]矢量控制基于永磁同步发电机控制报告最佳电流矢量生成控制参考使用涡轮参数及测量转子转速由此产生的误差计算优化参考和实际电流是用来控制活动整流器主要缺点是这种方法的控制参考是根据先验信息与转子转速风力机特这些特征会随着时间而改变，由于老化和这些不具备高精度在

[8]

[9]，搜索跟踪算法基于转子转速的报道，其中需要精确的转子速度测量本文的目的是结合二极管整流器输入直流/直流转换器和控制有源整流器功率控制的优势主要目标是•避免风速测量•避免转子速度测量•实现机__控制•确保统一功率因数操作有源整流器提供能量给直流电路，谁的电路被有源控制整流器保持不变在文章中有源整流器是被提及的负载假定是理想的对于所产生的能量应用T型滤波器拓扑风力能源的应用被提及，如图显示在图2在这里，VabctVabci分别代表三相电压在发电机终端电压和逆变器电压有了作为动力学方程5-7系统的这种拓扑结构的电容式电压技术实现电压控制是可能的配置的电流开关纹波可以有效衰减，因此电磁转矩振荡此外，它抑制终端电压开关谐波因此电压和介电应力归结于电压开关谐波这些压力的缺点将

[10]中被讨论II.WECS过程的数学模型A风力发电机WT从风力涡轮机中输出的能量和风力涡轮机的涡轮半径，风速，俯仰角β和风叶形状有关在本文中俯仰角β被认为是保持不变的从风力涡轮机中获得的能量公式如下Pm=ρπR2CPλVω3watts式中，P——通过风轮扫掠__风的功率，单位为W；ρ——空气密度，单位为kg／m3；R——风轮半径，单位为m；v——实际风速，单位为m／s；——风力机的功率系数风力机的功率系数反映了风力机吸收利用风能的效率，它随风速、风力机转速以及风力机叶片参数如功角、桨距角等而变化为了便于讨论的特性，定义风力机的另一个重要参数叶尖速比λ，即叶片的叶尖线速度与风速之比TSR=ωrR/Vω通常风力涡轮机的特性由Cp−λ给出，对于风力涡轮机来说功率系数Cp和λ有关，功率系数Cp的公式如下所示CP=图2T状转换器B永磁同步发电机滤波器在被__的永磁同步发电机表面，有效气隙是大的且恒定不变的由于常数相对渗透率的永久磁接近团结因此，d轴和q轴电感可以认为是大致相等永磁同步发电机的数学模型在三阶段域本文提出了风力发电系统及其控制结构显示图4三相感应电压的函数转子速度和系统动力学方程（没有考虑阻尼和电容器的寄生电阻）被给定如下:4Iabcg=Eabcn-Vabcf-IabcgRin5Iabci=Vabcf-Vabcn-IabciRi6Vabcf=Iabcg-Iabci7其中，EABC，N，VabcVabc，F，N内部诱导相电势在永磁同步，滤波电容电压，终端电压转换器分别；滤波电容的电压，转换器终端电压分别IABC，G，IABC，我是发电机和逆变侧相电流;ψf是由于定子磁链永久磁铁，以及Lin=LS+LG，RIN=RS+RG图4所示的电感和电阻电磁扭矩表现在两相同步旋转d-q坐标系模型图3（a）Cp-λ特性（b）风力机输出能量和转子速度的特性图4提出了WECS配置和控制机构机械动力学的完整系统和电气频率的表达为ωm=Tm-Te-Bωmdt;ωr=ωm9J和B是风力机的惯性矩和摩擦系数，TmTe分别是机械、电磁扭矩，P风力机是永磁磁极数风力发电系统的配置及其控制该风力发电系统的配置及其控制结构如图4所示直接驱动永磁同步机通过滤波器连接一个有源整流器设计的滤波器在讨论

[11]被讨论滤波电容的选择一般小于最大功率输出系统基本定子电流的10%谐振频率过滤器（参见图2）公式如下fres=10大电流在共振中对发电机的电磁转矩造成严重的干扰这些谐振电流衰减采用主动阻尼从电力系统中提取最高功率点，发电机端电压控制转子速度变化参考用于电压控制的动态变化用于最大功率输出这是通过干扰电压参考量和观测相应的功率梯度在固定αβ参考框架设计电压控制器改进操作的实现是通过引入使用电流控制修正的参考电压量，在同步电机中电流分为d轴和q轴分量d轴和q轴分量的转换需要确定电压矢量的位置电压矢量通过在发电机端使用锁相环获得的.A.主动阻尼干扰发生器和转换器的电压可在共振滤波器触发阻尼的共振电流可以提供或者使用被动阻尼电阻或虚拟阻尼电阻

[13]（主动阻尼）由于物理阻力所引起的能量损失，主动阻尼是首选主动阻尼技术被广泛引用，连接电网的应用

[14]在本文中，虚拟阻抗的概念需要被考虑，虚拟阻抗被模拟成系列与滤波电容单相等效电路的滤波与活动阻尼图5所示该转换器与主动阻尼是由如下公式给出（忽略寄生电阻电容器和电感器）Yin，ad（s）=

（11）在导纳传递函数没有主动阻尼的情况下用Kd=0替代阻尼电阻仿真通过减去与滤波电容电流的调制指数成正比的电压逆变器输出电压为=Vabci-Kdiabcf12Kd表示为比例阻尼系数很高的比例阻尼系数会导致调制指数变得非常大以及系统将失去其线性度这是可以完全可以避免的通过给予比例阻尼系数一个适当的值，这里我们赋予比例阻尼系数值为8伯德图

（11）以及无主动阻尼显示在图6，该图中Rd被认为是等于0主动阻尼对谐振频率成分起作用因此，电容电流需要感觉在高采样频率（这里kHz）为了实现数字控制器和主动阻尼图5等效电路，滤波器的有源阻尼B.电压控制在固定电容电压控制器的设计αβ参考帧考虑发电机作为电流干扰，（对照组）从电容的传递函数电压转换器输入电压与主动阻尼表示为Gvads=13这里的阻尼和电容的寄生电阻忽略不计设备没有主动阻尼的传递函数，GV（S）可以得到通过在

（13）中替换KD=0在控制回路，反馈输入电容的电压可以被测量或估计估计消除传感器和控制系统避免了额外的成本电容电压可以通过发电机的端电压和线电流被测量估计时域电压估计方程为14估值可以通过包括衍生工具运作的同步旋转dq参考框架实现因为一个理想微分器放大了一个非常不必要的噪音__值，有损区别（与高频率的区别）被用于估计估计电压D-Q参考帧中的表达式给出如下Vestqf=Vqt-Lq-ωrLdIdg15Vestdf=Vdt-Ld-ωrLqIqg16设计该控制器考虑主动阻尼频域电压控制器鉴于

（17）相应的幅度和相位图如图7所示Hvs=

0.8+2000/s17电压控制回路转移函数无阻尼，主动阻尼和控制器伯德图C.单位功率因数（UPF）的控制UPF操作是通过引进通过电流控制器的改正电容通过电流控制器参考电压控制器以同步旋转D-Q参考框架为蓝本与电压回路比较为UPF操作的控制行动可能比较缓慢控制器设定为为200ms的稳定时间（TS）该设备转移电流控制器的设计和相应的功能控制器在频域如下Gi（s）=

（18）Hi（s）=

1.61+20/s

（19）相应的幅度和相位循环预示环节传递函数显示如图8

四、MPPT算法MPPT算法的各种技术已被认为在风力发电的应用

[1]

[5]

[9]其中扰动观察法（PO）比较，其被认为是为实现MPPT的比较好的方法发电机电枢电流与扭矩相关以及感生电动势可给予如下Te=KTLg；E=KeIg=Kwωm20其中，KT，柯和KW是比例常数因此，转子速度可通过改变发电机端电压而改变附录五。