基于爬山法的風(fēng)力發(fā)電最大功率跟蹤控制方法研究摘要風(fēng)能作為可持續(xù)發(fā)展的清潔能源，越來越受到人們的重視。風(fēng)力發(fā)電作為利用風(fēng)能的主要形式正在以前所未有的速度發(fā)展著。較之傳統(tǒng)發(fā)電方式，風(fēng)力發(fā)電逐漸增大比例，并且在電力系統(tǒng)中受到越來越多的關(guān)注和歡迎。本文首先介紹了國內(nèi)外的能源形勢，討論了風(fēng)力發(fā)電的研究現(xiàn)狀和必要性。本文研究的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，包括定槳距風(fēng)力發(fā)電機、永磁同步發(fā)電機、不可控三相二極管整流電路、Boost升壓變換器、MPPT控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。介紹了各個模塊的原理和特性，研究了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)的原理。包括尖速比控制、功率信號反饋控制、爬山算法和模糊控制等控制算法，對他們的原理進行了分析和比較。其次，基于MATLAB/Simulink，建立了一個爬山法的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真模型。仿真結(jié)果表明，所采用的爬山法可以有效地跟蹤最大功率。關(guān)鍵詞：永磁電機，風(fēng)力發(fā)電，最大風(fēng)能追蹤

ABSTRACTPeoplepaymoreandmoreattentiontowindpower,becauseit’snopollutionandrenewableenergy.Windpowergenerationisdevelopingataveryhighrateasamajorusedformofwindenergy.Theproportionofwindpowerreplacingtraditionalenergyisgraduallyrising,windpowergenerationismoreandmoreimportantandpopularinthepowersystem.Inthispaper,firstly,thepresentsituationabouttheutilizationanddevelopmentofwindresourcesistalkedandtheresearchstatusofwindpowergenerationsystemisintroduced,thenthestructureofsmallwindpowersystemsisgivenincludingfixedpitchwindturbine,permanentmagnetsynchronousgenerator(PMSG),three-phasedioderectifyingcircuitandtheBoostconverter,etc.Thebasictheoryofwindpowerandwindturbineanditscharacteristicandtheprincipleofmaximumpowerpointtracking(MPPT)areanalyzed.ThetheoryoftheexistingMPPTalgorithmssuchasthetipspeedratiocontrol,powersignalfeedbackcontrol,HCScontrolandfuzzycontrolisanalyzed.Theadvantagesanddisadvantagesofthosealgorithmsareanalyzedandcompared.Secondly,basedonMATLAB,thesimulationsystemofsmallwindpowersystemwiththeMPPTisestablished.Characteristicsofwindpowersystemaresimulated.ThesimulationresultsshowthatHCScontrolcantrackthemaximumpowereffectively.KEYWORDS：PMSG，windpowergeneration，maximumpowerpointtracking

目錄第一章緒論 51.1選題的背景和意義 51.2國內(nèi)外關(guān)于該課題的研究現(xiàn)狀 61.2.1永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的建模 71.2.2直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的研究 81.2.3直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中功率變換環(huán)節(jié) 81.3本文的研究內(nèi)容 9第二章永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 102.1系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 102.2風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)特性分析 112.2.1貝茨理論 112.2.2風(fēng)力機特性 122.2.3永磁同步發(fā)電機的數(shù)學(xué)模型 132.2.4Boost升壓變換器的工作原理 152.2.5功率調(diào)節(jié)原理 16第三章直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真建立 183.1仿真環(huán)境MATLAB/Simulink簡介 183.2系統(tǒng)主要部件建模仿真 193.2.1風(fēng)力機模型 193.2.2永磁同步發(fā)電機模型 203.2.3整流器模型 213.2.4Boost和驅(qū)動模塊建模 223.3系統(tǒng)整體仿真模型 23第四章風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤策略 244.1常用最大功率跟蹤算法比較與分析 244.2本文所用爬山算法實現(xiàn) 27第五章仿真結(jié)果 285.1風(fēng)力機仿真結(jié)果 285.2輸出功率與占空比特性曲線 315.3加入MPPT的仿真結(jié)果 31參考文獻 33致謝 34畢業(yè)設(shè)計小結(jié) 35

緒論1.1選題的背景和意義隨著全球經(jīng)濟的快速發(fā)展，人類對能源的需求顯著增加，而在地球上傳統(tǒng)能源是有限的。如何實現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展，保證經(jīng)濟和社會的可持續(xù)發(fā)展，在世界各國已成為一個無法回避的問題。基于傳統(tǒng)能源枯竭和環(huán)境保護考慮，目前世界上的技術(shù)人員正在研究和開發(fā)新能源，可再生能源一定是未來能源發(fā)展的方向?？稍偕茉窗L(fēng)能、太陽能、水能、生物質(zhì)能、地?zé)崮艿?，?jīng)過多年的發(fā)展，發(fā)展可再生能源已經(jīng)成為世界能源供應(yīng)戰(zhàn)略，并且越來越受到各國政府重視，其中風(fēng)能尤為突出。圖1-1圖1-1世界主要國家風(fēng)電累計裝機容量據(jù)2015年4月發(fā)布的《國家電網(wǎng)公司促進新能源發(fā)展白皮書》[1]，我國新能源發(fā)展已經(jīng)走在了世界前列，成為全球風(fēng)力發(fā)電規(guī)模最大、光伏發(fā)電增長最快的國家。2012年風(fēng)電累計并網(wǎng)容量位居全球第一，2013年光伏發(fā)電累計并網(wǎng)容量位居世界第二，新能源開發(fā)利用水平與歐美等先進國家相當(dāng)。2014年我國并網(wǎng)風(fēng)電、光伏發(fā)電裝機容量突破1億千瓦，全年發(fā)電量近1800億千瓦時，相當(dāng)于一個中等發(fā)達(dá)省份的全年用電量。截至2014年底，我國累計并網(wǎng)風(fēng)電裝機容量達(dá)到9581萬千瓦，其中國家電網(wǎng)調(diào)度范圍風(fēng)電裝機容量達(dá)到8790萬千瓦，是全球接入風(fēng)力發(fā)電規(guī)模最大的電網(wǎng)，建成7個超過600萬千瓦的大型風(fēng)電基地，甘肅、蒙西超過1000萬千瓦。2010年以來，光伏發(fā)電裝機容量年均增速達(dá)到219%，截至2014年底，我國累計并網(wǎng)光伏發(fā)電容量達(dá)到2652萬千瓦，其中國家電網(wǎng)調(diào)度范圍光伏發(fā)電并網(wǎng)容量達(dá)到2445萬千瓦，建成3個超過300萬千瓦的光伏發(fā)電基地。在甘肅、內(nèi)蒙古、寧夏等11個?。▍^(qū)），風(fēng)電、光伏發(fā)電等新能源已成為第2大電源。2010~2014年，全國風(fēng)電設(shè)備平均利用小時數(shù)約為2000小時，保持較高水平。蒙東、甘肅電網(wǎng)風(fēng)電瞬時出力占到當(dāng)?shù)刎?fù)荷比例的最大值、風(fēng)力發(fā)電年發(fā)電量占用電量的比例等指標(biāo)與丹麥、西班牙、德國等國家相當(dāng)。并且政府承諾2030年非化石能源占一次能源消費比重提高到20%，《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計劃（2014~2020年）》明確了新能源發(fā)展目標(biāo)，未來風(fēng)電、太陽能發(fā)電還將保持快速發(fā)展，2020年風(fēng)力發(fā)電規(guī)劃裝機規(guī)模達(dá)到2億千瓦。在技術(shù)研發(fā)方面，科研院所和高校緊密圍繞國家的戰(zhàn)略需求，對風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展做出了重要貢獻。中國電力科學(xué)研究院、清華大學(xué)、浙江大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、華中科技大學(xué)、重慶大學(xué)、中國北方電力大學(xué)、合肥研究院研究所等單位對風(fēng)力發(fā)電技術(shù)進行了較為深入的研究，形成了一套完整的理論體系，覆蓋風(fēng)電機組控制、風(fēng)力發(fā)電機組模型研究、發(fā)電機運行控制和并網(wǎng)策略，實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電低電壓穿越，奠定了我國在風(fēng)電行業(yè)未來發(fā)展的良好基礎(chǔ)。同時，由于受到國家宏觀經(jīng)濟政策支持，一些大型國內(nèi)風(fēng)電設(shè)備制造商也在崛起。這些國內(nèi)廠商通過技術(shù)轉(zhuǎn)讓、聯(lián)合設(shè)計、創(chuàng)新等方式，逐步擁有多項專有風(fēng)電技術(shù)和產(chǎn)品。通過引進國際先進技術(shù)，以金風(fēng)科技為例，已經(jīng)實現(xiàn)了1.5MW、2.5MW和永磁電機組的生產(chǎn)，自主開發(fā)3MW的機組，并開始設(shè)計和開發(fā)的6MW機組；由國內(nèi)科研單位自主研發(fā)的3MW雙饋電機，并已成功應(yīng)用于上海東海大橋海上風(fēng)電場項目。國內(nèi)大型風(fēng)電設(shè)備制造商的出現(xiàn)，有力地促進了科研成果的實際應(yīng)用，不斷推動國內(nèi)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，同時也為國際風(fēng)電行業(yè)做出了重要貢獻。隨著風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，風(fēng)電技術(shù)的未來將出現(xiàn)以下趨勢[2]：（1）單機容量增加，風(fēng)力發(fā)電成本下降。電動機設(shè)計水平的提高和生產(chǎn)水平的進步，使單機的風(fēng)力渦輪機容量將進一步增加，降低了風(fēng)電場的風(fēng)力渦輪機的數(shù)量和需要的容量，降低了基礎(chǔ)設(shè)施成本。風(fēng)力渦輪機的可靠性和安全性將得到進一步提高，運營成本將降低，風(fēng)力發(fā)電將成為一種廉價而豐富的可再生能源。（2）新的技術(shù)、新的解決方案不斷被采用，使得功率調(diào)節(jié)變速恒頻方面的功率調(diào)節(jié)技術(shù)和槳矩角調(diào)節(jié)的技術(shù)將成為主流技術(shù)；在驅(qū)動方式上，無齒輪直接驅(qū)動技術(shù)和半直驅(qū)技術(shù)將得到快速發(fā)展；在控制算法方面，非線性魯棒控制智能化控制等先進控制算法將被逐步應(yīng)用；同時新的轉(zhuǎn)換器拓?fù)洹⑿碌碾娫崔D(zhuǎn)換器（多級轉(zhuǎn)換器和多路轉(zhuǎn)換器等）將逐步推廣。（3）海上風(fēng)電技術(shù)將成為一個熱門話題。陸上風(fēng)電項目發(fā)展受到有限的土地資源和公共環(huán)境等因素制約，但海上風(fēng)力發(fā)電有幅員遼闊風(fēng)能資源豐富、高風(fēng)速、無噪聲標(biāo)準(zhǔn)限值等優(yōu)勢，使海上風(fēng)力發(fā)電開發(fā)已成為世界風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢，并且海上風(fēng)電技術(shù)必將成為技術(shù)人員研究的熱點。1.2國內(nèi)外關(guān)于該課題的研究現(xiàn)狀隨著風(fēng)電場的規(guī)模化和風(fēng)力發(fā)電機組的大功率化發(fā)展，當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也在不斷的發(fā)展著，正在逐步提高風(fēng)電系統(tǒng)運行效率和可靠性。當(dāng)前世界各國關(guān)于大功率風(fēng)電系統(tǒng)的研究主要集中在變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，在變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)中，主要有雙饋式和直驅(qū)式這兩種，相比于雙饋風(fēng)力發(fā)電機組，永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機組由于沒有齒輪箱，因而降低了其初始成本和運行維護成本，使得它更加受到人們的青睞。為了說明直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機的特點，將它和雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機綜進行合比較，如下表1-1所示：表1-1兩種表1-1兩種電機綜合比較項目永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機組雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機組系統(tǒng)體積大大系統(tǒng)價格高中維護成本低較高平均效率較高高變流單元IGBT，電流較大，技術(shù)難度大IGBT，電流較小，技術(shù)難度小變流穩(wěn)定性高中變流容量全功率逆變僅需全功率的1/4電壓變化率無高電壓變化高，需要進行電壓過濾可承受瞬間電壓-85％至10％-10％至10％諧波畸變?nèi)菀卓刂?，諧波頻率穩(wěn)定難以控制，隨轉(zhuǎn)速變頻50Hz／60Hz之間的配置變化變流濾波參數(shù)需調(diào)整變流濾波參數(shù)和齒輪箱變比需調(diào)整發(fā)電機造價高低發(fā)電機體積大小發(fā)電機重量重輕發(fā)電機電纜的電磁釋放無有，需要屏蔽線發(fā)電機滑環(huán)無碳刷，無滑環(huán)半年換碳刷，2年換滑環(huán)從表中可以看出，普通的雙饋異步發(fā)電機的主要優(yōu)點是，轉(zhuǎn)換器的容量小，投資少，但有齒輪箱、電刷和滑環(huán)的問題，使得系統(tǒng)不那么可靠，需要維修，同時噪音污染嚴(yán)重。相比而言，直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機組主要在以下四個方面有優(yōu)勢[2]：=1\*GB3①高發(fā)電效率：直接驅(qū)動風(fēng)力渦輪機，因為沒有齒輪箱，減少了傳輸損耗，提高了發(fā)電效率，風(fēng)能利用效率高，特別是在低風(fēng)環(huán)境，效果更加顯著。=2\*GB3②高可靠性：風(fēng)力發(fā)電機組齒輪箱運行故障率高，直驅(qū)技術(shù)消除了齒輪箱及其附件，簡化傳動結(jié)構(gòu)，從而提高機組的可靠性。同時，本機是在低速運行，較少的旋轉(zhuǎn)部件，使之更加可靠。=3\*GB3③低運行和維護成本：無齒輪直接驅(qū)動技術(shù)減少了風(fēng)力渦輪機的組件的數(shù)量，避免了齒輪箱油的定期更換，減少了操作和維護成本。=4\*GB3④電網(wǎng)接入性能：直接驅(qū)動永磁風(fēng)力渦輪機低電壓穿越，電網(wǎng)電壓下降，風(fēng)力渦輪機仍在運行中，該網(wǎng)絡(luò)可以在一定范圍電壓降的范圍內(nèi)運作，以保持電網(wǎng)穩(wěn)定運行。基于以上四點，直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由于具有直接驅(qū)動良好的技術(shù)，發(fā)展前景較好，推動了風(fēng)力渦輪機的發(fā)展，使風(fēng)力發(fā)電成為研究的熱點。直驅(qū)永磁同步發(fā)電系統(tǒng)和控制技術(shù)的成熟，使其得到了越來越多研究者的關(guān)注，也使其成為現(xiàn)在風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展方向的關(guān)鍵技術(shù)之一。直接驅(qū)動永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究，一般可分為以下三個重要方面。1.2.1永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的建模目前，由于風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的飛速發(fā)展，使得風(fēng)力發(fā)電機組的容量也越來越大，風(fēng)電機組控制系統(tǒng)的控制越來越復(fù)雜，控制策略升級的要求越來越高，可以通過風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)建模和仿真，分析和研究風(fēng)力發(fā)電機操作特性，研發(fā)設(shè)計系統(tǒng)控制器。因此，研究風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，建模與仿真是一種必要的手段，對于風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有非常重要的意義。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的建模和分析的仿真精度，對系統(tǒng)精度的發(fā)展有直接影響。精確的建模和仿真可以有效地提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運行和管理水平，提高風(fēng)電場的經(jīng)濟和安全的運行和維護，優(yōu)化風(fēng)電場運行和維護，可以帶來巨大的經(jīng)濟效益。目前，異步雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機的建模已經(jīng)比較成熟，但直驅(qū)永磁同步發(fā)電系統(tǒng)建模與仿真相對較少。直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)建模主要有兩種方法：(1)狀態(tài)平均法。該方法使用一個電機等效風(fēng)力渦輪機，使用三相交流發(fā)電機等效永磁同步發(fā)電機，用三相二極管整流橋和純電阻取代在逆變器和負(fù)載。上述假設(shè)創(chuàng)建系統(tǒng)等效電路的仿真模型，建立當(dāng)開關(guān)被接通和關(guān)斷時的狀態(tài)方程和占空比的功率因數(shù)，接通和關(guān)斷時合并平均方程加權(quán)平均狀態(tài)，線性化系統(tǒng)，以獲得系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，該系統(tǒng)通過傳遞函數(shù)進行分析。由于這種方法較麻煩，并且該系統(tǒng)有局限性，所以不能廣泛使用。(2)另一種方法，不同于狀態(tài)平均法，利用Simulink仿真模型內(nèi)置模塊、整流器、DC電壓轉(zhuǎn)換器，建立整個系統(tǒng)的仿真模型。該系統(tǒng)的仿真模型主要基于MATLAB、LABVIEW、PSCAD等軟件來實現(xiàn)。1.2.2直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)在對離網(wǎng)的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制方法的研究主要集中在最大功率跟蹤控制和蓄電池充放電控制這兩個方面。最大功率點跟蹤目的是在風(fēng)速不斷變化的情況下，通過測量轉(zhuǎn)速或者其他參數(shù)，通過某些方法對轉(zhuǎn)速進行控制，實現(xiàn)對風(fēng)機轉(zhuǎn)速的實時調(diào)整，從而達(dá)到風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率點跟蹤（MPPT）的目的?，F(xiàn)有的最大功率點跟蹤的控制算法主要有最佳葉尖速比法、功率反饋法和擾動觀察法等三種算法。每種控制方法都有各自優(yōu)點和缺點，需要根據(jù)控制目標(biāo)的要求，選擇合適的方法。1.2.3永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電的功率變換環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)換器的電源轉(zhuǎn)換部分可以分為AC到DC和DC到AC兩步，AC到DC電路由整流器控制整流，可以實現(xiàn)發(fā)電機輸出的電流和最大功率控制。一個DC到AC逆變器連接，以保持DC總線電壓，同時實現(xiàn)相同的注入電網(wǎng)的正弦電流控制并網(wǎng)功率因數(shù)的目標(biāo)，以滿足并網(wǎng)的要求?，F(xiàn)在的電源轉(zhuǎn)換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有以下四個部分：(1)三相二極管不可控整流電路連接晶閘管逆變器的結(jié)構(gòu)。這種方法的優(yōu)點是成本低，可靠性高，并且功率高。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)早期時使用這種框架結(jié)構(gòu)居多，但可控硅作為逆變器，會吸收一些電路中的無功功率，并且在電網(wǎng)側(cè)產(chǎn)生很大的諧波電流，對電網(wǎng)諧波的網(wǎng)絡(luò)污染，因此需要無功補償系統(tǒng)來抑制諧波，對于變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，這是一個很大的影響，所以系統(tǒng)需要無功補償裝置的快速調(diào)節(jié)和響應(yīng)。因此會增添復(fù)雜無功功率補償裝置，增加了成本。(2)不可控三相二極管整流器電路后接一個PWM逆變器的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)逆變部分被替換為PWM電壓逆變器，和晶閘管比較，有更高電壓源PWM逆變器開關(guān)頻率，從而降低了諧波污染。這種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換器也可通過控制逆變器的相位和振幅靈活地調(diào)整無功功率和有功功率輸出，來調(diào)節(jié)發(fā)電機電壓。這種方法的缺點是由于隨機變化的風(fēng)速，使得逆變器輸入直流電壓是不穩(wěn)定的。當(dāng)風(fēng)力比較小，逆變器的輸入電壓是比較小的，根據(jù)電網(wǎng)要求，提高脈寬調(diào)制的深度，然后導(dǎo)致開關(guān)利用率和逆變器的操作效率降低、傳導(dǎo)損耗和峰值電流上升。該轉(zhuǎn)換器現(xiàn)在主要用于小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。(3)后接升壓轉(zhuǎn)換器與三相電壓源逆變器的不可控三相二極管整流器電路連接結(jié)構(gòu)。這種安排的目的是要提高升壓轉(zhuǎn)換器的電壓電平，使逆變器的輸入電壓在一定范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，克服了逆變器輸入電壓低，影響逆變器的操作問題。此結(jié)構(gòu)也可通過調(diào)整發(fā)電機輸入電流的旋轉(zhuǎn)速度，以實現(xiàn)電機的速度控制調(diào)節(jié)。使用PWM逆變改善轉(zhuǎn)換器的運行效率，降低諧波污染，在現(xiàn)在大多在大型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中使用。(4)雙PWM背靠背變流器結(jié)構(gòu)。與上文相比，雙PWM變換器配置使用兩個相同的電壓整流器，它也被稱為背靠背雙PWM變換器。機側(cè)PWM整流器將發(fā)電機輸出交流電調(diào)節(jié)為直流電，也用于調(diào)節(jié)電網(wǎng)側(cè)的電流。這種結(jié)構(gòu)只有兩個級別的轉(zhuǎn)換，主電路是相對簡單的，但結(jié)構(gòu)是多個電子設(shè)備，增加了成本，而且會增加諧波控制的難度。1.3本文的研究內(nèi)容本文的研究一個獨立的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，選擇使用了升壓電源轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，研究了風(fēng)力發(fā)電的背景和意義，對風(fēng)力發(fā)電原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、控制策略進行研究，分析了仿真結(jié)果。本文的內(nèi)容大致為：(1)它描述了所研究課題的背景和意義，對國內(nèi)外直驅(qū)永磁風(fēng)電狀況進行了概述，總結(jié)了風(fēng)力發(fā)電相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。(2)本文介紹了小型獨立發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，分析和研究了其結(jié)構(gòu)特點，同時對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運行特性進行分析。根據(jù)所采用結(jié)構(gòu)，分析了當(dāng)前最大功率跟蹤方法，并著重研究了本文所用的爬山法。(3)分析獨立小型風(fēng)電系統(tǒng)主要的部件的結(jié)構(gòu)和原理，并且基于MATLAB建立其仿真模型，并給出風(fēng)電系統(tǒng)運行特性的仿真結(jié)果以及爬山法MPPT控制的仿真結(jié)果。初步驗證爬山有效跟蹤最大功率的特性。

永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計2.1系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計獨立運行小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要組成部分包括：風(fēng)力機、發(fā)電機、不可控整流橋、直流變換器、逆變器、控制器和負(fù)載組成。典型系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖：圖圖2-1小型風(fēng)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖風(fēng)力機風(fēng)力機發(fā)電機負(fù)載直流變換器不可控整流橋逆變器控制器由風(fēng)輪將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能，以驅(qū)動發(fā)電機，將機械能轉(zhuǎn)換成電能。由于風(fēng)速變化，使電壓和風(fēng)力渦輪機的頻率不斷變化，不能輕易使用的負(fù)載，所以一般獨立運行小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用AC-DC-AC的方式供電。（1）發(fā)電機發(fā)電機部分主要的作用是在風(fēng)力機的風(fēng)輪軸的帶動下旋轉(zhuǎn)，把機械能轉(zhuǎn)化成電能。它也是整個風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的核心部分,使用的發(fā)電機轉(zhuǎn)化效率的高低，將影響到風(fēng)能利用的效率。風(fēng)力發(fā)電過程中,自然界的風(fēng)是不穩(wěn)定而且時刻變化的,加之外界環(huán)境的變化,對發(fā)電機的要求也隨之提高,因此在選擇發(fā)電機類型時需慎重考慮。通過對文獻資料的查閱知,目前永磁同步電機技術(shù)已經(jīng)比較成熟,因此本文采用的是永磁同步發(fā)電機(PMSG)，它具有以下的優(yōu)點：較好的穩(wěn)定性；免去外加的直流勵磁電源；結(jié)構(gòu)簡單，成本較低；便于操作和低維修成本；⑤適用于小型的直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機，免去了外加變速裝置；=6\*GB3⑥沒有電刷式轉(zhuǎn)子，比較堅固耐用。（2）DC/DC變換器它是小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分，也是最大功率追蹤實現(xiàn)不可或缺的一個環(huán)節(jié)，外界風(fēng)隨時間和環(huán)境的變化而改變，發(fā)電機發(fā)出的電能也隨著風(fēng)速的改變發(fā)生變化。而整流橋僅起到將變化的交流轉(zhuǎn)化成變化的直流的作用，因此系統(tǒng)需要一個可控穩(wěn)的部分，該部分就是DC/DC變換器。該部分的作用就是調(diào)整整流器輸出的直流電，完成系統(tǒng)最大功率追蹤。DC/DC變換器使用BOOST變換器，它滿足了風(fēng)力發(fā)電的需求，和其它類型的變換器相比較，具有如下優(yōu)點：電路簡單，調(diào)整方便，可靠性較高；對功率管和續(xù)流二極管的耐壓要求比較低；=3\*GB3③在功率管導(dǎo)通時儲能電感儲存能量，在功率管關(guān)斷的時候，儲存的能量向負(fù)載供電，帶負(fù)載能力比較強，電壓調(diào)整率較好；④輸出的電壓紋波較低。但是BOOST變換器的輸入電流是脈動的，這便會引起對輸入發(fā)電機的電磁干擾。因此在實際應(yīng)用中在電源和變換器之間需要增加一個輸入濾波網(wǎng)絡(luò)。（3）控制器系統(tǒng)運行時，發(fā)電機輸出功率、負(fù)載功率隨時都處于不同狀態(tài)，必須協(xié)調(diào)它們的關(guān)系和保護風(fēng)力機。因此，在實際運行中，控制器應(yīng)具有以下主要功能：①保證風(fēng)機安全運行，在電氣特性和機械特性允許范圍內(nèi)運行；②減少風(fēng)速隨機變化對輸出電能的影響，減少紋波，使輸出電壓穩(wěn)定；③合理調(diào)度系統(tǒng)電能，保證向負(fù)載提供連續(xù)電能；④實現(xiàn)最大功率點跟蹤，提高電能傳輸效率；（4）逆變器逆變器的可以將整流橋輸出的直流電轉(zhuǎn)換成負(fù)載所需要的交流電。在風(fēng)力發(fā)電中，所選用的逆變器都要求具有較高的效率，特別是輕負(fù)載時的效率要比較高，這是由于風(fēng)電發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)常運行在輕負(fù)載狀態(tài)。（5）負(fù)載負(fù)載主要用來保護風(fēng)力發(fā)電機組。在風(fēng)力機發(fā)出的能量滿足負(fù)載所需電量，消耗風(fēng)力機發(fā)出的多余能量，這樣可以避免采用停車的方式去保護風(fēng)力機。根據(jù)上文的敘述，與常規(guī)的小型風(fēng)力發(fā)電的系統(tǒng)相比，這個系統(tǒng)有以下特點：①因為采用了不可控整流橋和DC/DC變換器，可控開關(guān)器件只有一個，通過調(diào)節(jié)占空比來實現(xiàn)整個控制過程，具有動態(tài)特性好、結(jié)構(gòu)簡單、高效率和高可靠性等優(yōu)點；②通過調(diào)節(jié)占空比大小可以調(diào)節(jié)發(fā)電機的輸出電壓和電流大小，進而改變發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性，這樣就可以控制風(fēng)力機的風(fēng)能利用系數(shù)Cp③不需要檢測風(fēng)速和風(fēng)力機轉(zhuǎn)速，便可以實現(xiàn)系統(tǒng)功率控制；④極端情況下切入負(fù)載，減小了頻繁切換負(fù)載帶來的問題。2.2風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)特性分析2.2.1貝茨理論貝茨理論由貝茨在1926年建立的。假設(shè)風(fēng)力機是能量轉(zhuǎn)換器，沒有損耗，外界的風(fēng)在風(fēng)力機葉面掃過的面積也是均勻的，外界風(fēng)速的方向也都是沿著風(fēng)力機軸線的。外界的自然風(fēng)經(jīng)過風(fēng)力機以后，風(fēng)的速度必然要減小，能量轉(zhuǎn)移，如果忽略了少許的能量損失影響，風(fēng)力機的機械能便是從風(fēng)能中所截取出來的能量，可以表示為下面的公式： Pm=12其中：P：風(fēng)力機機械能，單位為(W)；V：通過風(fēng)力機葉輪前的自然風(fēng)風(fēng)速，單位為(m/s)；V0：通過風(fēng)力機葉輪后自然風(fēng)的風(fēng)速，單位為(m/s)假設(shè)風(fēng)力機的葉片數(shù)無數(shù)多、風(fēng)力機對外界風(fēng)沒有阻力即沒有能量的損失、幾乎不含縫隙，是理想的模型，考慮到風(fēng)力機葉片前后的平均風(fēng)速，風(fēng)的質(zhì)量流率m可修正為如下公式：m=ρAV+V02由上述兩個公式得外界自然風(fēng)轉(zhuǎn)化為風(fēng)力機的機械能，帶動風(fēng)力發(fā)電機工作，輸入功率如下公式：Pm=12可以解得V0=Pmax=0.2963ρAVηmax=Pmax由此可以知道，0.593是風(fēng)力機把風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機械能的效率極限值。風(fēng)能的利用率本來就很低，再考慮到一些損耗的影響，風(fēng)力發(fā)電機的轉(zhuǎn)換效率便遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到理論上的理想效果，轉(zhuǎn)換效率一般在0.3-0.4范圍左右，利用率很低，這也是限制風(fēng)力發(fā)電推廣使用和推廣的主要原因，為了改善風(fēng)力發(fā)電機的轉(zhuǎn)換效率，對最大功率進行追蹤是小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的重要部分[3]。2.2.2風(fēng)力機的特性把風(fēng)能轉(zhuǎn)化成機械能是風(fēng)力機的作用，這在空氣動力學(xué)過程是非常復(fù)雜的，要想精確地對風(fēng)力機進行建模，需要運用基于空氣動力學(xué)理論中較為復(fù)雜的槳葉基本理論知識，但是假如要用槳葉的基本理論來進行建模，那么便不可避免遇到風(fēng)力機葉片的幾何學(xué)問題和繁瑣復(fù)雜的計算問題等困難，并且還需要同時處理一系列的風(fēng)速信號。為了避開這些麻煩，人們設(shè)計了一種比較簡單的數(shù)學(xué)模型來描述風(fēng)力機特性，模型反映了風(fēng)力機從風(fēng)中獲得的能量與風(fēng)速的關(guān)系，方程是：Pm=12ρπCpλ,β其中： λ=wRV 1λi=1式中：P是風(fēng)力機機械功率，單位為(W)；ρ是風(fēng)力機周圍空氣密度，單位為(Kg/m3R是風(fēng)力機葉輪的半徑，單位為(m)；V是自然風(fēng)的速度，單位為(m/s)；β是槳葉的槳距角；λ是葉尖速比；ω是風(fēng)力機葉輪的轉(zhuǎn)速；Cp是槳矩角為0時，風(fēng)能的利用系數(shù)Cp和葉尖速比λ圖2-圖2-2風(fēng)能利用系數(shù)與葉尖速比關(guān)系圖2.2.3永磁同步發(fā)電機的數(shù)學(xué)模型（1）永磁同步發(fā)電機簡介永磁同步發(fā)電機（PermanentMagneticSynchronousGenerator,PMSG），是將從風(fēng)輪中吸收到的機械能轉(zhuǎn)換為電能的裝置。PMSG是由電勵磁三相同步發(fā)電機發(fā)展而來。PMSG與電勵磁式電機的不同地方在于它的轉(zhuǎn)子不是非繞線式結(jié)構(gòu)，而使用了永磁體結(jié)構(gòu)，它的轉(zhuǎn)子上沒有勵磁損耗，PMSG可以達(dá)到比較高的功率密度，而且轉(zhuǎn)子上也沒有集電環(huán)，它的運行更加可靠，它的體積和尺寸也得到了降低。一般來說，永磁材料有鐵氧體和釹鐵硼這兩種，由于使用了釹鐵硼制造的發(fā)電機體積較小，而且重量比較輕，因此應(yīng)用比較廣泛。但是兩種電機在結(jié)構(gòu)方面上基本相同。定子鐵心和電子繞組構(gòu)成了PMSG定子，在定子鐵心槽內(nèi)安放著三相繞組。當(dāng)今流行的永磁風(fēng)力發(fā)電機屬于同步發(fā)電機的一種,與大電網(wǎng)所用的發(fā)電機的區(qū)別在于，普通發(fā)電機的勵磁裝置被永磁體所代替，免去了電刷裝置，它的結(jié)構(gòu)變得更加簡單且更加可靠，它的發(fā)電機效率也得到了較大的提高。永磁風(fēng)力發(fā)電機所發(fā)出電能的頻率根據(jù)風(fēng)力機轉(zhuǎn)速的改變而變化的。所以，如果想將風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的電能送入電網(wǎng),還需要其它的設(shè)備，比如變頻器，把該電能改變?yōu)楹泐l恒壓的交流電能。在永磁同步發(fā)電機應(yīng)用中，最為廣泛的是直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機，它避免了沉重的增速裝置，發(fā)電機軸和風(fēng)機軸連接在一起，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速改變而改變，輸出交流電的頻率也由此發(fā)生變化，經(jīng)過大功率整流變換器和斬波器，將變化的交流電整流成穩(wěn)定的直流電提供給負(fù)載使用。直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機現(xiàn)在已經(jīng)被設(shè)計成在較低風(fēng)速情況下都能從空氣中獲得不錯的動力效率，不斷提升風(fēng)力機捕獲風(fēng)能的能力。同時，由于減輕了機艙的重量和改善了傳動系統(tǒng)各部件的受力狀況，風(fēng)機的支撐結(jié)構(gòu)也得到了相應(yīng)的減輕,基礎(chǔ)等費用也降低，運行維護價格也較低，這是一種很有發(fā)展前景的技術(shù)。永磁同歩發(fā)電機有很多優(yōu)點，如下:=1\*GB3① 由于傳動部件的減少，提高了風(fēng)力發(fā)電機組的可靠性和可利用率；=2\*GB3② 變頻技術(shù)及永磁發(fā)電技術(shù)的采用提高了風(fēng)電機組的效率；=3\*GB3③ 機械傳動部件的減少,改善了風(fēng)力發(fā)電機組的噪音問題,提高了整機的效率；=4\*GB3④ 可靠性的提高降低了風(fēng)力發(fā)電機組的運行和維護的成本。 （2）永磁同步發(fā)電機數(shù)學(xué)建模[6]在對永磁同步發(fā)電機進行建模之前，首先可以假定永磁同步發(fā)電機滿足以下四個條件:=1\*GB3① 三項繞組呈完全對稱狀態(tài),間隙中的磁束也呈現(xiàn)正弦波狀對稱分布；=2\*GB3② 電樞繞組分布連續(xù)、均勻；=3\*GB3③忽略電樞反應(yīng)和在運行過程中電壓、電流產(chǎn)生高次諧波的影響；=4\*GB3④磁路中不存在飽和現(xiàn)象,忽略渦流及其磁滯帶來的損耗。對于永磁同步發(fā)電機來說，它的轉(zhuǎn)子的磁鏈幅值及其勵磁都是恒定的。它在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型可由下面的公式給出：diddt=-式中:id、iq分別Ld、Lq分別是發(fā)電機的dRa是ωe是φf是ud、uq分別是d軸和可以假設(shè)發(fā)電機d軸和q軸的電感取值相等,即Ld=Lq=L diddt=-其電磁轉(zhuǎn)矩的模型公式為： Te=1.5p(當(dāng)Ld=L Te=1.5pφf其中,p是發(fā)電機轉(zhuǎn)子的極對數(shù)。

2.2.4Boost升壓變換器的工作原理升壓型變換器的電路結(jié)構(gòu)如下圖2-3所示,該變換器的主要作用是使變換器的輸出電壓高于輸入電壓。圖2-圖2-3Boost電路圖在對電路工作原理進行理論分析之前,還需對電路工作條件進行如下假設(shè):=1\*GB3① 電路處在穩(wěn)定的工作狀態(tài)下；=2\*GB3② 開關(guān)S的開關(guān)周期Ts是其導(dǎo)通時間和關(guān)斷時間分別為：DBoostTs和(=3\*GB3③電路工作在連續(xù)導(dǎo)通模式下(ContinuousConductionMode,CCM)，并且流經(jīng)電感L上的電流始終是連續(xù)正值；=4\*GB3④ 輸出電容C工作在穩(wěn)定狀態(tài)下，它的值相當(dāng)大,輸出電壓Vdc是一固定常數(shù)；=5\*GB3⑤ 各元器件均是理想元件。當(dāng)開關(guān)S處于閉合的狀態(tài)時，二極管D處于逆向偏壓截止的狀態(tài)，電路的輸入電能儲存在電感L中，負(fù)載所需要的電能由輸出電容C所提供，這種狀態(tài)下輸入電壓Vg和電感電壓了VL構(gòu)成回路。由KVL定理，可以Vg=VL=Ldildt 根據(jù)前面的假設(shè)可以知道，電流變化率是一常數(shù)，因此當(dāng)開關(guān)S處于閉合的狀態(tài)時，電感電流在線性變化，由于它開關(guān)時間比較短，它的變化率可由下式等效表示: ?iL?t=對公式(2-15)進行變換求得?iL在開關(guān)S閉合狀態(tài)下的解(?iL)o當(dāng)開關(guān)S處于斷開狀態(tài)時，電路中電感L中所儲存的電能有一部分提供給負(fù)載使用，而另一部分為輸出電容C充電。因為電感上的電流方向不能瞬間變化，又加上此時二極管D處于正向?qū)ǖ臓顟B(tài)，便構(gòu)成了電感L的放電回路，根據(jù)KVL定理可得公式(2-17)和公式(2-18)如下: VL=Vg- diLdt=V和開關(guān)S閉合狀態(tài)相似，這時電感電流變化率是一個固定常數(shù)，而且呈線性變化，并且開關(guān)時間比較短，得到的電感電流變化率等效公式為(2-19):?iL?t=對公式(2-19)進行變換可以求得?iL在開關(guān)S斷開狀態(tài)下的解(?iL)c=根據(jù)假設(shè)可以知道，穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)下的電感L上的初始電流值與最終電流值大小在一個周期內(nèi)的值是相等的，也就是說，在一個周期內(nèi)電感L上的平均電流值不變。根據(jù)公式(2-16)和(2-20)可得公式(2-21)如下:(?iL)o+(?可推導(dǎo)出輸出電壓Vdc與輸入電壓Vg之間的關(guān)系如下式（2-22 VdcVg=11-D2.2.5功率調(diào)節(jié)原理永磁同步發(fā)電機發(fā)出的電經(jīng)過一個三相二極管整流器整流后，流經(jīng)一個直流電容濾波，再流經(jīng)Boost變換器提供給負(fù)載。調(diào)節(jié)Boost變換器的占空比，可以改變發(fā)電機的負(fù)載特性與輸出功率，來實現(xiàn)以最大功率點跟蹤控制為主要內(nèi)容的功率調(diào)節(jié)。采用三相二極管整流電路作為發(fā)電機到Boost變換器AC/DC轉(zhuǎn)換器。發(fā)電機與二極管整流器的電路示意圖所示:EaEEERVV圖2-4整流電路圖其中，Rdc1為整流電路的等效負(fù)載電阻。如果忽略二極管整流橋電路的功率損失，也就是如果整流電路的輸入功率和輸出功率相等，則有3VLIs=V式中：VL是線電壓，VS和IS分別是相電壓和相電流，線電壓和相電壓關(guān)系是：VL=3VS，Vdc1=32π將(2-23)式帶入(2-24)式，得到：Idc1=π6I用式(2-24)除以(2-25)式，得到：Vdc1Idc1=定義發(fā)電機的等效負(fù)載電阻為: Rg=VsIs將(2-26)式帶入(2-27)式，得到:Rg=π218R圖2-5Boost變換器原理圖為了分析便利，采用等效直流電源來取代經(jīng)二極管整流后得到的直流電，Boost升壓電路后面所接逆變器可以用負(fù)載電阻代替。Boost變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖圖2-5Boost變換器原理圖可以求得：Rdc1=(1-D)將(2-28)式帶入(2-29)可以得:Rg=π218(1-通過調(diào)節(jié)占空比D，可以改變發(fā)電機負(fù)載等效電阻Rg

直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真建立3.1仿真環(huán)境MATLAB/Simulink簡介MATLAB由兩個單詞Matri及Laboratory縮寫而來。上個世紀(jì)70年代末，新墨西哥大學(xué)的計算機主任CleveMoler教授為方便教學(xué)，同時也為了學(xué)生不再被編寫Fortran程序問題所困擾，便對代數(shù)軟件包Linpack以及特征值計算軟件包Eispack設(shè)計了一些接口程序，這成了MATLAB最初的版本。經(jīng)過了三十多年的發(fā)展之后，MATLAB也在不斷地跟新?lián)Q代，從最初的DOS環(huán)境下運行到現(xiàn)在的Windows、UNIX等多個操作環(huán)境下都可以運行。從這可以看出運行環(huán)境有顯著的改進，由此MATLAB成為了在國際上被公認(rèn)的最優(yōu)秀的科技應(yīng)用軟件之一。在學(xué)校里，它被用于初等和高等數(shù)學(xué)、工程學(xué)科和自然學(xué)科的基本數(shù)學(xué)研究工具；在工業(yè)領(lǐng)域方面，它作為研究、開發(fā)及分析的實用工具，性價比較高。伴隨著科技的不斷發(fā)展，同時經(jīng)過許多工程師孜孜不倦的努力，MATLAB已經(jīng)從最初簡易的矩陣分析軟件逐步發(fā)展成為一個具有極佳通用性，同時具有很多實用工具的運算操作平臺。MATLAB的工具箱利用MATLAB語言編寫某些指定應(yīng)用方向的工具。這些工具中，控制領(lǐng)域工具箱在MATLAB的眾多工具箱里具有很高的地位，它以繁多的關(guān)于經(jīng)典和現(xiàn)代控制系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)在一定程度地擴展了MATLAB的功能。而在MATLAB中與控制關(guān)聯(lián)的基本工具箱主要有以下六種：控制系統(tǒng)工具箱、系統(tǒng)辨識工具箱、模型預(yù)測控制工具箱、魯棒控制工具箱、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱以及模糊邏輯工具箱[8]。剛開始時，MathWorks軟件公司為MATLAB設(shè)計研發(fā)了了一個用于控制系統(tǒng)模型化圖形輸入和仿真的工具，同時為它取名SIMULAB，這種工具迅速便在控制工程領(lǐng)域得到了普遍的認(rèn)可，使得仿真軟件邁進了模型化圖形組態(tài)的時代，之后，于1992年將這款軟件命名為Simulink。Simulink掛接在MATLAB環(huán)境上，由于有MATLAB強大的計算功能，可以利用直觀的模塊框圖進行仿真模擬。Simulink擁有易編程、易擴展等的優(yōu)點，同時也能夠處理在運用MATLAB過程中碰到的非線性和變系數(shù)等問題。Simulink也支持線性和非線性系統(tǒng)、連續(xù)和離散的時間模型，或者兩者的混合模型。系統(tǒng)也可以是多采樣率的，例如系統(tǒng)的部分可以擁有不同的采樣率。對于建模方面，Simulink提供了一個比較圖形化的用戶界面(GUI)，可以直接用點擊鼠標(biāo)拖拉模塊的圖形來建模。通過圖形界面，可以直接畫模型圖。Simulink也包括一個復(fù)雜的由接收器件、信號源、線性與非線性組件以及連接件的模塊庫，甚至可以定制用戶自己的模塊。作為圖形化的仿真工具包，Simulink能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析功能，可以應(yīng)對線性和非線性系統(tǒng)，以及離散、連續(xù)、混合系統(tǒng)和單任務(wù)與多任務(wù)系統(tǒng)，并且在同一系統(tǒng)中能夠支持不同變化率。因為Simulink環(huán)境使用戶擺脫了冗繁的數(shù)學(xué)推理，同時擺脫了煩瑣的編程困擾，只需使用者擁有相關(guān)的專業(yè)知識即可操作。因此，用戶在此環(huán)境下對工程應(yīng)用領(lǐng)域仿真、分析和計算變得十分簡單。特別對一些研發(fā)的工作而言，能夠幫助縮短研發(fā)周期，也能提高設(shè)計的可靠性。本文基于上述優(yōu)點，采用MATLAB/Simulink軟件對風(fēng)力發(fā)電機組控制進行仿真模擬研究，以便能夠在較短的時間內(nèi)驗證控制方案的可行性，直觀的看到控制結(jié)果。3.2系統(tǒng)主要部件建模仿真3.2.1風(fēng)力機模型圖3-1風(fēng)機模塊本文通過使用MATLAB/simulink對風(fēng)力機進行建模仿真，風(fēng)力機的封裝模塊如下圖所示。其中，Generatorspeed為風(fēng)機旋轉(zhuǎn)的角速度，Pitchangle為槳距角，Wind圖3-1風(fēng)機模塊圖圖3-1風(fēng)力機模塊圖風(fēng)力機內(nèi)部模塊的結(jié)構(gòu)如3-2所示：圖圖3-2風(fēng)力機仿真模型子模塊結(jié)構(gòu)如圖3-3所示：圖圖3-3風(fēng)能利用系數(shù)模型3.2.2永磁同步發(fā)電機模型因為永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的風(fēng)力機和永磁發(fā)電機軸直接連接，風(fēng)力機轉(zhuǎn)速也將隨著風(fēng)速的變化而變化，致使發(fā)電機的轉(zhuǎn)速隨著風(fēng)速的變化而變化。永磁同步發(fā)電機和電動機的工作原理相同，但是功能恰恰相反。如果轉(zhuǎn)子由于施加動力矩而轉(zhuǎn)動，定子中便會產(chǎn)生三相對稱的交流電。根據(jù)電機理論知識可知，當(dāng)給永磁同步電動機輸入了機械轉(zhuǎn)矩時，將由電動機運行狀態(tài)轉(zhuǎn)成發(fā)電機運行狀態(tài)。本文采用Matlab/Simulink/SimPowerSystems中的永磁同步電機(PMSM)模塊。如果輸入的轉(zhuǎn)矩為正，該模塊便為電動機模式，如果輸入的轉(zhuǎn)矩為負(fù)，該模塊為發(fā)電機模式，所以可以把風(fēng)力機輸出機械轉(zhuǎn)矩乘以-1，當(dāng)作永磁同步發(fā)電機(PMSG)的輸入轉(zhuǎn)矩。本篇論文PMSG參數(shù)設(shè)置如下圖所示。圖圖3-4發(fā)電機參數(shù)

3.2.3整流器模型把風(fēng)力發(fā)電機輸出的三相交流電轉(zhuǎn)換成直流電是整流器的主要作用，然后經(jīng)過直流電壓變換器提供給負(fù)載。整流器主要分成兩種，一種是可控整流器，而另一種是不可控整流器，可控的整流器一般應(yīng)用于功率比較大的系統(tǒng)中，可以改善電感過大造成的體積大與損耗大等缺點；而不可控的整流器一般應(yīng)用在比較小的功率系統(tǒng)中。目前在我國的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中大量使用三相二極管不可控整流電路。三相二極管不可控整流電路如圖所示，該電路主要由二極管組成，電路簡單、功耗低。圖3-5圖3-5三相二極管不可控整流電路三相二極管不可控整流電路的仿真模型可以利用6個二極管直接搭建而成，也可以利用MATLAB/Simulink/SimPowerSystems中的UniveralBridge模塊，將該模塊的橋臂設(shè)為3，功率器件設(shè)為二極管，然后直接用作三相二極管不可控整流電路。圖3-6圖3-6simulink三相二極管不可控整流模塊

3.2.4Boost和驅(qū)動模塊建模通過選用Matlab/simulink/SimPowerSystems中的電感、電容和功率器件等模塊，建立了Boost變換器的仿真模型。圖3-7圖3-7Boost電路模型圖3-8PWM信號產(chǎn)生模塊Boost變換器模塊的占空比驅(qū)動PWM產(chǎn)生模塊如下圖所示，其中三角波的周期即為功率器件的開關(guān)周期。給出的三角波的輸出范圍為0到1，如果控制器輸出的占空比值大于了三角波的輸出值時，便圖3-8PWM信號產(chǎn)生模塊

3.3系統(tǒng)整體仿真模型由于Boost變換器的輸入電流是脈動的，這便會產(chǎn)生對輸入發(fā)電機的電磁干擾，于是在實際應(yīng)用的時候經(jīng)常會在整流器和Boost變換器之間加入一個濾波的環(huán)節(jié)，本文直接使用電容進行濾波。同時由于本文主要研究風(fēng)電系統(tǒng)的最大功率跟蹤控制方法，所以直接把逆變器、負(fù)載等效成了純電阻。圖圖3-9系統(tǒng)整體仿真模型圖

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤策略4.1常用最大功率跟蹤算法比較與分析因為自然界的風(fēng)能是隨時變化的、不可以控制的，而且如果外界條件變化如：風(fēng)速強度的變化、空氣密度的變化或者溫度和系統(tǒng)組件的老化程度的變化都會影響到風(fēng)力發(fā)電機的輸出功率。為了讓風(fēng)力機在使用的過程中發(fā)揮其最大的轉(zhuǎn)換效用，需要對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功率轉(zhuǎn)換加以約束，使它在不同工作環(huán)境不同風(fēng)速運行的時候，發(fā)電機的功率曲線都可以和最佳功率曲線吻合，也就是說總能將從風(fēng)中獲取的能量最大限度的轉(zhuǎn)化成電能，供給負(fù)載使用，這種控制方法被稱作最大功率追蹤法(MaximumPowerPointTracking,MPPT)。目前最大功率點跟蹤方法主要有下面的幾種:最佳葉尖速比控制方法、功率信號反饋控制方法、爬山法、模糊控制法。(1)最優(yōu)葉尖速比控制(TSRControl)通過測量風(fēng)速與風(fēng)力機轉(zhuǎn)速，可以計算出實際葉尖速比，當(dāng)作控制系統(tǒng)的輸入信號，并和給定的參考葉尖速比作比較，實現(xiàn)最佳葉尖速比控制算法。如果實際葉尖速比偏離參考葉尖速比，由此產(chǎn)生偏差信號，便可以對風(fēng)力機轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)，直至風(fēng)速與風(fēng)力機轉(zhuǎn)速達(dá)到最佳的葉尖速比，達(dá)到獲得最大功率的目的。下圖為葉尖速比算法的控制原理框圖:風(fēng)機轉(zhuǎn)速參考風(fēng)機轉(zhuǎn)速參考葉間速比控制器風(fēng)電系統(tǒng)ωR/V風(fēng)速V+-圖4-1最佳葉尖速比法控制框圖ω控制原理相對比較的簡單，最佳葉尖速比控制算法容易實現(xiàn)，對風(fēng)力機的控制只需一個PI控制器。這種算法的缺點需要測量風(fēng)速與風(fēng)力機的轉(zhuǎn)速，并且要提前知道風(fēng)電系統(tǒng)運行時的最佳葉尖速比。對于不同的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，最佳葉尖速比的特性曲線不盡相同，但是廠家只是粗略給出了風(fēng)力機的最佳葉尖速比。如果作為控制信號，便需要知道準(zhǔn)確的最佳葉尖速比。并且比較困難準(zhǔn)確地測量風(fēng)速，風(fēng)力機周圍空氣擾動很大。風(fēng)速傳感器一定要裝在遠(yuǎn)離風(fēng)力機的地方，于是帶來了測量的困難，所測風(fēng)速和風(fēng)力機安裝處的風(fēng)速有一定的偏差。并且市面上的風(fēng)速傳感器價格比較昂貴，增加了系統(tǒng)的成本和維護的困難。由此可以看出，這種方法看似簡單，但是實際執(zhí)行起來卻有一定的困難[9]。(2)功率信號反饋控制(PSFcontrol)這種控制方法的控制原理是：首先測量出風(fēng)力機轉(zhuǎn)速，然后根據(jù)已知的不同風(fēng)速下最優(yōu)轉(zhuǎn)速-功率曲線，再通過發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩來直接控制發(fā)電機的有功功率，實現(xiàn)最大功率曲線跟蹤，從而實現(xiàn)對最大風(fēng)能的捕獲。下圖是功率信號反饋算法的控制原理框圖：控制器控制器風(fēng)電系統(tǒng)風(fēng)機機械功率+-風(fēng)K*角速度ω參考功率圖4-2功率信號反饋法控制框圖由：V=ωRλ 得到：Pm=12ρπ如果葉尖速比是最佳葉尖速比，對于一個風(fēng)電系統(tǒng)來說，上式中的所有參數(shù)是已知的，那么上式就以化簡成：Pm=k*k=12ρπR2從上面的推導(dǎo)可以知道，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在最佳的葉尖速比運行時，風(fēng)機的最大功率和風(fēng)機角速度的三次方成比例，比例系數(shù)如上式所示。所以為了達(dá)到獲得最大功率的目的，可以控制風(fēng)機輸出功率和角速度三次方成比例。這種方法通過測量風(fēng)力機的角速度信號和機械功率信號，并對它們進行比較，得到偏差信號，用它來調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電機的輸出，根據(jù)這些便可以做到使風(fēng)力發(fā)電機運行在最佳葉尖速比的條件下，追蹤到最大功率。但是獲取風(fēng)力機機械功率信號比較困難，仍然需要安裝測量轉(zhuǎn)矩裝置，這便增加了風(fēng)電機組的造價，使其更加復(fù)雜。于是在實際應(yīng)用中，我們可以使用發(fā)電機的輸出電功率用以代替機械功率信號。雖然該控制算法不需要測量風(fēng)速，而且和最佳葉尖速比法相比，比較簡單，更加具有使用的價值，但是需要事先知道風(fēng)機系統(tǒng)固有的最大功率特性曲線，而對于不同的風(fēng)機系統(tǒng)來說，它們最大功率特性曲線往往是不同的，所以需要提前通過實驗或仿真來測得，這便會使得功率信號反饋算法的難度與實際應(yīng)用的成本有所增加。同時，這種控制算法使用發(fā)電機的輸出電功率來替代風(fēng)機的機械功率，而在整個運行風(fēng)速范圍內(nèi)，發(fā)電機的效率是變化的，因此機械功率與電功率的比例關(guān)系不固定，結(jié)果運行時就會偏離風(fēng)力機的最大機械功率，即偏離了最佳葉尖速比運行。(3)爬山搜索法(HCScontrol)爬山搜索法通過搜索的方式來找到當(dāng)前風(fēng)速的最大功率點。跟蹤策略主要依靠當(dāng)前的工作點位置、電機功率和電機轉(zhuǎn)速。通過計算得到期望的搜索信號,經(jīng)過控制器得到電磁轉(zhuǎn)矩使風(fēng)力機轉(zhuǎn)速改變,反復(fù)執(zhí)行上述過程直到達(dá)到最大功率點,下圖控制原理圖：控制控制風(fēng)力機+-風(fēng)電磁轉(zhuǎn)矩爬山搜索法參考轉(zhuǎn)速電機轉(zhuǎn)速電機輸出功率圖4-3爬山法控制框圖爬山算法的優(yōu)點:需要的系統(tǒng)信息較少,不需要知道具體的關(guān)系,只需要知道采樣每個時刻的功率值和電機轉(zhuǎn)速。爬山算法的缺點:對于慣量比較大的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),由于時間常數(shù)大，使轉(zhuǎn)得速滯后,導(dǎo)致無法進行正確的搜索控制。（4）模糊控制(FuzzyControl)模糊邏輯控制(FuzzyLogicControl)也簡稱模糊控制，是把模糊集合論、模糊語言變量與模糊邏輯推理當(dāng)作基礎(chǔ)的一種計算機數(shù)字控制技術(shù)。在二十世紀(jì)六十年代，美國人L.A.Zadeh首先創(chuàng)立了模糊數(shù)學(xué)，并提出了相應(yīng)的基于模糊的集合論概念；數(shù)十年后，他總結(jié)并提出了有關(guān)模糊控制的定義與定理。到了二十世紀(jì)七十年代，英國人E.H.Mamdani首先提出模糊控制器的理念，同時將其成功運用到鍋爐和蒸汽機的實驗室實驗中，使用獲得了成功[5]。近代控制理論中，模糊控制基于模糊集合理論基礎(chǔ)，它和人類邏輯思維模式近似，它的基本原理框圖如下圖4-4所示。從圖中可以看出，這種控制方法和負(fù)反饋控制系統(tǒng)流程大致一樣，它的差異點在于這種方法它的控制部分采用的是基于模糊控制理論的控制器實現(xiàn)的。輸出接口輸出接口輸入接口參考輸入模糊控制器+-圖4-4模糊控制框圖執(zhí)行機構(gòu)對象檢測裝置輸出模糊邏輯法和一般的控制方法相比，它的顯著優(yōu)點有:=1\*GB3① 免去了復(fù)雜性系統(tǒng)設(shè)計，簡化了系統(tǒng)；=2\*GB3② 它是一種基于語言型控制規(guī)則的控制，這種規(guī)則是確定的、定量的條件語句；=3\*GB3③ 不需要對被控對象建立確定的數(shù)學(xué)模型，用算式或模糊式語言代替數(shù)值來描述系統(tǒng)；=4\*GB3④ 它基于啟發(fā)性的知識和語言決策規(guī)而設(shè)計的，有利于模擬人工控制的方法和過程，增強了控制系統(tǒng)適應(yīng)能力，使它具有一定的智能水平；=5\*GB3⑤ 它的系統(tǒng)魯棒性強，抗干擾和參數(shù)變化，尤其適合于非線性、時變系統(tǒng)的控制。此法缺點[6]:控制精度不高,會出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)誤差；模糊集的定義、確定隸屬函數(shù)的形狀以及規(guī)則表的制定這些關(guān)鍵的設(shè)計環(huán)節(jié)，需要設(shè)計人員直覺和經(jīng)驗。4.2本文所用爬山算法實現(xiàn)本文以永磁同步發(fā)電機為發(fā)電機、以Boost變換器為功率調(diào)節(jié)電路的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)最大功率點跟蹤。傳統(tǒng)的爬山法定步長擾動MPPT策略，如圖：圖圖4-5爬山法控制原理圖P(n-1)和P(n)為前一時刻輸出功率和當(dāng)前輸出功率值，D(n-1)和D(n)為擾動前和擾動后的占空比值，?D是占空比擾動值的大小。具體跟蹤過程：當(dāng)P(n)大于P(n-1)時，按原來方向擾動；當(dāng)P(n)小于P(n-1)時，擾動方向保持原來方向，占空比先回到擾動前的值，繼續(xù)擾動。

第五章仿真結(jié)果5.1風(fēng)力機仿真結(jié)果(1)在定風(fēng)速下的仿真給定風(fēng)速為V=9m/s并且保持不變，然后改變風(fēng)機的角速度，使它從0開始不斷均勻增加，相鄰的轉(zhuǎn)速間隔為2rad/s，得到的輸出曲線如下圖所示：圖5-2風(fēng)機轉(zhuǎn)矩圖5-2風(fēng)機轉(zhuǎn)矩與角速度的關(guān)系圖5-1風(fēng)機輸出功率與角速度的關(guān)系圖圖5-2風(fēng)機輸出轉(zhuǎn)矩與角速度的關(guān)系圖5-3圖5-3風(fēng)能利用系數(shù)和葉尖速比的關(guān)系圖5-1給出了風(fēng)力機的輸出功率關(guān)于風(fēng)力機角速度的關(guān)系圖，圖5-2給出了輸出轉(zhuǎn)矩關(guān)于風(fēng)力機角速度的關(guān)系圖，圖5-3給出了風(fēng)能利用系數(shù)關(guān)于葉尖速比的關(guān)系圖。從圖5-1和圖5-2可以知道，在風(fēng)速給定不變的前提下，風(fēng)力機的輸出轉(zhuǎn)矩和輸出功率并不在同一個角速度達(dá)到最大值，而是有兩個角速度，一個最大功率角速度與一個最大轉(zhuǎn)矩角速度。從上圖可知兩個角速度分別為104rad/s和86rad/s，原因是功率和轉(zhuǎn)矩之間有一個轉(zhuǎn)速的因子，而轉(zhuǎn)速是不是不變的，所以功率和轉(zhuǎn)矩不能在同一個轉(zhuǎn)速下達(dá)到最大值。從圖5-3可以知道，風(fēng)能利用系數(shù)關(guān)于葉尖速比的拋物線函數(shù)，在某個風(fēng)速情況下，存在唯一的葉尖速比能夠使風(fēng)能利用系數(shù)達(dá)到最大值，相應(yīng)的這個葉尖速比也被稱作最佳葉尖速比，從圖上可以知道葉尖速比為8.1時風(fēng)能利用系數(shù)達(dá)到最大值0.48，小于理論最大值0.593，符合貝茨理論。(2)在不同風(fēng)速下的仿真通過在不同風(fēng)速情況下對風(fēng)機進行仿真，來驗證最大功率跟蹤控制的基本原理。在不同風(fēng)速的情況下，研究風(fēng)機的輸出功率和角速度的關(guān)系。仿真風(fēng)速變化范圍為6m/s