直驱式风力发电系统的建模及控制(附件)【字数：11507】
摘 要本文以风能发电装置为研究对象，在分析风能发电装置特点的基础上设计了直驱式风力发电系统。通过对直驱式风力发电装置的建模分析，建立了直驱式风力发电系统模型、风机模型、直驱永磁同步发电机模型、背靠背电力电子变换器模型，并研究了功率最大捕获的控制方案，以及研究了最大功率捕获的控制。策略是通过控制最大功率利用率控制最佳叶尖速比。本文总结了目前的现状和发展前景国内外现有的风力发电系统。介绍发电设备，并结合成熟建立风力发电系统的技术。建立风力发电设备的Matlab/Simulink模型，通过数字仿真，整体性能系统预测。本文对风能发电机组的螺旋桨模型、永磁直驱发电机、控制系统等进行系统介绍，并对系统进行了仿真研究，从而为将来实际应用提供参考方案。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 风能开发背景 1
1.1.1 风能特性 1
1.2.1 世界风能储量与分布 2
1.1.3 中国风能储量及其分布 2
1.2 风能发电技术研究现状 3
1.2.1 风能发电装置研究 3
1.3 本课题主要研究目的及内容 5
1.3.1 本课题主要研究目的 5
1.3.2 本课题主要内容 5
第二章 风能发电机整机模型 6
2.1 叶轮模型 6
2.2 永磁同步发电机数学模型 8
第三章 风能发电机变流器及控制器 13
3.1 全功率变流器的拓扑结构 13
3.1.1 不受控整流器+晶闸管逆变器 13
3.1.2 整流器电压源+ PWM的非控制转换器 13
3.1.3 不受控整流器+恒定/直流放大器+脉冲电压源PWM 14
3.1.4 背靠背双PWM变流器 15
3.1.5 变流器模型 16
3.2 控制器模型 18
3.2.1 发电机侧变换器控制器模型 18
3.2.2 网络侧变换器控制器模型 19
3.2.3 基于永磁发电机的风能发电系统模型 21
第四章 仿真研究 24
4.1 仿真结果 24
4.2 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
AB相间短路 27
4.3 无穷大电源电压跌落故障 29
第五章 论文结论与展望 32
5.1 论文结论 32
5.2 展望 32
结束语 33
致 谢 34
参考文献 35
第一章 绪论
1.1 风能开发背景
目前，随着传统能源的减少，新能源的使用已成为迫在眉睫。 风能作为一种小清新能源，是绿色的，并在迅速增长资源丰富而受到世界各国的追捧。
风是由太阳辐射热引起的空气流动引起的自然现象。 太阳照射在地球表面，表面温度升高，表面的空气热膨胀更轻。热风上升后，冷空气在水平方向上流动，上升气流随着冷却变重而下降，因为表面温度高，会使空气升温。这种气流产生了风。
风力发电的原理是利用风来驱动风力涡轮机叶片旋转，然后通过增速器增加转速，以促进发电机的发电。
1.1.1 风能特性
风能是气体流动产生的动能。太阳能的一种转化形式。由于太阳辐射引起地球表面所有部分的不均匀加热，因此出现不均匀的压力。大气压力在空气的作用下在水平压力挑战下分布，空气横向移动形成风。 风电总量非常大。 每年可以用技术开发的能源约为5.3×10?13千瓦时。风能是可再生能源，体积大，分布广，但能量密度低（仅1/800）。水的能量不稳定。在某些技术条件下，风能可以成为能源的主要来源。 风能的使用是一项综合工程技术。风力涡轮机转换机械能，热能等。与传统风能相比，风能具有以下特点：
（1）风能是可再生能源的来源，无污染。
（2）与海流能不同,风能是一种随时间、空间而变化的能源,但其变化有规
律循,并可提前预测预报。
（3）与地面电力建设比较而言，风电开发条件恶劣，一次性投资具大，设
备成本高，安装维护和输电有一系列关键技术问题
（4）简易的设备，不会破坏当地植被。
（5）它也不会造成环境中三种废弃物的污染，在传统水电建设中的占用耕
地和安置民生等头痛等问题不会发生。
1.2.1 世界风能储量与分布
图11 风能储量分布图
面对资源的短缺以及它所带来的威胁，世界上各国都积极研发利用风力发电的技术，以欧美等发达国家为代表，风能产业在全世界蓬勃发展，逐渐呈现出了规模化发展的趋势。
据估计，到2020，全球风力发电容量将达到12亿6000万千瓦，是2012风力发电装机容量及估计总量世界的12.3倍。估计投资约6300亿美元。目前，欧洲在风电技术和应用方面居于领先地位，占全球风电装机容量的74％。 丹麦，德国，印度，意大利，日本，西班牙和美国已经生产兆瓦级或更强大的风力涡轮机。目前，世界最大的风机容量为7.3兆瓦，风力发电机的直径为112米。风电场常用的风力涡轮机已达到2兆瓦以上。
广阔的海上空间和可观的风能潜力是导致风力涡轮机从陆地移动到海洋的趋势。随着科学技术的不断进展，海上风电的利用已提上会议时间。1994英国伦敦船舶工程公司的设计师TOEN领导了一个国际财团，实施风力涡轮机项目，使海上风能进入商业运营。 风车高45米，可产生1.4兆瓦的电力。自2006以来，欧洲海上风电大规模发展。风力发电技术的不断进步和风力发电机组的规模化、高效率化和规模化，无疑将降低风力发电的价格，促进其发展。欧洲在总装机容量方面仍保持第一位。亚洲位超越北美市场位居第二位。
1.1.3 中国风能储量及其分布
中国幅员辽阔，风力资源丰富。 据计算，中国每年的风力资源约为16亿千瓦。每年可发展1亿6000万千瓦。在中国东南部的岛屿和西北牧区和西南山区存在严重的电力匮乏状态，而风能资源相对较大，风力发电发展条件优越。因此，我国风能的因地制宜开发利用不仅可以增加能源，而且有助于解决偏远地区的用电要求，具有现实意义。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 风能开发背景 1
1.1.1 风能特性 1
1.2.1 世界风能储量与分布 2
1.1.3 中国风能储量及其分布 2
1.2 风能发电技术研究现状 3
1.2.1 风能发电装置研究 3
1.3 本课题主要研究目的及内容 5
1.3.1 本课题主要研究目的 5
1.3.2 本课题主要内容 5
第二章 风能发电机整机模型 6
2.1 叶轮模型 6
2.2 永磁同步发电机数学模型 8
第三章 风能发电机变流器及控制器 13
3.1 全功率变流器的拓扑结构 13
3.1.1 不受控整流器+晶闸管逆变器 13
3.1.2 整流器电压源+ PWM的非控制转换器 13
3.1.3 不受控整流器+恒定/直流放大器+脉冲电压源PWM 14
3.1.4 背靠背双PWM变流器 15
3.1.5 变流器模型 16
3.2 控制器模型 18
3.2.1 发电机侧变换器控制器模型 18
3.2.2 网络侧变换器控制器模型 19
3.2.3 基于永磁发电机的风能发电系统模型 21
第四章 仿真研究 24
4.1 仿真结果 24
4.2 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
AB相间短路 27
4.3 无穷大电源电压跌落故障 29
第五章 论文结论与展望 32
5.1 论文结论 32
5.2 展望 32
结束语 33
致 谢 34
参考文献 35
第一章 绪论
1.1 风能开发背景
目前，随着传统能源的减少，新能源的使用已成为迫在眉睫。 风能作为一种小清新能源，是绿色的，并在迅速增长资源丰富而受到世界各国的追捧。
风是由太阳辐射热引起的空气流动引起的自然现象。 太阳照射在地球表面，表面温度升高，表面的空气热膨胀更轻。热风上升后，冷空气在水平方向上流动，上升气流随着冷却变重而下降，因为表面温度高，会使空气升温。这种气流产生了风。
风力发电的原理是利用风来驱动风力涡轮机叶片旋转，然后通过增速器增加转速，以促进发电机的发电。
1.1.1 风能特性
风能是气体流动产生的动能。太阳能的一种转化形式。由于太阳辐射引起地球表面所有部分的不均匀加热，因此出现不均匀的压力。大气压力在空气的作用下在水平压力挑战下分布，空气横向移动形成风。 风电总量非常大。 每年可以用技术开发的能源约为5.3×10?13千瓦时。风能是可再生能源，体积大，分布广，但能量密度低（仅1/800）。水的能量不稳定。在某些技术条件下，风能可以成为能源的主要来源。 风能的使用是一项综合工程技术。风力涡轮机转换机械能，热能等。与传统风能相比，风能具有以下特点：
（1）风能是可再生能源的来源，无污染。
（2）与海流能不同,风能是一种随时间、空间而变化的能源,但其变化有规
律循,并可提前预测预报。
（3）与地面电力建设比较而言，风电开发条件恶劣，一次性投资具大，设
备成本高，安装维护和输电有一系列关键技术问题
（4）简易的设备，不会破坏当地植被。
（5）它也不会造成环境中三种废弃物的污染，在传统水电建设中的占用耕
地和安置民生等头痛等问题不会发生。
1.2.1 世界风能储量与分布
图11 风能储量分布图
面对资源的短缺以及它所带来的威胁，世界上各国都积极研发利用风力发电的技术，以欧美等发达国家为代表，风能产业在全世界蓬勃发展，逐渐呈现出了规模化发展的趋势。
据估计，到2020，全球风力发电容量将达到12亿6000万千瓦，是2012风力发电装机容量及估计总量世界的12.3倍。估计投资约6300亿美元。目前，欧洲在风电技术和应用方面居于领先地位，占全球风电装机容量的74％。 丹麦，德国，印度，意大利，日本，西班牙和美国已经生产兆瓦级或更强大的风力涡轮机。目前，世界最大的风机容量为7.3兆瓦，风力发电机的直径为112米。风电场常用的风力涡轮机已达到2兆瓦以上。
广阔的海上空间和可观的风能潜力是导致风力涡轮机从陆地移动到海洋的趋势。随着科学技术的不断进展，海上风电的利用已提上会议时间。1994英国伦敦船舶工程公司的设计师TOEN领导了一个国际财团，实施风力涡轮机项目，使海上风能进入商业运营。 风车高45米，可产生1.4兆瓦的电力。自2006以来，欧洲海上风电大规模发展。风力发电技术的不断进步和风力发电机组的规模化、高效率化和规模化，无疑将降低风力发电的价格，促进其发展。欧洲在总装机容量方面仍保持第一位。亚洲位超越北美市场位居第二位。
1.1.3 中国风能储量及其分布
中国幅员辽阔，风力资源丰富。 据计算，中国每年的风力资源约为16亿千瓦。每年可发展1亿6000万千瓦。在中国东南部的岛屿和西北牧区和西南山区存在严重的电力匮乏状态，而风能资源相对较大，风力发电发展条件优越。因此，我国风能的因地制宜开发利用不仅可以增加能源，而且有助于解决偏远地区的用电要求，具有现实意义。
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