第1章 緒論

1.1 風(fēng)力發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀 
1890 年，丹麥人就已研發(fā)了世界首部風(fēng)力發(fā)電機(jī)。但因當(dāng)時(shí)技術(shù)受限，而且在煤、石油、天然氣等廉價(jià)能源的打壓下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)卻無實(shí)力與內(nèi)燃機(jī)媲美，從而導(dǎo)致其未能引起關(guān)注[6,  17]。1973 年的石油危機(jī)后，許多發(fā)達(dá)國(guó)家以尋求替代能源而斥巨資動(dòng)員高新科技產(chǎn)業(yè)，利用信息技術(shù)、力學(xué)等領(lǐng)域新的科技，成功研發(fā)出近現(xiàn)代風(fēng)電機(jī)組，開辟了風(fēng)電新時(shí)代[7]。全球領(lǐng)域的風(fēng)電蒸蒸日上、蓬勃發(fā)展，源自于科技、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等各方面作用，經(jīng)歷長(zhǎng)達(dá) 30 余年奮斗，取得驕人成績(jī)[16]。至 2014 年，全球年度裝配容量超 50000MW，累計(jì)裝配容量超 369953MW，圖 1-1 為 2004-2014 全球風(fēng)電系統(tǒng)裝配容量。自 2004 年以來，世界年度裝機(jī)容量保持快速增長(zhǎng)，年增長(zhǎng)率逾 25%。預(yù)計(jì)到 2050 年，風(fēng)能必將為全世界主要供應(yīng)能源，并步入世界可持續(xù)能源行列[18]。 縱觀國(guó)際風(fēng)電開拓歷程，政策支持尤其重要[8]。每個(gè)國(guó)家應(yīng)用控制電價(jià)、配套再生能源機(jī)制、等政策來扶植和催化風(fēng)電進(jìn)步發(fā)展。  隨著風(fēng)力發(fā)電的飛速進(jìn)步，各國(guó)科研工作者更熱衷于風(fēng)電的研究。德國(guó)早已產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn) 4.6MW 的機(jī)組，美國(guó)已成功研制 7MW 機(jī)組。由于上述國(guó)家富有強(qiáng)悍的經(jīng)濟(jì)實(shí)力和充足科研儲(chǔ)備，相關(guān)制造水平和控制技術(shù)通過長(zhǎng)時(shí)間的市場(chǎng)培育，在制造、裝配、檢測(cè)、使用、維保等方面已爐火純青[16-19]。 20 世紀(jì) 60 年代，我國(guó)逐漸研制擁有實(shí)用價(jià)值的風(fēng)電系統(tǒng)，短短幾年內(nèi)就飛速拓展，從制造水準(zhǔn)、拓展規(guī)模等方面名列世界前端，其中，自立研發(fā)而成的離網(wǎng)型風(fēng)電機(jī)可以很好的適用于偏遠(yuǎn)地區(qū)的農(nóng)業(yè)、林業(yè)、牧業(yè)、副業(yè)、漁業(yè)。當(dāng)時(shí)，風(fēng)力發(fā)電跨步走向新時(shí)代。我們國(guó)家陸續(xù)制訂并實(shí)施了推動(dòng)風(fēng)電事業(yè)發(fā)展的諸多政策，旨在大力扶植風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的開拓進(jìn)取。此外，全國(guó)人大常委會(huì)制訂有關(guān)法律，為風(fēng)電事業(yè)的持續(xù)開拓提供法律支撐[9-11]。 
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1.2 風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)
定槳距系統(tǒng)中，槳葉和輪轂是牢固連接的。任憑風(fēng)速變化，槳葉的受風(fēng)角度始終不變�；诖颂攸c(diǎn)的前提，風(fēng)電系統(tǒng)必須面對(duì)兩個(gè) 亟待解決的 問題：第一，如風(fēng)速高于額定時(shí)，槳葉必須有能力自動(dòng)將實(shí)際功率限定于額定功率上下，我們稱此種特性為自動(dòng)失速特性；第二，正在工作的系統(tǒng)如若遇到突然失掉負(fù)載的情形，槳葉必須擁有穩(wěn)定的制動(dòng)性，使其能足以應(yīng)付大風(fēng)力情形，并安穩(wěn)停機(jī)，此種情況一般依靠葉尖擾流器。  定距失速調(diào)節(jié)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)極其簡(jiǎn)易，不要求復(fù)雜的控制策略，高安全系數(shù)；缺點(diǎn)：槳葉結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工藝流程困難。容量的不斷增加，使其任意失速的性質(zhì)不易控制，并且需要配備附帶裝置，所以基本很少使用在大容量（兆瓦級(jí)以上）系統(tǒng)中。變漿距系統(tǒng)中，槳葉的節(jié)距角可變，通常通過調(diào)節(jié)此參數(shù)工作�？梢岳酶淖儩{距，即調(diào)節(jié)相關(guān)攻角，使其無論在風(fēng)速高低時(shí)都能獲得足夠的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩并保持恒穩(wěn)的輸出功率；變距調(diào)節(jié)優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)⑼Ｐ阅芎�，運(yùn)行穩(wěn)定；缺點(diǎn)：安插了相關(guān)控制策略以控制漿距，提高了控制難度。  以上兩種方式各有千秋，適應(yīng)于相異的環(huán)境和條件。隨著近年風(fēng)電容量的持續(xù)上升，變槳距調(diào)節(jié)擁有著誰與爭(zhēng)鋒的優(yōu)勢(shì)[24]。 
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第2章 永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)工作原理 

通常，并網(wǎng)型永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)如圖 2-1 所示，由風(fēng)機(jī)、直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)（Direct drive permanent magnet synchronous generator, DDPMSG）、背靠背變流系統(tǒng)和變壓器形成[20]。其中，風(fēng)機(jī)將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能，從而拉動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)[21]。發(fā)電機(jī)則將機(jī)械能變化成電能。背靠背變流系統(tǒng)分列為電機(jī)側(cè)和電網(wǎng)側(cè)，發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電被機(jī)側(cè)變流裝置轉(zhuǎn)換成直流電，并依靠調(diào)控輸出功率，捕獲最佳風(fēng)能；上一步發(fā)出的直流電一旦經(jīng)過網(wǎng)側(cè)變流裝置就被轉(zhuǎn)換成交流電，并與電網(wǎng)同頻同幅，使功率因數(shù)可控，電能質(zhì)量穩(wěn)定。濾波器可濾掉低次諧波，變壓器主要功能為升壓并網(wǎng)。這一章將深入細(xì)致闡述永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)中各部分的理論和原理，為下文的后續(xù)研究奠定基礎(chǔ)。

2.1 風(fēng)機(jī)的特性 
風(fēng)機(jī)將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能,直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)中，風(fēng)機(jī)與發(fā)電機(jī)不經(jīng)過變速箱連接,因此其功率特性、轉(zhuǎn)速特性對(duì)設(shè)計(jì)和工作運(yùn)轉(zhuǎn)影響巨大。按具體情況限定擾動(dòng)的最小值 min??,避免計(jì)算時(shí)溢出。如此一來，實(shí)際計(jì)算得出的擾動(dòng)值將在最大值與最小值之間，每個(gè)運(yùn)行周期都有且只有一個(gè)轉(zhuǎn)速擾動(dòng)改變轉(zhuǎn)速，這樣奇數(shù)（或偶數(shù)）周期中，風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速都不同，因此計(jì)算出的功率斜率總是有意義的。擾動(dòng)的大小直接決定最大功率的追蹤速度。如果在風(fēng)速較小或者平穩(wěn)不變的風(fēng)速下，擾動(dòng)相當(dāng)小,使得風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)；如果在風(fēng)速很大的情況下，，擾動(dòng)很大，功率追蹤速度也相當(dāng)快。     即使運(yùn)用變步長(zhǎng)算法，階梯狀波動(dòng)的指令導(dǎo)致轉(zhuǎn)速急劇波動(dòng)，為得到能夠快速響應(yīng)的 MPPT 控制，需使MPPTK 足夠大，但這樣一來，會(huì)大大影響風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性。此外需在 MPPT 控制系統(tǒng)的輸出段安裝一個(gè)濾波器來起平滑作用，其截至頻率不能高于控制環(huán)節(jié)的頻率段。利用數(shù)學(xué)建模方法，將這個(gè)低通濾波器等效于一階差分方程。上述方法的目的是快捷安穩(wěn)的追蹤風(fēng)機(jī)最大功率點(diǎn)。但是，當(dāng)遇到大型風(fēng)機(jī)時(shí)，由于大型風(fēng)機(jī)的槳葉具有超出平常很多的慣性，因而其輸出功率受到其儲(chǔ)存的勢(shì)能影響，運(yùn)用以上兩種登山算法尋求最大功率，忽略了轉(zhuǎn)速和最大功率之間的關(guān)系，而且需要反復(fù)求解，會(huì)大幅降低效率[42-44]。 
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2.2 永磁同步發(fā)電機(jī)原理和模型 
永磁同步發(fā)電機(jī)是整體中能量變換的核心裝置。通過控制機(jī)側(cè)整流裝置,達(dá)到能量最大化的效果�，F(xiàn)代控制理論中,永磁電機(jī)的控制方法普遍釆用基于d、q 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的定向控制。本小節(jié)依據(jù)坐標(biāo)變換理論，把靜止坐標(biāo)系（A、B、C）變換至同步旋轉(zhuǎn)系（d、q），并闡述發(fā)電機(jī)在 d、q 坐標(biāo)下的模型[26]。依據(jù)線性變換原理，可將三相坐標(biāo)系下對(duì)稱的物理量轉(zhuǎn)換至兩相坐標(biāo)系下（任意速度）。根據(jù)不同的約束條件，坐標(biāo)變換有兩種途徑，即恒定功率變換和恒定幅值變換。我們選用后者。
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第 3 章 最佳電流登山算法及其控制策略 ............ 30 
3.1  登山算法的演變歷程 ..... 30 
3.1.1  定步長(zhǎng)登山算法 ...... 30 
3.1.2  變步長(zhǎng)登山算法 ...... 30 
3.1.3  智能登山算法 .......... 31 
3.2  最佳電流控制登山算法 ........... 32 
3.2.1  擾動(dòng)的相關(guān)原理 ...... 32 
3.2.2  流程算法圖 .... 34 
3.2.3  最佳電流登山算法控制方案 ...... 36 
3.3  永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的控制方案 ......... 36
3.4  本章小結(jié) ..... 40 
第 4 章 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率控制仿真 ............ 41 
4.1  風(fēng)機(jī)仿真模型 ....... 41 
4.2  最佳電流控制仿真模型 ........... 43 
4.3  仿真參數(shù)的調(diào)節(jié) ............. 45 
4.4  最佳電流登山算法仿真 ........... 49 
4.5  本章小結(jié) ..... 51 

第4章 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率控制仿真  

4.1 風(fēng)機(jī)仿真模型

最初的風(fēng)機(jī)采用模擬，用軟件方法，上世紀(jì) 90 年代 U. S. Sandia 實(shí)驗(yàn)室利用程序從本體、控制、結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行軟件仿真。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、電力電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的不斷進(jìn)步，風(fēng)機(jī)從單純的軟件仿真發(fā)展成硬件等效模擬，運(yùn)用多種多樣的電機(jī)等效模仿風(fēng)力機(jī)。風(fēng)機(jī)控制模擬方案包含兩方面：一方面運(yùn)算模擬風(fēng)機(jī)，求解參考量（轉(zhuǎn)矩）；另一方面則是參考量（轉(zhuǎn)矩）調(diào)節(jié)。依據(jù)輸入模擬風(fēng)速和模擬反饋轉(zhuǎn)速，解析模型便得出參考量（轉(zhuǎn)矩）。注意，求解參考量時(shí)，需要把反饋量m依照實(shí)踐中的變比 N 折算，控制圖如下：依據(jù)圖 4-1 用 Matlab/simulink 構(gòu)造用直流電機(jī)模擬風(fēng)機(jī)的仿真如圖 4-2。主要由四部分構(gòu)成：而求得風(fēng)力機(jī)參考量轉(zhuǎn)矩mT ，圖 4-3 所示為 Matlab 中的風(fēng)機(jī)模塊： 2.  脈沖發(fā)生器。功能：把輸入轉(zhuǎn)矩和被反饋的電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩間的偏差量經(jīng)PI 調(diào)制器及信號(hào)轉(zhuǎn)換，得到最終的觸發(fā)脈沖信號(hào)，以操控 IGBT 的開關(guān)狀態(tài)，達(dá)到持續(xù)調(diào)節(jié)由斬波電路發(fā)出的電壓的目的。 3.  斬波電路。功能：把調(diào)制過的電壓導(dǎo)向直流電機(jī)，為電機(jī)供電。 4.  其他部分為選擇的直流電機(jī)模型和觀測(cè)模塊，觀測(cè)模塊具有兩段輸出：第一段：電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度m；第二段：電機(jī)電磁輸出轉(zhuǎn)矩eT 。 

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結(jié)   論 

最大限度捕捉風(fēng)能取決伺服機(jī)構(gòu)控制，現(xiàn)階段成熟的變速恒頻技術(shù)使得風(fēng)機(jī)無需恒速運(yùn)轉(zhuǎn)。伴隨控制技術(shù)深入發(fā)展，形成基于登山算法下最大功率跟蹤思想。 本文重點(diǎn)研究系統(tǒng)最大功率的最佳捕捉方式，從分析風(fēng)力機(jī)的相關(guān)理論入手，研究了最大功率控制理論，提出風(fēng)電系統(tǒng)最大功率控制方案，通過Matlab/Simulink 對(duì)系統(tǒng)仿真，校驗(yàn)了上文所提出控制策略的正確性，并驗(yàn)證了其可靠性。主要結(jié)論如下： 1. 在研究幾種變速恒頻系統(tǒng)及兩種追蹤算法特點(diǎn)基礎(chǔ)上。提出了新型登山算法和建立發(fā)電機(jī)和變流器的數(shù)學(xué)模型進(jìn)而給出了一種最佳電流給定控制方案。 2. 建立了風(fēng)機(jī)的模型，通過仿真得出風(fēng)機(jī)特性曲線。根據(jù)風(fēng)機(jī)特性和登山算法的分析擾動(dòng)的參量、擾動(dòng)原理及擾動(dòng)方式導(dǎo)出擾動(dòng)計(jì)算方法，最后，將新型登山算法成功運(yùn)用于最佳電流控制策略。 3. 利用直流機(jī)可控易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)作為風(fēng)機(jī)的模型，通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩模擬風(fēng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而利用 Simulink 建立該系統(tǒng)仿真模型，通過仿真研究了新型登山算法在永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的運(yùn)用，得出最佳電流給定登山算法優(yōu)于傳統(tǒng)登山算法方法。  
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號(hào)：89299