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1、永磁直驱风力发电机建模报告（改4）2012.5一、按变流器拓扑分类1、不可控整流+逆变器拓扑图1不控整流+电压源型逆变器不控整流+逆变器构成的拓扑结构简单,由二极管整流电路将PMSG发出的交流电转变为直流电,然后由电压源型逆变器VSI转变为交流电,送入电网。由不控整流得到的直流侧电压随输入而变化,通过全控型器件构成VSI,可以通过改变调制比来实现并网电压频率和幅值恒定;这种拓扑可以进一步提高开关频率,减小谐波污染,灵活调节输出到电网的有功功率和无功功率,从而调节PMSG的转速,使其具有最大风能捕获的功能;缺点是不能直接调节发电机电磁转矩,动态响应较慢,不控整流会
2、造成定子电流谐波含量较大,会增大电机损耗和转矩脉动,并且当风速变化范围较大时,VSI的电压调节作用有限。2、不控整流+DC/DC变换+逆变拓扑通过增加DC/DC变换器,可以实现输入侧的功率因数校正(PFC),提高发电机的运行效率;同时当风速变化时,不控整流得到的电压也在变化,而通过DC/DC变换器的调节可以保持直流侧电压的稳定,并能对PMSG的电磁转矩和转速进行控制,实现变速恒频运行,使其具有最大风能捕获功能。3、背靠背双PWM变换器拓扑发电机定子通过背靠背变流器和电网连接。发电机侧PWM变换器通过调节定子侧的d轴和q轴电流，控制发电机的电磁转矩和定子的无功功率
3、(无功设定值为0)，使发电机运行在变速恒频状态，额定风速以下具有最大风能捕获功能；网侧PWM变换器通过调节网侧的d轴和q轴电流，保持直流侧电压稳定，实现有功和无功的解耦控制，控制流向电网的无功功率,通常运行在单位功率因数状态，此外网侧变换器还要保证变流器输出的THD尽可能小，提高注入电网的电能质量。一、机组各部分数学模型（一）背靠背拓扑1、风速模型风速模型是进行风力发电研究的源参数。自然界的风，并不是由单一元素构成的，在考虑风的组成时，可根据风电场实测风速数据，做出各种风速出现的概率分布，由此确定几种典型的风函数。为了简单且具备一定的准确性，常常采用简化的四种分
4、量模型来模拟风速随时间变化的特征。该模型较精确地描述了风速的随机性和间歇性特点，将自然风速分为基本风速、阵性风、渐变风和随机噪声风，每一部分都易于计算，可以把风速的特点集中在较短时间内显示，而且能够全而检验风力发电系统性能。1）基本风Vwb基本风，在风力机正常运行过程中一直存在，基木反映了风电场平均风速的变化。风力发电机向系统输送的额定功率大小也主要由基本风决定，其可以由风电场测风数据获得的韦布尔分布参数近似确定。一般认为基本风速不随时间变化，因而可以取常数。2）阵性风Vwg阵性风，用于描述风速突然变化的特性。在电力系统动态分析中，特别是在分析风电系统对电网电压
5、波动的影响时，通常用它来考核系统在较大风速变化情况下的动态特性。Vwg用于表述风速的突然变化，在3个时间段内有不同的风速，其表达式为式中，为阵性风最大风速；为阵性风的起始时间；为阵性风的持续时间。3）渐变风VwrVwr用于描述风速中逐渐的变化成分，其数学表达式为其中，为渐变风最大风速；分别指渐变风的开始和结束时间。4）随机噪声风VwnVwn用以描述在指定的高度的风速变化的随机风的特性，山许多谐波分量构成，其表达式为:其中，为风速波动的平均间距，常取0.5π-2π；为初相角，是0-2π之间均匀分布的随机变量，Ram(-1,1)为(-1,1)之间均匀分布的随机数，是
6、随机风速分量的最大值。综合上述四种风速描述，由此可建立组合风速数学模型:2、风轮的数学模型风轮是捕获风能的部件，根据空气动力学原理，风轮捕获的功率为：其中为空气密度，为风速，为风轮的扫略面积，有，R为风轮的半径。为风能利用系数，他是叶尖速比和桨距角的函数，即为风速和风机转速的比值。的值是比较复杂的，他决定了风能利用的效率。合理的选择这个值可以使风机运行在最大效率处。一般来讲，的曲线都是由风轮的制造商以查表的形式给出的。但是，这个参数实际上和受到许多因素的影响，比如内部因素，包括风轮本身的结构外形，外部因素，比如风机运行环境下的风速，湿度，空气密度，以及气温等。实
7、际运行中，这个参数还会发生变化。因此实际上很难对这个参数给予准确的描述。本文中则采用一种近似的代数模型来表示，其表达式如下：其中，，同时其中的c的取值如下：，这些取值主要根据实验数据进行估计出来的经验参数。的值对最大功率捕获非常的重要。如果知道在某个风速下的最大值，那么由上式就可以控制风机捕获最大的功率。综合上述各式，就可以导出风轮上的转矩：3、传动链模型传动链主要是指从风轮到发电机的转子之间的轴，如果是双馈式的系统，那么中间还要由齿轮箱相连接。一般来说，对风机的简化分析会将风轮和发电机的转子的转动惯量加在一起，也就是说，认为风轮和发电机之间的轴是绝对刚性的，这
8、种模型成为单质量模型。但
