1、 风力发电技术及其仿真分析 刁统山 著 Publishing House of Electronics Industry 北京BEIJING 内 容 简 介 本书介绍风力发电技术及其仿真，内容包括风力发电系统的基本知识、风力发电系统的 MATLAB仿真基础、风力发电系统 Ansoft 有限元仿真基础、双馈风力发电系统及其仿真分析、双转子风力发电系统及其仿真分析、永磁风力发电机振动及其有限元仿真分析、风力发电技术中的偏航电控系统、基于 PLC的风力发电系统偏航程序设计等。此外，本书还介绍了当前风电研究常用的两个仿真软件 MATLAB/Simulink 和 Ansoft，并结合相关理论知识进行了仿
2、真研究与分析。本书可供从事风力发电技术的人员使用，也可作为高等学校相关专业学生的参考书。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目（CIP）数据 风力发电技术及其仿真分析/刁统山著.北京：电子工业出版社，2018.11 ISBN 978-7-121-34492-3.风 .刁 .风力发电仿真系统研究 .TM614 中国版本图书馆 CIP 数据核字（2018）第 125875 号 策划编辑：杜 军 责任编辑：谭海平 特约编辑：王 崧 印 刷：装 订：出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路 173 信箱 邮编 100036 开 本：7871092
3、1/16 印张：13.5 字数：345.6 千字 版 次：2018 年 11 月第 1 版 印 次：2018 年 11 月第 1 次印刷 定 价：59.00 元 凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：（010）88254888，88258888。质量投诉请发邮件至 ，盗版侵权举报请发邮件至 。本书咨询联系方式：（010）88254552。风能作为一种清洁的可再生能源，是解决所有人类面临的环境污染和能源短缺的必然选择。使用风力发电，可减少常规能源的使用，减少废气的形成，有利于良好空气环境和生态平衡的维持，对我国乃至世界的能源开发和
4、利用非常有利。我国目前风力发电研究技术的发展、核心装置的设计和加工、风能的生产和后续的利用等一系列环节，都有了一定的提高，风电技术在国民经济领域产生的经济效益和社会效益日益凸显。虽然我国是最早利用风能的国家，但是风力发电技术特别是理论研发方面起步较晚，目前与世界先进风力发电技术相比还存在不小的差距。目前风力发电技术的开发与设计，主要采用模拟实际的多功能仿真软件进行，这些软件包括 MATLAB/Simulink 和 Ansoft 等。MATLAB/Simulink 和 Ansoft 各有侧重：在 MATLAB中，风力发电机各组件可通过编程或通过 Simulink 库模块搭建模型来实现仿真；Ans
5、oft 软件偏重于风力发电机的结构和电磁场的计算，可对风力发电机的设计进行优化。本书共分 8 章，内容包括风力发电系统的基本知识、风力发电系统的 MATLAB 仿真基础、风力发电系统Ansoft 有限元仿真基础、双馈风力发电系统及其仿真分析、双转子风力发电系统及其仿真分析、永磁风力发电机振动及其有限元分析、风力发电技术中的偏航电控系统、基于 PLC 的风力发电系统偏航程序设计。在此基础上，借助 MATLAB/Simulink 和 Ansoft 仿真软件，通过大量实例对相关理论知识点做了详细的仿真研究和分析。本书作者为齐鲁工业大学（山东省科学院）教师，本书的写作得到了齐鲁工业大学（山东省科学院）
6、电气工程与自动化学院的大力支持和帮助，在此表示衷心的感谢！还要感谢电子工业出版社的杜军编辑为本书的出版所做的工作！由于作者水平有限，加之时间仓促，书中内容不妥之处在所难免，恳请各位专家和学者批评指正！作者 2018 年 6 月 第 1 章 风力发电系统的基本知识1 1.1 风力发电系统的主要类型和结构1 1.1.1 风力发电系统的主要种类1 1.1.2 风力发电系统的结构4 1.2 风力发电机的主要类型9 1.3 风力发电技术研究的热点问题 11 1.3.1 风力发电输出功率的预测 11 1.3.2 低电压穿越13 1.3.3 风力发电场中的并网控制技术14 1.4 风力发电技术的发展趋势15
7、 1.5 风力发电机的仿真技术15 第 2 章 风力发电系统的 MATLAB 仿真基础17 2.1 MATLAB 工作窗口17 2.1.1 MATLAB 的窗口及其说明 17 2.1.2 MATLAB 菜单项的功能说明 18 2.2 MATLAB 运行常识19 2.3 MATLAB 程序的基本说明21 2.4 MATLAB 常用命令与函数21 2.5 MATLAB 基本操作22 2.6 Simulink 简介 23 2.6.1 Simulink 概述23 2.6.2 Simulink 的简单操作23 2.6.3 MATLAB 电力系统模块库的使用 30 2.6.4 Simulink 的简单操作
8、31 2.7 MATLAB 仿真软件在风力发电系统分析中的应用32 2.7.1 单相桥式整流电路的 Simulink 建模33 2.7.2 三相桥式整流电路的 Simulink 动态建模分析36 2.7.3 输电线路出现故障时的建模和仿真分析39 第 3 章 风力发电系统 Ansoft 有限元仿真基础47 3.1 RMxprt 在发电机仿真中的基本操作 47 3.1.1 建模方法48 3.1.2 发电机模型创建48 3.1.3 发电机主要结构变量的输入50 3.1.4 转子尺寸的输入56 3.1.5 转轴参数选定58 3.1.6 电动机仿真参数选定59 V 目 录3.1.7 发电机的仿真运行6
9、0 3.2 RMxprt 和 Maxwell 2D 联合仿真62 3.2.1 RMxprt 环境中发电机模型生成 2D 模型的操作62 3.2.2 仿真运行曲线的输出63 第 4 章 双馈风力发电系统及其仿真分析 66 4.1 双馈风力发电系统的主要结构部件和运行原理67 4.1.1 风力发电中 PWM 的相关技术规定67 4.1.2 双馈风力发电机运行原理69 4.1.3 双馈风力发电机的功率关系71 4.2 双馈风力发电机的数学模型73 4.2.1 双馈风力发电机三相静止坐标系下的数学模型73 4.2.2 双馈风力发电机数学模型的坐标变换75 4.2.3 双馈风力发电机在任意转速坐标系中的
10、模型76 4.3 双馈风力发电机稳态并网的调节方法77 4.3.1 网侧 PWM 变换器的建模与控制77 4.3.2 GSC 在旋转坐标系中的建模80 4.3.3 双馈风力发电机相量调节方法81 4.3.4 双馈风力发电机的稳态性能83 4.4 交流三相电网电压突然降落时双馈风力发电系统的仿真研究87 4.4.1 交流三相电网电压突然降落时的 RSC 控制方法87 4.4.2 三相交流电网电压突然降落时 GSC 应采取的措施89 4.4.3 电网电压小幅降落时双馈风力发电机控制策略仿真分析91 4.5 基于 SimPowerSystems 的双馈风力发电系统仿真实例92 第 5 章 双转子风力
11、发电系统及其仿真分析99 5.1 双转子风力发电机系统的结构和数学模型99 5.1.1 双转子风力发电机的结构99 5.1.2 双转子风力发电机在三相静止坐标系中的数学模型100 5.1.3 双转子风力发电机在两相旋转坐标系中的数学模型106 5.1.4 双转子风力发电机在任意旋转坐标系中的数学模型107 5.2 双转子风力发电系统的稳态并网控制研究108 5.2.1 双转子风力发电系统转子侧变换器相量控制108 5.2.2 双转子风力发电机的稳态运行研究 110 5.3 电网电压骤降故障状态下双转子风力发电机的控制策略 115 5.3.1 电压骤降故障状态下转子侧变换器控制策略 117 5.
12、3.2 电网电压突降时双转子风力发电系统改进调节研究120 5.3.3 电压降落时双转子风力发电系统动态仿真121 5.4 电网电压不平衡或不对称降落仿真分析122 5.4.1 电网电压出现不平衡分量时的功率和转矩125 5.4.2 双转子风力发电机在电压不平衡时的研究126 5.4.3 双转子风力发电系统在电网电压不平衡时的控制仿真研究128 5.5 电网严重故障低电压穿越运行仿真133 5.5.1 基于撬棒保护装置的低电压穿越的仿真分析134 VI 5.5.2 电网三相对称短路故障时低电压穿越运行仿真139 5.5.3 电压降落较长时间时低电压穿越研究143 第 6 章 永磁风力发电机振动
13、及其有限元分析147 6.1 风力系统发电机简介147 6.1.1 直驱风力发电机147 6.1.2 双馈风力发电系统148 6.2 永磁同步发电机149 6.2.1 结构149 6.2.2 永磁同步发电机的运行原理151 6.2.3 永磁发电机振动机理及其分析方法研究153 6.2.4 基于能量法的永磁发电机齿槽转矩削弱原理158 6.3 永磁同步发电机齿槽转矩有限元仿真160 6.3.1 永磁发电机本体构建160 6.3.2 齿槽转矩仿真164 6.4 直驱永磁同步风力发电系统 MATLAB 仿真166 6.4.1 数学建模166 6.4.2 永磁同步风力发电系统的控制策略169 6.4.
14、3 仿真分析170 第 7 章 风力发电技术中的偏航电控系统 172 7.1 偏航电控系统简介173 7.2 偏航系统正常运行的条件173 7.3 偏航电控系统结构175 7.4 偏航电控系统工作原理177 7.5 自动偏航控制过程分析180 7.6 偏航电控系统的维护和保养186 第 8 章 基于 PLC 的风力发电系统偏航程序设计189 8.1 PLC 介绍189 8.1.1 PLC 的基本组成189 8.1.2 PLC 的工作原理190 8.2 PLC 的选型191 8.2.1 德国西门子公司生产的 S7-200 PLC 及特点191 8.2.2 PLC 技术参数193 8.3 中央处理
15、器的工作方式195 8.4 扩展模块195 8.4.1 扩展模块简介195 8.4.2 S7-200 PLC 内部触点和数据概述196 8.5 基于 PLC 偏航系统的主要设备及系统控制要求与实现200 8.5.1 PLC 偏航系统的主要设备及系统控制要求 200 8.5.2 基于 PLC 偏航系统的程序实现 200 8.5.3 偏航驱动电气控制原理206 参考文献208 第 1 章 风力发电系统的基本知识 在能源枯竭和环境不断恶化的今天，风能作为无污染的可再生能源之一，其开发和利用逐渐引发人们的广泛关注，风力发电系统的优化和控制在可再生能源利用方面也发挥着越来越大的作用。我国陆地疆域辽阔，海
16、岸线长 2 万多千米，由此可知我国是风力能源蕴藏量巨大的国家之一。当前，我国新增装机数量和累计装机数量两项数据均居世界前列。风力发电的规模不断扩大，大容量风力发电场的并入对电网的运行性能和保护装置造成了许多不利影响，主要表现在影响电网电压的质量方面，如电网电压波动频繁、谐波严重等。以上问题的解决，必须依靠新风力发电相关技术的研究，特别是在目前作为热点的风力发电中，关于穿透功率如何提高、风力发电产生的功率如何提前准确预测等问题的研究，这些研究必须取得新的进展。由于风能具有随机不确定性和波动性，加之风力发电装机容量占电网总容量的比例不断增大，因此要求能够减小风力发电场并网时对电网的冲击。现阶段，在风力发电技术并网发展过程中，要解决许多关键性的技术问题。以下详细介绍风力发电系统的基本类型和结构、风力发电机的主要机型、风力发电技术研究的热点问题、风力发电技术的发展趋势和风力发电机的仿真技术。1.1 风力发电系统的主要类型和结构 1.1.1 风力发电系统的主要种类 在风力发电技术领域，风力发电机组是特别重要的核心设备之一，其性能参数很大程度上会影响到风力发电系统的诸多经济和技术指标。因此，必须高
