2风电机组建模
直驱型风电机组由于具有高效、结构简单、方便制造、控制效果好、可靠性高、运行稳定等优势，近年来得到快速发展，本文以直驱型风电机组作为研究对象进行建模。在所建立模型的基础上分析考虑风切变、塔影效应、叶片不平衡时的气动载荷特性，并且针对发现的问题研究直驱型风电机组的并网功率平稳控制技术。直驱型风电机组多采用低速旋转的多极永磁同步发电机，发电机转子通过转轴直接连接到风轮转子上，省去了齿轮箱环节，转子的转速随着风速进行调节，其交流电的频率也随之变化，通过大功率电力电子变流器，将频率不定的交流电整流成直流电，再逆变成与电网同频率的交流电输出。由于传动系统部件的减少，提高了机组的可靠性，降低了噪声；永磁发电技术和变速恒频技术的采用提高了风电机组的效率，并可以进行无功补偿；由于变速恒频控制是在定子电路实现的，因此变流器的容量与系统的额定容量相同，即需要采用全功率变流器。直驱型风电机组的结构示意图如图2-1
本文将根据研究目的，利用Matlab仿真软件，分别建立含有风力机、传动链、发电机、变流器的能量转换系统模型，和含有发电机控制、变流器控制的控制系统模型。建模方法和模型详细程度根据研究需要进行适当的调整，如对风力机部分的叶素动量理论进行详细分析，传动链模型进行适当简化，对变流器模型进行合理调整，对网侧变流器控制部分进行重点研究。风电机组能量转换系统就是将捕获的风能转换成电能的装置。这种转换经过两个步骤：一是在风能的驱动下，转换装置（即风力机风轮）就会转动，获得机械功率；二是风轮驱动旋转电机（即发电机）产生电能。风电机组能量转换系统主要包括四个子系统.
1)空气动力子系统，主要包括由叶片组成的风力机风轮；
2)传动系统，即传动链，连接风轮和发电机的传动装置；
3)电磁子系统，主要由发电机构成；
4)电气子系统，主要由变流器构成。各个子系统通常是单独处理，通过各个子系统模型的相互联系就可以得到一个适用于控制结构设计的整个风电机组能量转换系统。本文将建立风力机、传动链、发电机和变流器的模型。
2.1风力机模型
2.1.1风力机气动特性
风力机就是风能利用装置。对于风力机组，扫风面积通过的风能为：式中 P表示通过风轮的能量，表示空气密度，表示风轮半径，V表示通过风轮的有效风速。
2风电机组建模....................................7
2.1风力机模型..................................8
2.2传动链模型..................................14
2.3发电机模型..................................14
2.4变流器模型..................................16
2.5控制系统模型..................................18
3风电机组气动载荷特性..................................27
3.1风切变..................................27
3.2塔影效应..................................29
3.3叶片不平衡..................................31
3.4考虑三种因素时的..................................33
4风电机组并网功率平稳控制..................................47
4.1机侧变流器输入功率..................................47
4.2传统的并网控制策略..................................49
4.3基于输入功率前馈的并网..................................52
5结论与展望
5.1全文总结
本文根据直驱型风电机组的结构和运行原理，在Matlab仿真平台上建立了直驱型风电机组及控制系统的模型，并在此模型基础上分析了风切变、塔影效应、叶片不平衡三种因素对气动载荷特性的影响以及对机组相关机械部件谐振特性的影响，同时针对三种因素造成的机组并网功率特定频率的波动研究了并网功率平稳控制技术，提出了基于输入功率前馈的并网控制策略，仿真结果验证了改进控制策略的有效性。主要研究内容及结论如下：
(1)建立了风电机组模型。建立了包括风力机、传动链、发电机、变流器和控制系统的直驱型永磁同步风电机组模型，重点分析了利用叶素动量理论计算风轮气动载荷的方法和求解步骤，同时重点建立了变流器简化功率模型和直流环节功率电压模型。
(2)建立了风切变、塔影效应、叶片不平衡的模型，并求解得到气动载荷。根据风切变和塔影效应的特性，建立了分别考虑风切变和塔影效应，以及同时考虑这两种因素的风速模型，并根据基于叶素动量定理的气动载荷求解步骤，通过仿真计算得到考虑这两种因素的气动载荷；同时对叶片不平衡特性进行建模，最终仿真计算得到分别考虑三种因素以及三种因素联合作用下的气动载荷。
(3)分析了气动载荷特性。对三种因素单独作用以及联合作用下的气动载荷特性进行时域分析和频域分析，得出了三种因素对气动载荷特性的频域影响关系，主要结论包括：风切变作用不明显，主要造成单叶片切向转矩IP频率的波动、造成风轮切向转矩和主轴作用力3P频率的波动；塔影效应主要造成单叶片切向转矩NP频率的波动、造成风轮切向转矩和主轴作用力3P、 6P、 9P等3NP频率的波动；叶片不平衡主要造成单叶片切向转矩、造成风轮切向转矩和主轴作用力IP频率的波动。
(4)分析了气动载荷波动对相关机械部件振动特性的影响。在气动载荷频率分析的基础上，分析了气动载荷特有频率波动对风电机组叶片摆振、传动链、塔架侧向振动的影响，计算得出1P、 3P、 6P、 9P频域分量引起叶片摆振方向、传动链、塔架侧向振动的谐振转速，并得出塔影效应主要引起叶片摆振、传动链谐振，叶片不平衡主要引起塔架侧向谐振的结论。
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