直驱式永磁同步风力发电系统的仿真研究

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1、基于PSCAD仿真软件的永磁直驱风力发电系统的控制研究一、风力机特性分析图1-1风力机模型实际风速和转速，产生风力机的机械转矩和功率，可以测定风力机的转速功率特性，理解最大风能捕获原理。Tm—w曲线图1-2Tm—w特性取风速为12m/s，风力机转速Wr为0—5rad/s，得出此风速下的Tm—w曲线，如上图所示。从图中可以看出，Tm随着风力机转速的增大而先增大后减小。Pm—w曲线8图1-3Pm—w特性取风速为12m/s，风力机转速Wr为0—5rad/s，得出此风速下的Pm—w曲线，如上图所示。从图中可以看出，Pm随着风力机转速的增大而先增大后减小。风

2、力机捕获的最大功率的标幺值为0.89，基值为（仿真中电压的基值是电机端额定电压的幅值，为，电流的基值是电机端额定电流的幅值，为，功率的基值是），实际值为。最大功率对应的电机机械转速为，所以最佳叶尖速比为。当风速为时，调整风力机转速，风力机捕获的最大功率的标幺值为0.856，实际值为，达到额定功率。对比相同风速下的风力机Tm—w曲线和Pm—w曲线，可以发现Pm—w曲线要比Tm—w曲线更向右一些，即风力机捕获的Pm最大值所对应的风力机转速大于机械转矩Tm最大值所对应的风力机转速。图1-4转子承受动力方程风力机的机械转矩拖动转子产生转速，定子磁场和转子磁

3、场相互作用产生电磁转矩。二、永磁同步发电机的控制策略同步旋转坐标系下永磁同步发电机的数学模型为（2-1）8根据同步旋转坐标系下永磁同步发电机的数学模型，可以采用电流内环、转速外环双闭环控制策略（2-2）（2-3）由式（2-2）可知，发电机的电磁转矩是一个关于、的函数，如果控制,使定子电流的合成矢量全部位于q轴，则式（2-2）变为：（2-4）则电磁转矩只与有关。又根据式（2-3）可知，电机机械转速与电磁转矩相关，于是可以通过控制转速获得q轴电流的参考值。由式（2-1）可知，和之间存在耦合项和，可以通过前馈补偿的方法消除两者之间的耦合，原理框图如图2-

4、1所示，仿真框图如图2-3所示。图2-1机侧双闭环控制框图8图2-2机侧主电路机侧主电路如图2-2所示，通过控制三相桥的交流侧电压，使其和电机端电压相互作用而决定定子电流，进而控制发电机的转矩、转速以及有功和无功。图2-3机侧主电路的控制电路下图分别是风速为6m/s—10m/s和6m/s—11m/s的机侧仿真波形：图2-4风速为6m/s—10m/s的机侧仿真波形8图2-5风速为6m/s—11m/s的机侧仿真波形从图中可以看出：风速为11m/s的值和其对应的无功值明显大于10m/s的值和其对应的无功值，其它值都增大。三、网侧控制策略永磁同步风力发电机

5、组中，网侧逆变器所要达到的控制目标是：（1）保证直流电压恒定且具有良好的动态响应能力。（2）保证网侧电流正弦，且功率因数等于1，即保证电网电流与电压相位相反，网侧变流器工作于逆变状态。由于对无穷大电网而言电网电压是恒定的，所以对网侧电流实施有效的控制就能达到所期望的控制目标。网侧变流器在dq0坐标系上的数学模型为：（3-1）—为电网电动势矢量在d、q轴分量。网侧双闭环控制原理框图如图3-1，仿真主电路和控制电路分别如图3-2和图3-3所示。8图3-1网侧双闭环控制框图图3-2网侧主电路网侧主电路如图3-1所示，电感、电容起滤波作用。图3-3网侧主电

6、路的控制电路8图3-4风速为6m/s—11m/s的网侧仿真波形由风速为6m/s—11m/s的机侧、网侧仿真波形可读出：风速为11m/s的机侧和网侧传递的功率相等，且等于风力机和发电机的功率，标幺值为0.68，实际值为。8图3-5网侧spwm调制图3-6网侧功率计算图3-7网测线电流谐波幅值检测图3-8网侧通过变压器并网8