直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的仿真研究

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1、基于PSCAD仿真軟件的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制研究一、風(fēng)力機(jī)特性分析圖1-1風(fēng)力機(jī)模型實(shí)際風(fēng)速和轉(zhuǎn)速，產(chǎn)生風(fēng)力機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩和功率，可以測(cè)定風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速功率特性，理解最大風(fēng)能捕獲原理。Tm—w曲線圖1-2Tm—w特性取風(fēng)速為12m/s，風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速Wr為0—5rad/s，得出此風(fēng)速下的Tm—w曲線，如上圖所示。從圖中可以看出，Tm隨著風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速的增大而先增大后減小。Pm—w曲線8圖1-3Pm—w特性取風(fēng)速為12m/s，風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速Wr為0—5rad/s，得出此風(fēng)速下的Pm—w曲線，如上圖所示。從圖中可以看出，Pm隨著風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速的增大而先增大后減小。風(fēng)

2、力機(jī)捕獲的最大功率的標(biāo)幺值為0.89，基值為（仿真中電壓的基值是電機(jī)端額定電壓的幅值，為，電流的基值是電機(jī)端額定電流的幅值，為，功率的基值是），實(shí)際值為。最大功率對(duì)應(yīng)的電機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)速為，所以最佳葉尖速比為。當(dāng)風(fēng)速為時(shí)，調(diào)整風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速，風(fēng)力機(jī)捕獲的最大功率的標(biāo)幺值為0.856，實(shí)際值為，達(dá)到額定功率。對(duì)比相同風(fēng)速下的風(fēng)力機(jī)Tm—w曲線和Pm—w曲線，可以發(fā)現(xiàn)Pm—w曲線要比Tm—w曲線更向右一些，即風(fēng)力機(jī)捕獲的Pm最大值所對(duì)應(yīng)的風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速大于機(jī)械轉(zhuǎn)矩Tm最大值所對(duì)應(yīng)的風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速。圖1-4轉(zhuǎn)子承受動(dòng)力方程風(fēng)力機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩拖動(dòng)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生轉(zhuǎn)速，定子磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子磁

3、場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。二、永磁同步發(fā)電機(jī)的控制策略同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下永磁同步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型為（2-1）8根據(jù)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下永磁同步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，可以采用電流內(nèi)環(huán)、轉(zhuǎn)速外環(huán)雙閉環(huán)控制策略（2-2）（2-3）由式（2-2）可知，發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是一個(gè)關(guān)于、的函數(shù)，如果控制,使定子電流的合成矢量全部位于q軸，則式（2-2）變?yōu)椋海?-4）則電磁轉(zhuǎn)矩只與有關(guān)。又根據(jù)式（2-3）可知，電機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩相關(guān)，于是可以通過(guò)控制轉(zhuǎn)速獲得q軸電流的參考值。由式（2-1）可知，和之間存在耦合項(xiàng)和，可以通過(guò)前饋補(bǔ)償?shù)姆椒ㄏ齼烧咧g的耦合，原理框圖如圖2-

4、1所示，仿真框圖如圖2-3所示。圖2-1機(jī)側(cè)雙閉環(huán)控制框圖8圖2-2機(jī)側(cè)主電路機(jī)側(cè)主電路如圖2-2所示，通過(guò)控制三相橋的交流側(cè)電壓，使其和電機(jī)端電壓相互作用而決定定子電流，進(jìn)而控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速以及有功和無(wú)功。圖2-3機(jī)側(cè)主電路的控制電路下圖分別是風(fēng)速為6m/s—10m/s和6m/s—11m/s的機(jī)側(cè)仿真波形：圖2-4風(fēng)速為6m/s—10m/s的機(jī)側(cè)仿真波形8圖2-5風(fēng)速為6m/s—11m/s的機(jī)側(cè)仿真波形從圖中可以看出：風(fēng)速為11m/s的值和其對(duì)應(yīng)的無(wú)功值明顯大于10m/s的值和其對(duì)應(yīng)的無(wú)功值，其它值都增大。三、網(wǎng)側(cè)控制策略永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)

5、組中，網(wǎng)側(cè)逆變器所要達(dá)到的控制目標(biāo)是：（1）保證直流電壓恒定且具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。（2）保證網(wǎng)側(cè)電流正弦，且功率因數(shù)等于1，即保證電網(wǎng)電流與電壓相位相反，網(wǎng)側(cè)變流器工作于逆變狀態(tài)。由于對(duì)無(wú)窮大電網(wǎng)而言電網(wǎng)電壓是恒定的，所以對(duì)網(wǎng)側(cè)電流實(shí)施有效的控制就能達(dá)到所期望的控制目標(biāo)。網(wǎng)側(cè)變流器在dq0坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型為：（3-1）—為電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)矢量在d、q軸分量。網(wǎng)側(cè)雙閉環(huán)控制原理框圖如圖3-1，仿真主電路和控制電路分別如圖3-2和圖3-3所示。8圖3-1網(wǎng)側(cè)雙閉環(huán)控制框圖圖3-2網(wǎng)側(cè)主電路網(wǎng)側(cè)主電路如圖3-1所示，電感、電容起濾波作用。圖3-3網(wǎng)側(cè)主電

6、路的控制電路8圖3-4風(fēng)速為6m/s—11m/s的網(wǎng)側(cè)仿真波形由風(fēng)速為6m/s—11m/s的機(jī)側(cè)、網(wǎng)側(cè)仿真波形可讀出：風(fēng)速為11m/s的機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)傳遞的功率相等，且等于風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)的功率，標(biāo)幺值為0.68，實(shí)際值為。8圖3-5網(wǎng)側(cè)spwm調(diào)制圖3-6網(wǎng)側(cè)功率計(jì)算圖3-7網(wǎng)測(cè)線電流諧波幅值檢測(cè)圖3-8網(wǎng)側(cè)通過(guò)變壓器并網(wǎng)8