直驱式永磁同步风力发电系统的仿真研究..doc

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1-2 Tm—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 图1-3 Pm—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） 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2-1所示，仿真框图如图2-3所示。 图2-1 机侧双闭环控制框图 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 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。 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 网侧主电路的控制电路 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。 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 6