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永磁同步风力发电机控制策略研究及仿真


重庆大学本科学生毕业设计(论文)

永磁同步风力发电控制策略研究及仿真

学 学

生:宗卫晶 号:20094065

指导教师:姚骏 专 业:电气工程与自动化

重庆大学电气工程学院
二 O 一三年六月

Graduation Design(The

sis) of Chongqing University

Research and Simulation of Permanent Magnet Synchronous Wind Generator Control Strategy

Undergraduate: Zong Wei Jing Student Number: 20094065 Supervisor: Prof. Yao Jun Major: Electrical Engineering and Automation

College of Electrical Engineering of Chongqing University
June 2013

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能源在社会发展中扮演着极其重要的角色,作为社会发展的动力,推动着人类 社会的进步。进入 21 世纪之后,人类对能源的消耗需求与日俱增。同时,这也带 来了一些负面效应,诸如传统能源的日益枯竭以及它产生的环境污染问题,这些 也逐步引起了人们的关注。大力发展可再生能源是缓解这些问题的有效途径之一。 其中,以风力发电为代表的可再生能源的利用,更是备受关注。传统的双馈交流 励磁风力发电系统,其结构相对复杂,致使该系统可靠性降低,增加了维护成本, 同时, 电能转化率也相对较低。 而永磁直驱同步风力发电系统能够克服这些缺点, 这也是近几年该系统被广泛研究和应用的原因。永磁直驱同步风力发电系统控制 主要由两部分组成,分别是电机侧变换器控制和电网侧变换器控制。其中,电机 侧变换器的控制是整个系统的关键部分,关系到该发电系统的电能转化率以及输 出有功功率大小等。而电网侧变换器控制与有功功率的传输和无功调节有关。 本文主要采用 Matlab/Simulink 仿真软件对永磁直驱同步风力发电系统机侧变 换器控制策略进行仿真研究。选择矢量控制作为机侧变换器控制方式,结合风力 涡轮机的运行特性,实现最优有功功率的输出以及最大风能跟踪。

关键词:Matlab/Simulink,永磁同步发电机,直驱风力发电,最大风能跟踪

I

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ABSTRACT

ABSTRACT
Energy plays a very important role in social development. As the driving force of social development, it is promoting the progress of human society.In the 21st century,humans demand for energy is increasing.At the same time,this also brings some negative effects,such as the depletion of traditional energy sources and the problems of environmental pollution.These have gradually aroused people's attention.Development of renewable energy sources is one of the effective ways to alleviate these problems.In these ways,the use of wind power is of concern.The AC excited doubly-fed wind-power generation system has a complex structure,and this reduces reliability and increases maintenance costs.At the sametime,this system has low conversion efficiency relatively.However,the direct-drive permanent magnet synchronous wind-power generation system can overcome these disadvantages.This is the reason which this system is widely studied and applied.The control of the direct-drive permanent magnet synchronous wind-power generation system is made up of the generator-side converter control and grid-side converter control.The control of the generator-side converter is the core of the whole control system.It decides the electrical energy conversion rate,the active power output and the fluctuation of the torque of wind-power generation system.The grid-side converter control has an effects on the active power transfer and the reactive power regulation. This paper mainly studies the simulation of the control strategy of the generator-side converter of the direct-drive permanent magnet synchronous wind-power generation system by using Matlab/Simulink.The control mode of the generator-side converter is the vector control.According to the operational characteristics of the wind turbine, we can get the optimal active power output and the maximum wind-energy tracking control strategy.

Key words:Simulink,PMSG,direct-driven wind-energy generation,maximum wind-energy tracking

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摘 要 .......................................................................................................................................... I ABSTRACT .................................................................................................................................. II 1 绪论 ........................................................................................................................................... 1
1.1 引言 ........................................................................................................................................ 1 1.1.1 风力发电的意义与前景 ............................................................................................. 1 1.2 风力发电系统的研究现状 .................................................................................................... 3 1.2.1 变速恒频风力发电系统的发展状况 ......................................................................... 3 1.2.2 永磁直驱同步风力发电系统的研究现状 ................................................................. 4 1.3 本文的主要内容 .................................................................................................................... 5

2 永磁同步风力发电机机侧变换器的控制策略 ................................................. 6
2.1 永磁同步电机的数学模型 .................................................................................................... 6 2.1.1 静止三相坐标轴系到旋转两相坐标轴系的变换(3s/2r)...................................... 6 2.1.2 永磁同步电机的 dq 轴数学模型 ............................................................................... 8 2.2 永磁同步电机的矢量控制策略 ............................................................................................ 8 2.2.1 永磁同步电机的矢量控制方程 ................................................................................. 9 2.3 本章小结 .............................................................................................................................. 10

3 最大风能跟踪控制策略 ............................................................................................... 11
3.1 风力涡轮机的运行特性 ...................................................................................................... 11 3.1.1 风力涡轮机的数学模型 ........................................................................................... 11 3.1.2 影响风力涡轮机能量转化效率的因素 ................................................................... 12 3.2 采用最佳电磁转矩给定的最大风能跟踪控制 .................................................................. 13 3.3 本章小结 .............................................................................................................................. 15

4 系统仿真模型的建立 .................................................................................................... 16
4.1 风力涡轮机的仿真模型 ...................................................................................................... 16 4.2 控制系统的仿真模型 .......................................................................................................... 16 4.3 驱动电路的仿真模型 .......................................................................................................... 17 4.4 本章小结 .............................................................................................................................. 18

5 仿真结果与分析 ............................................................................................................... 19
5.1 功率阶跃仿真结果分析 ...................................................................................................... 19 5.2 最大风能跟踪仿真结果分析 .............................................................................................. 21 III

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5.2 本章小结 .............................................................................................................................. 24

6 结论 ......................................................................................................................................... 25 致 谢 ............................................................................................................................................ 26 参 考 文 献 ............................................................................................................................... 27

IV

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绪论

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1.1 引言
1.1.1 风力发电的意义与前景

绪论

如今,人类过度谋求经济发展,对能源的需求量越来越大,导致人类大力开采 煤炭、石油、天然气等化石能源,不仅严重毁坏了赖以生存的自然环境,而且也 给当今社会带来了可怕的能源危机。 迄今为止, 地球上一共发现了 1 万亿吨煤炭, 1 万亿桶石油,120 万亿立方米天然气。据有关专家推算,按照化石燃料已有的消 耗速度,煤炭还可供使用 200 多年,石油还可以供我们使用 30 多年,天然气可供 使用 50 多年。人类在 21 世纪所要突破的重点难题之一就是实现能源的可再生利 用
[1-3]



目前,二次能源电能在世界上作为能源消耗排在首位。生产电能的时候,根据 所使用的一次能源的种类,可以将发电方式分为火力发电,水力发电,太阳能发 电,核能发电、风力发电等。其中,火力发电是我们生产电能的主要方式。但是 就其现在的技术水平来说, 火力发电仍然有很大的局限性。 首先是燃煤的利用率, 目前最先进的火力发电机组是超超零界机组,其能量转化率也只有 46%左右,这 样也就造成了很大一部分能源的浪费;其次是火力发电带来的环境污染问题。燃 煤中含有的硫化物、氮化物,在燃烧的过程中会释放二氧化硫、二氧化氮等有害 气体,导致局部酸雨的形成。同时,燃烧产生的大量二氧化碳会加剧目前的温室 效应,导致海平面上升。水力发电在发电总量份额上也占有比较大的比例,相对 于火力发电来说,水力发电的能量转化率高达 90%以上,污染也相对较小,但是 水力发电一般分布于大型河流的上游,受地域因素影响较大,而且建设周期长, 投资费用大,通常建成的水坝对当地的生态系统和气候也会造成影响。太阳能发 电是一种清洁发电方式。但是太阳能光伏设备生产产业却是一个高耗能、高污染 的行业,而且太阳能发电受时间、气候、地理位置等因素影响较大,也不适合大 力推广发展。核能发电是目前争议较大的发电方式。一方面,核能资源相对丰富, 而且能量密度极高,能够满足人类未来数千年的能耗需求;另一方面,我们在大 力发展核电的同时,也带来了一系列的诸如放射性污染、核废料处理等核安全问 题。 相比较而言,风能发电是一种相对清洁、安全、可持续的发电方式。阳光照射 到地球上后,由于不同区域的地表条件不同,使得大气温度不同,这就导致了不 同地区的气压差。在气压的推动下,大气就会流动,进而形成我们所熟知的风。 运动的物体具有动能,风能就是运动的空气所携带的动能。风的速度和空气的密
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绪论

度决定风能的大小。据统计,全世界的风能约有2.74 × 109 MW,我们可以利用的 风能占到了其中的 73%,大概比目前全球可开发利用的水能大 10 倍。由此可见, 全世界风能资源储量十分丰富,如果能够合理开发,风力发电将会是缓解能源危 机、改善生态环境的另一条出路。中国地处北半球中纬度,地域辽阔,风能资源 丰富,尤其在内蒙、甘肃、东北、华北、青藏高原等地蕴藏着优质的风力资源。 据统计, 我国近地面风能总储量约为 320 万 MW, 其中可利用风能约为 253 万 MW, 平均风能密度约为 100W/m2。按照我国现在的国情,风力发电也是我国最具大规 模开发和商业化发展前景的可再生能源发电方式。因此,风能在解决我国能源短 缺,实现可持续发展的目标中具有极大的应用开发价值。 进入 21 世纪之后,可再生能源的利用不断受到人们的重视,其中风能的利用 也保持着最快的增长趋势,并且紧随煤、石油、天然气之后,成为了世界上又一 种核心能源。目前,全球风力发电厂以每年 29%的速度在增长。根据全球风能协 会(GWEC)的统计,至 2009 年底,全世界风力发电装机总容量达到了 74.2GW, 相比较于去年的 59.1GW 增长了 27%。由此可见,风力发电正在以超过预期的速 度发展。 美国从很早的时候就开始重视发展风力发电。1994 年,美国风力发电的总装 机容量为 0.163 万 MW, 占据了当年全球风力发电总装机容量的 53%。 截止到 2009 年,美国风力发电总装机容量达到了 1.16 万 MW,所发出的电量市场占有率达到 了 15.6%。 欧洲是全世界风力发电发展最快的地区,同时也是总装机容量最高的地区。截 止到 2009 年底, 欧洲风力发电累计总装机容量达到了 7.71 万 MW, 超过了当年全 球风力发电总装机容量的一半。其中,尤以德国表现出众。德国 2009 年底风力发 电总装机容量为 2.06 万 MW,市场占有率为 27.8%。 中国风力发电起步较晚,但是,基于政策和技术的支持,中国风力发电产业也 迎来了发展的春天。 截止 2011 年 12 月 31 日, 全国 (不含港、 澳、 台) 共建有 1503 个风力发电场,累计吊装完成风电机组 41650 台,总吊装容量达到 5.65 万 MW。 其中,全国风电建设总容量为 5.25 万 MW,并网容量为 4.78 万 MW。我国风电累 计并网容量世界排名已经位列第一,约占到全球风电装机比例 20%以上。中国风 电市场在经历多年的迅猛增长后进入稳健发展期。 2012 年以来,我国对风力发电产业投入大量资金,积极推进风力发电行业的 发展。在技术上,坚持引进来走出去的发展战略。引进国外先进技术,消化吸收, 并结合自身特点,设计制造具有自主知识产权的风力发电机组,并且由此拓展海 外风力发电市场。在政策上,积极鼓励发展风力发电行业。按照“十二五”规划 的发展要求,我国每年将会新增风力发电机组容量 1 万 MW。因此,纵观国内外
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绪论

市场,风力发电行业具有广阔的发展前景。

1.2 风力发电系统的研究现状
近 10 年来,风力发电技术不断发展,涌现出了多种类型的风力发电系统。发 电系统并网的时候需要坚持两项基本原则,第一是电压、电流的频率必须和电网 相同;第二是电压、电流的相序必须和电网一样。这样可以减小并网时电网对系 统的冲击。对风力发电系统实行控制可以改变系统电压和电流的频率。目前,最 主要的风力发电系统可以分为恒速恒频风力发电系统和变速恒频风力发电系统。 恒速恒频风力发电系统的转速和电网频率保持一致,不可以跟随风速而改变。而 变速恒频风力发电系统的转速可以随着风速的变化而由控制系统改变。变速恒频 发电系统主要的特点就是采用了转速可以快速调节的异步发电机或者同步发电机 及相应的电力电子技术,通过最佳叶尖速比跟踪,使得变速恒频风力发电机组在 所有的风速下均可以获得最佳的功率输出。

1.2.1 变速恒频风力发电系统的发展状况
变速恒频风力发电系统相比较于恒速恒频风力发电系统具有很多优点。首先, 由风力涡轮机的运行特性可知,风力涡轮机所能够捕获的风能与风速和转速具有 一定的关系。在某一风速下,总存在一个固定的转速,使风力涡轮机的工作效率 最高,捕获的风能最大。这一点,就表明了恒速恒频风力发电系统存在一个理论 上的缺陷。 当风速发生变化的时候, 恒速恒频发电系统的运行效率就会发生变化, 偏离最佳运行点。而变速恒频风力发电系统可以改变转速,跟踪风速变化,始终 以最佳效率运行。此外,变速恒频风力发电系统可以调节有功功率和无功功率的 输出,从而改变系统运行时的功率因数,对电网的可靠运行十分有利。 最近几年进入风力发电领域的变速恒频风力发电机已经成为了风力发电机的 主流机型。其中,使用和研究的比较多的主要有 4 种类型: 1) 鼠笼式异步发电机变速恒频风力发电系统 变化的风速引起鼠笼式异步发电机转速发生改变, 进而导致机组电能频率的变 化。因此,为了获得和电网频率一致的电能,必须在机组定子侧加装变频器,通 过变频,实现频率转换。但是,这种变频器的容量将会很大,成本较高,所产生 的损耗也比较大,同时,变频器会吸收电网的无功功率,使电网的功率因数变差。 2) 无刷双馈电机变速恒频风力发电系统 为了解决鼠笼式异步发电机变速恒频风力发电系统机侧变频器损耗大的问题, 出现了无刷双馈电机变速恒频风力发电系统。与前者相比较,该系统最主要的变 化就是为定子增加了一套绕组。这两套绕组极数不同,一个作为控制绕组,另一 个作为功率绕组。控制绕组通过变频器与电网相连,其中流过的电流比功率绕组
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绪论

中的小很多,因此可以大大降低损耗。但是,该技术目前正处于研究阶段,商用 领域还很不成熟,因此在实际应用中比较少。 3) 双馈感应电机变速恒频风力发电系统 双馈感应电机结构与绕线式异步电机类似,转子绕组具有滑环和接线端子,用 以改变运行时候的励磁电流。双馈感应电机发电系统在工作的时候,通过控制交直-交变换器,从电网侧获得合适的低频励磁电流,形成转子磁场,在风力涡轮机 的拖动下,以一定的角速度旋转。此时,转子磁场切割定子绕组的角速度就等于 旋转磁场本身的角速度加上转子机械角速度,获得与电网频率相对应的旋转磁场 角速度,最终获得与电网频率一致的电能输出。该系统的缺点就是增加了滑环结 构,使得系统运行可靠性降低,维护成本增加。 4) 永磁同步发电机变速恒频风力发电系统 永磁体材料制作工艺水平的提高为永磁电机的大量制造奠定了基础。 永磁电机 相对于转子为绕组的电机具有很多优点,首先永磁电机无需励磁电流,省去了励 磁损耗,提高了电机的效率和功率密度;其次,永磁电机省去了转子绕组,减小 了电机用铜量,降低了电机的制造成本。永磁同步风力发电系统定子侧也使用了 大容量变换器,使得其损耗和成本也相应增加。但是,永磁同步电机的极数可以 选择得较大, 实现低速运转。 这样永磁同步风力发电系统就可以采用直驱式结构, 省去风力涡轮机与永磁同步电机之间的齿轮箱结构,使得建造成本降低,同时也 增加了系统的可靠性,降低了运行和维护费用。

1.2.2 永磁直驱同步风力发电系统的研究现状
永磁直驱同步风力发电机是一种由风力直接驱动的发电机, 其中间省去了高速 齿轮箱,因此该种发电机的转速通常较低,转子级数众多。因为省去了齿轮箱, 其优点就显而易见,首先是机组的发电效率高。由于直驱式风力发电机组没有齿 轮箱,减少了传动损耗,提高了发电效率。第二,可靠性高。在风力发电机组运 行的过程中,齿轮箱机构是最容易损坏的部件。永磁直驱同步风力发电系统省去 了这一部件,就使得运行可靠性大大提升。第三,运行及维护成本降低。齿轮箱 机构的省略,减少了建造成本,同时提高了系统的可靠性,大大降低了机组的维 护费用。 提高永磁直驱同步风力发电系统性能的关键在于找到合适的控制策略,因此, 现在研究的重点是设计与优化永磁直驱同步风力发电系统的控制策略。 目前,国内外普遍采用的是基于转子磁场定向的矢量控制策略。所谓转子磁场 定向的矢量控制策略就是通过坐标变换,将定子三相电流变换为定子 dq 轴电流, 由 dq 轴电流控制发电机的电磁转矩以及输出的有功功率。 其控制方式一般有 4 种, 分别为最大转矩电流比控制(内埋式永磁同步电机) 、单位功率因数控制、恒磁链
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绪论

控制、 = 0控制 (表面式永磁同步电机) 。 最大转矩电流比控制时电机铜耗最低; 单位功率因数控制时电机功率因数最高; 恒磁链控制时铜耗较低, 功率因数较高; = 0控制时可以由最小的电流幅值得到最大的电磁转矩。在这些控制策略的基 础之上,涌现出了许多优化控制策略。比如基于矢量控制下的最大风能跟踪控制 策略,以及考虑铁芯损耗的最大输出功率控制策略等。矢量控制策略的缺点是系 统结构与控制算法相对复杂,建设成本较高。但是,通过对机侧变换器的控制, 可以由 dq 轴解耦得到优越的控制性能,直接调节发电机的电磁转矩,实现风力发 电系统在不同的象限内的运行。

1.3 本文的主要内容
本文主要研究内容是利用 Matlab/Simulink 平台,搭建永磁直驱同步风力发电 系统模型,实现机侧矢量控制策略的仿真,并且在完成有功功率调节的情况下跟 踪最大风能,实现风能的最大利用。本课题所涉及到的主要工作如下: 1) 充分掌握并理解永磁同步电机的工作原理和特点; 2) 熟悉掌握电机的统一理论,利用坐标变换法简化永磁同步电机的数学模型,获 得较为实用的控制策略; 3) 根据永磁同步电机的数学模型建立永磁直驱同步风力发电系统的矢量控制模 型; 4) 分 析 并 理 解 风 力 涡 轮 机 理 论 , 根 据 风 力 涡 轮 机 的 运 行 特 性 , 搭 建 其 Matlab/Simulink 仿真模型; 5) 建立永磁直驱同步风力发电系统的 Matlab/Simulink 仿真模型,并对机组的矢 量控制策略进行仿真研究。

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永磁同步风力发电机机侧变换器的控制策略

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永磁同步风力发电机机侧变换器的控制策略

电机侧变换器的控制是永磁直驱同步风力发电系统控制的核心。 该侧的控制直 接影响风力发电机组的有功输出大小,电磁转矩脉动以及最大风能跟踪效果。本 章节主要从永磁同步电机的数学模型着手,得到永磁同步电机的 dq 轴数学模型, 并在此基础上,利用坐标变换获得控制方程,完成矢量控制策略的研究。

2.1 永磁同步电机的数学模型
电机的数学模型是电机及其系统分析的基础。目前所使用的电机数学模型,基 本上都是基于 Kron 创立的旋转电机统一理论。该理论几乎能够解释任何电机,极 大地方便了电机的研究,促进了电机理论的发展。使用电机统一理论的时候,需 要满足以下几个条件: 1) 定、转子双方至少有一方是隐极的,且隐极一方绕组对称(另一方绕组即为常 数) ; 2) 空间谐波成分很小,以致可以忽略(隐极一方多相绕组电感随转子位置角正弦 变化) ; 3) 忽略主磁路饱和,使电机参数不随电流变化; 4) 电机系统的电时间常数比机械时间常数小得多,忽略暂态过程中转速的变化。 对于永磁同步电机,习惯采用 dq 轴数学模型进行研究。该模型适用于永磁同 步电机稳态与暂态运行。此外,本文中永磁同步电机所有的电压、电流的正方向 规定均按照电动机惯例。

2.1.1 静止三相坐标轴系到旋转两相坐标轴系的变换(3s/2r)
建立永磁同步电机数学模型一般可以采用两种坐标系, 分别是静止三相坐标轴 系和旋转两相坐标轴系。 但是在静止三相坐标轴系下, 由于电感参数是时变参数, 所获得的永磁同步电机的定子电压方程为一组变系数线性微分方程,不易求解, 因而采用这种坐标轴系建立的数学模型会使控制算法复杂而难以实现[4-5]。 永磁同步电机的定子电压方程之所以是变系数的微分方程, 原因在于方程中含 有时变的电感参数。因此,需要将时变的电感参数消去才能将其转化为常系数微 分方程。为此,需要进行从静止三相坐标轴系到旋转两相坐标轴系的矩阵变换。 该矩阵变换由两部分组成,分别是相变换和整流子变换。其中相变换满足恒幅值 条件。 在变换的过程中,需要遵守两项原则。首先是磁链守恒的原则,即变换后的旋 转两相绕组与原来的静止三相绕组产生的磁链大小和方向必须相同。其次是幅值
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永磁同步风力发电机机侧变换器的控制策略

不变的原则,即变换后的旋转两相绕组与原来的静止三相绕组中电流的幅值大小 必须相同,电压的幅值大小也必须相同。同时,为了进一步简化模型,应使电流 与电压具有相同的变换矩阵。

图 2.1 静止三相到旋转两相的坐标变换

图 2.1(a)表示静止三相 ABC 绕组;图 2.1(b)表示静止两相 αβ 绕组和旋转 两相 dq 绕组。其中 A 相绕组轴线与 α 相绕组轴线重合,即 A 相绕组中的电流、 电压与 α 相绕组中的电流、电压同相,且三相 ABC 绕组相序为 A-B-C,两相 αβ 绕组相序为 β-α。并且假设 dq 绕组以电角速度 顺时针旋转,d 轴与 α 轴的夹角 记为, 则有 = + 0 , 其中0 表示 = 0时刻的初相角, 且有 q 轴超前于 d 轴90° 电角度。根据磁链守恒原则与恒幅值变换条件,可得由静止三相坐标轴系到旋转
0 两相坐标轴系的变换矩阵0 及其逆变换矩阵 分别为[8]:

cos
0 =

2 ? sin 3 1 [ 2

2 2 ) cos( + ) 3 3 2 2 ?sin( ? ) ?sin( + ) 3 3 1 1 ] 2 2 cos( ?

(2.1)



0

cos ? sin 1 2 2 cos( ? ) ? sin( ? ) 1 = 3 3 2 2 [cos( + 3 ) ?sin( + 3 ) 1]

(2.2)

运用这一变换, 任何一台对称的三相电机均可以变换为等效的两相 d-q 轴电机, 反之亦可以把两相 d-q 轴电机变换为对称的三相电机。 需要注意的是变换前后的功 率将不再守恒。经过推导,可知功率关系为:
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永磁同步风力发电机机侧变换器的控制策略

= 1.50 = 1.5( + + 0 0 )

(2.3)

2.1.2 永磁同步电机的 dq 轴数学模型
在 dq 旋转坐标轴系下,永磁同步电机的数学模型相对简单。

图 2.2 永磁同步电机 dq 轴数学模型

图 2.2 中,q 轴超前于 d 轴90°电角度。假设转子磁链的方向与定子 d 轴轴线 的方向重合,并且转子磁链和 dq 坐标轴系均以电角速度 顺时针旋转,两者相 对静止,则可以得出定子 dq 轴的自感将不随转子位置角的改变而改变。并且由于 dq 轴是正交轴系,d 轴绕组与 q 轴绕组之间不存在互感。这样,永磁同步电机的 数学模型大为简化,可以得到永磁同步电机的定子电压方程: [ ] = [ 0


0 ? ] [ ] + [ ] + [ ]

(2.4)

其中 、 为定子 dq 轴电压; 、 为定子 dq 轴电阻; 、 为定子 dq 轴 电流; 、 为定子 dq 轴全磁链, = d/dt,为微分算子; 为电机的同步电角 速度, = , 为电机的极对数,为转子机械角速度。 定子的磁链方程为: = + = 电磁转矩为: = 1.5 ( ? ) (2.6) (2.5)

2.2 永磁同步电机的矢量控制策略
矢量控制的关键在于确定转子磁链的位置和幅值[6]。由公式(2.6)可知,永磁 同步电机电磁转矩只和磁链大小、dq 轴电流有关。因此,只要控制好它们,就能 够使永磁同步电机得到类似于直流电机的控制效果。永磁同步电机磁链的位置和
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永磁同步风力发电机机侧变换器的控制策略

转子机械位置有关,因此,可以通过检测转子机械位置来确定永磁同步电机磁链 的位置。 将式子(2.5)代入式子(2.6) ,可以得到电磁转矩为 : = 1.5 ( ? ) + 1.5 (2.7)

在旋转 dq 坐标轴系下, 、 都是常数, 、本身也是常数。由此可以看 出,通过控制 、 即可完全控制电机的电磁转矩 。

2.2.1 永磁同步电机的矢量控制方程
根据转子永磁体的分布形式, 永磁同步电机可以分为内埋式永磁同步电机和表 面式永磁同步电机。 在表面式永磁同步电机中, 电机的定子电感参数 和 相等, 因此电机的电磁转矩可以写成: = 1.5 (2.8)

此时经过推导可以得出,保持 = 0可以保证用最小的电流幅值得到同样大小 的电磁转矩值。这个时候,该控制模型表明永磁同步电机控制已经可以等效成为 一台直流电机的控制。 在永磁同步电机的矢量控制中,电磁转矩电流给定即为 ,和直流电机类似, 这一给定为直流量,并且和转矩大小成正比。在确定了 、 之后,就可以根据定 子电压方程得到给定 、 ,然后对其进行旋转两相坐标轴系到静止三相坐标轴 系的变换,求得应施加于定子三相绕组的电压给定值 、 、 。为了获得较好 的动态响应速度与较小的静态误差,本文考虑采用 PI 控制。 将式子(2.5)代入(2.4)可以得到永磁同步电机的定子电压方程: [ ] = [ 0


? 0 ] [ ] + [ ] + [ + ]

(2.9)

其中? 、 + 分别为定子 q 轴全磁链在 d 轴上产生的运动电势 项,定子 d 轴全磁链在 q 轴上产生的运动电势项,记为:
′ = ? ′ = +

(2.10)

由此可以写出控制方程为[7]:
? ? ? ? ? = ( ? ) + ? = ( ? ) + ? ? ? ? ? = ( ? ) + + + = ( ? ) +

(2.11)

其中, 、 称为电压补偿项,分别为:

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永磁同步风力发电机机侧变换器的控制策略

? ? = ? ? ? = + +

(2.12)

图 2.3 电机侧变换器的电流环控制框图

图 2.3 给出了电机侧电流控制电压型变换器永磁同步电机矢量控制框图[15-16]。 电机的电流环控制主要有以下部分组成:dq 轴电流正变换模块(3s/2r) 、电压补偿 模块、dq 轴电压反变换模块(2r/3s) 、PWM 发生器。由 dq 轴电流正变换模块获得 机侧 dq 轴电流,与给定 dq 轴电流做 PI 运算,加上电压补偿模块对应的补偿电压
? ? 项,获得给定的 dq 轴电压 和 ,再经过 dq 轴电压反变换模块获得给定三相电

压,并由 PWM 发生器产生 PWM 信号,作用于电压变换器,获得最终的机端给定 电压,达到控制永磁同步电机电磁转矩的目的。

2.3 本章小结
本章主要讲述了永磁直驱同步风力发电系统机侧变换器的控制策略。首先,我 们考虑了永磁同步电机在静止三相坐标轴系下的定子电压方程,该方程是一组变 系数线性微分方程,并不容易求解和建立控制模型。因此,我们需要对其进行坐 标变换。坐标变换由两部分组成,分别是静止三相坐标轴系到静止两相坐标轴系 的变换和静止两相坐标轴系到旋转两相坐标轴系的变换。通过这两步变换,我们 可以得到一组有关定子电压的常系数线性微分方程。该组方程相对于静止三相坐 标轴系下的方程大为简化,并且由它确定了永磁同步电机的矢量控制策略。然后 从这点出发,我们获得了永磁直驱同步风力发电系统机侧变换器的电流环控制框 图,达到控制永磁同步电机电磁转矩的目的[10]。

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最大风能跟踪控制策略

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最大风能跟踪控制策略

永磁直驱同步风力发电系统属于变速恒频发电系统。 该系统最大的优点就是当 风速发生变化的时候,可以调节永磁同步电机的转速,使其跟随风速变化,任何 时刻都已最高的效率实现风电能量转化。为了实现这一目标,必须研究风力涡轮 机能量转化过程以及影响其能量转化效率的因素。

3.1 风力涡轮机的运行特性
风力发电系统能量转化的首要部件是风力涡轮机。 流动的空气作用于风力涡轮 机的叶片上, 推动风力涡轮机的旋转, 将空气的动能转变成为转轴旋转的机械能, 然后由联轴器输送到发电机的转子轴上,使磁场切割定子绕组,实现风能到电能 的转化。

3.1.1 风力涡轮机的数学模型
由流体力学可知,单位时间内气流的动能为: = 1 2 2 (3.1)

式子中,为气体的质量;为气体的速度。 设单位时间内气流流过截面积为的气体体积为 ,则有: = 如果以表示空气密度,该体积的空气质量为: = = 这时气流所具有的动能为[9]: = 上式即为风能的表达式。 在国际单位制中,的单位是 kg/m3;的单位是 m2;的单位是 m/s;的单位 是 W。 从风能公式可以看出,风能大小与气流密度和通过的面积成正比,与气流速度 的立方成正比。其中和随地理位置、海拔、地形等因素而改变。 在自由风场中,风力涡轮机从风能中所获取的能量并不是风能的全部,其功率 损失部分可以解释为留在尾流中的旋转动能。
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(3.2)

(3.3)

1 3 2

(3.4)

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根据 Betz 理论, 风力涡轮机实际从风能中所获得的能量还应该乘以一个系数 , 称之为风能利用系数,所以风力涡轮机从风场中捕获的功率 为: = = 风力涡轮机所输出的机械转矩为: = 其中,为风力涡轮机的转速[10]。 1 3 / 2 (3.6) 1 3 2 (3.5)

3.1.2 影响风力涡轮机能量转化效率的因素
风能利用系数 是影响风力涡轮机工作效率的关键因素[17-18]。 是叶尖速比 和桨距角 的函数。叶尖速比又是风力涡轮机的另一重要参数,其定义为: = (3.7)

其中是风力涡轮机的转速, 单位为 rad/s; 是风力涡轮机的半径, 单位为 m; 是风速,单位是 m/s。 根据 Betz 理论,可以列写出风能利用系数 与叶尖速比和桨距角 的函数关 系: 1 1 0.035 = ? 3 + 0.08 + 1 21 116 ? = 0.5176( ? 0.4 ? 5) + 0.0068 当桨距角 为一定值时,风能利用系数 就只和叶尖速比有关。

(3.8)

图 3.1 风能利用系数 与叶尖速比的关系曲线

图 3.1 为风能利用系数 和叶尖速比的关系曲线。 由图可知, 当桨距角 为一

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最大风能跟踪控制策略

定值时,总存在一个最佳的叶尖速比 ,使得风能利用系数最大,记为 。 因此可以得出,在风速一定的情况下,只要控制好风力涡轮机的转速,就可以使 得维持在最佳的叶尖速比 ,从而使风能利用系数最大,风力涡轮机的能量转 化效率最高。由式子(3.7)可得: = (3.9)

将式子(3.9)代入式子(3.5)可得风力涡轮机最大输出功率 为: = 5 3 23 (3.10)

由式子(3.10)可以看出,对于同一台风力涡轮机,最大输出功率只和它的转 速的三次方成正比。

图 3.2 风力涡轮机的功率特性曲线

图 3.2 为风力涡轮机在 3 组风速下的功率特性曲线。 图中, 风速1 > 2 > 3 , 三组曲线的最高点对应于该风速下的最佳运行点,此时风力涡轮机的输出功率最 大。 将不同风速下的最佳运行点连接起来, 即可得到风力涡轮机的最佳功率曲线。

3.2 采用最佳电磁转矩给定的最大风能跟踪控制
永磁直驱同步风力发电系统最大风能跟踪最直观的解释就是该系统发出的电 磁功率与机械损耗功率之和位于风力涡轮机的最佳功率曲线上。实现该目标的具 体实施方案有三种,分别是转速控制,功率控制,以及转矩控制。实施转速控制 的时候,需要根据风速调节永磁同步电机的转速,满足最佳叶尖速比关系。但是, 在实际应用中,因为风力涡轮机的叶片半径通常比较大,而大截面范围内测量风 速误差较大,会给控制指令的计算带来很大误差,不能满足控制要求。功率控制 是控制发电机从转轴上吸收的轴功符合风力涡轮机的最佳功率曲线。但是,我们

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最大风能跟踪控制策略

无法直接获得发电机吸收的轴功,而是通过机端输出功率、发电机自身损耗、以 及机械损耗计算获得的。由于发电机自身损耗计算难以准确,因此,这种控制方 式也会带来较大的误差。转矩控制是控制永磁同步发电机转子吸收的机械转矩, 使其符合风力涡轮机的最佳转矩输出曲线。

图 3.3 风力涡轮机的转矩特性曲线

将图 3.2 的纵坐标比上风力涡轮机的转速,即可得到转矩特性曲线,如图 3.3 所示,同样,也可得到风力涡轮机的最佳转矩曲线,其中,最佳转矩为: 5 2 = 23 (3.11)

由转矩平衡关系可知, 发电机组在最佳工作点稳定运行的时候, 满足如下条件: = + (3.12)

其中 为发电机组的摩擦转矩。等式的右边就是转子吸收的机械转矩,通常摩 擦转矩可以看成常数,因此,我们只要控制好电磁转矩 ,使转子吸收的机械转 矩符合风力涡轮机最佳输出转矩 ,即可实现最大风能捕获。 由式子(2.8)可知,电磁转矩控制指令为[11]:
? ? = 1.5

(3.13)

在永磁同步电机矢量控制中, 电磁转矩控制最终是通过控制 q 轴电流来实现的。 结合式子(3.11) 、 (3.12) 、 (3.13)可得控制电流为: 5 2 ? 23 ? = 1.5 (3.14)

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图 3.4 电机侧变换器的转矩控制框图

图 3.4 为电机侧变换器的转矩控制框图[12]。从图中可以看出,该控制系统根据 电机的转速实时计算出风力涡轮机最佳输出转矩,减去摩擦损耗后得到给定电磁
? 转矩值, 最终获得控制信号 。 控制系统只采用了 dq 轴电流闭环控制, 结构简单,

较为容易实现。

3.3 本章小结
本章内容是这篇论文的重点,主要讨论了风力涡轮机的数学模型,由此得到它 的运行特性,最终获得风力涡轮机的最佳输出功率曲线和最佳输出转矩曲线,为 后面实现最大风能跟踪的最佳电磁转矩给定控制策略提供理论依据。同时,结合
? 永磁同步电机的电磁转矩公式,得到最终的控制给定信号 ,完成闭环矢量控制,

并在此基础上,得到电机侧变换器的转矩控制框图。

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系统仿真模型的建立

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系统仿真模型的建立

MATLAB/Simulink 是一种基于 MATLAB 框图设计环境的可视化仿真工具, 里 面集成了多种电气元件模型的仿真模块,通过它们,我们可以迅速建立动态仿真 模型,并且实时观测仿真结果,极大的方便了方案的论证和修改。

4.1 风力涡轮机的仿真模型
本课题中,根据风力涡轮机的数学模型自行构建其仿真模型,其结构如图 4.1 所示:

图 4.1 风力涡轮机仿真模型

该模型的输入量分别是转速、风速和桨距角β;输出量为转矩 、功率 和 叶尖速比 。其中,取桨距角 β = 0 ;常量空气密度 ρ = 1.225 kg/m3 ,桨叶半径 = 25m。 该模型中,计算模块对应于公式(3.7) , 计算模块和 计算模块对应于公式 (3.8) , 计算模块对应于公式(3.6) , 。并且根据 计算模块对应于公式(3.5) 公式(3.7)和(3.8)能够计算出该风力涡轮机的最佳叶尖速比 = 8.1,最大风 能利用系数 = 0.48。

4.2 控制系统的仿真模型
该控制系统是基于 PI 控制的矢量控制系统[13]。 采用 PI 控制的系统具有良好的 性能。选择合适的比例参数,可以有效地提高系统的动态响应速度;选择合适的 积分参数,则可以减小系统的静态误差。 其结构如图 4.2 所示:
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系统仿真模型的建立

图 4.2 PI 矢量控制仿真模型

从图中可以看出,该模型主要由 3 个模块构成,分别是静止三相到旋转两相变 换(3s/2r)模块、电压补偿模块和旋转两相到静止三相(2r/3s)变换模块。 其中,3s/2r 模块中的变换矩阵为公式(2.1)[14];2r/3s 模块中的变换矩阵对应 于公式 (2.2) 。 该模型的输入量为机端所测线电流 、 永磁同步电机的电角速度 、
? ? ? ? 转子位置角度、 d 轴给定电流 和 q 轴给定电流 。 其中, = 0; 由公式 (3.14)

获得。电压补偿模块是用来补偿定子电阻压降和运动电势项的,可由公式(2.12) 得到。最终,PI 矢量控制仿真模型的输出量为定子三相电压信号 。

4.3 驱动电路的仿真模型
驱动电路模型是永磁直驱同步风力发电系统仿真模型的重要组成部分。 该部分 除了作为永磁同步电机的电源,还可以测量电压、电流、机端输出的功率。 本课题采用的电源为 IGBT 电压变换器,由控制系统产生的相电压信号 作 用于 PWM 信号发生器,获得最终机端给定电压。其结构图如 4.3 所示:

图 4.3 驱动电路仿真模型

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系统仿真模型的建立

图中包含了电压、电流测量模块和功率测量模块[16]。电压电流测量模块所 测得的是机端线电压、线电流。功率测量模块主要原理如下所示: 1 [( ? ) + ( ? ) + ( ? ) ] 3 1 = ( + + ) √3 =

(4.1)

4.4 本章小结
本章节主要讨论的是最佳电磁转矩给定的矢量控制策略的具体实施过程, 详细 讲述了永磁同步电机模块的参数选择,风力涡轮机仿真模型的结构及参数,PI 控 制系统的仿真模型、坐标变换模块、电压补偿模块、驱动电路模块以及测量电路 仿真模型的构成等。

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仿真结果与分析

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仿真结果与分析

在 Matlab/Simulink 仿真工具箱中,有完整的永磁同步电机模块。通过查看该 模块的帮助文档,可以发现该模块采用的是旋转 dq 坐标轴系下的数学模型,并且 采用的是恒幅值变换。永磁同步电机的主要参数如表 5.1 所示:
表 5.1 永磁同步发电机的主要参数

电机参数 电机极对数 永磁体磁链 转动惯量 初相角

数值 28 5.4388Wb 5000kg·m2 0rad

电机参数 定子电阻 定子电感 摩擦转矩 转子类型

数值 0.006Ω 2.56mH 1000N·m 隐极式

其中初相角指的是转子磁链位置和 A 相轴重合时的角度。

5.1 功率阶跃仿真结果分析
在本次仿真过程中,采用给定电流阶跃实现功率阶跃的方式。 设置仿真时间为 0.8s,d 轴电流给定一直为 0A;在 0.4s 之前,给定 q 轴电流 为-500A,0.4s 的时刻,引入电流阶跃,电流从-500A 阶跃到-1000A;给定永磁同 步电机转速为 4.28rad/s;通过观察输出波形,可以发现在 0.4s 和 0.8s 之前,系统 都已经达到了稳定运行状态。

图 5.1 电流id 与电流iq

图 5.1 表示 dq 轴电流给定与实际测量值之间的关系曲线。从图中可以看出, dq 轴电流测量值紧随给定值发生变化,不但动态响应迅速,而且静态误差很小,
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仿真结果与分析

具有较好的控制性能。

图 5.2 输入机械功率Pw 与发电机输出有功功率P

图 5.2 给出了 q 轴电流突然发生变化时输入机械功率和发电机发出有功功率的 变化曲线。当 q 轴电流为-500A 时,输入机械功率为 0.4867MW,发电机发出的有 功功率为 0.4838MW;当 q 轴电流为-1000A 时,输入机械功率为 0.9721MW,发 电机发出的有功功率为 0.9619MW。由图可知,系统输入功率与输出功率匹配程度 较好。

图 5.3 输入机械转矩Tm 与永磁同步电机电磁转矩Te

图 5.3 为输入机械转矩与永磁同步电机电磁转矩的曲线。当 q 轴电流为-500A 和-1000A 的时候, 稳定输入的机械转矩分别为1.15 × 105 ? 、 2.29 × 105 ? ;
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仿真结果与分析

永磁同步电机稳定电磁转矩分别为1.14 × 105 ? 、2.28 × 105 ? 。相同电流下 的转矩之差约等于1.00 × 103 ? ,刚好对应于仿真模型下所设定的摩擦转矩 。

图 5.4 电流iabc与电压uph

图 5.4 给出了 q 轴电流发生变化时机侧电流与电压的波形图。 从图中可以看出, 输出电流与电压的正弦性能良好,谐波少;当 q 轴电流发生突变时,电流的动态 响应性能优良;电压的大小发生很小的变化,这是因为永磁同步发电机的转速几 乎没有发生变化,所产生的空载电势几乎不变,不考虑定子电阻引起的压降,输 出电压将保持不变。

5.2 最大风能跟踪仿真结果分析
本次仿真过程中,设置仿真时间为 2 秒,在 0.4 秒之前,由其他原动机将永磁 同步电机拖动至额定转速。在 0.4 秒的时候,投入风力涡轮机,此时设定风速为 13.21m/s,为额定风速;发电机组在 1 秒时刻之前已经处于稳定运行状态,在 1 秒 时刻,给定一个风速阶跃,风速由额定风速降至 10.5m/s。

图 5.5 风速与发电机转速
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仿真结果与分析

图 5.5 给出了发电机转速跟踪风速变化的过程。当风速为 13.21m/s 的时候,发 电机的转速为 4.279rad/s; 当风速变化到 10.5m/s 之时, 发电机转速变化为 3.400rad/s。 相应的对应风速下的转速理论计算值分别为 4.280rad/s 和 3.402rad/s。由此可见, 仿真所得到的转速与理论计算结果非常接近,而且从图中可以看出,系统也具有 较快的跟踪速度。

图 5.6 叶尖速比曲线

图 5.6 为叶尖速比曲线。从图中可以看出,在风速为 13.21m/s 和 10.5m/s 且机 组达到稳态的时候,叶尖速比分别约为 8.099 和 8.098,几乎接近理论计算最佳叶 尖速比 8.1,实现了最大风能的跟踪。

图 5.7 风力涡轮机输出功率Pw 与发电机输出有功功率P

图 5.7 给出了风速突然发生变化时风力涡轮机输出功率和发电机发出有功功率 的变化曲线。当风速为 13.21m/s 时,风力涡轮机输出功率为 1.3307MW,发电机
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仿真结果与分析

发出的有功功率为 1.3082MW ;风速为 10.5m/s 时,风力涡轮机输出功率为 0.6683MW,发电机发出的有功功率为 0.6679MW。由图可知,系统输入功率与输 出功率匹配程度很好。

图 5.8 风力涡轮机输出转矩Tm 与永磁同步电机电磁转矩Te

图 5.8 为风力涡轮机输出转矩与永磁同步电机电磁转矩的曲线。当风速为 13.21m/s 和 10.5m/s 的时候,风力涡轮机稳定输出的机械转矩分别为3.11 × 105 ? 、 1.96 × 105 ? ; 永 磁 同 步 电 机 稳 定 电 磁 转 矩 分 别 为 3.10 × 105 ? 、 1.95 × 105 ? 。相同风速下的转矩之差约等于1.00 × 103 ? ,刚好对应于仿真 模型下所设定的摩擦转矩 。

图 5.9 电流iabc与电压uph

图 5.9 给出了风速发生变化时机侧电流与电压的波形图。从图中可以看出,输
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仿真结果与分析

出电流与电压的正弦性能良好,谐波少;当风速发生突变时,电流与电压的动态 响应性能优良。

图 5.10 电流id 与电流iq

图 5.10 为 dq 轴电流给定与实测值比较曲线。从图中可以看出,d 轴电流与给 定控制值 0 相近, 控制效果很好; q 轴电流给定与测量跟随迅速, 而且静差非常小, 控制效果也非常好。

5.2 本章小结
本章一共进行了两项仿真运算。第一个是在没有连接风力涡轮机的情况下,直 接给定 dq 轴电流和永磁同步电机转速, 并通过给定转速与实测转速做 PI 运算得到 输入机械转矩,由它拖动永磁同步电机发电运行;第二个是连接风力涡轮机,给 定风速,由风力涡轮机作为原动机拖动永磁同步电机发电运行,并在此基础上实 现最大风能跟踪控制。第一个仿真运算的主要目的是检测矢量控制模型是否正确 构建和运行;第二个仿真运算是这一次课题的核心内容,通过它论证基于最佳电 磁转矩给定的控制方案是否能够实现最大风能跟踪。 本章主要从转速、叶尖速比、功率、转矩、电流、电压波形等方面展示了仿真 结果,并对结果做了简要的分析。从电压、电流的波形上来看,它们非常接近于 正弦波,并且未曾出现较大的超调量,响应速度也非常迅速;风力涡轮机的输出 转矩和功率、永磁同步电机的电磁转矩和机端功率也具有较好的匹配性;同时, 发电机的转速也按照相应规律跟随风速变化,叶尖速比的实测值与理论计算值相 互吻合,表明该仿真模型实现了最大风能跟踪控制。

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结论

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结论

永磁直驱同步风力发电系统相对于其他类型的风力发电系统具有发电效率高、 可靠性好、运行维护成本低等优点。本文分析了国内外针对永磁直驱同步风力发 电系统的研究现状, 归纳该系统的一般控制策略, 结合永磁同步电机的数学模型, 最终选择了基于最佳电磁转矩给定的矢量控制策略, 并利用 Matlab/Simulink 平台, 实现了机侧矢量控制策略的仿真,完成了有功功率调节情况下的最大风能跟踪的 目标。主要研究成果如下: 1) 从坐标变换角度出发, 把静止三相坐标轴系下的永磁同步电机的数学模型变换 到旋转两相坐标轴系下,获得永磁同步电机常系数定子电压方程。通过该模型 下电磁转矩与电流的关系,确定了最佳电磁转矩给定的控制策略。 2) 通过仿真验证了该控制策略的正确性。 采用最佳电磁转矩给定的矢量控制策略 实现了永磁直驱同步风力发电系统的最大风能跟踪,且动态性能好,输出电流 电压波形正弦性能优良。

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首先,我需要感谢我的导师姚骏,是他在百忙中抽出时间指导我完成了本课题 的研究;其次,我需要感谢与本课题研究内容相关文献的作者,没有你们研究成 果的参考和支持,我将无法单独完成本课题的任务;还有,我要感谢师兄李清, 是他在我遇到困难的时候给予我帮助,没有他的指导,我也难以完成任务;最后, 我要感谢在课题研究过程中帮助过我的老师和同学。 本文中可能还有许多不完善之处,恳请各位老师和同学予以指正。

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参 考 文 献

参 考 文 献
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参 考 文 献

[18] 赵仁德,王永军,张加胜.直驱式永磁同步风力发电系统最大功率追踪控制[J].中国电机工 程学报,2009,29(27) :107-110.

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