直驱式永磁同步风力发电系统最大功率追踪控制策略探究
摘要:在直驱式永磁同步风力发电系统运行的过程中，对其最大功率进行追踪控制是掌
握其实时状态的重要工作。本文将对直驱式永磁同步风力发电系统最大功率进行分析，并探
讨其追踪控制的策略。
关键词:直驱式永磁同步风力发电最大功率追踪
一、最大功率的追踪原理
（一）风力机的输出特性
风力机叶片的半径用r表示，ρ则代表着空气的密度，v是实际测得的风速。则能用以
下的函数关系来表示风力机轴上的机械功率输出：
式（4）中风力机输出的机械功率与转速之间的关系称为最佳功率曲线，而在式（5）中
机械转矩与转速呈现出的函数变化关系则是最佳转矩曲线。在风速保持不变的情况下风力机
保持最大功率的稳定运行，叶尖线边缘瞬时速度将能与风速保持式（3）的函数关系，也就
是说此时的风力机叶尖速比处于最佳，而最佳功率曲线和最佳转矩曲线分别在此时满足式（4）和式（5）。
在风力机运行时风速不稳定的状况下，风力机所提供的机械功率输出、机械转矩和最佳
功率、最佳转矩曲线可以用图2来表示
（二）最大功率追踪原理及具体实现方案
在图2（b）所表示的函数中，通过人为的办法对发电机的运行状态进行调节，使转矩
和转速在一定条件下跟式（5）中的函数关系保持一致，系统将能在风力机转矩特性与发电
机机械特性的交点处达到平衡。图2（b）中的A、B、C、D四个点分别代表不同风速下风力
机的最大输出功率，而风力机在这时的叶尖速比处于最佳，并且这四个平衡点处于稳定状态，满足以下公式：
对功率进行控制。由于实际操作不能准确地测定发电机能从轴上得到多少能量，所以一
般会以并网条件下的有功功率作为这个值，并通过控制有功功率来完成对发电机的功率控制。而在发电机工作的过程中，会因为自身克服阻力而产生能量的损耗，而这些损耗很难计算却
又不能忽略不计，所以实际测定会出现较大偏差。
对转矩进行控制。在实际的操作中，不论是对功率进行控制还是对转速进行控制，都要
通过改变转矩来完成。所以控制转矩的方法是最大功率追踪的最佳方法。以最佳转矩减和空
载转矩之间的差作为电磁转矩，用以下公式进行表达：
其中空载转矩是指在电机工作过程中各种损耗之和。对转矩进行控制是实现发电机功率
追踪的最佳办法，而在永磁同步发电机中，对电磁转矩的有效控制则需要采用矢量控制的方
式来完成。
三、最大功率的追踪控制
（一）最大功率的追踪
对于永磁同步发电机而言，进行最大功率追踪控制实际上就是对发电机电磁转矩进行控制。而根据实际研究的结果可以知道，对电磁转矩的控制实际上就是要控制发电机的转矩分量。
电磁转矩指令源于式（7），在获得系统转速的第一时间完成对最佳转矩的计算，然后
减去发电机在运行过程中由于各种原因而损失点的功率，此时的电磁转矩指令将是最适合的。在发电机正常运行的状态下不让电流通过定子d轴，就能发现电磁转矩与q轴电流之间保持
的是正比例函数关系。对两轴的电流进行闭环控制时，则能完成对最大功率的追踪。而在这
一过程中，由于控制器的设计已经达到成熟阶段，所以转子位置角的检测是关键环节。（二）转子位置的检测
在实际操作中，一般采用增量式光电编码器对转子位置角进行测量，由于发电机中的极
对数有很多，所以会提高光电编码器的分辨率，从而减小控制的误差。根据增量式光电编码
器的工作原理，实际的操作存在一定的技术限制，不能让转子磁极与编码器的起始点的刻度
线对准，所以需要对转子磁极的初始位置进行测定。通过转子初始位置和发电机运行一段时
间后的转子位置与编码器零刻度之间的角度，可以确定转子位置交，从而完成对最大功率的
追踪。
三、网测变换器的控制
发电机的网测变换器对发电机捕捉风能的过程进行控制，然后将风能输送到直流母线上，使直流母线电压出现波动。同时，网测变化器还能通过对母线电压的控制将电能输送到电网中，并调节功率直到功率满足电网的需求。从某种或意义上讲，网测变换器的运行能力影响
着电网电能的质量，对风力发电的整体性能有着重要影响，所以发电过程中需要对其进行必
要的控制。
四、总结
在直驱式永磁同步风力发电系统运行的过程中，对系统的最大功率进行追踪控制影响着
整个发电系统的运行质量，所以要通过有效的方式完成最大功率的准确测定并对其进行有效
地控制，以保证风能发电的质量。
参考文献
[1]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,2009,27:106-111.
直驱式永磁同步风力发电机最大功率跟踪的基本控制方法一、最大风能捕获控制的基本原理 风能作用在风轮上，风能只有一部分可以被风轮吸收。风力机从风能中捕获的功率P w 可表示为 式中P w ——风力机从风能中捕获的风功率； ρ——空气密度； A——风力机扫风面积； v——风速； C p ——风力机的风能利用系数。在桨距角一定的情况下，C p 是叶尖速比λ的 函数，λ为 式中ω w ——风力机机械角速度； R tur ——风轮半径； v——风速。 在实际应用中常用风能利用系数C p 对叶尖速比λ的变化曲线表示该风轮的空气动力特性，如图7-4和图7-5所示。 图7-4 风轮气动特性（C p- λ）曲线
图7-5 永磁同步发电机不同转速从短路状态到开路状态的全特性曲线 时就可以获得最大风能利当桨距角一定时，风力机运行于最佳叶尖速比λ opt ，此时风力机的转换效率最高，即 用系数C pmax 式中ω ——风力机的最优机械角速度； opt λ ——最佳叶尖速比。 opt 成比例调节，以保持λ总在最优。 上式要求风轮机组的转速ω可以随风速v 1 在直驱式永磁同步风力发电系统中，风力发电机与风力机直接相连，风力发电机组的动态特性可以用一个简单的数学模型描述为 ——风力发电机组的转动惯量； 式中J tur ——风力机的气动转矩； T tur T ——风力发电机电磁转矩。 em 为 风力机气动转矩T tur 其中
式中ρ——空气密度； β——桨距角； C T ——风力机转矩系数； C p ——风能利用系数。 稳态时，当风力机运行在一个最佳叶尖速比λ opt 时，有一个最佳功率系数C popt 与之对应，且转矩系数C T =C popt /λ opt =C Topt 也为常数，此时捕获的风能为最大，为 式中S——风轮扫风面积。 稳态时，当忽略摩擦阻力转矩，发电机的电磁转矩应该与风力机气动转矩相等，即 式（7-7）是在稳态条件下推导出来的发电机电磁转矩与转速之间的关系，它可以作为用于控制电机转矩的给定值，是发电机转速的函数。即当风速在额定风速以下时，发电机的电磁转矩按照式（7-12）的关系控制，整个系统就能够实现最大风能的捕获，这就是额定风速以下最大风能捕获的基本原理。 因此，对于某一特定风速，风力发电机应在一个特定的转速下运行才能实现对风能的最大捕获。在一定风速下，风力发电机的功率曲线上有一最优转速和最大功率点，将不同风速下的最大功率点连接起来可得到最佳功率曲线。 实现最大风能跟踪的要求是在风速变化时及时调整风力发电机转速，使其始终保持最佳叶尖速比运行，从而保证系统运行于最佳功率曲线上。对风力机转速的控制可通过风力机变桨调节，也可通过控制发电机输出功率进行调节。 二最大风能捕获控制的基本策略 实现最大风能捕获的关键是提高风能利用系数。这就需要根据风速的变化及时调整风力机的转速，时刻保持叶尖速比为最佳值，实现风力发电机组在变速运行时的最大风能捕获。目前最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）的控制策略已经被广泛应用。根据各种不同MPPT控制策略的特点，把它们划分为以下三种。
课程设计说明书 风力发电机组控制系统设计-最大功率点跟踪控制 专业新能源科学与工程 学生姓名喻绸绢 班级能源121 学号1210604122 指导教师薛迎成 完成日期2015年12月14日
目录 1。控制功能设计要求 0 1.1任务 0 2。设计 (2) 2。1 介绍对象（风力发电系统的最大功率点跟踪控制技术研究)2 2。2控制系统方案 (2) 2.2.1风力机最大功率点跟踪原理 (2) 2.2.2风力机发电系统 (5) 2。2。3风速变化时的系统跟踪过程 (10) 3。硬件设计 (12) 4。软件设计 (15) 5.仿真或调试 (16) 参考文献 (18)
1.控制功能设计要求 1.1任务 能源与环境是当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题而传统能源已被过度消耗，因此,可再生能源的开发利用越来越受到重视和关注，其中风能具有分布广、储量大、利用方便、无污染等优点是最具大规模开发利用前景的新能源之一。 目前，变速恒频风力发电系统已经广泛用于实际风机中,在低于额定风速的情况下根据风速变化的情况调节风机转速,使其运行于最优功率点，从而捕获最大风能；在高于额定风速时,通过对桨距角的调节，使风机以额定功率输出。常用最大功率捕获方法主要有功率反馈法、模糊控制法、混合控制法等。为了充分利用风能,提高风电机组的发电总量，本文分析风机特性及最大功率点跟踪（maximum pow er point tracking MPPT）工作原理。众多的MPPT实现方法各有千秋,对于不同的应用场所各有所长，对于多种方案,需要进行大量细致的实验工作和数据分析。 风能是一种具有随机性、不稳定性特征的能源,风能的获取不仅与风力发电机的机械特性有关，还与其采用的控制方法有关。在某一风机转速情况下，风速越大时风力机的输出功率越大，而对某一风速而言，总有一最大功率点存在。只有当风力发电机工作在最佳叶尖速比时，才能输出最大功率.好的控制方法可使风轮的转速迅速跟踪风速变化，使风力发电机始终保持在最佳叶尖速比上运行，从而最大限度地
风力发电技术中功率控制方法 摘要：风能发电在我国的应用规模已经比较较大，在2020年新建设的发电设施中风力发电占比34.6%，因此进一步研究风力发电技术，并充分提升风力发电的效率对于我国当前能源危机的问题解决有直接的帮助，并对我国新能源的进一步发展具有现实意义。 关键词：风力发电技术；功率控制；策略；发展态势 1风力发电机械设施发展趋势 1.1风电机组向大容量发展 为了进一步提升风力发电的规模和减少设备资源的浪费，随着风电技术的不断突破，专家们不断的加大了风电机组的容量，从主流的1MW，开始向5MW的单机容量发展，而美国的风力发电机组已经可以达到7MW以上。当前风电机组大容量级别的机身重量可达1100吨，三片组成风味长度超60米，旋翼最高点可达180米，而我国最大的单容量机组是在2021年10月安装完毕的甘肃景泰红山二期，就达到了5MW水平。从研究表明，未来的风力发电机组将会向20MW甚至以上容量规模发展。 1.2海上风电发展加速 随着陆上风力发电机组的规模越来越大，通过发展海上风电技术可以有效的减少对陆地资源的浪费，同时更好的利用丰富的海上风力，从而实现批量化和规模化生产，有效的降低风力发电的成本。由中研网提供的数据，海上风电的每千瓦造价在17000元左右，当前我国在建的海上风电项目达到了6.4GW，并在不断的加大投入。主要是在上海、浙江、山东、江苏等地进行大规模应用，预计在2025年海上风电的收益可以达到3108亿元。 1.3定桨矩向变桨和变速恒频发展
由于定桨矩向的风力发电机在风能转化效率上的缺点，因此当前在风力技术上已经开始全面向变桨和变速恒频的技术方向发展。通过风力机转速来实现的变速变桨运行模式可以有效的捕获最大风速，从而提升风能的转化效率，降低生产成本。同时，通过变桨距不仅可以提升功率的输出稳定性，还可以减少风力对机组结构的荷载，提升风力发电机组的使用寿命。但是复杂的机构结构来提升了风力发电机组的控制难度和故障率。 2功率控制策略 2.1偏航控制系统 利用风速矢量方向变化来调整风电机舱方向，从而使风电机舱能够快速和平稳的对准风向，来获取最大的风能的对风装置，称为偏航控制系统。该系统的功能实现是通过风轮带动风电机舱的转向齿轮进行工作，当与风向实现对准后停止风轮转运，完成对风过程动作。偏航控制系统的结构主要包括了轴承、驱动设备以及控制机，而控制机又是由风向传感器、偏航控制器以及解缆传感器组成。当前比较成熟的控制系统分为主动式和被动式两种，从技术应用的可行性分，小型发电机组一般会采用被动式，而大型发电机组则采用主动式，这是由于风向仪的技术精度决定的，随着技术精度的不断提升，都会向智能化被动模式方向发展。 2.2风力发电机控制 双馈异步风力发电机是当前常用的控制技术，主要包括了绕线型异步发电机和电压源变流器，由电网提供定子电压、由变流器提供转子电压来实现双馈。变流器的转子电压的方式，来补偿机械频率和电频之间的差值，从而保障发电机在较大范围内进行变速运行，实现发电机的稳定工作。当发电机在工作状态中出现故障时，也可以通过变流器和控制器来实现对发电机的控制，从而实现各种风速环境下的正常工作。 4最大功率跟踪控制 4.1最大风能捕获方法
直驱式永磁同步风力发电机控制与运行概述一、直驱式永磁同步风力发电机运行区间 根据风力机的功率特性把风速划分为5个区间：①风速低于切入风速；②风速在切入风速和额定转速之间；③风速超过风轮额定转速，发电机组运行在恒转速区；④风速继续增大到切出风速以下，发电机运行在恒功率区；⑤风速大于切出风速。风力发电机组运行区域如图7-1所示。 图7-1 风力发电机组运行区域 （1）停机模式。风力机在风速小于切入风速或大于切出风速时，风能转化效率为零，称为停机模式。当风速低于风力机的切入风速时，其产生的功率很小甚至低于内部消耗的功率，因此处于停机模式，此时叶片处于完全顺风状态，风力机的机械制动器处于开启状态；当风速超过风力机的切出风速时，为了保护风力机的安全，叶片被调至完全顺桨状态，风力机转速也下降为零，风力机将被锁定进入停机模式。其他3个风速区间是风力发电机的正常运行状态，为了捕获到更多的风能，同时保证发电机组的安全运行，在不同的风速阶段对桨距角采用了不同的控制策略。 （2）最佳叶尖速比运行区。即第②区间，即图7-1的AB区间。当风速超过切入风速时，风力发电机组开始作为发电机运行。此时要调节桨距角到最佳值使风能利用系数C 恒定为最大值，以保证风力发电机组运行在最大功率点跟踪状p 态。
（3）恒转速运行区间。即第③区间，即图7-1的BC区间。为了保证风力发电机组的安全稳定运行，一般都会根据风力发电机组的特性设定一个额定风速点对应图7-1中B点的速度，这个额定风速点应小于发电机的额定转速。当风力机转速超过额定风速点时，随着风速的继续增大，要调节桨距角使C p 值减小，以保证风力发电机组进入恒转速区间。但此时发电机的功率随风速的增加而增加，但仍然在额定功率以下。 （4）恒功率运行区间。即第④区间，即图7-1中的CD段。当风速继续增大，不仅发电机转速到达其额定值，同时发电机的输出功率也到达额定功率。此时如果仍然按照最大风能捕获的控制策略将会使发电机的输入功率大于输出功率，发电机组将会导致“飞车”而使整个机组脱网。为了使整个机组稳定运行，这时需要调节风力机桨距角，使风能利用系数减小，保持发电机的输出功率为额定值不变，此时风力机工作在功率恒定区。 上面第②、③、④风速区间反映到发电机转速，可用如图7-2所示的3个工作区表示。 图中，v c 为切入风速，v b 为风机额定风速，v r 为发电机额定转速，v f 为切出 风速。 工作区2：v c ＜v＜v b ，变速，最佳叶尖速比工作区。 工作区3：v b ＜v＜v r ，恒速，可变叶尖速比工作区。 工作区4：v r ＜v＜v f ，变速，恒功率工作区。
直驱式永磁同步风力发电系统最大功率追踪控制策略探究 摘要:在直驱式永磁同步风力发电系统运行的过程中，对其最大功率进行追踪控制是掌 握其实时状态的重要工作。本文将对直驱式永磁同步风力发电系统最大功率进行分析，并探 讨其追踪控制的策略。 关键词:直驱式永磁同步风力发电最大功率追踪 一、最大功率的追踪原理 （一）风力机的输出特性 风力机叶片的半径用r表示，ρ则代表着空气的密度，v是实际测得的风速。则能用以 下的函数关系来表示风力机轴上的机械功率输出： 式（4）中风力机输出的机械功率与转速之间的关系称为最佳功率曲线，而在式（5）中 机械转矩与转速呈现出的函数变化关系则是最佳转矩曲线。在风速保持不变的情况下风力机 保持最大功率的稳定运行，叶尖线边缘瞬时速度将能与风速保持式（3）的函数关系，也就 是说此时的风力机叶尖速比处于最佳，而最佳功率曲线和最佳转矩曲线分别在此时满足式（4）和式（5）。 在风力机运行时风速不稳定的状况下，风力机所提供的机械功率输出、机械转矩和最佳 功率、最佳转矩曲线可以用图2来表示 （二）最大功率追踪原理及具体实现方案 在图2（b）所表示的函数中，通过人为的办法对发电机的运行状态进行调节，使转矩 和转速在一定条件下跟式（5）中的函数关系保持一致，系统将能在风力机转矩特性与发电 机机械特性的交点处达到平衡。图2（b）中的A、B、C、D四个点分别代表不同风速下风力 机的最大输出功率，而风力机在这时的叶尖速比处于最佳，并且这四个平衡点处于稳定状态，满足以下公式： 对功率进行控制。由于实际操作不能准确地测定发电机能从轴上得到多少能量，所以一 般会以并网条件下的有功功率作为这个值，并通过控制有功功率来完成对发电机的功率控制。而在发电机工作的过程中，会因为自身克服阻力而产生能量的损耗，而这些损耗很难计算却 又不能忽略不计，所以实际测定会出现较大偏差。 对转矩进行控制。在实际的操作中，不论是对功率进行控制还是对转速进行控制，都要 通过改变转矩来完成。所以控制转矩的方法是最大功率追踪的最佳方法。以最佳转矩减和空 载转矩之间的差作为电磁转矩，用以下公式进行表达： 其中空载转矩是指在电机工作过程中各种损耗之和。对转矩进行控制是实现发电机功率 追踪的最佳办法，而在永磁同步发电机中，对电磁转矩的有效控制则需要采用矢量控制的方 式来完成。 三、最大功率的追踪控制 （一）最大功率的追踪 对于永磁同步发电机而言，进行最大功率追踪控制实际上就是对发电机电磁转矩进行控制。而根据实际研究的结果可以知道，对电磁转矩的控制实际上就是要控制发电机的转矩分量。
直驱式永磁同步风力发电机低电压穿越的有功和无功协调 控制 在低电压穿越过程中，该控制策略根据变流器直流侧电压的变化，通过机侧变流器调节风力发电机的电磁功率，使电网故障期间风电机组的功率波动由发电机转子承担，消除全功率变流器两端的功率不平衡，稳定直流侧电压。并根据电网电压幅值，通过网侧变流器实现对风电机组输出有功和无功的协调控制，抑制电网电压扰动。 一、传统控制策略 图7-20 永磁同步风力发电机组传统控制策略框图图7-20为采用双PWM变流器并网的永磁同步风力发电机组传统控制策略框图。PMSG传统控制策略是通过机侧变流器实现最大风能跟踪，通过网侧变流器实现直流侧电压的稳定调节和单位功率因数控制；当电网电压跌落时，通过Crowbar保护电路消纳多余能量，实现PMSG的低电压穿越。 1.机侧变流器的控制策略 PMSG在dq同步旋转坐标系下的矢量数学模型为
式中ω c ——转子的电角速度； 、——定子电压、电流矢量； 、——定子磁链矢量、转子永磁体在定子中感应的磁链矢量； L s＿d 、L s＿q ——定子d轴和q轴电感； R s ——定子电阻； T c 、P s 、Q s ——PMSG的电磁转矩、定子侧有功、无功功率； p——PMSG的极对数； 、——定子电流的d轴分量和q轴分量。 忽略定子电阻及定子磁链变化，将同步旋转坐标系的d轴定向在定子磁链矢量上，由式（7-28）可得PMSG定子侧有功功率、无功功率和电磁转矩方程为 由式（7-29）可知，通过分别控制定子电流的d轴分量和q轴分量 可以实现PMSG机组的有功功率和无功功率的解耦控制。 图7-21为PMSG机组的机侧变流器控制策略框图。该控制系统内环为电流控制环，电流参考指令、分别取决于外环控制的定子电压控制和最大功 率跟踪控制。其中，最大功率跟踪控制曲线P opt （ω c ）如图7-22所示。
基于直驱式永磁同步风力发电机输出有功功率的控制 一、控制策略 1.基本原理 实现最大风能跟踪的要求是在风速变化时及时调整风力机转速，使其始终保持最佳叶尖速比运行，从而可保证系统运行于最佳功率曲线上。对风力机转速的控制可通过风力机变桨距调节，也可通过控制发电机输出功率进行调节。由于风力机变桨距调节系统结构复杂，调速精度受限，因此可通过控制发电机输出有功功率调节发电机的电磁转矩，进而调节发电机转速。 由永磁同步发电机的功率关系可知 式中P em 、P m 、P ——发电机电磁功率、风力机输出机械功率、机械损耗； P s 、P Cus 、P Fes ——发电机定子输出有功功率、定子铜耗、定子铁耗。 为实现最大风能跟踪控制，应根据风力机转速实时计算风力发电机输出的最 佳功率指令信号P opt ，令式（7-8）中P m =P opt ，由式（7-3）和式（7-8）可得到发 电机的最佳电磁功率和定子有功功率指令为 按照有功功率指令控制发电机输出的有功功率可使风力机按式（7-3）的规律实时捕获最大风能，从而实现发电机的最大风能跟踪控制。 2.电机侧变换器控制策略 采用永磁同步发电机和双PWM变换器构成发电系统，该系统由永磁同步发电机、电机侧变换器、直流侧电容和电网侧变换器构成。电机侧变换器的主要作用是控制发电机输出的有功功率以实现最大风能跟踪控制。由于直驱式永磁同步发电机多以低速运行，因此可采用多对极表贴式永磁同步发电机。目前针对该类电机常采用转子磁场定向的矢量控制技术，假设dq坐标系以同步速度旋转，且q 轴超前于d轴，将d轴定位于转子永磁体的磁链方向上，可得到电机的定子电压方程为
风力发电系统最大功率追踪控制控制研究 本设计风力发电机的最大功率追踪控制（MPPT）系统，通过分析几种MPPT控制策略的特点，选取合适的算法，获得最大功率输出。本文首先介绍了课题的研究背景及其意义。其次为了方便实验室研究，开展了模拟风速，以及用直流电动机模拟风力机特性的研究工作。 本文介绍了几种最大功率的控制方法：功率信号反馈法、叶尖转速比控制法、三点比较法、爬山搜索法，重点介绍了爬山搜索法，然后又对比分析了三种爬山搜索。通过仿真研究，得出改进的变步长爬山搜索法具有跟踪稳定、效率更高的结论。 目录 风力发电系统最大功率追踪控制控制研究 (1) 1引言 (2) 1.1 课题的背景 (2) 1.2 风力发电发展情况 (2) 1.2.1国外风力发电发展情况 (2) 1.2.2 国内风力发电发展情况 (3) 1.3 风力发电技术发展状况 (3) 1.3.1恒速恒频发电系统 (4) 1.3.2变速恒频发电系统 (4) 1.4 本文的研究内容及研究意义 (4) 1.4.1 本文的研究内容 (4) 1.4.2 本文的研究意义 (4) 2 风力发电系统的分析与模拟 (5) 2.1 风力发电的基本原理 (5) 2.1.1 风力发电的基本原理 (5) 2.1.2贝茨(Betz)理论[6] (6) 2.2 对风速的模拟与仿真 (7) 2.3 对风力机的模拟与仿真 (9) 2.3.1 风力发电机的空气动力学特性 (9) 2.3.2 对风力发电机的模拟与仿真 (10) 2.4 直驱永磁同步发电机的模拟与仿真 (13) 2.4.1 直驱永磁同步发电机的模拟 (13) 2.4.2直驱永磁同步发电机的仿真 (15) 2.5 风力发电系统主电路拓扑 (16) 2.6 本章总结 (17) 3 风力发电系统最大功率追踪方法及仿真研究 (17)
风力发电系统最大功率追踪控制设计 摘要 风力发电系统是一种绿色、清洁的能源系统，具有深远的社会和 经济意义。为了提高风力发电系统的能量转换效率和稳定性，本文基 于最大功率追踪控制理论，设计了一种基于模糊控制的风力发电系统 最大功率追踪控制策略，研究表明该控制策略具有较好的控制效果。 关键词：风力发电系统；最大功率追踪控制；模糊控制 Abstract Wind power generation system is a green and clean energy system with profound social and economic significance. In order to improve the energy conversion efficiency and stability of wind power generation system, this paper designs a maximum power point tracking control strategy based on fuzzy control theory, which has better control effect according to the research. Keywords: Wind Power Generation System; Maximum Power Point Tracking Control; Fuzzy Control 1. 引言 随着能源危机不断加剧和环境问题日益突出，可再生能源得到了 广泛的关注和研究。风力发电是一种绿色、清洁的能源，具有广泛的 应用前景和巨大的经济效益。然而，由于风力发电机的风速、转速和 负载变化等因素的影响，风力发电系统在实际运行中会出现能量损失 和不稳定等问题，因此，提高风力发电系统的能量转换效率和稳定性，是当前研究的热点和难点问题[1]。 2. 风力发电系统最大功率追踪控制 风力发电系统最大功率追踪控制是指在一定的风速和负载情况下，将风力发电机中的最大功率转化为输出功率的控制过程[2]。最大功率 追踪控制可以有效地提高风力发电系统的能量转换效率和稳定性。最
永磁式直驱风电机组控制技术研究 【摘要】随着风能在能源利用中越来越受到重视，风能发电机组也得到了广泛应用。永磁式直驱风电机组有着许多优点，将是未来风电机组的发展趋势之一。文章对永磁式直驱风电机组的控制策略进行了分析，对风电机组的开发和研究提供了一定的帮助。 【关键词】风电机组;风轮;永磁式 1.前言 随着世界上现存的能源不断减小，各国的能源危机逐渐加剧，可再生能源也逐渐受到了人们的重视，而风能作为一种清洁能源发展速度增快，它被认为是石油等燃料重要的继承者。至今，风力发电已经有了数十年的历史，其开发技术也日益成熟。目前世界上使用最多的风能发电机室大型发电机组，而我国只是在最近几年才逐渐开发风能，所以风能发电机组远没有达到世界先进水平。风电机组根据发电形式的不同可以划分为两种不同的类型：双馈风电机组和直驱式风电机组，其中前者发展较早，技术基本已经成熟，而后者起步晚，技术上还有许多改进的空间，但是，它将是风电机组未来的发展方向。 2.永磁式直驱风电机组的优点与缺点 直驱风电机组具有以下优点： 它们一般具有更多的极对数，所以在风速较小风轮转速很低时，电机组仍然可以正常运转，这样可以有效降低机组的噪声。机组的风轮与同步发电机转子之间不需要使用联轴器、主轴以及齿轮箱等传动装置，这样可以大幅提高传动效率，并减少了机组的维修工作量。直驱机组整机质量较小，具有较宽的变速范围，比双馈风电机组有更可靠的运行性能。 直驱风电机组一般使用永磁发电机，这样一来使得它的优点更加突出： 永磁式直驱风电机组的结构较简单，没有励磁线圈、换向器、滑环等结构，所以电机组没有励磁损耗，具有较高的发电效率。 较高的磁能积可以减少机组30%的质量而不会降低输出功率。在相同的体积下，永磁式直驱风电机组的输出效率能提高20%，减小电流密度，并且还能减小甚至避免发热和轴承磨损等问题。高剩磁可以提高发电机气隙磁通的密度，减少铜绕组的使用量，从而节约了成本。虽然，永磁式直驱风电机组有许多优点而得到了广泛应用，但是根据当前其应用情况，它还有许多不足： 一般多级低速的同步发电机的半径比较大，使用永磁材料大大增加了其成本，当风电机组的容量变大时，电机组的设计制造以及运输都会变得十分困难。
永磁同步风力发电系统控制研究 随着气候变化和环境保护意识的日益增强，可再生能源的研究与应用变得越来越重要。风能作为一种广泛分布且可再生的能源资源，被广泛应用于发电领域。在风能发电系统中，永磁同步发电机系统因其高效率、高性能和简洁结构而备受关注。为实现对永磁同步风力发电系统的控制，研究控制策略和算法变得至关重要。 永磁同步风力发电系统的控制是确保发电效率和系统稳定运行的关键。因此，研究人员们对于系统的控制策略进行了广泛研究，以提高发电系统的性能和可靠性。 首先，针对永磁同步发电机系统的控制，矢量控制是最常用和有效的控制策略之一。矢量控制通过监测永磁发电机的电流和转速，控制它们的大小和方向，以确保系统的稳定性和高效性。矢量控制策略采用PI控制器来实现闭环控制，根据当前状态进行动态调整，以使输出电压和转速保持在一个可接受的范围内。 其次，为了提高永磁同步发电机系统的效率和性能，一些高级控制算法被引入。例如，模糊控制策略能够根据设定的规则和输入参数来自适应地调整系统的控制策略。这种方法可以提高系统的鲁棒性和适应性，使其能够在不同的工况下具有良好的性能。 另外，基于神经网络的控制算法也被广泛应用于永磁同步风力发电系统的控制中。神经网络是一种模拟人类神经系统的计算模型，其具有自学习和适应性的能力。通过训练和优化神经网络模型，可以根据风能发电系统的输入和输出数据，实现系统的自动控制和优化。神经网络控制具有较高的灵活性和适应性，可以处理复杂的非线性系统。
此外，针对永磁同步风力发电系统控制中的低频振荡问题，一些控制策略也被提出。例如，采用模型参考自适应控制（MRAC）策略可以有效地抑制低频振荡，提高系统的稳定性和准确性。MRAC策略通过调整系统的控制参数，根据系统的数学模型来实现对系统的控制。 综上所述，永磁同步风力发电系统控制的研究是提高发电效率和系统性能的关键。矢量控制、模糊控制、神经网络控制和MRAC策略等多种控制策略和算法被应用于系统的控制中，以提高系统的鲁棒性和适应性。未来的研究将着重于进一步优化控制策略，提高发电系统的效率和可靠性。同时，还需要结合电网的要求，实现对发电系统的自适应调整和有源滤波控制，以实现可再生能源在电力系统中的大规模应用。
永磁直驱风电系统建模及其机电暂态模型参数辨识 程玮;陈宏伟;石庆均 【摘要】Aiming at the characters of direct-driven wind-power system with permanent magnet synchronous generator (PMSG) based on back-to-back pulse width modulation(PWM) converter, the wind turbine, the control strategies of turbine-side converter and grid-side con verter were analyzed. PMSG detail model using Matlah/Simulink was established. Based on this, electromechanical transient model for di rect-driven wind-turbine generator was constructed according to 3 orders synchronous generator model. Particle swarm optimization ( PSO) al gorithm was used to identify the parameter for the mathematical model. The simulation results show that the detail model can reflect direct- driven wind-power system' s operation as wind speed changing, while it can track the maximum power point. The electromechanical transient model coincides with the detail model well. It reflects the active and reactive power of the direct-driven wind-power system when grid voltage is changed. The parameter identification using PSO is effective. The results indicate that the detail model can be used to refine power output control strategy, the electromechanical transient model can be used to study direct-driven wind-power system interacted with the grid.%针对基于双脉宽调制(PWM)变换器的永磁直驱风电系统的运行特性,分析了风力机特性、电机侧变换器和电网侧变换器的控制策略,利用Matla/Simulink建立了反映电力电子开关动作的永磁直驱风电系统详细模型,并在此基础上根据同步电机3阶暂态模型,建立了直驱风机的机
直驱永磁风力发电机的控制策略研究 导语：本文采用双pwm变流器作为直驱永磁同步风力发电 机的并网电路，提出了一种电机侧变流器和电网侧变流器分开控制的控制策略。仿真结果验证了所提出控制策略的正确性：电机侧在额定风速以下时可以很好的通过追踪最正确叶尖速比来获取最大风能 1引言 目前，固然在整个风力发电系统中，双馈型风力发电系统仍占主流地位，但是直驱型发电机组凭借其固有的上风已经开场越来越受到关注［1］。直驱型风力发电系统采用风轮直接驱动多极低速永磁同步发〔pmsg〕发电，然后通过功率变换电路将电能进展转换后并入电网，省去了传统双馈式风力发电系统中故障率较高的齿轮箱这一部件，系统效率大为进步，有效地抑制了噪声，进步了系统的运行可靠性，因此得到了市场青睐。 2直驱型风电机组变流器拓扑构造 低压系统中全功率变流器的两种拓扑构造最简形式如图1。 对于主动整流拓扑而言，三相电压型逆变器取代了不控整流和升压斩波单元，控制发电机负载转矩，进而实现对电机转
速的调节。这种拓扑构造采用双pwm〔pulsewidthmodulation〕全功率变流器，可以实现对发电机的高性能控制，也防止了不控整流和升压斩波两级构造给系统增加的复杂性，减少了发电机的铜耗和铁耗，并可调节发电机功率因数为1，具有较好的开展前景。鉴于电机侧变流器与电网侧变流器控制策略的侧重点各有不同，本文提出了电机侧变流器和电网侧变流器分开控制的控制方法〔系统控制框图如图2所示〕，可以实现对它的有效控制，进而产生高性能的动态特性。 3电机侧变流器控制策略 本文通过控制发电机组的转速来实现最大风能跟踪，使发电机转速能跟从不断变化的风速，从风中获取更多的能量：当风速在额定风速以下时，系统进展转速控制的目的是保证机组运行在最大风功率追踪状态下；当实际风速高于额定风速时，受机械强度、发电机容量和变频器容量等限制，必须降低风轮捕捉的能量，使功率保持在额定值附近，此时桨距角控制需要起作用，以保证机组保持在额定功率附近。 3.1额定风速以下风力机最大功率跟踪算法〔mppt〕 风机输出的功率大小会随着转速的变化而变化。对任意一个风速，都有一个最优转速使得功率最大。因此，风机控制的目的是要控制转速使风机始终运行在输出功率最大点。当桨
采用矩阵变换器的直驱式永磁风力发电机运行控制 研究与实现的开题报告 一、研究背景与意义 永磁同步发电机被广泛应用于风力发电领域，其直接驱动风力发电机的特点能够有效提高发电效率和运行稳定性。然而，永磁同步发电机也具有一些问题，如容易出现过电压和过电流现象，在风速波动时易发生震荡现象等。因此，如何进行合理的控制是永磁同步发电机应用的关键。 矩阵变换器作为一种新型的变频控制技术，已经被广泛应用于永磁同步发电机控制中。它通过实时变换电气量，能够实现对永磁同步发电机的高精度控制，提高其运行效率和稳定性，并且能够减少其对电网的影响，满足电力系统的需求。 二、研究内容与目标 本研究将以矩阵变换器为控制器，研究以永磁同步发电机为主要对象的直驱式风力发电机的控制方案。主要研究内容包括： 1. 建立直驱式永磁风力发电机的数学模型； 2. 研究矩阵变换器控制策略，包括空间矢量调制(SVM)和直接功率控制(DPC)等； 3. 设计直驱式风力发电机控制系统，并在仿真平台上进行仿真； 4. 制作控制系统实验平台，并进行实验验证。 研究的目标在于实现对直驱式永磁风力发电机的高精度控制，提高其发电效率和运行稳定性，满足电力系统的要求。 三、研究方法和技术路线 研究方法主要采用理论分析和实验验证的方法。
1. 理论分析部分主要包括： (1) 直驱式永磁风力发电机的数学模型建立； (2) 矩阵变换器控制策略理论研究； (3) 直驱式风力发电机控制系统设计和仿真。 2. 实验验证部分主要包括： (1) 制备直驱式风力发电机实验平台； (2) 进行控制系统的实验验证。 具体技术路线如下： （1）理论分析阶段 1.1 建立直驱式永磁风力发电机的数学模型； 1.2 研究矩阵变换器控制策略，并进行仿真验证； 1.3 设计直驱式风力发电机控制系统，并进行仿真验证。 （2）实验验证阶段 2.1 制备直驱式永磁风力发电机实验平台； 2.2 进行控制系统的实验验证。 四、研究预期结果 本研究预期结果包括以下方面： 1. 完成直驱式永磁风力发电机的数学模型建立，并对其进行仿真。 2. 研究矩阵变换器控制策略，并进行仿真分析和验证。 3. 设计直驱式风力发电机控制系统，并进行仿真分析和验证。 4. 验证设计的控制系统在实验平台上的有效性。 五、研究意义
直驱永磁同步发电机组在风电中的应用 摘要：随着世界各国对环保的不断重视，风能、水利、太阳能等都是最为常用的清洁能源逐渐成为世界各国的重点应用。其中，风能的利用最为简单，施工成本也较小，因此，充分利用风能成为研究热点。本文主要介绍了直驱永磁同步发电机组的基本构成及控制系统，并概述了其在风力发电系统的模型。 关键词：直驱；永磁同步发电；风力发电；应用 1 引言 直驱永磁同步风机风力发电系统的永磁同步发电机采取优化的电机结构，无需使用电刷和滑环使得电机转子在低速度运行状态下发电机仍然可以正常工作，其可以直接通过传动轴将发电机和风轮机直接耦合到轮毂上进而通过叶轮直接驱动发电，不需要额外使用齿轮箱使得发电系统的能量转换效率大大提升，使得发电效率进一步得到提升，由于没有使用齿轮箱，使得发电机的维护成本也大大降低，并且发电系统运行的噪音也很小。此外，永磁发电机的结构比励磁发电机的结构更适合做成多极低速结构，进而可以获得更小的电机转矩，也进一步缩小了电机的体积和质量，提升了发电效率。因此，直驱永磁同步电机系统成为大家的研究热点。 2 直驱永磁同步发电机概述 永磁同步发电机转子是由永磁材料制造而成，其不需要额外增加励磁绕组就可以完成励磁，这就使得永磁同步电机不存在额外的绕组损耗；此外，其可以直接通过传动轴将发电机和风轮机直接耦合到轮毂上进而通过叶轮直接驱动发电，不需要额外使用齿轮箱使得发电系统的能量转换效率大大提升，并且不需要为齿轮箱进行维护，大大降低了维护成本。直驱永磁同步风力发电系统主要包括桨距控制式风力机，其主要用于获取自然环境中风能；永磁同步发电机，其主要将获取的风能转换成电能；全功率变频器，其主要是对生产的电能进行变频处理，以方便进行后续传输；发电控制系统对发电机整个运行系统进行控制，发电机产生的电能通过发电机侧变频器整流后由电容存储再通过电网侧变频器将电能输送给外部电网，以供外部使用。当前风力发电系统主要朝着大型化和变速变桨矩趋势发展，变速恒频的发电技术也成为最为广泛使用的风力发电技术，采用这一该技术的风力发电机组中直驱式永磁同步发电机和双馈式感应异步发电机使用最为普遍。双馈发电机也存在不容忽视的缺点，主要表现在双馈电机的升速齿轮箱效率低、故障率高、维修难度都、运行成本高，其维护保养费用占整个风电设备成本的百分之二十左右。而直驱式永磁同步发电机不需要使用齿轮箱转自则通过永磁材料进行励磁，很好地解决了双馈发电机存在的难题。 3 直驱永磁同步风机风力发电系统模型概述 一般而言，主要在坐标系建立永磁风力发电机系统模型，该坐标系主要用于交流电机的模型建立。电机定子磁链与转子磁链相互吸引产生电机转矩。在对发电机的运行模型分析时，一般都将坐标系定位于转子磁链上，以保证磁链方向就是轴所在方向，轴则超前轴90度电角度，进而形成同步旋转的正交坐标系。接下来，基于dq坐标系将电机所有交流变量转化为直流量并投影于该坐标系的两个轴上，分别对两个轴上的分量进行针对性控制，就可以实现对电机的定子及转自磁链进行精确控制。此外，内转子永磁同步电机的转子磁场由不可控的永磁体产生，只能对定子磁场进行控制，进而控制电机电磁转矩。同步旋转坐标系中建立的永磁同步发电机组数学模型表示如下：
直驱式永磁同步风力发电机组建模及其控制策略 以下是一份基于MATLAB/Simulink 的直驱式永磁同步风力发电机组建模及其控制策略： 一、建模 风能转化成机械能模型使用动量理论实现风能转化成机械能的公式为： Tm = 0.5 * rho * A * V^3 * Cp 其中，Tm 代表风能转化成机械能；rho 表示空气密度；A 表示叶片面积；V 表示风速；Cp 表示功率系数。 机械能转化成电能模型利用如下公式将机械能转化为电能： PE = (3 / 2) Pr * we - Pc 其中，PE 代表电能输出；Pr 代表额定转速；we 代表电机转速；Pc 代表电机旋转时的损耗。 直驱式永磁同步风力发电机组模型基于上述两个模型可以构建出直驱式永磁同步风力发电机组模型。 二、控制策略 电流闭环控制 直接对发电机组输出的电流信号进行控制，可以有效避免因转速变化而引起的电流波动，从而使得发电机组在不同负荷下都能够保持稳定运行。 转速控制 通过控制电机的输出转矩来实现对风力发电机组转速的控制。可以采用PID 控制算法，从而实现转速的闭环控制，并根据风速实时调整PID 参数。 功率最大点跟踪控制 通过感知气象条件和负载变化，实时寻找发电机组的功率最大点，从而实现对风能转换的最高利用率。可以采用极坐标控制算法或是模型预测控制算法，根据风速、发电机负载等实时数据选择使用最优控制算法。 故障检测和诊断 实时监测发电机组传感器和执行器的状态，并根据预设故障模型进行异常判定和故障诊断，从而实现对风力发电机组故障及时响应。 直驱式永磁同步风力发电机组建模及其控制策略的设计，可以使得发电机组在不同气象条件下实现最高效率的电能输出，从而增加风能利用效率，减少风力发电成本。
PMSM风电系统最大功率点跟踪的无源控制 摘要:分析直驱永磁风力发电系统各组成部分的关系，建立永磁同步电机风力发 电系统各组成部分的数学模型;基于最佳叶尖速比的最大功率点跟踪策略和非线性 无源控制理论，设计基于无源控制的最大功率点跟踪方案;在Simulink中搭建PMSM风电系统各组成部分和控制系统的仿真模型并进行仿真试验。结果表明:非 线性无源控制控制器能够实现最大风能功率的跟踪;控制效果良好，风能利用系数Cp稳定运行在0.48左右。这验证了所提方案的可行性和有效性。 关键词:永磁同步电机;风力发电系统;无源控制;风能利用系数 引言 新能源的开发利用是当今世界各国普遍关注的研究热点。在众多新能源中， 风能是一种可再生能源而且资源丰富，具有开发利用方便、技术较为成熟、成本低、可靠性高等优势，所以风力发电发展迅速，成为众多学者研究的热点［1-2］。与其他风力发电机组相比，直驱永磁风力发电机组维护成本低、噪声小，具有较 好的低电压穿越能力，广泛应用于低转速、大功率的风场［3-5］。 1 PMSM风力发电系统模型 风力发电机组的控制目标是风能的利用效率达到最高，即动态地追踪风电系 统的最大功率点。最佳叶尖速比法算法简单、易于实现，是风电系统最大功率跟 踪常用的控制方法之一。传统的风力发电机组控制理论有矢量控制、直接转矩控制，虽然可以获得良好的动、静态性能，但是矢量控制的计算复杂，且参数变化 时影响控制性能，使系统的鲁棒性降低，而直接转矩在控制发电机启动和低速运 行时波动比较大。随着控制理论的不断发展和完善，许多非线性控制方法被应用 到PMSM风力发电系统中，例如增益调度控制、滑模变结构控制、鲁棒控制、智 能控制、无源控制等。其中无源控制器具有结构设计容易、算法易于编写以及较 强的鲁棒特性，被广泛应用在永磁风力发电机组中。 本文基于能量储存、配置互联和阻尼矩阵的非线性无源控制算法，建立PMSM风电系统受控端口Hamilton系统模型，即PMSM风电系统的PCH模型。 提出一种基于最佳叶尖速比和无源控制的PMSM风电系统 MPPT(maximumpowerpointtracking)控制策略，并利用Simulink平台对所提出的控 制策略进行仿真，验证其有效性和可行性。 1.1风力机和传动链模型 自然风吹动风力机使其产生旋转机械能，风机获得的机械能为： 由图1可知，采用最佳叶尖速比法的MPPT控制器算出的最佳发电机转速 ω*e与发电机实际转速ωe通过PI调节输出期望的i*q，再将id=0、i*q、ω*e、 ωe作为无源控制器的输入，生成d-q轴的两个电压分量ud、uq，最后采用SVPWM调制出变流器需要的脉冲。 3仿真与分析 为了验证最佳叶尖速比的无源控制策略的有效性和可行性，在 MATLAB/Simulink中搭建系统仿真模型，如图2所示。 风速波形在0.5～0.6s和1.9～2.1s模拟渐变风;在1s和1.5s模拟阵风。发电
永磁同步电机工作原理及控制策略 永磁同步电机工作原理及控制策略 1. 引言 •什么是永磁同步电机？ •为什么永磁同步电机被广泛应用？ 2. 工作原理 •永磁同步电机的结构 •永磁同步电机的磁链控制原理 –磁链定向控制 –稳态电压控制 –直接转矩控制 3. 控制策略 •电流矢量控制 –空间矢量调制(SVM) –直接转矩控制(DTC) •速度闭环控制
–PI控制器 –模糊控制 –预测控制 4. 永磁同步电机的优势 •高效率 •高转矩密度 •高控制精度 •低采购成本 5. 应用领域 •汽车工业 •风力发电 •工业自动化 6. 总结 •在电动车、风力发电和工业自动化领域，永磁同步电机具有巨大潜力和优势。 •控制策略的选择应根据具体应用场景和要求进行评估和选择。
以上是关于永磁同步电机工作原理及控制策略的一份策略类型文章，通过使用Markdown格式，清晰地展示了文章的结构和内容，力求提供清晰明了的信息。 1. 引言 永磁同步电机是一种常见且重要的电机类型，被广泛应用于各个领域。本文将介绍永磁同步电机的工作原理以及不同的控制策略。2. 工作原理 永磁同步电机的结构包括定子和转子。其工作原理是通过控制磁链实现电机的转动。磁链控制有多种方法，包括磁链定向控制、稳态电压控制和直接转矩控制。 3. 控制策略 电流矢量控制 电流矢量控制是常用的控制策略之一，其中最常用的方法是空间矢量调制(SVM)和直接转矩控制(DTC)。SVM通过调节电流矢量的方向和大小来控制电机的运行，而DTC则是直接控制电机的转矩和磁通。 速度闭环控制 速度闭环控制是另一种常见的永磁同步电机控制策略。其中，常用的控制方法包括PI控制器、模糊控制和预测控制。这些控制方法通过测量电机的速度并根据目标速度和实际速度之间的差距来调整电机的控制参数，以实现精确的速度控制。