基于matlab永磁同步电机控制系统建模仿真方法

基于matlab的同步发电机组建模与仿真

基于matlab的同步发电机组建模与仿真 I 基于

MATLAB 的同步发电机组建模与仿真 摘要 随着电网的规模越来越大，电力系统的运行也随之越来越复杂。

同步发电机及其控 制系统作为电源是电力系统中的重要组成部分，其性能对电力系统有着极大的影响，直 接关系到系统的稳定运行。

为了使电力系统安全而经济地运行，我们必须对同步发电机 组特性进行深入的研究。

而同步发电机组运行是一个相当复杂的过程，其动态特性随着 机组的运行状态而不断变化，所以建立机组的模型并进行仿真研究是掌握发电机动态特 性，评价其各个控制系统性能的有效手段，并且对工作人员的培训和研究将起到很大的 作用。

同步发电机组模型的建立将涉及到机组的机理分析，有利于从理论建模中引出新 的设计方法，为优化设计提供理论依据。

本文将对同步发电机及其励磁系统、调速系统 的数学模型进行研究，利用 MATLAB/Simulink 搭建同步发电机组的仿真模型，建立单机 无穷大系统，最后对模型进行仿真，并分析仿真结果。

关键词： 电力系统；单机无穷大系统；MATLAB/Simulink；仿真；同步发电机组 华北电力大学本科毕业设计（论文）摘要 II

SYNCHRONOUS GENERATOR UNIT MODELING AND

SIMULATION BASED ON MATLAB Abstract With the

enlargement of the power grid scale, the operation of the power

system is becoming more and more complex. As supply unit of

the system, synchronous generator and its control system plays

研究与交流　

基于ＭＡＴＬＡＢ　ＧＵＩ的永磁同步发电机仿真平台　

孙建忠　尚亚男　

大连理工大学（１Ｉ６０２３）　

Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｏｆ　Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　Ｍａｇｎｅｔ　

Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　Ｍａｃｈｉｎｅｓ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｍａｔｌａｂ　ＧＵＩ　

Ｓｕｎ　Ｊｉａｎｚｈｏｎｇ　Ｓｈａｎｇ　Ｙａｎａｎ　

Ｄａｌｉａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　

摘要：基于ＭＡＴＬＡＢ的可视化编程（ＧＵＩ）技术，　设计用于永磁同步发电机的仿真平台。该平台实现了故　障类型可选、保护措施可选以及输出项目可选等功能，　并能间接打开Ｓｉｍｕｌｉｎｋ模型和Ｆｉｇｕｒｅ窗１５１以用于进一步　修改编辑，具有很强的教学、实验和工程研究价值。　关键词：ＭＡＴＬＡＢ／ＧｕＩ　永磁同步发电机故障仿　真　中图分类号：ＴＭ３１３文献标识码：Ｂ　ＤＯＩ编码：１０．３９６９￣．ｉｓｓｎ．１００６－２８０７．２０１　１．０２．０１３　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　ｍａｇｎｅｔ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｍａｃｈｉｎｅｓ　ｗａｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ＭＡＴＬＡＢ　ＧＵＩ．Ｔｈｅ　ｆａｕｌｔ　ｔｙｐｅ，ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ａｎｄ　ｏｕｔｐｕｔ　ｉｔｅｍｓ　ｗｅｒｅ　ａｌｌ　ｏｐｔｉｏｎａｌ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｗｈｉｌｅ　ｔｈｅ　Ｓｉｍｕｌｉｎｋ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍａｃｈｉｎｅｓ，ｔｈｅｉｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　Ｆｉｇｕｒｅ　ｗｉｎｄｏｗｓ　ｏｆ　Ｍａｔｌａｂ　ｃｏｕｌｄ　ｂｅ　ｏｐｅｎｅｄ　ａｎｄ　ｅｄｉｔｅｄ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｐｌａｔｆｏｒｍ，ｗｈｉｃｈ　ｗａｓ　ｕｓｅｆｕｌ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｉｅｌｄｓ　ｏｆｔｈｅ　ｔｅａｃｈｉｎｇ，ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．　Ｋｅｙ－ｗｏｒｄｓ：ＭＡＴＬＡＢ）＇ＧＵＩ　Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　Ｍａｇｎｅｔ　Ｓｙｎ－　ｃｈｒｏｎｏｕｓ　Ｍａｃｈｉｎｅｓ　Ｆａｕｌｔ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　

永磁同步电动机矢量控制模型的设计与仿真

交流调速理论包括矢量控制和直接转矩控制。1971年，由F．Blaschke提出的矢量控制理论第一次使交流电机控制理论获得了质的飞跃。矢量控制采用了矢量变换的方法，通过把交流电机的磁通与转矩的控制解耦使交流电机的控制类似于直流电动机。矢量控制方法在实现过程中需要复杂的坐标变换，而且对电机的参数依赖性较大。直接转矩控制是1985年Depenbrock教授在研究异步电机控制方法时提出的。该方法是在定子坐标系下分析交流电机的数学模型，强调对电机的转矩进行直接控制，对转矩进行砰一砰控制，无需解耦，省掉了矢量旋转变换计算。控制定子磁链而不是转子磁链，不受转子参数变化的影响，但不可避免地产生转矩脉动，低速性能较差，调速范围受到限制。而且由于它对实时性要求高、计算量大，对控制系统微处理器的性能要求也较高。

矢量控制的基本思想是在普通的三相交流电动机上设法模拟直流电动机转矩控制的规律，在磁场定向坐标上，将电流矢量分解成为产生磁通的励磁电流分量和产生转矩的转矩电流分量，并使得两个分量互相垂直，彼此独立，然后分别进行调节。这样交流电动机的转矩控制，从原理和特性上就和直流电动机相似了。

控制策略的选择上是PID控制，传统的数字PID控制是一种技术成熟、应用最为广泛的控制算法，其结构简单，调节方便。

1 永磁同步电机的数学模型

1.1 永磁同步电机系统的结构

永磁同步电机的基本组成：定子绕组、转子、机体。定子绕组通过三相交流电，产生与电源频率同步的旋转磁场。转子是用永磁材料做成的永磁体，它在定子绕组产生的旋转磁场的作用下，开始旋转。

1.2 坐标变换 坐标变换，从数学角度看，就是将方程中原来的一组变量，用一组新的变量来代替。线性变换是指这种新旧变量之间存在线性关系。电动机中用到的坐标变换都是线性变换。

在永磁同步电机中存在两种坐标系，一种是固定在定子上的它相对我们是静止的，即：α,β 坐标系，它的方向和定子三相绕组的位置相对固定，它的方向定位于定子绕组 A 相的产生磁势的方向，另一种是固定在转子上的旋转坐标系，我们通常称之为 d,q坐标，其中 d 轴跟单磁极的 N 极方向相同，即和磁力线的方向相同，q 轴超前 d 轴 90 度下图所示。

第２９卷第１期　２０１３年２月　天津理工大学学报　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＴＩＡＮＪＩＮ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　ＯＦ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　Ｖｏ１．２９　Ｎｏ．１　Ｆｅｂ．２０１３　

文章编号：１６７３—０９５Ｘ（２０１３）０１—００１７．０４　

基于Ｍａｔｌａｂ／ｓｉｍｕｌｉｎｋ直驱型永磁风力　

发电机控制系统仿真研究　

李　游　，成　怡　（１・中国海洋石油公司新能源投资有限责任公司，北京１００１０２；２．天津工业大学电气工程与自动化学院，天津３００３８７）　

摘要：本文以直驱永磁风力发电机的风力发电系统作为研究对象，研究风力机和永磁同步发电机的工作原理，以　及实现最大风能捕获的控制策略，并在Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ环境下搭建了整个仿真系统的模型．仿真结果表明，选择的　控制策略及搭建的仿真模型在阶跃变化的风速下，能实现最大风能捕获．　关键词：直驱；风力发电；控制策略　中图分类号：ＴＭ６１４　文献标识码：Ａ　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３．０９５Ｘ．２０１３．０１．００５　

Ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｄｉｒｅｃｔ　ｄｒｉｖｅｒ　ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　

ｗｉｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｍａｔｌａｂ／ｓｉｍｕｌｉｎｋ　

ＬＩ　Ｙｏｕ　，ＣＨＥＮＧ　Ｙｉ　

（１．ＣＮＯＯＣ　Ｎｅｗ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１００１０２，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｔｉａｎｊｉｎ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ　３００３８７，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｄｉｒｅｃｔ　ｄｒｉｖｅｒ　ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　ｗｉｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｈｅｏｒｙ　ｔｏ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｔｈｅ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｗｉｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｃａｐｔｕｒｅ　ａｒｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ　ｂｙ　ａｎａｌｙｚｉｎｇ　ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｗｉｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｍａｃｈｉｎｅ　ａｎｄ　ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ，ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅ　ｗｈｏｌｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ｉｓ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｍａｔｌａｂ／ｓｉｍｕｌｉｎｋ．Ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔ　ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｓ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｈｅｏｒｙ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ｃａｎ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｔｈｅ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｗｉｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｃａｐｔｕｒｅ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｓｔｅｐ　ｗｉｎｄ　ｓｐｅｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｄｉｒｅｃｔ　ｄｒｉｖｅｒ；ｗｉｎｄ　ｐｏｗｅｒ；ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｈｅｏｒｙ