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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电暂态数学模型,采用粒子群算法(PSO)对模型进行了参数辨识.仿真结果表明,该详细模型能够描述永磁直驱风电系统对不同风速的响应,实现风能的最大功率跟踪；机电暂态数学模型与详细模型特性接近,能够从总体上反映永磁直驱风电系统对端电压变化的有功、无功响应,PS0参数辨识有效.研究结果表明,所建立的详细模型能够用于控制方式的研究以改善输出特性,机电暂态模型能够用于研究电网与永磁直驱风电系统的相互影响.【期刊名称】《机电工程》【年(卷),期】2012(029)007【总页数】4页(P817-820)【关键词】双脉宽调制变换器;机电暂态;参数辨识;粒子群算法【作者】程玮;陈宏伟;石庆均【作者单位】浙江大学电气工程学院,浙江杭州310027;浙江大学电气工程学院,浙江杭州310027;浙江大学电气工程学院,浙江杭州310027【正文语种】中文【中图分类】TM6140 引言当前，变速恒频(variable-speed constant-frequency，VSCF)风力发电系统已被广泛应用，其特点是通过先进的变速和变桨技术，在风速变化时调节发电机转速处于相应的最佳值从而最大限度地捕获风能，提高了风力发电的效率，且低风速情况下风机转速下降，从而大大降低了系统的机械应力和装置成本。
直驱型风电机组动态建模及仿真分析随着可再生能源的发展，风电作为一种比较成熟的清洁能源形式，越来越广泛地应用于各种场合。
为了更好地控制和优化风力发电系统的性能，需要对风电机组进行动态建模及仿真分析工作。
直驱型风电机组是一种新型的风力发电机组，其动态行为与传统驱动型风电机组有所不同。
本文将以直驱型风电机组为对象，介绍其建模及仿真分析方法，并通过仿真实验验证其有效性。
首先，建立直驱型风电机组的动态数学模型是动态建模及仿真分析的基础。
直驱型风电机组的运动方程可以描述为：$J\ddot{\theta} + b\dot{\theta} = Tem - Tl$其中，$J$为转动惯量，$\theta$为转子转角，$b$为摩擦系数，$Tem$为电磁转矩，$Tl$为负载转矩。
直驱型风电机组和传统风电机组不同之处在于其电磁转矩是直接产生在转子上的，因此需要建立电磁转矩的模型，通常采用如下形式：$Tem =\frac{3}{2}P(\frac{L_{ms}}{L_{s}+L_{r}})^2i^2\sin\delta$其中，$P$为极对数，$i$为转子电流，$L_{ms}$为互感，$L_{s}$和$L_{r}$分别为定子和转子的漏感，$\delta$为电角度。
该模型应考虑到磁场饱和、非线性等因素的影响。
在建立动态数学模型的基础上，需要进行仿真分析以验证模型的有效性和性能。
仿真分析的目的是得到风电机组的动态响应和控制策略，并进行有效性和性能评估。
仿真分析的主要步骤包括仿真建模、仿真实验、仿真结果处理等。
在仿真建模过程中，应根据实际情况选取合适的仿真工具和方法。
通常采用MATLAB等软件进行动态仿真建模，以及PSCAD等软件进行电磁仿真模拟。
在模型输入、仿真条件等方面，应考虑到实际工作环境和实验条件的影响，以保证仿真结果的准确性和可靠性。
在仿真实验过程中，主要是对所建立的仿真模型进行动态响应测试和控制策略验证。
通过针对不同的工况和工作状态进行仿真实验，可以得到不同工况下的动态响应和控制策略，从而评估风电机组的有效性和性能。
基于Matlab_Simulink的永磁直驱风⼒发电机组建模和仿真研究-2发电机参数：极对数42；d 轴电抗1.704mL ；q轴电抗1.216mL ；转⼦磁通4.7442Wb ；转动惯量11258J 。
PI 参数：⽹侧电流内环d 轴（1.5、1），q 轴（0.5、37）；⽹侧功率外环（0.0002、0.05）；直流侧电压（2、120）；机侧电流内环d 轴（-3、-24），q 轴（-3、-80）；机侧功率外环（-3、-60）。
本仿真中风速由6m/s 变化到9m/s ，最后变化到12m/s 。
在最⼤风能捕获控制情况下，随着风速的变化，转⼦转速不断调整，以保持最佳叶尖速⽐，从⽽达到最⼤风能利⽤，图8为风速、转⼦转速、机械和电磁转矩变化曲线。
机侧电压电流变化如图9所⽰，在最⼤风能捕获模式下，电压和电流频率随着风速的增⼤⽽增⼤，电压幅值从260V 变化到400V 、540V ，电流幅值变化为380A 、850A 、1500A 。
电⽹侧及直流侧电压电流变化如图10所⽰，电⽹电压保持恒定，电流幅值随着风速的增⼤⽽增⼤变化范围为：168A 、580A 、1290A 。
直流侧电压在风速突变时有⼀个充电过程，电压升⾼，最⾼达到1320V ，经过⼤约0.1s的暂态过程后恢复到额定值1200V 。
永磁直驱发电机输⼊电⽹有功及⽆功功率如图11所⽰，有功功率随着风速的升⾼⽽不断变化，最后维持在1.1MW ，⽆功功率基本保持为零，波动幅值为5kW 。
实际输出有功功率与参考功率的⽐较如图12所⽰，在风速突变后参考功率⼤于实际输出功率，经过⼤约0.1s 的暂态过程后基本吻合。
永磁直驱发电系统机侧及⽹侧电压电流的d 、q 轴分量的变化如图13、14所⽰。
机侧电压d 、q 轴分量随着风速变化⽽变化，机侧电流采⽤零d 轴控制策略，所以d 轴分量维持为零，q 轴分量反映功率的变化。
⽹侧电压保持恒定，因为⽆功参考值为零，所以图11输⼊电⽹有功及⽆功功率Fig.11Active and reactive power input togrid图12输⼊电⽹有功功率与参考功率图Fig.12Active power input to grid and it ’sreference第27卷第9期电⽹与清洁能源图10电⽹侧及直流侧电压电流变化Fig.10Variation of voltage and current of grid and DC side 图9机侧电压电流变化Fig.9Variation of generator-side voltage andcurrent图8风速、转⼦转速、转矩变化Fig.8Variation of wind speed,rotor speed andtorqueClean Energy97电流q 轴分量为零。
风力发电系统暂态功率控制仿真模型风力发电是一种非常受欢迎的可再生能源。
它具有可持续性，对环境的影响较小，能够降低碳排放，逐渐替代传统的化石燃料，保护地球和生态环境。
与其它发电方式相比，风力发电方式具有不可调和的波动性和不稳定性。
因此，对于风力发电系统，仿真模型及控制算法的设计及验证至关重要。
在本文中，我们将从暂态功率控制的角度来探讨风力发电系统的仿真模型。
一、风力发电系统的原理风力发电系统的核心是风力机，它是把风能转换为电能的设备。
它由叶片、塔架、转子、发电机及控制系统等部分构成。
当风吹来时，叶片通过旋转把风能转换为机械能，然后通过转速减速器、电磁耦合器、高速轴、低速轴将机械能传递到发电机上，由发电机将机械能转换为电能输出。
同时，为了控制风力机的输出电压和频率，控制器会根据发电机输出的电量来调整风力机的转速，以达到最大功率输出，并将电能输送到电网中。
二、风力发电系统暂态功率控制风力发电系统的暂态功率控制可以概括为4个步骤：风速测量、控制器响应、功率维持和风速限制。
在本节中，我们将讨论每一步的功能和仿真模型实现。
（1）风速测量风速测量是暂态功率控制的第一步，这是因为风能转换为电能，必须要先测量风速。
风速测量的传感器类型有许多种，一般来说，常用的是超声波和风向风速计。
本文使用风向风速计来测量风速和方向，仿真模型的输入即为风向风速计输出的信号。
（2）控制器响应控制器响应是指根据测量到的风速信号来调整风速控制器的输出，从而控制风力机的转速。
控制器具有PID或模糊逻辑功能，输入为测量到的风速信号和电网电压，输出为控制信号，将通过PWM方式输出到IGBT开关上，从而采用IFF基准控制保证其输出电压频率的统一。
本文的仿真模型中，控制器使用PID控制器。
（3）功率维持功率维持是指当输出功率大于容量时，控制器必须降低输出功率，以避免由于风能和电能之间的不良匹配导致电网不稳定。
为了实现此目的，控制器可以设置实用的最大功率输出，一旦超过该功率，控制器就开始调整风力机的转速。
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1-2Tm—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1-3Pm —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1.75MW （仿真中电压的基值是电机端额定电压的幅值，为0.69 1.4141KV KV ⨯=，电流的基值是电机端额定电流的幅值，为1.25KA 1.414 1.75KA ⨯=，功率的基值是1.75KA 1KV 1.75MW ⨯=），实际值为0.89 1.75=1.56MW MW ⨯。
最大功率对应的电机机械转速为 2.35/R W rad s =，所以最佳叶尖速比为opt / 6.07W Wr R V λ=⨯=。
当风速为11.85/m s 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0.856 1.75 1.5MW MW ⨯=，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d d sde q sqq sq e d sd e U pL i -w L i pL i +w L i +w s sd q s sq fR i U R i ψ=+=+（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s 33()()22e p sd q sq sd p q q d sdf T N i i N i L L i ψψψ⎡⎤=-=-+⎣⎦（2-2） J r m e dwT T dt-=（2-3）由式（2-2）可知，发电机的电磁转矩e T 是一个关于d i 、q i 的函数，如果控制0d i =,使定子电流的合成矢量全部位于q 轴，则式（2-2）变为：s 32e pf q T n i ψ=（2-4） 则电磁转矩e T 只与s q i 有关。
1MW直驱风力发电系统建模与仿真研究
董琳琅;王永
【期刊名称】《可再生能源》
【年(卷),期】2011(029)003
【摘要】建立了1 MW直驱风力发电系统电磁暂态仿真模型,在PSCAD/EMTDC 环境下采用电压空间矢量脉冲宽度调制技术(SVPWM)真实地反映变流器的动态开关过程和谐波特性,实现了直驱风力发电系统的机侧最大风能跟踪以及永磁发电机定子电流的解耦控制和网侧直流母线电压稳定的控制.文章还对网侧变流器的软件锁相环(SPLL)进行了优化设计,使之能够快速、准确地跟踪电网基波正序电压,有助于改善网侧变流器在电网不对称故障期间的动态控制性能.
【总页数】6页(P7-12)
【作者】董琳琅;王永
【作者单位】北京航空航天大学,自动化与电气工程学院,北京100191;北京航空航天大学,自动化与电气工程学院,北京100191
【正文语种】中文
【中图分类】TK89;TM615
【相关文献】
1.基于PSCAD/EMTDC的微电网永磁直驱风力发电系统建模与仿真研究 [J], 周围;韩礼冬;李钢;赵静
2.直驱式风力发电系统的仿真建模与运行特性研究 [J], 付勋波;郭金东;赵栋利;许
洪华
3.并网运行的直驱风力发电系统建模及仿真研究 [J], 朱兴林
4.直驱永磁同步风力发电机侧系统建模及仿真 [J], 林立; 何洋; 周建华; 陈红专; 刘燕凌; 陈鸿蔚
5.直驱式永磁风力发电系统的MATLAB/simulik建模与仿真 [J], 冯毅
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