直驱式永磁同步风力发电系统的仿真研究

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

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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1.75MW（仿真中电压的基值是电机端额定电压的幅值，为0.69KV?1.414?1KV，电流的基值是电机端额定电流的幅值，为

，实际值为1.25KA?1.414?1.75KA，功率的基值是1.75KA?1KV?1.75MW）

0.89?1.75MW=1.56MW。最大功率对应的电机机械转速为WR?2.35rad/s，所以最佳

叶尖速比为?opt?Wr?R/VW?6.07。当风速为11.85m/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?1.75MW?1.5MW，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

Ud?Rsisd?pLdisd-weLqisq （2-1）

Uq?Rsisq?pLqisq+weLdisd+we?f2

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

33 （2-2） Np(?sdisq??sqisd)?Npiq?(Lq?Ld)isd??f???22dwr Tm?Te?J （2-3）

dt由式（2-2）可知，发电机的电磁转矩Te是一个关于id、iq的函数，如果控制id?0,

Te?使定子电流的合成矢量全部位于q轴，则式（2-2）变为： Te?则电磁转矩Te只与isq有关。

又根据式（2-3）可知，电机机械转速wr与电磁转矩Te相关，于是可以通过控制转速

3（2-4） np?fisq

2wr获得q轴电流的参考值is?q。由式（2-1）可知，ud和uq之间存在耦合项weLqisq和weLdisd，

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。

isd*=0isd+-PIWeLd+-UdisqWeLqΔW-PIisq*+PIweψf+++Uq

图2-1 机侧双闭环控制框图

图2-2 机侧主电路

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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。

isqrefPW_refWrNweN/DDPD+-ID+-FID+limqesql+FesqllEsqEsqFisqωidωLdid+ωΨfEq'50.0T1Uaisdiqisq1.082ΨωLqiqEb1Ed'Ea1T1TWOT2T2T3T3T4UbUcesdllesdlP0.0D+-FisdIBD+-0.0004EsdEsdNN/DDEc1TsSVPWMT4T5T5T6T60.02UdUdc_ref

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

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