标准规范下载简介和预览

直驱式风力发电系统的仿真建模与运行特性研究

Matlab/Simulink7.1仿真环境下建立了直驱式风力 发电系统从永磁同步发电机到电网的模型，完全利 用S函数编写的简化SVM控制算法实现了对发电 机侧变流器和电网侧变流器的控制。仿真结果表 明，直驱式风力发电系统能够在不同风速下稳定运 行，永磁同步发电机转矩和转速控制效果良好，发电 机侧输出电流近似正弦，谐波含量小，电网侧变流器 在风速突变引起的发电机输出功率变化的情况下能 够稳定直流侧电压，输出有功和无功功率完全独立 可调，既能在单位功率因数下稳定运行，也可以在超 前和滞后功率因数下运行。本文最终在实验室搭建 的17kW直驱式风力发电系统平台上验证了所提 控制策略的有效性。

db3502z 029.6-2015 厦门市城市道路交通管理设施设置规范 第6部分 交通安全设施直驱式风力发电系统工作状态及控制策略

1.1直驱式风力发电系统的运行状态

1.2永磁同步电机数学模型

根据转子磁场定向得到的同步旋转坐标系下永 磁同步发电机的电压方程为

图1永磁直驱式风力发电系统示意图

其中，udu和iai分别为定子电压和电流在 dq轴上的分量，Ld、L。为定子的dq轴电感，在面装 式永磁同步发电机La=L，w为转子角速度，V为 永磁体基波励磁磁链、R为定子电限。 转矩方程为

其中，udu分别为网侧变流器交流输出电压 的dq轴分量，ud、ug分别为电网电压的dq轴分量， i、ia分别为电网电流的dq轴分量，L为电网侧电 感，R为线路等效电阻，为电网频率。 根据前面提到的永磁同步发电机和电网侧变流 器的数学模型，可以得到整个系统的控制框图如图2 所示。发电机侧变流器采样发电机定子电流i、i、 i，利用光电码盘或者无速度传感器得到发电机的转

为了与实际情况相似，选择多极低速永磁同步

图2直驱式风力发电机组控制框图

图4和图5所示为发电机转速和转矩的变化曲 线。 从图4中可以看到，转速n能够很好地跟踪参 考值n，在转矩突变、电网侧无功电流i突变等情 况下，波动很小。从图4和图5中可见，在转速上升 期间，电磁转矩小于给定的驱动转矩，这是由于驱动 转矩、电磁转矩和机械角速度之间满足[T一T。=

付勋波，等：直驱式风力发电系统的仿真建模与运行特性研究

Jd2/dt，同样在0.6s时转速缓慢增加，机械转矩也 大于电磁转矩。从图5中还可以看到，系统实现了 电磁转矩对给定转矩很好的跟踪，并且电磁转矩脉 动很小。从图6中可以看到在0.4s转矩突变时，有 功电流i。也发生突变，这是因为电磁转矩与i成正 比，ia在整个过程中基本保持为零，在0.4s、0.6s、 0.8s、1s时i有比较明显的波动，这是由于转矩的 突变以及电网侧无功电流i的突变引起的。图7所 示为发电机侧电流i、ib、i，可以看出在0.4s转矩 突变时，电流有明显的变化，但是一直保持为近似正 弦，谐波含量较小。

图4实际转速与给定转速 Fig.4Actual speed and referenc

图5电磁转矩与给定转矩

图8所示为直流侧电压U&波形，从图中可以看 到不管是发电机侧转速和转矩变化还是电网侧无功 电流变化，U&基本保持在560V不变。图9所示为 电网侧有功电流i和无功电流iu，从图中可以看 到，在发电机转速上升时i同时增加，在转矩突变 时，i也突变，这是由于有功电流与系统的有功功率 成正比，而发电机输人到背靠背变流器的有功功率 与发电机转速和转矩的乘积成正比。从图中还可以

图11i从0变到30A时i与u波形 Fig. 11Waveforms of ig and u when id steps from 0 to 30 A

在实验室搭建了17kW背靠背直驱式风力发电

系统实验平台，利用三菱变频器驱动一个异步电动 机拖动永磁同步发电机。实验中功率开关管选择三 菱IPM，系统母线电压设定为500V，系统开关频率 为5kHz。考虑篇幅原因，本文只给出发电机侧实 验波形db34∕t 1589-2012 建筑节能门窗应用技术规程，如图12所示。

图12（a)（b)分别为发电机输出16Hz和40Hz 时发电机定子线电压和定子a、b相电流。图12(a) 中交轴电流给定为27A，直轴电流给定为0，从示波 器计算的相电流有效值看基本实现了电流跟踪。图 12(b)中有功电流给定为25A，无功给定为0。从2 幅图中可以看到，在发电机输出不同频率时背靠背 变流器都能够较好地实现能量向电网的传递。另 外，从发电机定子线电压波形可以看出，电网侧变流 器基本上将直流母线电压稳定在500V左右。

本文在Matlab/Simulink仿真环境下建立了永 磁直驱式风力发电系统的仿真模型，给出了发电机 侧和电网侧变流器的控制方法，利用S函数编写了 相关控制程序并给出了程序流程图。仿真结果表 明，直驱式风力发电系统能够在不同风速下稳定运 行，电网侧变流器在风速突变引起的发电机输出功 率变化的情况下能够稳定直流侧电压，输出有功和 无功功率完全独立可调，既能在单位功率因数下稳定 运行，也可以在超前和滞后功率因数下运行。另外， 实验表明用S函数编写的控制程序对于实际DSP编

程具有一定的可移植性，同时证明文中提出的直驱式 风电系统PWM背靠背变流器控制方法可行。

付勋波dbj∕t 15-120-2017 城市轨道交通既有结构保护技术规范，等：直驱式风力发电系统的仿真建模与运行特性研究

FU Xunbol²,GUO Jindong，ZHAO Dongli,XU H

（1.Institute of Electrical Engineering，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190,China； 2.GraduateUniversity of Chinese Academy of Sciences，Beijing100190,China)