基于Matlab/Simulink直驱式永磁风力发电系统的建模与仿真--《农业网络信息》2011年02期
基于Matlab/Simulink直驱式永磁风力发电系统的建模与仿真
【摘要】：直驱式风力发电系统不需要电励磁、噪声小、维护费用低、控制简单,在风力发电系统中越来越受到欢迎。在Matlab/Simulink环境下,建立了直驱式永磁同步发电机的风力发电系统仿真模型,模型通过对风速、风力机、永磁同步发电机、全功率变流器进行理论分析实现模型搭建,最终建成整个风力发电系统模型。仿真结果表明,系统能够在不同风速下稳定运行,最终输出的电压波形近似正弦,谐波含量小。
【作者单位】：
【关键词】：
【分类号】：TM315【正文快照】：
风能作为一种无污染、可持续发展的能源越来越受到人类的重视。风力发电作为一种风能的主要利用形式正以前所未有的速度发展,风力发电代替传统能源发电的比例正逐步上升,并在电力系统受越来越受到欢迎和重视[1-2]。大型永磁同步风力发电机组具有直接驱动、结构简单、效率高等
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京公网安备75号基于simulink的直驱式永磁同步风力发电机组建模
上午袁牛带了篇文献过来，要按照其中的内容，搭建一个直驱式永磁同步风力发电机组的模型，看了一下文献，觉得思路不是很清晰，前面的子模型介绍和后面的整体框图有点对应不上，该说的东西没有说清楚，不过相对很多国内的文献瞎忽悠，还是好了很多，至少认真分析一下还是可以把模型再现的，昨晚宿舍还讨论了一下，说是国外的文献复现性很高，都有相应的代码和参数，条理很清晰，就像给刚入门的新手看的，国内就不行，搞的很高深，对应的参数什么的都不给出，你也不知道他的这个文献到底是做出来没有。
&&&&现在想想刚开始就看子模块搭建模型不是很好的思路，应该根据最后的总体框图搭建，这样可以把握全局，注意到各个模块之间的联系。文献所给的总体框图如图1所示。我们主要根据图1进行各个子模块的搭建。关于子模块的搭建，之前的博客已有说明，现在再说一下，就是先拖出Subsystem，然后确定输入输出个数，完成相应的内部连接。
图1 文献中D_PMSG模型及其控制框图
好了，根据图1首先开始进行SC模块的搭建。图2是文献中转速控制器（Rotational speed
controller的）控制策略图，所用到的控制器为PI，这里要说明一下，我们常用的PID控制器模块是Simulink
Extras下的Additional Linear中的PID
Controller模块。图3为我们所搭建的转速控制器模块，与图1中的SC模块相比，增加了电角频率We输入端口。
图2 文献转速控制SC模型
图3 所搭转速控制SC模型
然后进行PMSG模块的搭建，主要根据文献中的图4和图5进行模型的搭建。由于Ld=Lq=L,所以图4中的前半部分可以省略。根据图5分析，图1的PMSG模块的输入端口还需要添加发电机转子转速Wg,同时图5中仅仅有3个输出，还需一个输出Te，从图4可以看出Te=1.5*ro*np(1)，ro是永磁体的磁链，我们得到PMSG的模型如图6所示。
图4 文献转动系统模型（model of the drive train）
图5 发电机模型（model of the generator）
图6 所搭PMSG模型
图7 所搭PMSG子模块引脚图
然后进行传统系统模型DT模块的搭建，原理图如图4所示，根据图1，DT模块为两个输入Te、Tw，两个输出Wg、Pe，因此需对图4进行相应的修改。Wg可以根据图4直接计算出，据式子Pw=Tw*Ww(2),我推测Pe=Te*We(3)，同时，We=np*Wg=np*Ww(4)，从而搭建如图8所示的DT模块。
图8 所搭DT模块
接着进行风力机模型WT（model of wind
turbine）模块的搭建。主要根据文献中的图8和图9。图9中的max模块在Math
Operations模块中，Kv是比例控制参数，r=Ww*R/Vw(5)，Vw是实际风速，额定风速为VwN。图8中的式子10为：Weref=Vw*r*np/R(6)，图8中的式子1为：Tw=0.5*p空气密度*pi*（Vw）^3*Cp/r,(7)，图8中的式子2为：Cp=0.22*(116/b-0.4*sin-5)*exp(-12.5/b),(8)，图8中的式子3为b=1/(1/(r+0.08*sin)-0.035/(sin^3+1))，以上各式中，Cp为和浆距角sin和叶尖速比r有关的功率系数，R为风力机转子半径。搭建出来的浆距角控制器模块如图10所示，搭建出来的WT模块如图11所示，与图1相比，所搭建的WT模块多了实际风速Vw输入端口，这个应该是我们所输入的常量或者变化的数值。
风力机模型图（model of wind
turbine）&&&&&&&
图9 浆距角控制器（pitch angle controller）
图10 所搭浆距角控制器模块
图11 所搭WT模块
图12 所搭WT模块引脚图
至此，系统所有的子模块已经完成，我们将各个模块组合在一起，就构成了完成的D_PMSG模型，如图13所示。需要输入的量有d轴电流给定量和实际风速Vw。
图13 所搭D_PMSG模型
模型建好以后，在仿真之前要进行仿真算法的设置，如图14所示。主要设置的有步长、过零点限制、求解器之类的，根据以前电机仿真查的文献知道，对于电机仿真一般可用ode23tb和ode15s，可能是速度比较快。
图14 仿真算法的设置
在仿真过程中碰到一个问题，出现了代数环algebraic
loop，查了半天资料，说是可能出现了输入和输出直接相连的情况，可以用memory模块或者积分模块的state
port解决，搞了半天还是出错，后来在主窗口中发现提示图11中的公式1除数为0，我修改了一下，将图11中的公式1变为u(1)^2*u(2)/(u(4)+eps)，最后运行通过了，具体的参数什么的留给袁牛细调了。
在解决代数环问题的时候，发现一个操作，就是simulink的tools菜单下的Simulink
Debugger可以进行模型检查之类的。
尹明，李庚银，张建成，赵巍然，薛轶峰.直驱式永磁同步风力发电机组建模及其控制策略[J].电网技术，)：61-65.
邱杰，原渭兰.数字计算机仿真中消除代数环问题的研究[J].计算机仿真，-35，40.
日晚上于njust&10系 310房间
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基于Matlab/Simulink的直驱式永磁风力发电系统的建模与仿真
【作者基本信息】
电气工程，
【摘要】 最近几年,因为环境和资源问题渐渐严重,可再生资源的开发与利用越来越得到重视,风能作为一种技术成熟的可再生能源,利用其发电的方式得到了快速发展,具有广阔的发展前景。变速恒频双馈风力发电系统具有齿轮箱,与其相比,同步直驱风力发电系统省去了该环节,减小了因为齿轮箱带来的机械损耗和设备的不稳定性,具有转换效率高、可靠性高、控制灵活等优点,发展较好。通过研究风力机和永磁同步发电机各自的特性和运行机理,建立了永磁直驱风力发电系统的数学模型。具体包括风速模型、风力机模型、永磁同步发电机模型和控制系统模型。本文讨论比较了当前不同的风力发电系统的优缺点；分析永磁同步发电机基本工作原理,在此基础上建立该电机在定子a-b-c坐标系以及转子d-q-O坐标系下的数学模型；给出常用风力发电系统变流器的拓扑结构,并选用双PWM变换器作为风力发电系统的并网接口；讨论设计了双PWM变换器的控制模型,采用电压空间矢量控制策略对其进行控制,并对电机侧d、q轴电流控制策略进行对比,分析不同电流控制策略应用于直驱风力发电系统的情况。最后,在Matlab/Simulink环境下建立风力发电并网系统模型,采用简化风速模型,调试并验证控制策略的有效性、可行性,证明所搭模型的正确性。
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