10MW变速直驱型风力发电机组的建模及Matlab仿真_谭勋琼
直驱式永磁风力发电系统的MATLABsimulik建模与仿真
0 引言风能是一种重要的自然资源，风能具有可再生性和无污染的特点，受到了各国的重视，风力发电代替传统发电的比例正逐渐上升。
越来越多的出现在绿色能源应用领域。
而永磁同步风力发电机组由于直接驱动，结构简单，维护成本较低等特点，成为了目前风力发电领域研究的热点，由于永磁风力发电输出的为频率和电压均变化的交流电，需要通过变流装置才能并网运行，因此通过MATLAB、simulik 来建立永磁风力发电系统的模型，以模型为研究对像，考虑合适的控制算法，从而最终得到符合并网条件的交流电。
1 风力机的数学模型风力机以风作为原动力，并将风速转化为机械能的装置。
其捕捉风能的公式为：231(,)M P P R C V ρπλβ=（1）风力机转矩为：2531(,)2MM P T C R ωλθρπλ= （2） w RVωλ=（3）(3)(.)(0.440.0167)sin 0.00184(3)150Cp πλλββλββ−=−−− −（4）传动系统数据模型为：ge m g d JT -T -B dtωω= （5）2 永磁同步发电机数学模型为了分析永磁同步方法电机的动态性能，取永磁体转自中心线为d 轴，沿转子旋转方向超前d 轴90度为q，建立d、q 轴下的数学模型。
其电压、磁链和电磁转矩方程为：电压方程： d d d d e q q q q q q e f u Ri PL i -L i u Ri PL i ωωψ=+=++ （6）式中，Ud 为电压的d 轴分量，uq 为电压的q 轴分量，id 为电流的d 轴分量，iq 为电流的q 轴分量，ld 为等效d 轴电感，R 为定子电阻。
Ld 和Lq 为等效的dq 轴电感。
磁链方程为：d d d f q q q L i L i ψψψ=+=（7）转矩方程为： e p f q T n i ψ=（8）根据上述公式可知，极对数np 是永磁电机的参数，为一常数。
忽略磁效应，永磁体的磁链为常量，如果对于定子d 轴电流控制，使其为0，对于永磁发电机来说，电磁转矩与定子电流成正比关系，可以通过iq 来调节转矩，对电机转速调节可使得系统在最佳叶尖速比下运行，实现最大风能捕获。
基于Matlab的风力发电机的模型研究
率
当发电机转速高于气隙磁场旋转速度时 ,作超
同步速运行 , f 2 < 0 .此时 ,一方面变频器向转子提供 反相序励磁 ,另一方面因 s < 0 ,p2 < 0 ,转子绕组向 变频器送入有功功率. 当发电机转速等于气隙磁场
旋转速度时 , f 2 = 0 ,变频器向转子提供直流励磁 ,此 时 ,s = 0 ,p2 = 0 ,变频器与转子绕组之间无功率交 换. 由此可见 ,发电机励磁频率的控制是实现变速恒
功率的独立解耦控制.
3 风力发电机的仿真
以电流和发电机转子 转速 为状 态量 ,联立 式 (3 ) 、式 (4 )和式 (5 )可以得出变速恒频双馈发电机的 状态方程 :
I = AI + BU
ωr
=
1 Tj
(
T
m
-
Te)
(9 )
其中 :
A
=
L
2 m
1 - LsL
!
r
1机械与电子22006 (8)
RsL r
收稿日期 :2006 03 14
1机械与电子22006 (8)
图 1 交流励磁双馈发电机
步电机 ,定子绕组并网 ,转子绕组外接滑差频率电源
实现交流励磁. 当发电机转子旋转频率 f r 变化时 , 控制励磁电流 f 2 来保证定子输出频率 f 1 恒定 ,也 就是与电网频率一致 , 实现风力发电机的变速恒频 控制 ,即
系间的转换关系 [3 ]可知 :
ids = I1 sinφ
iqs = I1 co sφ
(7 )
式中 I1
定子电流
φ 定子功率因素角
联立式 (3 )～式 (7 ) , 并且令 p = 0 ,即可得到转
直驱永磁同步风力发电机组建模与仿真
直驱永磁同步风力发电机组建模与仿真作者：王旭峰来源：《科技视界》 2015年第1期王旭峰（安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽淮南 232001）【摘要】本文针对兆瓦级的永磁直驱同步风电机组（D-PMSG）多运行于并网发电状态，在DIgSILENT/PowerFactory仿真软件中搭建了基于双PWM全功率变流器的D-PMSG并网仿真模型；阐述了系统的运行原理，对机侧和网侧的变流器的控制策略进行了详细的分析，该系统能够实现风能最大功率追踪以及并网控制，仿真结果验证了所建模型的正确性和控制策略的可行性。
【关键词】风力发电；永磁直驱同步发电机；双PWM变换器；并网；DIgSILENT/PowerFactory作者简介：王旭峰（1992.05—），男，汉族，安徽天长人，硕士研究生，安徽理工大学电气与信息工程学院，主要研究方向为风力发电并网。
0引言目前，大规模风电场大多采用双馈异步发电机，但其存在很多缺陷。
特别在低电压穿越能力方面，因为双馈机的定子直接与电网相连，当电网发生故障或电压出现波动时会对发电机的正常运行产生很大影响。
永磁直驱同步风力发电机（permanent magnet synchronous generator, PMSG）因其没有故障率较高的齿轮传动，噪音小以及维护成本低等独特优势，已经成为风力发电领域重要研究方向。
直驱式永磁同步风电机组需经过全功率变流器才能接入电网，目前应用最多的是“AC-DC-AC”变流方式，其中采用背靠背四象限电压源型变流器的联网方式由于控制灵活而越来越受到重视。
1永磁同步风电机组结构该直驱永磁风力系统主要采用双PWM背靠背方案，其结构如图1所示。
永磁同步发电机定子通过背靠背变流器和电网连接，能够实现网侧的独立控制，并把电网不对称故障的影响最大限度的控制在网侧。
机侧PWM变流器的主要作用是控制风力发电机的运行，并实现最大风能跟踪。
网侧PWM变流器的主要作用是提供稳定的直流母线电压，并实现网侧的单位功率因数控制。
MATLAB在风力发电技术中的应用仿真(共33张)
图9-2 基于普通(pǔtōng)感应发电机的定速风电机组
第4页，共33页。
0.5 0.4 0.3
C p 0.2
0.1
0o
10o
2.5o
5o
0.0
-0.1 0
25o
2
4
6
15o
8 10 12 14 16
图9-3 关系(guān xì)曲线
第5页，共33页。
wi n d tu rb i n e 1
Vdc
Vdc (V)
wr
Speed (pu)
pitch pitch angle (deg)
图9-12
wi n d tu rb i n e 2
Trip
Wi n d T urbi ne Pro te cti o n
Trip Time
0
[T ri p_WT ]
0
Phasors pow ergui
第25页，共33页。
信号 1~3 4~6 7~8 9~11
表9-2 双馈变速风电机组输出(shūchū)信号
信号名称 Iabc(cmplx) (pu) Vabc(cmplx)(pu) Vdq_stator(pu) Iabc_stator (cmplx)(pu)
信号定义
以发电机额定电压为基准 值的流入风电机组端口电流 相量
A
A
B
B
C
C
Line1
A B C Three-Phase Fault
<wr (pu)> <P (pu)> <Q (pu)>
|u| <Vabc (cmplx) (pu)>
y From Workspace
大型变速恒频风力发电机组建模与仿真
大型变速恒频风力发电机组建模与仿真一、本文概述随着全球能源需求的日益增长，以及环保和可持续发展理念的深入人心，风力发电作为一种清洁、可再生的能源形式，正受到越来越多的关注。
大型变速恒频风力发电机组作为风力发电的核心设备，其性能直接影响到风电场的运行效率和经济效益。
因此，对大型变速恒频风力发电机组进行建模与仿真研究，具有重要的理论价值和实践意义。
本文旨在探讨大型变速恒频风力发电机组的建模与仿真技术。
文章将介绍风力发电的基本原理和大型变速恒频风力发电机组的基本结构。
接着，重点论述数学建模的理论框架和关键模型，如空气动力学模型、机械动力学模型、电力电子转换模型等。
在此基础上，将讨论仿真方法和技术，包括系统仿真、控制算法仿真以及性能评估等方面。
通过具体案例分析，展示建模与仿真技术在大型变速恒频风力发电机组设计、优化和运行控制中的应用。
本文的研究不仅有助于深入理解大型变速恒频风力发电机组的运行机制和性能特性，也为风电场的规划、设计、运行和维护提供了有力支持。
研究成果还可为风力发电技术的发展和创新提供有益参考。
二、风力发电机组的基本原理与结构风力发电机组是利用风能转换成电能的设备，其基本原理和结构是风力发电技术的核心。
风力发电机组主要由风轮（也称为风力机或风叶）、齿轮增速箱、发电机、偏航系统、塔架、控制系统等部分组成。
风轮是风力发电机组的核心部件，它由一组或多组风叶组成，通常呈水平轴或垂直轴布置。
当风吹过风叶时，风叶受到风力的作用开始旋转，将风能转化为风轮的机械能。
风轮旋转的速度与风速成正比，但由于风速的不稳定性，需要通过齿轮增速箱将风轮的旋转速度提高到发电机可以接受的范围内。
发电机是将机械能转换为电能的设备，风力发电机组中常用的发电机主要有同步发电机和异步发电机两种。
发电机的工作原理是通过电磁感应产生电能，当风轮通过齿轮增速箱驱动发电机转子旋转时，发电机的定子中就会产生感应电动势，从而将机械能转换为电能。
直驱式风力发电机的建模与仿真分析
１ 概述
随着 近年来 风 电在并 网新 能源 中所 占 比例 越来 越 大 ， 研 究风 电并 网后 对 电网的影 响也得 尤 为重要 。 恒速 恒频和 变速恒 频 是 当下 并 网风力 发 电机组 的主流模 式” ｌ 。 直驱 式 风力 发 电系统 与双 馈式 风力 发 电机相 比 ， 那 些容 易发生 故
方程 ：
少， 变流 器 及其 控 制 系统 成 为主 流 研 究 方 向 ， 通 过 对 整 个 系统 进行 控 制 ， 进 而跟 踪 风力 发 电机 的最 大 功率 ， 实 现 并 网。文 献【 ２ 】 和【 ３ 】 建 立 了详细 的变流器 模 型 ， 并研 究 了直驱 永磁 风 力发 电机 的工作 原 理 ， 通过控 制 发 电机 转速使 机 组
ｆ Ｕ ｄ Ｒ ｉ ｄ ＋ ｐ Ｌ ｄ ｉ ｄ — ｃ ＾ ） ｅ Ｌ ｑ ｌ ａ
【 ｕ ｑ ＝ Ｒ ｉ ｑ ＋ ｐ Ｌ ｑ ｉ ｑ — ｃ ＾ ） ｅ Ｌ 山４ － ｃ ＾ ） 。 ｆ
ｆ １ １
一
式中， ｕ ｄ 为 电压 的 ｄ轴 分量 ， ｕ 。 为 电压 的 ｑ轴 分量 ， ｉ ｄ 为 电流 的 ｄ轴 分量 ，ｉ 。 为 电流 的 ｑ轴 分量 ， Ｌ 口 为 等效 ｄ轴
在 风速 低于 额定 值 时 实现最 大功 率跟 踪 ： 如 果 风速超 过 额 电感 ， Ｌ ｏ 为等效 ｑ轴 电感 ， Ｒ为定子 电阻。 定值 ， 借 助 桨距 角 进 行控 制 ， 在 一 定程 度 上确 保 系统 保 持 磁 链 方 程 为 ： ｉ Ｌ ｄ Ｉ ＋ 在 额 定输 出功 率状 态 ， 在 风 速范 围较 大 时 ， 通过 控 制 风 电 ｌ ｑ ＝ Ｌｑ ｌ ｑ
变速恒频双馈风力发电系统仿真研究
变速恒频双馈风力发电系统仿真研究变速恒频风力发电双馈异步发电机双PWM型变换器1引言风力发电是利用风能的一种有效形式，受到了广泛的关注。
和常规风力发电系统相比，变速恒频双馈风力发电系统具有功率因数可调、效率高等优点，同时变换器连接在转子回路，仅处理双向流动的转差功率，不仅具有变换器体积小、重量轻、成本低的特点，更可实现机电系统的柔性连接。
本文采用DFIG功率控制来实现最大风能追踪的实施方案。
基于最大风能追踪的需要，将磁场定向矢量控制技术应用到DFIG运行控制上，形成了基于定子磁链定向的DFIG有功、无功功率解耦控制策略；采用双PWM型变换器作为转子的励磁电源，基于电网电压定向矢量控制技术，实现了网侧变换器交流侧单位功率因数控制和直流环节电压控制。
在建立双馈风力发电系统仿真模型基础上，对整个系统进行了仿真分析，验证了该方案的正确性和可行性。
2 变速恒频双馈风力发电机的运行原理双馈型异步发电机（DFIG）采用绕线转子感应发电机，定子直接接电网，在转子侧施加交流励磁来控制发电机的转矩。
由DFIG实现的交流励磁，可以通过调节励磁电流的幅值、频率和相位实现灵活的控制；改变转子励磁电流的频率，DFIG可以实现变速恒频控制；改变转子励磁电流的相位，可以调节有功功率和无功功率[1][2]。
本文采用双PWM变换器作为DFIG转子励磁电源系统，如图1所示。
两个三相电压源型PWM 全桥变换器采用直流链连接，靠中间的滤波电容稳定直流母线电压。
转子侧变换器向DFIG的转子绕组馈入所需的励磁电流，实现DFIG的矢量控制及输出解耦的有功功率和无功功率进而实现可逆运行。
网侧变换器在实现能量双向流的同时，控制着直流母线电压的稳定，以及对网侧的功率因数进行调节。
图1 变速恒频双馈风力发电系统框图3双馈异步发电机的数学模型为了实现双馈电机的高性能控制，采用磁链定向的矢量变换技术，通过坐标变换和磁链定向，将DFIG定子电流分解成相互解耦的有功分量和无功分量分别控制，从而实现有功功率和无功功率的解耦控制。
基于Matlab的大型兆瓦级风电机脉动风速时程数值模拟
基于Matlab的大型兆瓦级风电机脉动风速时程数值模拟曹玉生;包格日乐图【摘要】Take the large scale megawatt wind turbine's structure in the western region of Inner Mongolia for example , this paper simulates the fluctuating wind velocity time series of large scale megawatt wind turbine using the Harmony Superposition method , considering the characteristics of the wind turbine shape and the fluctuating wind spectrume including blade -tower interaction .Comparing target spectrum and calculation spectrum, it can be confirm the feasibility of this method .Finally, it can be simulate the tower or large-span structure using the result of fluctuating wind velocity time series for further research .%本文旨在模拟西部内陆地区大型兆瓦级风机所受风荷载的脉动风速成分，基于风机结构自身在风荷载作用下各质点具有空间相干性的基本性质，依据风机整体结构的体型特征和脉动风功率谱特性，利用谐波叠加法对风机结构所处的随机风场的脉动风速时程进行数值模拟，通过对比计算谱与目标谱的齿合程度，确认该方法的切实可行性，为模拟高耸结构及大跨度结构在长时间随机风荷载作用下的动力时程响应提供了可靠适用的随机风荷载时程数据。
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发电系统中风力发电机组的功率转换性能，将直接 影响电力系统的电压和频率的调节。为了分析风力 发电机组在整个电力系统的运行性能，建立一个比 较合理的风力发电机组暂态仿真模型，并仿真分析 其各种工作性能，对指导风力发电运行特性有着重 要的意义。 风力发电系统是一个有着各种类型的复杂系 统，变速直驱型永磁风力发电系统因其具有能量转 换效率高、系统可靠性高、并网功率控制灵活，风 力发电机组简单 （不含齿轮变速箱） ， 故障穿越能力 强等优点，成为我国风力发电领域重要的研究和发
谭勋琼，等
10 MW 变速直驱型风力发电机组的建模及 Matlab 仿真 Vs = 2∑ [ SVs (ωi )Δω ]1 2 cos(ωi + φi )
i =1 N
- 9 -
展方向。一个完整的直驱型风力发电机组模型，应 当包含风速模型[1-4]， 功率转换模型[5-17]， 风涡轮 （包 括叶片和轮毂） 、 传动轴及永磁同步电机转子三者所 构成的传动链模型[18-22]。本文重点研究由上述三个 部分所构建的一个 10 MW 直驱型风力发电机组的 Matlab 详细建模及仿真分析，为大功率变速直驱型 风力发电系统与大规模电力系统并网发电及控制技 术的仿真分析，提供基础性的研究。
⎧当t < T3或t > T4时, Vg = 0 ⎪ ⎨ Vg = A1[1 − cos(2 π(t / D − T3 / D ))] ⎪ ⎩当T3 ≤ t ≤ T4时, （4） 其中： D = T4 − T3 是阵风的持续期。
λ 为叶尖速比，定义为转动的叶片尖梢速率
Vblade _ tip （ m/s ）对风速 Vwind 的比率，即
（6） （7）
ωi = (i − )iΔω
1 2
其中： i 是离散的点数； Δω 是频谱的间隔； φi 是一 个均匀分布的随机变量； K N 代表着地形粗糙度系 数，通常取值 0.004； F 指扰动范围，单位为 m ； μ 代表相应高度上的平均风速。 这种风速模型虽然给出了风速的随机和隔歇特 性比较精确的描述，但在实际中，一些相关的参数 却很难确定， 因此， 此模型一般只用于仿真分析中。 鉴于研究的范围，本文只考虑在平均风速及其单步 变化下，风力发电机组的建模及运行特性。 1.2 风涡轮功率转换模型及仿真分析 1.2.1 模型的建立 风涡轮功率转换模型的主要作用是把风速模型 的风能转换为机械能，以扭矩的形式作用在风力发 电机组的传动链上。基于空气动力学和涡轮机的稳 态功率特性，风涡轮功率转换输出的机械功率可以 由式（8）给出。
2
1
风力发电机组各部分的工作原理及建模
1.1 风速模型 目前， 随着风力发电系统装机容量的大幅增加， 研究包含有风力发电系统的电力系统稳定和动态建 模，都要涉及到风速，因此，建立风力发电机组的 模型，首先从风速模型开始。通用的风速模型由四 个成份所构成，即 V = Vm + Vr + Vg + Vs （1） 由平均风速 Vm ， 基于平均风速斜率增长的风速
非线性函数。它的理论上的最大值是 16/27=0.593
- 10 -
电力系统保护与控制
(Betz 限制)。 函数 Cp (λ , β ) 可以通过查表的方式获取，也 可以用通用的函数表达式（11）表示。
c8 1 −c4 −c3i(2.5+ β) +c2i( − ) λ +c7i(2.5+ β) 1+(2.5+ β)3 Cp(λ,β) = c1i(c6iλ + ) C 1 e
0
引言
风力发电及并网技术对于调整能源结构，减轻 环境污染，解决能源危机等方面有着非常重要的意 义。 近年来， 随着风力发电技术及产业的迅速发展， 风电已在由传统的火电、核电和水电构成的大规模 电力系统中，占有了不可忽视的地位，因此，风力
基金项目：湖南省教育厅科学研究项目(10C0355); 长沙理 工大学重点学科建设项目资助
第 39 卷 第 24 期 2011 年 12 月 16 日
Power System Protection and Control
电力系统保护与控制
Vol.39 No.24 Dec.16, 2011
10 MW 变速直驱型风力发电机组的建模及 Matlab 仿真
谭勋琼 1,2，唐 佶 1，吴政球 2
（1.长沙理工大学物理与电子科学学院，湖南 长沙 410114； 2.湖南大学电气与信息工程学院，湖南 长沙 410082） 摘要： 构建了一个包含风速模型、 功率转换模型、 传动链模型等三个部分的 10 MW 变速直驱型风力发电机组的标么值的 Matlab 模型。传动链模型是基于二质量块— — 轴数学模型所构建的动态模型。通过标么值的转换及灵活的参数调整，该模型能较准 确地模拟各种变速直驱型风力发电机组。仿真分析获取了最大功率跟踪特性曲线，并得到了风力发电机组的四个工作区。结 果还能表明，电负荷电磁阻力矩能动态地调整电机转子转速，从而在低速风时能实现风能最大功率的追踪。同时，风涡轮的 桨距角能控制高速风的利用率，使风涡轮机工作在额定功率下，有效地防止整个风力发电系统的机械和电负荷容量的过载冲 击。作为原动力模型，该模型有助于进一步研究变速直驱风力发电系统的功率特性和并网发电控制技术。 关键词：风力发电；风力发电机组；传动链；Matlab 建模；仿真
λ = Vblade _ tip / Vwind Vblade _ tip = R × ω
（9） （10）
式中： R 为叶片的半径（m）； ω 为叶片旋转的角 速度（ rad s ）； β 为叶片桨距角度（°），定义为 叶片侧剖面弦线和风涡轮的旋转平面之间的角度， 如图1所示。
4） 随机风速描绘风速的随机特性， 由扰动所包 含的固定频谱密度成份构成其频域表达式
10 MW variable speed direct-driven wind turbines modeling and Matlab simulation
TAN Xun-qiong1, 2，TANG Jie1, WU Zheng-qiu2 (1. College of Physics and Electronic Science，Changsha University of Science & Technology，Changsha 410114, China; 2. College of Electrical and Information Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China) Abstract: This paper establishes a 10 MW variable speed direct-driven wind turbines model that is per unit standard Matlab model. The model contains three components, that is wind speed model, power conversion model, and drive chain model. The blades, blades hub, shaft constitute a sub-module and rotor form another sub-module in the drive chain model. Through the per unit standard conversion and flexible parameter adjustment, the model can accurately simulate a variety of variable speed direct driven wind turbines. Simulation results show that the resistance magnetic moment of electrical load can dynamically adjust the rotor speed, thereby achieving the wind maximum power tracking in the case of low-speed wind and that the wind turbine pitch angle can control the utilization of high-speed winds and effectively prevent capacity of mechanical and electrical load from overloading in the wind power system. On researching the transient performance and grid control technology of variable speed direct driven wind turbines in large-scale electric power grid with wind power system, the model is of more important significance. This work is supported by Scientific Research Fund of Hunan Provincial Education Department (No. 10C0355). Key words: wind power generation；wind turbines；drive chain；Matlab modeling；simulation 中图分类号： TM315；TM74 文献标识码：A 文章编号： 1674-3415(2011)24-0008-08
式中： A ， K 分别为 Weibull 分布的比例和形状参 数， Γ(1 +
1 ) 为一个常量的函数计算值。 K
2
2） 斜率增长的风速可以用三个参数来表征， 即： 斜率的大小 K1 ( m/s )，起始时间 T1 ，终止时间 T2 。 函数表达式为 ⎧当t < T1或t > T2时, Vr = 0 （3） ⎨ Vr = K1t ⎩当T1 ≤ t ≤ T2时, 3） 阵风也用三个参数表征， 即： 阵风的幅值 A1 ， 起始时间 T3 ，终止时间 T4 。函数表达式为