基于直驱式永磁同步发电机组的风电场动态建模_夏玥
基于实时数据的直驱风电场等值建模方法和装置
基于实时数据的直驱风电场等值建模方法和装置随着可再生能源的快速发展，风电成为了世界各地最重要的清洁能源之一、然而，由于风速的持续变化以及风电场中风机的数量众多，如何准确建模和控制风电场成为了一个挑战。
为了解决这个问题，研究者们提出了基于实时数据的直驱风电场等值建模方法和装置，以实现对风电场的精确控制。
1.数据采集：通过在风电场中布置传感器和监控设备，采集与风速、风向、风机状态等相关的实时数据。
这些数据可以以时间序列的形式记录，并通过无线传输技术传送到控制中心。
2.数据处理：对采集到的数据进行预处理，包括去除异常值、平滑处理和数据插值等。
预处理的目的是消除数据的噪声和间断性，并恢复数据的连续性。
3.建模方法选择：根据风电场的实际情况和需要，选择适合的建模方法。
常用的建模方法包括回归分析、神经网络和支持向量机等。
这些方法可以根据实时数据的特点，建立风速到风机输出功率之间的关系模型。
4.模型训练：使用历史数据集对所选的建模方法进行训练，以调整模型参数和提高预测精度。
训练过程可以使用交叉验证和优化算法进行优化，以找到最佳的模型参数。
5.模型验证：使用未知数据集对所建立的模型进行验证，评估模型的预测精度和稳定性。
如果模型的预测结果符合预期，则可以将其应用于实时控制。
基于实时数据的直驱风电场等值建模装置是实现上述方法的硬件设备。
该装置主要包括风速传感器、风向传感器、风机状态监测装置、数据采集模块、数据处理模块、建模方法模块和控制模块等。
风速传感器和风向传感器用于监测风电场中的风速和风向，风机状态监测装置用于监测风机的工作状态。
数据采集模块负责采集实时数据，并将其传送到数据处理模块进行预处理。
建模方法模块则根据所选的建模方法，训练模型并对实时数据进行预测。
最后，控制模块根据模型的预测结果，实现对风电场的控制。
基于实时数据的直驱风电场等值建模方法和装置可以有效地预测和控制风电场的输出功率，提高风电场的运行效率和稳定性。
基于双PWM变换器的直驱永磁同步风力发电机组建模与仿真
基于双PWM变换器的直驱永磁同步风力发电机组建模与仿
真
陈建伟;晁勤;蒋佳良;王厚军
【期刊名称】《可再生能源》
【年(卷),期】2010(028)005
【摘要】直驱永磁同步风力发电(D-PMSG)系统无变速箱,效率高,稳定性好,能获得质量较好的电能,通过变换器与电网相连,可灵活控制系统的电压和频率,能够对输出的有功功率和无功功率进行相对独立的控制.文章利用电力系统分析软件DIGSILENT/Power Factory,在建立D-PMSG和双PWM变换器模型的基础上,结合典型算例系统结构进行了仿真分析,验证了所建模型的正确性.
【总页数】4页(P23-26)
【作者】陈建伟;晁勤;蒋佳良;王厚军
【作者单位】新疆大学,电气工程学院,新疆,乌鲁木齐,830008;新疆大学,电气工程学院,新疆,乌鲁木齐,830008;新疆大学,电气工程学院,新疆,乌鲁木齐,830008;新疆大学,电气工程学院,新疆,乌鲁木齐,830008
【正文语种】中文
【中图分类】TK89%TM762
【相关文献】
1.直驱式永磁同步风力发电机组的建模与仿真 [J], 张梅;何国庆;赵海翔;张靠社
2.直驱永磁同步风力发电机组建模与仿真 [J], 王旭峰
3.基于MATLAB直驱式永磁同步风力发电机组建模与仿真的研究 [J], 赵敏
4.基于Matlab/Simulink的永磁直驱风力发电机组建模和仿真研究 [J], 朱亮; 徐希望; 王祥旭
5.基于Matlab／Simulink的永磁直驱风力发电机组建模和仿真研究 [J], 朱亮; 徐希望; 王祥旭
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基于MatlabSimulink的永磁直驱风力发电机组建模和仿真研究
研究
01 引言
03 建模与仿真 05 结论与展望
目录
02 相关技术综述 04 结果与分析
引言
随着环境污染和能源短缺问题的日益严重，可再生能源的开发和利用逐渐成 为研究热点。风能作为一种清洁、可再生的能源，在全球范围内得到了广泛应用。 永磁直驱风力发电机组是一种新型的风力发电系统，具有高效、可靠、节能等优 点，在风能利用领域具有广阔的应用前景。MatlabSimulink作为一种强大的数值 计算和仿真工具，为永磁直驱风力发电机组的建模和仿真研究提供了有效的手段。
结论与展望
本次演示基于MatlabSimulink对永磁直驱风力发电机组进行了建模和仿真研 究，探讨了风速、控制策略和冷却系统等因素对发电机组性能的影响。通过仿真 实验，发现了一些有实用价值的结果，为实际应用提供了参考。然而，本研究也 存在一定的局限性，未来可以对风速模型、控制策略和整个风力发电系统进行更 深入的研究和优化。
通过仿真研究，可以分析不同设置条件对模型和仿真的影响。例如，改变风 速大小和变化规律，分析发电机组的输出功率和效率变化；调整控制策略，研究 其对电机控制性能的影响；改变冷却系统参数，分析其对电机温度场分布的影响 等。通过对比实验和仿真结果，可以总结出建模与仿真的方法与技巧，为实际应 用提供参考。
结果与分析
建模与仿真
在MatlabSimulink中建立永磁直驱风力发电机组的模型，需要对各个组成部 分进行详细建模。首先，建立风速模型，根据风速的变化，通过控制电力电子变 换器来调节发电机转速，实现风能的最大捕获。其次，建立永磁发电机模型，根 据磁场分布和电机的结构参数，计算电机的电磁性能。此外，还需要建立电力电 子变换器和控制系统模型，实现电能的转用价值的结果。首先，风速对永磁直驱 风力发电机组的输出功率和效率具有显著影响。在平均风速较高的情况下，发电 机组的输出功率和效率较高；而在风速波动较大的情况下，发电机组的输出功率 和效率会受到一定影响。其次，控制策略对发电机组的性能具有重要影响。
直驱式永磁同步风力发电机组建模及其控制策略
直驱式永磁同步风力发电机组建模及其控制策略一、本文概述随着全球能源需求的持续增长和环境保护的日益紧迫，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。
直驱式永磁同步风力发电机（Direct-Drive Permanent Magnet Synchronous Wind Turbine Generator, DDPMSG）作为一种新型风力发电技术，以其高效率、高可靠性以及低维护成本等优点，逐渐成为风力发电领域的研究热点。
本文旨在对直驱式永磁同步风力发电机组的建模及其控制策略进行深入研究。
文章将介绍直驱式永磁同步风力发电机的基本结构和工作原理，为后续建模和控制策略的研究奠定基础。
接着，文章将详细阐述直驱式永磁同步风力发电机组的数学建模过程，包括机械部分、电气部分以及控制系统的数学模型，为后续控制策略的设计提供理论支持。
在控制策略方面，本文将重点研究直驱式永磁同步风力发电机组的最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking, MPPT）控制和电网接入控制。
最大功率点跟踪控制旨在通过调整发电机组的运行参数，使风力发电机组在不同风速下都能保持最佳运行状态，从而最大化风能利用率。
电网接入控制则关注于如何确保发电机组在并网和孤岛运行模式下的稳定运行，以及如何在电网故障时实现安全可靠的解列。
本文还将探讨直驱式永磁同步风力发电机组的控制策略优化问题，以提高发电机组的运行效率和稳定性。
通过对控制策略进行优化设计，可以进一步减少风力发电机组的能量损失，提高风电场的整体经济效益。
本文将对直驱式永磁同步风力发电机组的建模及其控制策略进行总结，并展望未来的研究方向和应用前景。
通过本文的研究，可以为直驱式永磁同步风力发电机组的实际应用提供理论指导和技术支持，推动风力发电技术的持续发展和优化。
二、直驱式永磁同步风力发电机组的基本原理直驱式永磁同步风力发电机组（Direct-Drive Permanent Magnet Synchronous Wind Turbine Generator，简称DD-PMSG）是一种将风能直接转换为电能的装置，其基本原理基于风力驱动、机械传动、电磁感应和电力电子控制等多个方面。
适用于中长期仿真的风电场模型
Ｖｏ １ ． ３ ４，Ｎｏ ． １ ０ Ｏｃ ｔ ．２ ０ｌ ５
适 用 于 中长 期 仿 真 的风 电场 模 型
孙 小 燕 ，朱 永 强 ，朱 凌 志 ，何 光泉
（ １ ．华 北 电力 大学 电气与 电子 工程 学 院 ，北京 １ ０ ２ ２ ０ ６ ； ２ ．中 国电力科 学研 究 院新 能源研 究所 ，江 苏 南京 ２ １ ０ ０ ３ ７ ）
作 者 简 介 ：孙 小 燕 （ １ ９ ９ ０ － ） ， 女， 河 北籍 ， 硕士研究 生 ， 研 究 方 向为 新 能 源 发 电 与并 网技 术 ；
式风 力发 电机 组 的 电磁 暂 态模 型进 行 了 化 简 ， 得 到 适 用 于 中长期 仿真 的单 机 简化 模 型 ； 然 后 提 出 了 中 长期 仿真 过程 中 的风 电场模 型 ， 该 模 型 包 括 有 功控
制模 块和无 功 控制模 块 ； 最后 ， 对所 提模 型进 行 了仿
型 。 电力 系统 中长期 仿 真 中要 涉 及一般 暂 态稳定 仿
真验 证 ， 结 果表 明了模 型 的正 确性 以及 在 中长期 仿 真过 程 中风 电场模 型 的有效性 。
２ 直 驱 式 风 电机 组 的模 型
直驱 式 风力 发 电系 统 的基 本结 构 如 图 １所 示 ，
包 括 风力机 、 传 动 系统 、 发 电机 、 变 流 器 及 其 控制 模
中图分类号 ： Ｔ Ｍ６ １ ４ 文献标识码 ： Ａ 文 章 编 号 ：１ ０ ０ ３ ． ３ ０ ７ ６ （ ２ ０ １ ５ ） １ ０ － ０பைடு நூலகம்０ ２ ３ － ０ ５
１ 引 言
据 中国可 再生 能源 学会 风能 专业 委员 会发 布 的
直驱式永磁同步风力发电机组建模及其控制策略
直驱式永磁同步风力发电机组建模及其控制策略以下是一份基于MATLAB/Simulink 的直驱式永磁同步风力发电机组建模及其控制策略：一、建模风能转化成机械能模型使用动量理论实现风能转化成机械能的公式为：Tm = 0.5 * rho * A * V^3 * Cp其中，Tm 代表风能转化成机械能；rho 表示空气密度；A 表示叶片面积；V 表示风速；Cp 表示功率系数。
机械能转化成电能模型利用如下公式将机械能转化为电能：PE = (3 / 2) Pr * we - Pc其中，PE 代表电能输出；Pr 代表额定转速；we 代表电机转速；Pc 代表电机旋转时的损耗。
直驱式永磁同步风力发电机组模型基于上述两个模型可以构建出直驱式永磁同步风力发电机组模型。
二、控制策略电流闭环控制直接对发电机组输出的电流信号进行控制，可以有效避免因转速变化而引起的电流波动，从而使得发电机组在不同负荷下都能够保持稳定运行。
转速控制通过控制电机的输出转矩来实现对风力发电机组转速的控制。
可以采用PID 控制算法，从而实现转速的闭环控制，并根据风速实时调整PID 参数。
功率最大点跟踪控制通过感知气象条件和负载变化，实时寻找发电机组的功率最大点，从而实现对风能转换的最高利用率。
可以采用极坐标控制算法或是模型预测控制算法，根据风速、发电机负载等实时数据选择使用最优控制算法。
故障检测和诊断实时监测发电机组传感器和执行器的状态，并根据预设故障模型进行异常判定和故障诊断，从而实现对风力发电机组故障及时响应。
直驱式永磁同步风力发电机组建模及其控制策略的设计，可以使得发电机组在不同气象条件下实现最高效率的电能输出，从而增加风能利用效率，减少风力发电成本。
基于MPPT算法的风力永磁发电系统的仿真研究
基于M PPT算法的风力永磁发电系统的仿真研究王丰收沈传文孟永庆西安交通大学摘要:作为一种绿色能源,风力发电在我国发展迅猛。
采用永磁同步发电机的直驱式风力发电系统,因为其具有效率高,制造方便,控制效果好的优点,逐渐成为人们研究的焦点。
使用M atlab/Simulink对基于永磁同步发电机的风力发电系统及其最大功率追踪算法进行了仿真研究,并给出了仿真结果。
仿真结果验证了该类风力发电系统具有更高的风能利用效率,系统工作稳定可靠的优点。
关键词:风力发电最大功率点追踪永磁发电机Simulating Study of Wind Power System Usingthe PMSG Based on the MPPT MethodWang Fengshou Shen Chuanw en M eng YongqingAbstract:A s a gr een ener gy,w ind ener gy is dev elo ped quickly in o ur co untr y.Due to hig h efficiency,easy manufactur e and excellent contro l tr aits,t he dir ect driving wind po wer system invo lveing the permanent mag-net synchr onous g enerat or is attracting people c s at tention g radua lly.M ade a simulating study on the w ind po w-er system based on the P M sy nchr onous g ener ator and its max imum power po int tracking(M PP T)method by M atlab/Simulink,and g ave the simulating results.T he final results test ify the v ariable speed sy stem's go od trait s o f captur ing mor e po wer and system reliability.Keywords:w ind po wer maximum pow er point tr acking(M PPT)permanent mag net synchr onous gener-ato r(PM SG)1引言风力发电是可再生能源发电,因其无污染,在国内外受到广泛的关注。
三种风力发电机组的建模与仿真
近年来风能的开发利用已得到世界各国的高度 重视 ,技术和设备的发展很快 ,风力发电机组由最初 的恒速恒频型发展到变速恒频型 ,发电效率有了显 著提高 。恒速恒频型发电机组以异步发电机为代 表 ,目前我国的风电场多采用此种发电机[1] ,其主要 优点是结构简单 、成本低 、过载能力强以及运行可靠 性高 ,但是发电机的功率因数较低 ,因此一般要在输 出端安装可投切的并联电容器组提供无功补偿 。
由于恒速恒频型发电机组的异步机是国内当前 各风电场的主流机型 ,而国内近年引入的技术又以 变速恒频风力发电机组为主 ,因此本文主要针对上 述风力发电机组的模型进行了仿真和研究 ,分别建 立了异步感应电机 、双馈感应式电机以及永磁同步 电机这 3 种主要电机类型的单机无穷大系统风电场 仿真模型 ,并分别在各种不同的模拟风速情况下对 各个模型进行仿真分析 ,最后将它们在风速扰动情 况下的响应特性进行比较 。
机组所特有的变频器模型及其控制实现方法进行了 具体的阐述 。目前风电机组的变频器多采用 PWM 控制的交直交形式 ,且关于模型和控制的研究也多 限于考虑变流器逆变部分的控制作用 ,而文献[ 5 ]则 完善了整流部分的控制作用 ,描述了功率单向流动 的 PWM 控制的电压源交 - 直 - 交变频器和一台小 型双馈感应发电机装置 ,阐述了该装置中变频器的 控制机理和相应控制结构的设计 ,提出了适合于风 力发电系统的变频器和双馈电机简化数学模型和控 制策略的设计方案 ;文献 [ 6 ]和 [ 7 ]针对发电机电气 部分和风力机桨距角的控制器提出了相应的设计实 现和控制策略 。其设计主要采用 PI 控制器 ,目前也 提出了模糊或自适应控制器 ,而控制策略的分析则 根据风速的变化 ,以最大效率利用风能为目的 ,为优
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夏玥等：基于直驱式永磁同步发电机组的风电场动态建模
Vol. 38 No. 6
组运行状态的差异性对输出特性带来的影响。分群 方法有多种。文献[9]按风机地理位置，将同一行或 同一排的机组等效为一台，在确定的风向下取得了 较好的结果；但这种方法没有考虑风向变化，且对 包含十几排风机的大型风场而言，等效机组过多， 简化程度不够。文献[10]以机组风速为分群原则， 在确定的机组风速分布下，可取得较好的效果；但 建模精度和简化程度受风场风速的动态分布和变 化差异大小的影响。文献[11]按双馈机组桨距角动 作特征分群，并结合支持向量机理论，提高等值建 模的精确性；但直驱机组的桨距角动作特性与双馈 机组不同， 因此该方法不适用于直驱机组。 文献[12] 采用聚类算法，根据机组运行的所有状态变量来分 群，考虑因素较全面；但需逐个求解每台机组的状 态变量， 当风场规模较大时， 会导致计算工作量大， 实时性差。离线应用时，由于机组状态随输入风速 随机变化，使确定的分群得不到希望的结果。 单机法简化程度最大，但往往被认为精度较 低，因为仅将各机组的平均风速作为等值后的等效 风速而对风场机组运行差异性的考虑较少[7]。文献 [3] 提出的单机等值法忽略了空气动力模型和变桨 控制模型，仅适用于电磁暂态仿真。文献[15]对双 馈机组风场进行了单机聚合建模。无论如何，鉴于 单机等值法的计算优势，对其进行深入研究、改进 是十分必要的。另一方面，目前已发表的文献中关 于风电场聚合模型的研究多为基于十几台机组的 小型风电场，仅作为理论算例，其拓扑结构和规模 都与实际工程中有较大差距。而单机等值使用了单 机的测风数据，因而带来了额外的误差。 本文将按单机法的思想，根据某大型风电基地 200 MW 标准直驱机组风场的电气参数和出力数 据，建 立风 电场的 动态 聚合模 型； 在仿真 软件 DIgSILENT PowerFactory 中进行建模仿真， 探讨动 态聚合模型的精度，并进一步探讨集电线路对聚合 模型精度的影响。
夏玥 1，李征 1，蔡旭 1，马彦宏 2
（1．上海交通大学 风力发电研究中心，上海市 闵行区 200240； 2．甘肃省电力公司风电技术中心，甘肃省 兰州市 730050）
Dynamic Modeling of Wind Farm Composed of Direct-Driven Permanent Magnet Synchronous Generators
第 38 卷 第 6 期 2014 年 6 月 文章编号：1000-3673（2014）06-1439-07
电 网 技 术 Power System Technology 中图分类号：TM 721 文献标志码：A
Vol. 38 No. 6 Jun. 2014 学科代码：470·4051
基于直驱式永磁同步发电机组的风电场动态建模
基金项目： 国家 863 高技术基金项目(003 2011AA05A104)；国家电 网科技项目(风电场聚合模型研究)。 The National High Technology Research and Development of China 863 Program (003 2011AA05A104); Science and Technology Project of the China State Grid Corp (Research on wind farm aggregation model).
XIA Yue1, LI Zheng1, CAI Xu1, MA Yanhong2
(1. Wind Power Research Center, Shanghai Jiaotong University, Minhang District, Shanghai 200240, China; 2. Wind Power Technology Center of Gansu Electric Corp, Lanzhou 730050, Gansu Province, China) ABSTRACT: Based on electrical parameters and power output of a certain 200 MW wind farm composed of direct-driven permanent magnet synchronous generators (PMSG) and gaining equivalent wind speed by wind turbine power curve, a one-machine aggregated model of wind farm composed of direct-driven PMSG is established according to the thinking of full aggregation. Utilizing DIgSILENT PowerFactory a detailed model of PMSG unit is constructed, simulation results of this model is compared with simulation results of detailed wind farm model under different conditions, namely wind speed fluctuations, grid fault, and so on, and the simulation results of this model is compared with those of multiple-machine aggregated model, thus the feasibility of aggregated models is verified. Besides, the impact of wind farm collection system on the accuracy of aggregated model is analyzed. The applicability of one-machine aggregated model and the rejection principle of collection line during the modeling are put forward. KEY WORDS: PMSG; wind farm; one-machine aggregated model; multiple-machine aggregated model; DIgSILENT PowerFactory 摘要：根据某大型风电基地 200 MW 标准直驱机组风场的 电气参数和出力数据， 利用风机功率曲线求取等效风速， 按 照单机法思想建立了直驱式永磁机组风电场的单机聚合模 型。运用 DIgSILENT PowerFactory 软件建模仿真，与详细 风场模型、 多机法聚合模型进行了对比， 探讨了模型的可行 性。此外，分析了风场集电线路对聚合模型精度的影响，并 提出了单机聚合法的适用性和建模过程中集电线路的取舍 原则。
(1)
式中：S、P、Q 分别为发电机容量、有功功率、无 功功率；m 风电机组台数；下标 eq 表示等效后；xs 为发电机定子电抗；rs 为发电机定子电阻；Ht、Hg 分别为风力机和发电机的转子惯性时间常数； Ks 为 轴系刚度系数；ST 为机组变压器容量；ZT 为变压器 阻抗。 1.3 聚合机组模型的输入风速等效方法 风电机组的输出功率是风速的函数，已发表文 献均直接用各机组风速求取等值机组的有功。然 而，风电机组在运行过程中的测风数据准确性较 低，使得等值结果误差变大。为此，本文通过风场 的运行数据获得每台风机的输出功率，假设等值前 第 k 台机组的功率 Pk 为 Pk=f (vk) 式中：f 为风功率曲线的拟合函数；vk 为风速。 首先将整个风场机组功率求取平均值后，再通 (2)
1 直驱式永磁同步发电机风场聚合模型
1.1 直驱式永磁同步发电机风力发电系统结构 直 驱 式 永 磁 同 步 发 电 机 (permanent magnet synchronous generator， PMSG)风力发电系统主要由 风轮、直驱式 PMSG、双 PWM 变频器、控制和保 护系统等构成。风轮将接受的风能直接通过低速轴 带动永磁发电机，变流器控制发电机和电网间的功 率传输和能量平衡。当直流母线电压因电网故障上 升到规定的阈值时，机组直流侧卸荷电路投入使
关键词：永磁同步风电机组；风场；单机聚合模型；多机聚 合模型；DIgSLENT PowerFactory DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2014.06.0030 Nhomakorabea引言
随着人们越来越重视可再生能源，风能作为一
种清洁能源逐渐成为我国能源中的重要组成部分。 我国规划建设若干个千万千瓦级风电基地，呈现出 规模化开发、集中并网和远距离输送的特点[1]。在 这样的形势下，研究大规模风电并网对电网安全稳 定和电能质量的影响成为了一项紧迫的任务。而获 得准确的适用于电力系统分析的实际风电场模型 则是开展此项研究分析的基础[2]。 风电场的建模可分为 2 大类[3]：1）详细模型， 包括风电场内所有风电机组、线路以及其他设备； 2）聚合模型，将风电场等效成为单台或几台机组。 显然，当风电场包含几百台风电机组时，采用详细 模型会使计算规模过于庞大，计算能力往往不能满 足要求。因此，当研究风电场对电网的影响时，可 将风电场看作一个整体进行聚合，以减小仿真规 模，提高计算效率和收敛性。 目前， 建立风电场聚合模型的方法可以归纳为 3 种 ：1）单机法(完全聚合法)。将风电场等值成一 台风力发电机组。等值风电机组的容量等于所有风 电机组容量的代数和[4-7]。其余参数都由等值计算获 得。2）复合模型法。将风电场电气部分等值为一台 发电机，而空气动力学部分、传动链和最大功率跟 踪模型则根据运行条件分区分别聚合成几台并联， 构成一台复合的风电机组[6,8]。3）分群法(多机法)。 按一定分群原则，将风电场等值成为多台机组[9-14]。 复合模型和多机模型都是为了体现风场中机