直驱式永磁同步风力发电机组的建模与仿真
第 ６２０期０８ 年 ６ 月
中国电力
Ｖｏｌ． ４１， Ｎｏ． ６
张 梅等： Ｅ直Ｌ驱ＥＣ式ＴＲ永ＩＣ磁Ｐ同Ｏ步ＷＥ风Ｒ力发电机组的建模与仿真 Ｊｕｎ． ２００８
新能源
直驱式永磁同步风力发电机组的建模与仿真
张 梅１， 何国庆２， 赵海翔２， 张靠社１
（ １．西安理工大学 电力工程系， 陕西 西安 ７１００４８； ２．中国电力科学研究院， 北京 １００１９２）
２ Ｄ－ Ｐ ＭＳ Ｇ 数学模型
２．１ 风力机模型
风力机的机械功率与风速的关系为：
Ｐｗ
＝
１ ２
２
３
ρπＲ Ｃｐ （ β， λ） Ｖｗ
（１）
相应的风力机机械输入转矩方程为：
Ｔｗ
＝
１ ２
３
２
ρπＲ Ｃｐ （ β， λ） Ｖｗ／λ
（ ２）
式中： ρ为空气密度； Ｒ 为风力机转子半径； β为桨叶
的桨距角； 叶尖速比 λ＝ωｗ Ｒ／Ｖｗ， ωｗ 为风力机叶 轮 的 转速； ＣＰ 为与桨距角 β和叶尖速比 λ有关的功率系 数。对于给定的桨距角 β和叶尖速比 λ， 功率系数 ＣＰ 的近似计算表达式为：
为发电机侧变频器和电网侧变频器的有功损耗。
图 ２ 变频器等效电路
Ｆｉｇ．２ Ｓ ｉｍｐｌｉｆｉｅｄ ｒｅｐｒｅｓ ｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ
稳 态 运 行 时 ， 假 设 变 频 器 的 损 耗 为 零 ， 则 Ｐｓ＝Ｐｃ （ Ｐｓ、Ｐｃ 分别为发电机侧和网侧变频器的有功 功 率 ） ， 直流电压 ｕｄｃ 为其初始值。当系统发生扰动时， 直流 电容中将有电流 ｉｄｃ ＝ｉｖ － ｉｄ 流动。在这种情况下， 任意 时刻 ｔ 直流电压 ｕｄｃ 可用下式［１２］ 计算：
目标是使发电机在任何时刻都能运行在转速－ 功率
关系曲线的最优运行点上； 无功功率的参考值根据
风电机组的无功电压控制要求及静态潮流计算得
到， 若风电机组为恒功率因数（ ｃｏｓφ＝１．０） 控制， 则可
设定 Ｑｒｅｆ＝０。
３．２ 电网侧变频器控制
本文在 ｄ－ ｑ 同步旋转参考坐标系下， 以直流电
压 ｕｄｃ 和网侧变频器与电网交换的无功功率 Ｑｇ 为控 制目标， 采用电网电压定向的矢量控制方案， 实现其
解耦控制。取参考坐标系的 ｄ 轴方向与电网电压矢
量 方 向 一 致 ， ｑ 轴 沿 旋 转 方 向 超 前 ｄ 轴 ９０°， 则 ｕｇ＝
ｕｇｄ＋ｊｕｇｑ＝ｕｇｄ； ｕｇｑ＝０。网侧变频器的电压为：!Biblioteka #ｕ## ｇｄ
＝Ｒｇ
ｉｇｄ
＋Ｌｇ
#
ｄｉｇｄ ｄｔ
! "－ １２．５
ＣＰ ＝０．２２
１１６ λ
－ ０．４β－ ５
ｅ
λｉ
（ ３）
ｉ
其中：
! " λｉ ＝１
λ＋０１．０８β－
０．０３５ β３＋１
（ ４）
２．２ 轴系模型
本文采用风力机与发电机的两质块模型来表示
风电机组的轴系， 其数学模型为：
# %
２Ｈ %
% ｔｕｒ %
ｄωｗ ｄｔ
＝Ｔｗ － Ｋｓ θｓ － Ｄｔｕｒ ωｗ
ｄｔ
＝－
１ Ｌ
ｒｓ
ｉｓｄ
＋ωｅ ｉｓｑ
＋
１ Ｌ
ｕｓｄ
"
ｄｉ #
# #
ｓｑ
# $
ｄｔ
＝－
１ Ｌ
ｒｓ ｉｓｄ － ωｅ ｉｓｑ －
１ Ｌ
ψ０
＋
１ Ｌ
ｕｓｑ
发电机的功率为：
（ １１）
!
##Ｐｓ＝
##
３ ２
ｕｓｄ ｉｓｄ
"
#
Ｑ #
## ｓ
＝－
$
３ ２
ｕｓｄ ｉｓｑ
（ １２）
可见， 在定子电压定向坐标系下， 有功电流和无
摘 要： 阐述基于 直 驱 式 永 磁 同 步 风 力 发 电 机 组 （ Ｄ－ ＰＭＳＧ） 的 工 作 原 理 ， 在 电 力 系 统 分 析 软 件 ＤＩｇＳＩＬＥＮＴ／
Ｐｏｗｅｒ Ｆａｃｔｏｒｙ 中建立了 Ｄ－ ＰＭＳＧ 及其控制系统的仿真模型， 结 合 某 实 际 地 区 电 网 进 行 仿 真 分 析 。 仿 真 结 果
功电流是完全解耦的， 但是相应的控制电压矢量存
在耦合项。在 ｄ 轴、ｑ 轴电流控制器中分别增加前馈
输入 ωｅｉｓｑ 和－ ωｅ ｉｓｄ， 即可实现电流的解耦控制。 此 外 ， 对 于 ＰＷＭ 变 频 器 ， 其 ＡＣ／ＤＣ 电 压 值 之
间的关系可以表示为：
!
#
ｕ#
# ｓｄ # #
＝
%３ ２%２
"
#
侧变频器、平波电感、电网侧变频器和直流环节
（ ＤＣ－ ｌｉｎｋ） 组成。
对于直流环节， 根据能量守恒定理有：
ｄｕｄｃ ｄｔ
＝－
１ Ｃｕｄｃ
［（ ｕｃｑ ｉｃｑ ＋ｕｃｄ ｉｃｄ ） ＋（ ｕｓｑ ｉｓｑ ＋
ｕｓｄ ｉｓｄ ） － （ Ｐｓ， ｌｏｓｓ ＋Ｐｃ， ｌｏｓｓ ） ］
（ ９）
式中： 下标 ｃ 代表电网侧变频 器 ； Ｐｓ， ｌｏｓｓ 和 Ｐｃ， ｌｏｓｓ 分 别
ｕ%
% ｓｄ %
＝ｒｓ
ｉｓｄ
＋
ｄψｓｄ ｄｔ
－ ωｅ ψｓｑ
$
% %
ｕ%
% ｓｑ &
＝ｒｓ
ｉｓｑ
＋
ｄψｓｑ ｄｔ
＋ωｅ ψｓｄ
（ ６）
式 中 ： ｉｓｄ 、ｉｓｑ 、ｕｓｄ 和 ｕｓｑ 分 别 为 定 子 ｄ 轴 、ｑ 轴 电 流 和
电压； ｒｓ 为定子电阻； ωｅ 为发电机的电角频率， 且有 ωｅ ＝ｎωｓ ， ｎ 为发电机转子的极对数 ； ψｓｄ 和 ψｓｑ 分 别 为 定子 ｄ 轴、ｑ 轴的磁链。
１ Ｄ－ Ｐ ＭＳ Ｇ 工作原理
Ｄ－ ＰＭＳＧ 主 要 包 括 风 力 机 、ＰＭＳＧ、全 功 率 变 频 器以及控制系统 ４ 部分， 其基本结构如图 １ 所示。其 中全功率变频器系统又可分为： 发电机侧变频器 （ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ－ ｓｉｄｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ） 、直 流 环 节 （ ＤＣ－ ｌｉｎｋ） 和 电 网侧变频器（ ｇｒｉｄ－ ｓｉｄｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ） 。风力机和 ＰＭＳＧ 通 过轴系直接耦合， 提高了系统的可靠性， 大大减少 了系统的运行噪声， 降低了发电机的维护工作量。 ＰＭＳＧ 经 全 功 率 变 频 器 系 统 与 电 网 相 连 ， 通 过 施 加 在变频器系统上的控制系统作用， 来实现风电机 组 的 变 速 运 行 。ＰＭＳＧ 的 输 出 经 发 电 机 侧 变 频 器 整 流后由电容支撑， 再经网侧变频器将能量馈送给 电网。
% %
２Ｈ $
% ｇｅｎ %
ｄωｇ ｄｔ
＝Ｋｓ θｓ － ＴＥ － Ｄｇｅｎ ωｇ
% % % % &
ｄθｓ ｄｔ
＝ω０
（ωｗ
－
ωｇ ）
（ ５）
式 中： Ｈｔｕｒ 与 Ｈｇｅｎ 分别为风力机及发电机的惯性时间
常数（ 单位： ｓ） ； Ｋｓ 为两质块间的刚度系数 （ ｋｇｍ２／ｓ２） ；
Ｄｔｕｒ 、Ｄｇｅｎ 分 别 为 风 力 机 转 子 与 发 电 机 转 子 的 自 阻 尼
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； 永磁同步发电机； 解耦控制
中图分类号： ＴＭ３１５
文献标识码： Ａ
文章编号： １００４－９６４９（ ２００８） ０６－００７９－０６
０ 引言
风力发电是一种很有潜力的可再生能源， １０ 多 年来得到了快速的发展。目前主流变速风力发电机 组有 ２ 种： 双馈感应风力发电机组和直驱永磁同步 风 电 机 组 。 国 内 外 对 基 于 双 馈 感 应 发 电 机 （ ｄｏｕｂｌｙ ｆｅｄ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ， ＤＦＩＧ） 的变速风力 发 电 技 术 的研究很多， 已经发展得很成熟。关于直驱永磁同 步 风 力 发 电 机 组 （ Ｄ－ ＰＭＳＧ） 的 研 究 则 相 对 较 少 ， 但 其 以 效 率 高 、噪 声 小 、发 电 机 结 构 简 单 和 维 护 工 作 量小等特点， 在风力发电领域受到了越来越多的 重视。
ｔ
+ * ｕｄｃ （ ｔ） ＝
２
ｕｄｃ
（
０）
＋
２ Ｃ
（ Ｐｓ （ τ） － Ｐｃ （ τ） ） ｄτ
０
式中： Ｃ 为直流环节的电容值。
（ １０）
变频器的开关损耗是变频器的主要损耗， 由于
该损耗较小， 在本文中忽略不计， 同时忽略变频器中
串联电阻的损耗。
３ 变频器的控制策略
３．１ 发电机侧变频器控制
本文采用定子电压定向的定子电流控制方法，
收稿日期： ２００８－０３－０５ 作者简介： 张 梅（ １９８１－） ， 女， 陕西西安人， 硕士研究生， 从事电力系统分析和风力发电研究。Ｅ－ｍａｉｌ： ｚｈａｎｇｍｅｉ＠ｅｐｒｉ．ａｃ．ｃｎ
７９
新能源
中国电力
第 ４１ 卷
图 １ Ｄ－ Ｐ ＭＳ Ｇ 的基本结构 Ｆｉｇ．１ Ｂａｓ ｉｃ ｓ ｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ Ｄ－ Ｐ ＭＳ Ｇ
目前， 对于 Ｄ－ ＰＭＳＧ 的建模与仿真是研究的热 点。一些文献研究了 Ｄ－ ＰＭＳＧ 的建模问题， 但比较 简单， 如文献［ １－ ２］ 中给出了变频器系统 的 控 制 框 图， 但没有详细论述其解耦控制的原理。文献［ ３］ 建 立了包括风力机模型、传动系统 模 型 和 发 电 机 模 型 的 Ｄ－ ＰＭＳＧ 数 学 模 型 ， 并 提 出 了 桨 距 角 及 发 电 机 转速的控制策略， 但忽略了网侧变频器的影响。文 献［ ４－ ７］ 采用不同的控制策略， 对经由不可控整流 和 可 控 逆 变 电 路 构 成 的 变 频 器 并 网 的 Ｄ－ ＰＭＳＧ 系 统进行了研究， 实现了最大风能跟踪控制及并网 有 功 和 无 功 功 率 的 解 耦 控 制 。 文 献 ［ ８］ 研 究 了 Ｄ－ ＰＭＳＧ 的 桨 叶 控 制 及 相 应 的 功 率 和 转 速 的 变 化 过 程 。文 献 ［ ９］ 建 立 了 基 于 ＭＴＬＡＢ／ＳＩＭＵＬＩＮＫ 软 件 的 Ｄ－ ＰＭＳＧ 仿 真 模 型 ， 对 机 组 的 输 出 特 性 进 行 了 分 析 。 文 献 ［ １０］ 研 究 了 一 种 用 于 Ｄ－ ＰＭＳＧ 并 网 的 中 性点箝位变频器系统， 并提出了变频器相应的控 制 策 略 。 文 献 ［ １１］ 着 重 分 析 了 双 脉 宽 调 制 （ ＰＷＭ）
直驱永磁同步风力发电机组建模与仿真
【 关键词】 风力发 电； 永磁直驱 同步发电机 ； 双Ｐ ＷＭ 变换 器； 并网； Ｄ Ｉ ｇ Ｓ Ｉ Ｌ Ｅ Ｎ Ｔ ／ Ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ Ｆ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ｙ
Ｓ ｉ ｍｕｌ ａ ｉｎ ｔ ｇ ａ ｎ ｄ Ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｉ ｎｇ ｏ ｆ Ｔｈ ｅ Ｄｉ ｒ ｅ ｃ ｔ ｌ ｙ Ｄｒ ｉ ｖ ｅ ｎ Ｗｉ ｎｄ Ｔｕｒ ｂ ｉ ｎ ｅ、 ｖ ｉ ｔ ｈ Ｐ ｅ ｒ ｍａ ｎｅ ｎ ｔ Ｍａ ｇ ｎｅ ｔ Ｓ ｙ ｎ ｃ ｈ ｒ ｏ ｎ ｏ ｕ ｓ Ｇｅ ｎｅ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ Ｗ ＡＮＧ Ｘｕ－ ｆ ｅ ｎ ｇ
ｉ ｎ ｄ —ｃ ｏ ｎ ｎ ｅ ｃ ｔ ｅ ｄ ｐ ｏ ｗｅ ｒ ｇ ｅ ｎ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ，ｔ ｈ ｅ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｏ ｆ ＰＭＳ Ｇ ｗｉ ｎ ｄ ｐ ｏ ｗｅ ｒ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｉ ｓ ｂ ｕ ｉ ｌ ｔ ｏ ｎ ＤＩ ｇ Ｓ Ｉ ＬＥＮＴ ／ Ｐｏ ｗｅ ｒ Ｆ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ｙ ｐ ｌ ａ ｔ ｆ ｏ ｒ ｍ．Ｔｈ ｅ ｗｉ ｎ ｄ ｐ ｏ ｗｅ ｒ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｓ ｔ ｒ ａ ｔ ｅ ｇ ｙ ｏ ｆ ｇ ｅ ｎ ｅ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ － ｓ ｌ ｄ ｅ ｃ ｏ ｎ ｖ ｅ ｒ ｔ ｅ ｒ ａ ｎ ｄ ｇ ｉｄ— ｒ ｓ ｉ ｄ ｅ ｃ ｏ ｎ ｖ ｅ ｒ ｔ ｅ ｒ ａ ｒ ｅ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｚ ｅ ｄ ｉ ｎ ｄ ｅ ｔ ａ ｉ ｌ ．Ｔｈ ｅ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｓ ｈ ｏ ｗ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｃ ａ ｎ ａ ｃ ｈ ｉ ｅ ｖ ｅ ｍａ ｘ ｉ ｍｕ ｍ ｐｏ ｗｅ ｒ ｔ ｒ ａ ｃ ｋ ｉ ｎ ｇ ａ ｎ ｄ ｇ ｒ ｉ ｄ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ １ ． ｍｅ ａ ｎ ｗｈ ｉ ｌ ｅ ｖ ｅ ｒ ｉ ｆ ｙ ｔ Ｉ １ ｅ ｖ ａ ｌ ｉ ｄ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｆ ｅ ａ ｓ ｉ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ｆ ｏ ｔ ｈｅ ｃ ｏ ｎｔ ｒ ｏ ｌ ｓ ｔ ｒ ａ ｔ ｅ ｇ ｉ ｅ ｓ ．
风力发电系统模型搭建与仿真分析
风力发电系统模型搭建与仿真分析采用小型永磁同步电机分析模型并且忽略其磁饱和度。
永磁发电机的数学模型如下：(3-8)代表永磁发电机在d 轴流过的电流，u d代表发电机在d 轴上的电压，L d 代表永磁式中id发电机在d 轴上的电感。
i q 代表永磁发电机在q 轴流过的电流，u q 代表发电机在q 轴上的电压，L q 代表永磁发电机在q 轴上的电感。
发电机角速度是①e ，发电机定子电阻是R a ，发电机的电磁转矩是T e 。
发电机永磁体磁链是Ψ。
当转子表面装有磁铁时，有效气隙可视为常数。
这是因为永磁材料相对磁导率大概一致[55] 。
所以d轴与q轴同步电感一致，即L d =L q =L 化简为：(3-9)其中T与成i q 正比。
如果发电机电磁转矩变大，系统中的定子电流也会随之变大，e进而对定子电流进行控制，使得发电机电磁转矩与风力涡轮输出转矩T 均衡，实现最大功率输出。
在仿真平台上搭建风力发电系统最大功率点跟踪仿真模型，模型图如下图3-8 所示。
AC/DC 采用了不可控整流二极管，DC/DC 变换器使用boost 电路，永磁同步发电机模型直接在Matlab 中调用。
将风机半径设为3.5m ，设置初始风速为4m/s 并进行时长4s 的仿真，在2s 时将风速提升至6m/s。
梯度式扰动观察法中最大功率点跟踪模块的控制策略如图3-9 所示。
图3-8 风力发电系统的控制模型Fig.3-8 Control model of wind power generation system28图 3-9 风力发电最大功率跟踪模块Fig.3-9 Wind power generation maximum power tracking module永磁同步电机参数情况如下表 3-1 所示。
表 3-1 永磁同步电机参数Tab.3-1 Parameter of synchronous machine名称参数大小额定转速（rad/s ） 40 转动惯量（kg/m 2） 0. 189 定子绕组电阻 (Ω) 0.05 定子绕组电感（ m H ）7. 15 极对数 34 磁链（Wb ）0. 1892风力发电系统最大功率跟踪仿真曲线如图 3-10 和 3-11 所示。
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。
永磁直驱式变桨距风力发电机组的建模与控制
永磁直驱式变桨距风力发电机组的建模与控制1 引言永磁直驱式风力发电机组是我国风力发电机组的主流机型之一。
永磁风力发电机通过增加极对数，降低发电机转速，从而能够与风力机直接相连，取消了增速齿轮箱。
由于没有传统风力发电系统故障率很高的齿轮箱，直驱式风力发电系统稳定性和效率大大提高，且有效地抑制了噪声，具有比较广泛的市场应用前景。
图1 风力发电系统结构2 永磁直驱式并网型变桨距风力发电机组的结构永磁同步发电机的同步速较低，输出电压较低。
考虑到电网电压较高，电网与电机之间的能量变换装置，必须要有较大幅度的升压能力。
考虑到变压器体积较大，实际系统中，发电机组运送到塔顶成本较高，所以本文采取方法是直流母线侧先升压再进行并网逆变。
本文采用的机组方案如图1所示。
图2 桨距调节控制系统3 风力机的建模风力机建模一般只考虑其风能利用系数而忽略风力机的空气动力学过程。
本文即采用风力机的风能利用系数来建立其仿真模型。
图3 机侧电流内环控制系统风力机仿真模型的建立主要基于以下三个方程：(1)这里Cp-λ曲线采用文献[1]中给出的公式：(2)其中： (3)采用c1=，c2=116，c3=，c4=5，c5=21，c6=。
考虑到是发电机，建模时转矩要取反。
图4 网侧逆变器电流内环控制系统4 控制系统的设计桨距调节控制系统的设计当系统存在显著的不确定因素时，设计高精度的控制系统，必须研究控制系统在不确定情况下的鲁棒性。
PID控制器能够在很宽的运行条件下具有比较好的鲁棒性，并且形式简单，易于操作。
这里采用PID控制器来进行机组在高风速区的桨距调节。
变桨距风力发电系统在低风速区进行最大风能跟踪，节距角为零，即不进行变桨距调节。
图5 网侧逆变器电压外环控制系统风力机和发电机不经过增速齿轮箱而直接联接，传动系统的动态方程如下[4]：(4)式中，J是风轮转动惯量；ω是风轮转动的角速度；B是发电机的摩擦系数；Ta是风轮的气动转矩；Te是发动机获得的电磁转矩。
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
直驱永磁同步风力发电机侧系统建模及仿真
Modelling and Simulation for Generator Side of Direct-driven Permanent Magnet Synchronous Generator Wind Energy Systems
变速永磁风电始于上世纪 90 年代，欧美国家
规模已趋向大型化［3］，国内目前规模尚小，“弃风 限电”严重［4］，且随装机容量需求快速增长，变速 恒频与全功率变流将成为风电产业关键技术［5］， 并迅速向多种地形扩展［6］。故研究多种风速下的 最 大 功 率 追 踪（maximum power point tracking， MPPT）尤为重要。
University，Shaoyang 422000，Hunan，China；2. School of Information Engineering，Shaoyang University， Shaoyang 422000，Hunan，China；3. Shaoyang Electric Machinery Factory Co.，Ltd，Shaoyang 422000，
基金项目：湖南省教育厅计划重点项目（16A191）；湖南省科技计划项目（2016TP1023） 作者简介：林立（1972-），男，教授，博士，硕士生导师，Email：linlidexin@
point trackin（g MPPT）；generator side control；systems modelling；simul因其高 效 、清 洁 而 得 到 各 国 关 注［1］。 永 磁 同 步 发 电 机 （permanent magnet synchronous generator，PMSG） 相比双馈异步发电机，因高效、高可靠性成为海 上风电主流机型［2］。
学习电本题目直驱永磁同步风电系统的控制与仿真
学习电本题目直驱永磁同步风电系统的控制与仿真随着环保意识的不断提高，风力发电逐渐成为人们向绿色低碳能源转型的重要手段。
而永磁同步风电机作为目前市场上最为先进的风力发电机之一，其高效、稳定的性能受到了越来越多人的关注。
然而，如何掌握永磁同步风电系统的控制和仿真技术，成为了摆在普通人眼前的首要问题。
一、什么是永磁同步风电机永磁同步风电机是一种利用风能来产生电能的机器。
其工作原理是利用风能将风叶产生的旋转力矩通过主轴传递给转子，驱动转子旋转，再将转子中的磁场与定子中的磁场互相作用，从而产生感应电动势，将其输出到电网上。
二、永磁同步风电机的控制方法永磁同步风电机的控制方法既包括传统的电磁场定子电压控制，也包括了新型的直驱控制。
传统的电磁场定子电压控制方法中，一般需要采用星形、三角形、六角形等不同的接线方式，通过控制电网侧的电压，实现对转子转矩和输出电压的控制。
这种方式操作简便，但容易出现电流谐波等问题。
而直驱控制则是利用功率可控器件对转子上的永磁体直接进行控制，这样就可以省去传统方法中的变频器和变压器等元件，从而减少了系统的复杂度，提高了效率。
不过由于直驱控制还需要用到高端的计算机控制技术，因此其对控制算法、控制器结构的要求也更高。
三、永磁同步风电机的仿真在实际工程应用当中，永磁同步风电机的控制和运行非常复杂，多种因素相互作用，相应的建模和仿真系统也变得越来越重要。
事实上，现在研究永磁同步风电机控制的学者和专家们都在利用MATLAB/Simulink、PSIM、PSCAD、FEAT-FEM等仿真软件来模拟永磁同步机的运行。
但是，图像仿真无法确保掌握永磁同步风电机的控制和运行。
因此，为了实现永磁同步风电机的重现和改进，还需要从实际应用出发，结合理论与实践，逐步完善永磁同步风电机的控制和仿真技术。
四、结语永磁同步风电系统控制与仿真是风力发电技术领域中的重要环节。
在这个领域，既有理论背景，也有实际操作经验，这意味着我们不仅需要”理性地思考“，还需”动手实践“，从而提高自身掌握永磁同步风电技术的能力。
基于Matlab_Simulink直驱式永磁风力发电系统的建模与仿真
作者简介：赵立邺(1985-)，男，硕士，研究方向：风电建模、风电并网。
收稿日期：2011-01-06基于Matlab/Simulink 直驱式永磁风力发电系统的建模与仿真赵立邺，孟镇（沈阳农业大学信息与电气工程学院，沈阳110161）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。
关键词：直驱；永磁同步发电机；Matlab/Simulink ；仿真中图分类号：TM315文献标识码：A文章编码：1672－6251（2011）02－0030－03Modeling and Simulation of Direct-driver Permanent Wind PowerSystem Based on Matlab/SimulinkZHAO Liye,MENG Zhen(Information and Electric Engineering College of Shenyang Agricultural University,Shenyang 110161)Abstract:Direct -drive wind power generation systems become popular with the advantages of without the need for electricity excitation,low noise,low maintenance costs,simple control,etc.Based on Matlab/Simulink,the wind power system simulation model with Direct -drive permanent magnet synchronous generator was established in this paper.In the model of wind power generation system,by the analysis of the wind speed,wind turbines and permanent magnet synchronous generator,the whole power converters,the wind power generation system model was developed.Simulation results showed that the system can run in the stable way under different wind speeds,and the final output voltage waveform was approximate to sine with small harmonic content.Key words:direct-drive;permanent magnet synchronous generator;Matlab/Simulink;simulation农业网络信息AGRICULTURE NETWORK INFORMATION·研究与开发·2011年第2期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。
直驱式永磁风力发电机机侧PWM整流器的建模与仿真
直驱式永磁风力发电机机侧PWM整流器的建模与仿真张婷婷;吴新开;刘洋;张敏海【摘要】采用等效电路的方法,建立了包括风力机、发电机侧PWM整流器在内的直驱式永磁风力发电机的机侧数学模型,应用坐标变换将三相静止坐标系上的数学模型转化成了d-q旋转坐标系上的数学模型.采用电流内环和电压外环的双闭环控制策略,并利用Matlab/Simulink软件平台搭建了系统的仿真模型并进行仿真.仿真结果证明了机侧功率因数控制的可行性与有效性.【期刊名称】《电气传动自动化》【年(卷),期】2012(034)001【总页数】5页(P35-39)【关键词】直驱永磁同步风力发电机组;坐标变换;数学建模;Simulink【作者】张婷婷;吴新开;刘洋;张敏海【作者单位】湖南科技大学信息与电气工程学院,湖南湘潭411201;湖南科技大学信息与电气工程学院,湖南湘潭411201;湖南科技大学信息与电气工程学院,湖南湘潭411201;湖南科技大学信息与电气工程学院,湖南湘潭411201【正文语种】中文【中图分类】TM3151 引言电力供需矛盾随着人口膨胀和经济的高速发展日趋突出，能源和环境问题已成为当今世界面临的重大问题［1］。
开发新能源和发展可再生能源，实现经济可持续发展，已成为人们的共识。
近几年来，风力发电的发展不断超越其预期的发展速度。
然而，风电在电网中的贡献率难以超过10%［2］。
国内风力发电机主要有直驱永磁风机和双馈风机两种，两者的最大区别在于不同的传动、发电结构，相对于双馈风机，直驱永磁风机具有电网兼容性更强、维护成本更低、噪音更低、效率更大、更能适应低风速和能耗少等优点［3］。
此外，直驱永磁风机的应用对于我国具有更加重要的意义，因为我国低风速的三类风区大约占到全部风能资源的50%左右，更适合使用永磁直驱式风电机组。
直驱型风力发电机组主要包括风力机、永磁同步发电机（PMSG）、电力电子变流系统和控制系统等。
其基本结构如图1所示。