基于MATLAB的永磁同步风力发电机的研究与仿真

PAGEPAGEII目录摘要 IAbstract II1绪论 11.1研究背景 11.2研究意义 11.3国内外研究现状 21.3.1定子部分 21.3.2永磁体部分 41.3.3轴承部分 72风力发电系统的基本原理 92.1风力发电的基本原理 92.2风轮机理论 102.3水平轴风力发电机结构 102.4定浆距风力发电机组 112.5永磁同步发电机基本原理 112.5.1同步电机基础 112.5.2同步电机的基本结构 122.5.3同步电机的工作原理 133永磁同步风力发电机调速系统的硬件设计 153.1风速模型 153.2风力发电机组气动性能模型 183.3传动齿轮模型 203.4三相同步发电机模型 213.5风力发电系统整体建模 234永磁同步风力发电机调速系统的软件设计 245结论与展望 30参考文献 31致谢 33基于MATLAB的永磁同步风力发电机的研究与仿真摘要随着工业技术的发展，制造业的规模化生产需求越来越高，稳定、快速与高效成为工业制造设备技术发展的趋势，伺服机构作为工业设备控制系统的核心，己成为控制领域的研究热点之一。无刷永磁同步风力发电机作为伺服机构的成员之一，其融合了交流伺服与永磁同步风力发电机的优点，逐步成为伺服系统的最佳控制对象。永磁同步风力发电机具有起动性能好、调速性能好、启动力矩大、调速范围广、调速平稳经济、调速方便、调速效率高等特点。本文主要介绍了风力机的基本控制要求和控制策略，并对固定桨距风力机的控制系统仿真进行了初步的研究和探讨。通过控制系统保持了风力发电机组的安全可靠运行，并实现了稳定机组输出功率和优化功率曲线的控制功能。控制系统的作用是使风力发电系统在规定的时间内不出故障或少出故障，故障后可尽快修复，使系统恢复正常运行。本篇论文主要是通过MATLAB仿真软件，建立风力发电系统控制模型以及完整的风力发电样例系统模型，对自建风力发电系统的控制模型进行仿真分析，验证风力发电系统控制模型的有效性，并对仿真结果进行分析。关键词：永磁同步风力发电机；风轮机；MATLAB

AbstractWiththedevelopmentofindustrialtechnology,thescaleproductiondemandofmanufacturingindustryisbecominghigherandhigher.Stability,speedandefficiencyhavebecomethetrendofthedevelopmentofindustrialmanufacturingequipmenttechnology.Asthecoreofindustrialequipmentcontrolsystem,servomechanismhasbecomeoneoftheresearchhotspotsinthefieldofcontrol.Asamemberoftheservomechanism,thebrushlesspermanentmagnetsynchronouswindgenerator(BLDG)hasgraduallybecomethebestcontrolobjectoftheservosystembycombiningtheadvantagesofacservoandpermanentmagnetsynchronouswindgenerator.Permanentmagnetsynchronouswindgeneratorhasgoodstartingperformanceandspeedregulationcharacteristics,whichischaracterizedbylargestartingtorque,smoothandeconomicalspeedregulationinawiderange,easyspeedcontrol,highefficiencyafterspeedregulation.Thispapermainlyintroducesthebasiccontrolrequirementsandcontrolstrategiesofwindturbinegeneratorset,andmakesapreliminaryexplorationandresearchonthesimulationofthecontrolsystemofwindturbinegeneratorsetwithfixedpitch.Thecontrolsystemkeepsthewindturbinesafeandreliableoperation,andrealizesthecontrolfunctionofstabilizingtheoutputpowerandoptimizingthepowercurve.Thecontrolsystemisusedtomakethewindpowergenerationsystemfailorfaillesswithinthespecifiedtime,andafterthefailure,thesystemcanberestoredtonormalworkwiththefastestspeed.ThispapermainlythroughtheMATLABsimulationsoftware,windpowersystemcontrolmodelisestablishedandthecompletesampleofwindpowersystemmodel,windpowersystemcontrolmodelofself-builtsimulationanalysis,validatetheusabilityofthewindpowersystemcontrolmodel,andthroughtheanalysisofsimulationresults,thesinglecurvedrawingandusethecurveplottingmodulegeneratesacanbeapplieddirectlytothesimulationresultsofthestudy.Keywords:permanentmagnetsynchronouswindturbine;Windturbine;MATLABPAGE301绪论1.1研究背景20世纪中期，随着电子技术的发展，自动信息处理、数据处理，以及电子计算机的出现，给自动化技术带来了新的概念。用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制，推动了机床自动化的发展。机床加工过程中需要高性能可控电力拖动和经常正反转运行，为了尽量缩短起、制动过程的时间，提高生产率至关重要[1]。测量永磁同步风力发电机的设备—永磁同步风力发电机测量仪，自古以来一直受到人们的关注。电机转速测量仪用于测量当地的电机转速，其测量到的瞬时电机转速，经计算处理可输出瞬时永磁同步风力发电机值、平均永磁同步风力发电机值、最大转速、极大转速等数据。电机转速测量仪器广泛应用,可以应用于气象台风数据(例如,提供准确的数据引用),民用航空(飞机起飞[2],登陆风力)提供可靠的数据,道路,桥梁,提供一个基础修建公路、桥梁、新能源(风能pre-wind数据)、农业、交通等。由此可见，永磁同步风力发电机的测量是非常重要的，它直接关系到人们的生产生活。1.2研究意义永磁同步风力发电机调速系统是直流调速控制系统中发展得最为成熟，应用非常广泛的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的技术。然而,所有测量设备不考虑传感器本身的运动状态,风压流、潮汐流,惯性流,黑加仑和其他海洋洋流,以及船的速度,当然,负载变化造成的草案,船的态度,和许多其他因素,将有一个伟大的对真正的电机转速测量精度的影响。如何消除上述干扰因素，尤其是电机姿态的影响，获得真实准确的转速和电机数据，是本文需要重点研究的课题。1.3国内外研究现状1.3.1定子部分国内外对高速电机定子部分的研究主要分为两类，一类是对定子材料的研究，一类是对定子结构的研究。叠层硅钢片和软磁铁氧体是两类传统的铁芯材料，但随着频率增加，铁氧体铁芯虽然高频磁性能优良，但存在磁通密度低的缺点[3]。它们均在交流设备小型化过程中均遇到了困难。于是近来逐渐发展起来一种新型铁基粉末软磁材料新型软磁复合材料（SoftMagneticComposite,SMC)，它是对磁性颗粒进行绝缘包覆处理，其结构如图1-1所示。它可以满足高导磁率的要求,磁感应强度高和低铁损失同时,并能弥补叠层硅钢片的不足表现在中、高频铁氧体磁芯,使这种材料成为新材料领域的电机。图1-1三种软磁材料的最佳频率应用范围SMC材料虽然存在很多优点，但是此材料尚处于开发和试用阶段。由于槽谐波的影响，高速永磁电机需要考虑减少护套和转子的涡流损耗，而无槽电机避免了这一缺点。因此，国内外许多学者对非凹槽结构进行了研究。1989年，瑞典斯德哥尔摩皇家理工学院的PeterChudi制造了一台额定转速为100000rpm，额定功率为20kW的高速电机，其定子无槽结构如图1-2所示[4]。此外，意大利帕多瓦大学的NicolaBianchi也对针对永磁电机定子开槽结构和不开槽结构进行了研究，电机如图1-2所示，通过比较两种结构,指出定子开槽结构可以防止定子转子表面开槽由于涡流损耗,但定子开槽结构有一些缺点,如有效气隙大,小空载气隙磁场,和大型线圈绕组铜不足。a)有槽结构b)无槽结构图1-2NicolaBianchi等人设计的高速永磁电机开槽结构和无槽结构示意图a)有槽结构b)无槽结构图1-3基于其他参数相同的电机不同定子结构赫尔辛基理工大学和苏黎世联邦理工学院联合研制了一台50万转/分、100W功率的高速永磁发电机。采用无槽结构和杯形绕组，减少涡流损耗，适用于高速运行。文中基于除了定子以外相同的电机参数，针对转速为150,000rpm的电机提到了两种定子结构：一种是槽满率42%的采用集中绕组的有槽结构[5]；一种是槽满率分别为42%和70%的无槽结构，绕组浇注在环氧树脂中，在环氧树脂外侧用有背铁来增加磁路，见图1-3。文中通过分析对比两种不同的定子结构，得到无槽的结构的电机适合运行在高速区域，而在低速区运行有槽电机效率高于无槽结构，在低速区运行时损耗主要是铜损。另外，一些学者针对有槽结构的高速永磁电机进行了定子结构上的优化与研究。2005年，日本科学家ToshihikoNoguchi研制出了应用于电动汽车的160000rpm、2.7kW的永磁同步电机，额定转矩为0.136Nm，通过优化定子齿槽形状和增加气隙长度使得转子磁钢的涡流损耗降低；文中从电机设计的角度，采用有限元仿真方法分别研究了在空载和负载状态槽开口和气隙长度对转子损耗的影响。图1-4高速电机定子结构20世纪70年代末，中国开始设计和研究高速永磁同步发电机。其中，沈阳工业大学的王凤祥等人研制了一种60000r/min、75kW的高速永磁发电机。定子采用环形绕组。每个相位绕组由两个环形绕组组成，a1和a2串联在一起。如图1-4所示。这种连接方式可以有效的减小电机转子的轴向长度，同时，安放绕组的剩余空间可用作定子的通风冷却通道，从而提高了定子的冷却散热效率。沈阳工业大学的于涛等人也讨论了槽数对电机性能的影响，文中从损耗的角度对一台额定功率100kW,电机的额定转速60000转通过插槽数量的对比分析,分析结果表明,随着定子槽数的增加,护套内部磁通密度的增加与减少,频率,脉冲幅度,在室内永磁,槽数,脉冲幅度越小的磁通密度[6],和脉冲频率的磁通密度是不同的,当插槽数量达到一定数量时,脉冲频率不随槽数的增大而增大，最后从定子槽数两方面考虑影响高速电机性能，得出槽数较多(18槽或24槽)更适合高速永磁电机定子结构的结论。本文还对1.1kw、27000rpm电机的定子槽数进行了研究。本文提出随着电机定子槽数的减少，电机磁场谐波幅值增大。定子槽数越大，电机的磁场谐波振幅越小；另外，文中还提到了采用磁性槽楔和闭口槽的形式对槽口优化以减小定子磁场谐波，并重点优化了槽口宽度；此外文中还提到了采用辅助槽、辅助齿和分数槽等方法结构来减小转矩波动。ShigematsuK.等人针对一台2极、5kW、240,000rpm的电机，用有限元法研究对比了不同定子齿形时的涡流分布和电流密度分布，对转子表面取多点进行分析，通过分析数据可知指出增加齿宽可以减小涡流损耗文献。1.3.2永磁体部分BianchiN.等人对烧结钕铁硼和粘结钕铁硼进行对比，研究表明烧结钕铁硼可以得到较大转矩，并且可以相应的减小转子直径从而减小了永磁体的离心力，可以使得护套厚度变薄或者不用护套，简化了电机结构，所以更适于用于高速电机。韩国忠南国立大学的JeongS.S.、ChoH.W.等人提出了Halbach式转子结构，指出该结构能够产生强烈、适合的电磁场而不需要多余的铁磁材料，文中对径向式转子结构和Halbach式两种转子结构在磁场[7]、用磁量、线圈厚度方面进行了比较，转子结构如图1-5所示，通过对额定功率1kW、转速40000rpm的径向式转子结构电机和Halbach式转子结构电机对比，得知Halbach式转子结构有较强的正弦气隙磁密和较大的转矩，减小了涡流损耗的同时增加了转矩，适于高速电机。径向式转子b)Halbach式转子图1-5四级三相无槽电机不同转子结构El-hasants为高速永磁轴流电机设计了两个磁极形状:半圆和梯形，如图1-6所示。这两个磁极具有相同的体积和表面积。对比分析表明，半圆形转子和梯形转子总体运行特性相似，但是磁极距离的改变会影响谐波含量，随着磁极距离的增加，其波形畸变率先降低后增加。半圆形b)梯形图1-6两种永磁体形状Jangs.m.等人设计了一款高速永磁同步电机，该电机带有一个带有2kW永磁体的外极转子。通过对电机磁场分布和电气参数的理论和实验分析，得出永磁电机具有效率高、能量密度高、维修方便、可靠性好等特点。对于高速永磁电机，Mirzaeim分析了不同转子形式的永磁体的利用。本文对体内埋入式永磁体和体外埋入式永磁体进行了对比分析，研究两种结构的电磁利用率、转子机械强度、噪声的产生以及永磁材料的体积等，结果表明内嵌式转子可以有效减小磁阻转矩[8]、节省永磁体材料。此外，本文还采用了内置的高速永磁同步电机。由于采用高频高速永磁电机，转子表面容易产生较大的涡流损耗。内置的永磁转子内部结构不容易散热，所以容易产生。永磁体不可逆，永磁体电机不工作。文中提到了内置式转子结构的多种永磁体放置方式，不同的结构见图1-7。图1-7内置式转子结构的多种永磁体放置方式除了永久磁铁的形状和位置的研究,本文针对纺织机械设计与额定负载高速异步起动永磁同步风力发电机,减少额外的永磁结构包,这台机器使用的是内置安装方法[9],磁铁的形状使用弧,内置的圆弧形的整体结构,使用斜肩圆底槽永磁定子,并采用斜槽结构，转子为斜肩平底槽，定子结构图如图1-8所示。高速永磁同步电动机的转子槽和永磁体的结构尺寸对电动机的起动能力有很大的影响。平均起动转矩至少是额定转矩的1.46倍，以保证带负载的成功起动。图1-8可代额定负载异步启动的高速永磁同步风力发电机结构图另外，Toda等人为了减小转子永磁体中的润流损耗，对高速永磁电机的转子永磁体进行分块处理。此外，对永磁无刷直流电动机的极弧系数进行了优化。结果表明，在一定范围内，电机齿槽转矩峰值随永磁体极弧系数的减小而减小。此然而,当超过一定极限,齿槽转矩的峰值会增加又极弧系数的减少,这表明最小转矩的电机齿槽发生在永久磁铁的宽度略大于整个牙齿的距离[10]。瑞士ABB公司和瑞典VOLVO公司针对永磁高速发电机也早已进行了很长时间MT100热电联产样机就是他们的成熟产品。该机组采用的4极高速永磁发电机，转速超过60000rpm，如图1-9所示为电机结构。图1-9高速永磁电机剖面图我国也对高速永磁同步发电机进行了设计与研究。1997年，沈阳工业大学研制了10000rpm、1kW的内置式高速永磁同步电机，采用套环式转子结构，为了减小漏磁，磁钢采用径向式结构；2011年，重庆大学研制了3kW、15000rpm的内置式永磁同步电机，额定转矩3.2Nm[11]，尺寸为130×125mm，指出具有一阶齿形谐波特性的谐波磁场是造成磁钢涡流损耗的主要原因。减少槽口开度和磁钢的分割可以有效地降低电机磁钢的涡流损耗。高速永磁电机由于转速高，给转子带来较大的离心力。为了防止永磁体的损坏，有必要对转子的永磁体采取合理的保护措施。碳纤维绑扎的结构简易，但是碳纤维较差的导热性能差使得转子不易散热，不锈钢材料虽导热性较好，利于转子散热，但是其导电性必定会引起一定的涡流损耗[12]，在高频下，转子中的涡流损耗便主要发生在转子护套中。目前，国内外的研究大部分集中在涡流损耗的削弱方法。1.3.3轴承部分高速电机由于具有较高的转速，普通的轴承已经不能满足设计要求，而且在高速运行中轴承也会产生较高的损耗，从而降低了电机的性能。日本长冈技术科学大学的NoguchiT.等人以一台高速永磁同步发电机作为研究对象，分别计算了定子铁芯损耗、永磁体涡流损耗和由轴承引起的机械摩擦损耗，实验数据指出，轴承摩擦损耗在总损耗中占了主要部分，所以轴承的选择在高速电机的设计中尤为重要。应用于高速电机的轴承主要分为以下四类：深沟球轴承、充油轴承、空气轴承及磁悬浮轴承。深沟球轴承和角接触轴承都是高可靠性、低成本的滚动轴承，特别适用于中小型高速电机[13]。此外，滚动体可以用工程陶瓷代替，以达到更高的精度和可靠性。充油轴承需要一套油循环系统，通过一层油膜将转子悬浮起来。其摩擦损耗相对较小，但存在漏油问题，因此逐渐被气体悬架和磁悬浮技术所取代。空气轴承采用压缩空气代替油膜。与磁悬浮轴承相比，空气轴承体积小，控制简单，但承载能力有限。气动轴承工作原理示意图如图1-10所示。图1-10气动轴承原理示意图磁悬浮轴承是一种新型高性能轴承，其原理是利用电磁铁对铁磁材料吸引来实现无接触支承。和前两种轴承相比，它具有无摩擦、寿命长、损耗小等优点。但是磁悬浮轴承由于其需要额外的电力供应和传感器而使得整个系统复杂，成本很高，所以应用较少。Seok-MyeongJang等人设计了一台高速永磁同步电机，最高转速为35000rpm,轴承选用球轴承。J.Oyama等人设计的电机，轴承采用油循环系统，包括过滤器、储备油箱和油泵，样机验证其能够稳定运行在150000rpm，最高运行速度达到了180000rpm。非机械接触轴承可以延长电机的使用寿命。计算了电磁轴承的线性支承刚度，建立了磁轴承—转子系统的动力学方程。采用有限元法计算了高速电机转子的临界转速。给出了估算电机固有频率的方法，分析了转子结构和轴承结构对电机固有频率的影响。

2风力发电系统的基本原理2.1风力发电的基本原理风力发电的原理是利用风带动风车叶片转动，将风能转化为机械能，然后机械能带动风力发电机发电。图2-1风力发电原理图风力涡轮机主要由三个部分组成:涡轮、机舱和塔。大型并网风力涡轮机最常见的结构是水平轴，三个叶片安装在垂直管状塔上。风轮叶片由复合材料制造。不像小型风力发电机，大型风电机的风轮转动相当慢。比较简单的风力发电机是采用固定速度的。通常采用两个不同的速度-在弱风下用低速和在强风下用高速。这些定速风电机的感应式异步发电机能够直接发产生电网频率的交流电。比较新型的设计一般是可变速的（比如Vestas公司的V52-850千瓦风电机转速为每分钟14转到每分钟31.4转）。利用可变速操作，风轮的空气动力效率可以得到改善，从而提取更多的能量，而且在弱风情况下噪音更低。因此，变速的风电机设计比起定速风电机，越来越受欢迎。机舱上安装的感测器探测风向，透过转向机械装置令机舱和风轮自动转向，面向来风。风轮的旋转运动通过齿轮变速箱传送到机舱内的发电机（如果没有齿轮变速箱则直接传送到发电机）。在风电工业中，配有变速箱的风力发电机是很普遍的。不过，为风电机而设计的多极直接驱动式发电机，也有显著的发展。设与塔底的变压器（或者有些设於与机舱内）可提升发电机的电压到配电网电压（香港的情况为11千伏）。所有风力发电机的功率输出是随着风力而变的。强风下最常见的两种限制功率输出的方法（从而限制风轮所承受压力）是失速调节和斜角调节。使用失速调节的风电机，超过额定风速的强风会导致通过叶片的气流产生扰流，令风轮失速。当风力过强时，叶片尾部制动装置会动作，令风轮剎车。使用斜角调节的风电机，每片叶片能够以纵向为轴而旋转，叶片角度随着风速不同而转变，从而改变风轮的空气动力性能。当风力过强时，叶片转动至迎气边缘面向来风，从而令风轮剎车。2.2风轮机理论一个风轮将风能转化为机械能，并由两个(或更多)螺旋桨形状的叶片组成。当风吹向叶片时，叶片上产生气动力来驱动车轮。风轮机又称为风车，是一种将风能转换成机械能、电能或热能的能量转换装置。风轮机的类型很多通常将其分为水平轴风轮机垂直轴风轮机和特殊风轮机三大类。但应用最广的还是前两种类型的风轮机。2.3水平轴风力发电机结构风力机由风力机、传动系统、偏航系统、液压系统、制动系统、发电机、控制与安全系统、机舱、塔架及基础组成。该机组通过风力推动叶轮旋转，通过传动系统达到发电机转速，带动发电机发电，有效地将风能转化为电能。风力发电机组结构示意图如图2-2。注：1、叶片2、变浆轴承3、主轴4、机舱吊5、齿轮箱6、高速轴制动器7、发电机8、轴流风机9、机座10、滑环11、偏航轴承12、偏航驱动13、轮毂系统图2-2风力发电机组结构示意图2.4定浆距风力发电机组风力机的功率调节完全取决于叶片的气动性能，即定桨距风力机。定距风力机的主要结构特点是:叶片与轮毂之间的连接是固定的，即当风速改变时，叶片迎风角不能随之改变。风力机获得的功率随风速不停的变化。发电机发电机工作与同步转速附近，而风电机组一般工作在小于额定风速时风轮机的转换效率Cp的最佳区段。当风速超过额定风速时，为了确保发电机输出功率恒定，必须通过叶片失速来降低Cp，来维持功率恒定。定浆距发电系统的发电机正常工作滑差小于1%，允许的滑差范围一般小于5%，但是风速变化范围却很大。图2-3为风轮机的典型Cp~λ特性曲线。图2-3~关系曲线从以上关系可以看出，大功率发电机工作在高风速段，而小功率发电机工作在低风速段。借用这种方法可以调整叶尖速比λ，机组可以在Cp最大值下工作。所以定浆距风力发电机组的浆距角β设定为0度。2.5永磁同步发电机基本原理2.5.1同步电机基础同步电机是另一种交流电机。同步电机的特点是在稳定运行时，它的转速n与定子电流的频率有着严格不变的关系，即式中———同步转速。因此而命名为“同步电机”。异步电动机中，不存在这种关系，在稳定运行时，其转速n与定子电流的频率必须是即异步运行。这种机理上的差异是由两者转子中的电流中的性质不同所导致的。异步电机稳态运行时，其转子转速为n，转子电流频率，转差率为，如，转子的转速与定子旋转磁场的转速相等，则，转子电流频率，这意味着转子绕组内的电流是直流电流。如果改变异步电机的转子结构，使它成为用直流电流励磁，且可以转动的电磁铁，这样的交流电机便是同步电机。同步电机可以作发电机运行，也可以作电动机运行。至今，主要作发电机运行，目前全世界的发电量几乎全部由同步发电机发出。同步电动机在静止的变频电源未经开发前，虽有功率因数可以调节的优点，因其转速不可调节，其用途受到限制。随着电力电子技术突飞猛进的发展，静止的变频装置和整流装置的应运而生，同步电机便别开了生面，特别是新型永磁材料的问世，同步电机采用永磁材料励磁，简化了结构，充分发挥功率因数高、高效节能的优势，便日益扩大了应用的场合，成为控制系统中的一颗新星。2.5.2同步电机的基本结构同步电机也是由静止的定子和转动的转子两个基本部分组成。（1）定子同步电机的定子结构与异步电机相同，电能的输入或输出以及旋转磁场的作用与异步电动机相似，它还由磁性定子铁芯、导电三相绕组和固定铁芯架以及固定铁芯架和端盖组成。（2）转子同步电动机转子有两种结构形式。一种是磁极明显的转子，称为凸极式，如图所示。另一种是转子为圆柱体，表面有凹槽，无明显磁极，称为隐式磁极，如图2-4所示。同步发电机的转子制成凸极式或隐极式的都有，同步电动机的转子一般都制成凸极式。凸极同步电机的磁极芯与直流电机的磁极芯相同，均由钢板冲压而成。磁极上覆有励磁绕组，并固定在磁轭上。目前，小型凸极式同步发电机中，一出现整体机构的转子，即由钢板冲成极身、极靴与磁轭连成整体的冲片叠压起来，然后缠绕励磁绕组。励磁绕组用绝缘的铜线绕成，与极身之间有绝缘。各磁极上的励磁绕组间的联接，必须注意到通过励磁电流以后相邻磁极的极性呈N与S交替排列。励磁绕组两个出现端接到两个集电环上，通过与集电环相接触的静止电刷向外引出。此外，在杆靴上还有笼形绕组，由于在同步电机以异步速度运行时起阻尼作用，故称阻尼绕组。整个转子由磁极、磁轭、励磁绕组、转子支架（大型同步电机有）、轴以及集电环等部件组成。（a）凸极式b）隐极式1.定子；2.凸极转子；3.隐极转子；4.集电环图2-4旋转磁极式同步电机结构示意图2.5.3同步电机的工作原理同步电机的工作原理也基于电磁感应定律。当同步发电机的直流电流激励转子被原动机拖动到同步速度时，定子上的静止开路的三相绕组(又称电枢绕组)，与旋转转子上的磁极在空隙中所建立旋转磁场相对运动，定子绕组磁链发生变化，根据电磁感应定律，定子绕组内由此感应产生感应电动势（称为励磁电动势）见图2-5。改变励磁电流的大小可相应的改变励磁电动势的大小。此时同步电机作发电机运行而呈空载状态。在同步转速下，励磁电动势与励磁电流的关系，称为发电机的空载特性，其意义、性质以及测取方法和直流发电机的一样。同步电机空载运行时，其端电压。当定子绕组与对称负载相连接时，同步发电机处于负载运行状态。此时原动机向发电机输入机械动力，发电机从定子绕组输出电能，定子绕组将电能转化为机电能量。这就是三相同步发电机的工作原理。（a）同步发电机示意图（b）三相电动势向量图图2-5同步发电机工作原理示意图同步电机和其他类型的电机一样，也遵循可逆原理，可按发电机方式运行，也可按电动机方式运行。当原动机拖动同步电机并励磁时，电机从原动机输入机械功率，向电网输出电功率，为发电机运行方式。当同步电机接入电网并励磁，拖动机械负载时，从电网输入电功率，在轴上输出机械功率，为电动机运行方式。

3永磁同步风力发电机调速系统的硬件设计3.1风速模型由于风速具有随机性和间歇性的特点，这里风速模型采用四分量叠加法的风速模型：，包括：基本风，阵风，渐变风，随即风。（1）基本风：基本风可以由风电场测量所得的威布尔分布参数近似确定（3-1）尺度参数A和形状参数k可根据风电场的实测数据估算。在实际与仿真时我们近似认为是一个不随时间变化的分量，也就是取为一个常数。图3-1基本风风速变化曲线此模块使用“constant”模块，即，基本风速设置为3m/s。（2）阵风：描述风速突然变化的特性，通常用来分析风电系统对电网电压波动的影响（3-2）式中，为阵风风速，单位m/s；为阵风峰值，单位m/s；T1为阵风开始时间，单位s；为阵风周期，单位s；t为时间，单位s。阵风风速随时间变化曲线如图3-2图3-2阵风风速随时间变化曲线阵风模型如下图3-3所示图3-3阵风模型参数设置：设置为6m/s，T1设置为0.03s,设置为0.05s。（3）渐变风：描述风速渐变的特性（3-3）式中，为渐变风风速，单位m/s，为渐变风峰值，单位m/s；T为渐变风持续时间，单位s；Tr1为渐变风启动时间，单位s；Tr2为渐变风结束时间，单位s。渐变风随时间变化曲线如图3-4所示图3-4渐变风随时间变化曲线渐变风风速模型如下图3-5所示图3-5渐变风风速模型参数设置：设置为6m/s，Tr1设置为0.04s，Tr2设置为0.04s。随机风：描述在特定高度上风速变化的随机特性（3-4）式中，为随机风的风速，单位m/s；为随机风的最大值，单位m/s；为-1和1之间均匀分布的随机变量；为风速波动的平均距离，单位rad/s；为间服从均匀概率分布的随机量。此模型使用MATLAB的“Randomnumber”模型，即：。风速综合模型如下图3-6所示图3-6风速综合模型3.2风力发电机组气动性能模型一台风轮半径为R的风轮机，在风速为v时，所产生的机械功率为：（3-5）其中λ为叶尖速比，表达式为：机械转矩为：，（3-6）式中，ρ为空气密度，通常情况下，即20摄氏度时，取1.205kg/m3；v为通过风力机叶片的风速；为叶片旋转角速度，现代定速风电机组的风机转速为15~20r/min，本文中取20r/min；Cp（β，λ）为风轮机的功率系数；Cp与叶尖速比λ和叶片浆距角β有关，关系式如下：（3-7）式中，Cf为叶片设计常数，本文中取值为3，r取12.根据不同的β、λ取值，可得到Cp曲线如图所示，从图中可以看出，对于某一确定的浆距角β，Cp有一极大值存在，也就是说，当风力机在运行时不能保证在所有的风速下都能产生最大的功率输出。Cp的理论最大值为0.593，这就是著名的Betz极限。图3-7~关系曲线Cp的模型如下图3-8所示：图3-8Cp仿真模型风力机仿真模型如下图3-9所示：图3-9风力机仿真模型3.3传动齿轮模型风力发电传输系统的功能是改变原来的运动将部分移动到所需的机械作用执行部分,也就是说,改变空气动力力矩产生的风能通过风力发电机的机械转矩的发电机。因此传动系统是能量传输的纽带，同时，传动系统的运动取决于驱动力及阻力的特性。风力机传动装置原理图如图3-10所示。忽略转轴的刚度系数和阻尼系数，通过力学分析可得风力机转轴与发电机转子之间的机械传动数学方程为：（3-8）（3-9）、分别为风机的转动惯量和机械转速；、分别为经过传动齿轮低速轴和高速轴上的机械转矩；为齿轮箱的变比。图3-10风轮机传动齿轮示意图传功齿轮模型如下图3-11所示：图3-11传动齿轮模型3.4三相同步发电机模型传动模型当电机的气动转矩Ta和电磁转矩Te发生变化时，风机转子将会加速或减速。对于直驱永磁同步发电机，假设转子与电机刚性连接，其传动模型如式(3-10)所示。（3-10）式中：为传动损失，=，为转动粘滞系数，是机组等效转动惯量，本文中所研究的直驱型永磁同步发电机组的转动惯量为式（3-11）（3-11）式中和分别为风轮机和电机的转动惯量。感应电机模型本系统中采用的是永磁同步发电机，主要分析永磁同步发电机的动态性能，基于旋转坐标轴建立起数学模型如下：（3-12）式中：和分别为发电机的d轴和q轴电流；和分别为发电机的d轴和q轴电感；和分别为电压源d轴和q轴分量；R为定子电阻；为转子的机械角速度；为发电机转子极对数；为永磁体磁链。PMSM的电磁转矩表达式为：（3-13）以上两个模型集成与PMSM模块中，即。永磁同步发电机模型如下图3-12所示：图3-12永磁同步发电机为风轮机产生的轴机械转矩，为定子三相电流，为转子角速度，为电磁转矩。3.5风力发电系统整体建模按照预先设计好的方案，将上述子模块进行封装和连接，构建整个自建风力发电系统。在Simulink下搭建的系统仿真模块，见图3-13。图3-13风电系统仿真风力机的设计额定风速为9.5m/s，永磁同步电动机失速转矩为-175N·m，额定转速为3000r/min。在不影响仿真效果的情况下，系统的仿真时间设置为0.1秒。

4永磁同步风力发电机调速系统的软件设计为了更好地模拟系统每一部分部分的特性，模型中基本风速、阵风峰值、渐进最大风速、随机最大风速、最小风速分别设置为3m/s、6m/s、6m/s、2.5m/s、0m/s。风速仿真效果如下图。图4-1基本风风速图图4-2随即风风速图图4-3渐变风风速图图4-4阵风风速图图4-5综合风速图图4-1是基本风风速仿真图，基本风风速为3m/s，图4-2是随即风风速仿真图，考虑到风电机会随风向改变，所以最小风速为0m/s,最大风速为2.5m/s，图4-3是渐变风风速仿真图，其0.04s~0.06s作用，保持0.02s，醉倒风速为6m/s,图4-4是典型阵风风速仿真图，该阵风0.025s~0.08s作用，最大风速为6m/s。图4-5是前面四种风速叠加仿真图。（a）风速变化（b）风力机输出机械功率（c）齿轮箱高速轴输出转矩（d）三相输出电流（e）发电机转子角速度变化曲线（f）发电机电磁功率变化曲线图4-6综合风速影响下风电机组单数变化曲线在综合风速的影响下，风力机带动永磁同步发电机发电，发电机参数随风速的变化曲线如图4-6所示，图(a)为风速综合模拟。由于风力机最大额定风速为9.5m/s，所以可以看到在风速达到最大值是保持最大，图（b）（c）分别是风力机输出功率变化曲线和齿轮箱高速轴输出转矩，由于功率与转矩之间的比例关系，曲线的形状大致相同。图（d）是发电机三相输出电流曲线，图（e）（f）分别是发电机转子角速度和发电机电磁转曲线，注意到在0.04s之前风速变化较小，转子角速度和电磁转矩变化较小，0.04s之后风速变化较大，转子角速度和电磁转矩随风速变化明显。前文中的图例为风速变化较大时短时间内的仿真图，无法清楚观察到风速变化时发电机转子转速和电磁转矩的详细变化，所以设置一个特定的风速，假设风速在1s时刻从6m/s发生阶跃变化到9m/s时，风电机组中机械量及电气量的变化曲线如图4-7所示。风速阶跃变化（b）风力机输出功率（c）齿轮箱高速轴输出转矩（d）发电机三相输出电流（e）转子角速度变换曲线（f）发电机电磁转矩图4-7阶跃风速变化下风电机组参数变化曲线图4-8~关系曲线图-8是当浆距角β=0时，功率系数与叶尖速比的仿真曲线，图中当=6时，达到最大值0.43。

5结论与展望本文主要利用MATLAB对直流脉宽调速系统的设计进行仿真和调试。在此基础上，本文首先对永磁同步风力发电机调速的状况进行介绍，基于脉宽调速以往调速系统所没有的优点，本设计采用直流脉宽对主电路进行控制。本文对风力发电机的原理作了说明，风力发电机的种类繁多，这里对永磁同步发电机的原理结构作了介绍。最后一部分是本文的核心部分，利用MATLAB仿真软件对风力发电系统进行建模，得到一系列仿真曲线。通过对曲线的分析，基本可以反映实际系统的运行情况。本文在进行建模与仿真的时候，在很多地方作了简化，现说明如下：当风速很小的时候，虽然风轮在转动，实际发电机并没有在发电，这里的风力机作定速风机讨论；这里的风力发电机是定浆距风力发电机，即规定了某一个浆距角，不能随着外界风速的变化而改变；在传动系统建模时，没有考虑能量损失耗，只是能量的传递。风力发电资源丰富，技术成熟，可靠性高，成本低且效益显著，在新型能源中发展较快。通过MATLAB仿真软件，建立了风电系统控制模型和完整的风电样本系统模型，并对风电系统自建控制模型进行了仿真分析，验证风力发电系统控制模型的可用性，并且通过单曲线绘图对模拟结果进行了分析，从仿真图形分析，能够基本反映风力发电机的运行情况。风力发电系统控制策略是以风速的变化为依据，风能的最大利用效率为目的，为优化风力发电系统运行特性提出的控制方案。变桨距控制系统的设计主要采用PI控制器，根据发电机有功功率输出和风轮机转速反馈来调节桨叶节距。通过本次设计，加强了我对知识的掌握，使我对设计过程有了全面地了解。通过学习控制系统工作原理以及如何利用仿真软件进行仿真，我查阅了大量相关资料，学会了许多知识，培养了我独立解决问题的能力。同时在对电路设计的过程中，巩固了我的专业课知识，使自己受益匪浅。总之，通过本次设计不仅进一步强化了专业知识，还掌握了设计系统的方法、步骤等，为今后的工作和学习打下了坚实的基础。

参考文献[1]邵玫.基于单片机的转速检测系统[J].华电技术，2008，06：74-77.[2]杨飞，惠晶.锅炉多路风压转速监测仪的设计与应用[J].现代电子技术，2015，12：57-60.[3]欧冰洁，段发阶.超声波隧道转速测量技术研究[J].传感技术学报，2014，10：1804-1807.[4]孟庆龙，张永.单片机应用中几个问题的解决方法[J].信息技术与信息化，2013，03：63-67.[5]程为