【《直驱式风力发电系统控制系统的整体仿真分析案例》2900字】

直驱式风力发电系统控制系统的整体仿真分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u8581直驱式风力发电系统控制系统的整体仿真分析案例 1118061.1风力机的原理与仿真 145031.1.1最大功率跟踪（MPPT）原理 186571.1.2风力机建模仿真 3322211.2永磁同步发电机的仿真 3198371.3三相不可控整流电路的仿真 4218931.4Boost升压斩波电路的仿真 5128391.5逆变器及其控制系统的仿真 7291251.5.1三相电压型逆变器的数学模型 7223501.5.2坐标变换原理 927461.5.3电流电压PI控制器设计 1043001.5.4SVPWM的建模 13307861.6风力发电系统整体仿真及结果 1312291.7本章小结 161.1风力机的原理与仿真1.1.1最大功率跟踪（MPPT）原理在风速为V0的时候，风力机所捕获功率Pm为：p其中，Cp为风能利用系数，ρ为空气密度，s为风叶扫过的面积，V0为风速。机械转矩Tm计算公式：T式中，ω为风机旋转角速度。定义叶尖速比λ为风机叶片的叶尖圆周速度与风速之比，叶尖速比λ的计算公式为：λ=式中，R为风机直径大小，V0为来流速度。对于变桨距风力机组，β为桨距角，则有C对于确定的风力发电系统，当外界风速不变时，捕获功率Pm大小主要由主要风能利用系数CP大小决定，而由上述（4-4）式可知，Cp=0.22116λ−0.4θ−5e图1.1Cp-λ关系曲线Fig1.1Cp-λcurve当风速一定时，转速ω的大小将影响输出功率Pm的大小，因此存在某一ω，使风能利用系数Cp取最大值，也使输出功率最大，ω所对应的叶尖速比为最佳叶尖速比，如图1.2所示：图1.2P-ω曲线Fig1.2P-ωcurve因此，从上述分析可知，调节风力机的转速，就能使输出的功率达到最大值，又因为在直驱式风力发电系统中，风力机与永磁同步发电机直接相连接，所以转速相同，因此，调节永磁同步发电机转速就能实现最大功率跟踪（MPPT）。1.1.2风力机建模仿真本设计风力机的建模如图1.3所示。输入量为风速V，初始量为8，经过0.5秒后达到恒定值9。空气密度ρ取值1.225，直径R取值4，为了获得最大机械功率，β取0。图1.3风力机建模图Fig1.3Windturbinemodeling1.2永磁同步发电机的仿真本设计选用的风力发电机模块及其参数如图1.4所示：图1.4永磁同步发电机模块及其参数Fig1.4Permanentmagnetsynchronousgeneratormoduleanditsparameters定子电流频率f=np60，其中n为发电机转速，p为磁极对数。为使得频率f在50Hz左右，定子绕组的相电动势为E0，它与相电压U0尽可能相等，由E0=2πfψ和p=2πfω可得：E01.3三相不可控整流电路的仿真三相不可控整流电路使用simulink中的通用桥式电路模块（UniversalBridge）来实现，该模块可以根据自己的需求进行设置，通过对桥臂数和器件的设置来建立整流或者逆变电路，本逆变器使用的桥臂数为3，器件选用不可控二极管，如图1.5所示：图1.5整流模块及其参数Fig1.5Rectifiermoduleanditsparameters1.4Boost升压斩波电路的仿真Boost升压斩波电路如图1.6所示。其主要参数设计由本文2.3节可知，L=20mH，开关频率为15kHz。图1.6Boost升压电路模块FigBoostcircuitmodule因为本设计风力发电系统所使用最大功率跟踪技术，所以对Boost升压电路中的IGBT的控制没有使用传统的脉冲控制，而使用PWM控制策略，如图1.7所示。图1.7升压电路的PWM控制仿真Fig1.7ThePWMcontrolsimulationoftheboostercircuit所使用的控制策略为转速电流双闭环控制策略，如图1.8所示：图1.8转速电流双闭环控制图Fig1.8Speedcurrentdoubleclosedloopcontrolchart其中，外环为永磁同步发电机转速ω，内环为Boost升压电路电感电流iL。其原理为：将同步发电机转速ω与给定值ωref作比较，ωref的大小为当前风速下的最佳转速，两者之差经PI调节器调节之后，作为电流内环指令信号IL*，与电感电流IL作比较，两者之差经PI调节器调节之后作为调制信号，与三角波载波信号做比较，产生PWM波，其仿真如图1.9所示：图1.9转速电流双闭环控制仿真Fig1.9Doubleclosed-loopcontrolsimulationofspeedcurrent1.5逆变器及其控制系统的仿真由1.1节和1.2节可知，三相并网逆变器采用双闭环控制策略，并选用PI控制器作为控制器，所采用的控制技术为SVPWM控制技术，如图1.10所示：图1.10三相并网逆变器控制图Fig1.10Controldiagramofthree-phasegrid-connectedinverter1.5.1三相电压型逆变器的数学模型三相电压型逆变器的拓扑如图1.11所示：图1.11三相电压型逆变器的拓图Fig1.8Extensiondiagramofthree-phasevoltage-typeinverter根据上图所示的拓扑结构，由基尔霍夫电压定律和电流定律可得[19]：CLik=a,b,c其中，LT=L1+L2,RT=R1+R2，uck为滤波电容电压，uk为电网电压，ick为电容电流，i2k为逆变器输出电流[20]。三相电压型逆变电路使用simulink中的通用桥式电路模块（UniversalBridge）来实现，本逆变电路使用的桥臂数为3，器件选用全控型器件IGBT，其模块和参数如图1.12所示：图1.12逆变模块及其参数Fig1.12Invertermoduleanditsparameters1.5.2坐标变换原理本设计采用PI控制器，但因为PI控制器对三相交流电不能够实现无静差控制，所以需要进行相应的坐标变换[21]。（1）Clark变换（3/2变换）三相坐标系变换到两相正交坐标系的变换矩阵为：C通过上述变换，得并网逆变器在两相坐标系的数学模型为：e式中，eα为电网电压经过3/2变换后α坐标上的值，Vβ为电网电压经过3/2变换后β坐标上的值。Vα为输出电压经过3/2变换后α坐标上的值，eβ为输出电压经过3/2变换后β坐标上的值。Sα为开关函数经过3/2变换后α坐标上的值，Sβ为开关函数经过3/2变换后β坐标上的值。（2）Park变换（2s/2r变换）静止两相正交坐标系αβ到旋转正交坐标系dq变换矩阵为：C通过上述变换，得并网逆变器在dq坐标系的数学模型为[22]：e式中，ed为电网电压经过2s/2r变换后d坐标上的值，eq为电网电压经过2s/2r变换后q坐标上的值。Vd为输出电压经过2s/2r变换后d坐标上的值，Vq为输出电压经过2s/2r变换后q坐标上的值。Sd为开关函数经过2s/2r变换后d坐标上的值，Sq为开关函数经过2s/2r变换后q坐标上的值。（3）坐标变换建模通过以上坐标变换分析，在matlab/simulink仿真中建模如图1.13所示：图1.13坐标变换建模Fig1.13Coordinatetransformationmodeling1.5.3电流电压PI控制器设计设电流内环传递函数为Gi（s），电压外环的传递函数为Gv（s）。对逆变器两相静止状态下的数学模型进行拉氏变换得[23]：i由上式可得，逆变器控制系统的传递函数如图1.11所示：图1.11逆变器控制系统传递函数Fig1.11Invertercontrolsystemtransferfunction1Tfi+1为电流滤波传递函数，1设电流内环传递函数为Gs=选择阻尼系数为0.707，PI电流调节器计算公式：Kτ=其中，KIT综上可得，本电流内环PI调节器Kp取8，Ki取300。其建模和参数如图1.14所示：图1.14电流内环建模与参数Fig1.14CurrentinnerloopmodelingandparametersPI电压调节器计算公式：Kτ=hT综上可得，本电压外环PI调节器Kp取2，Ki取50。其建模和参数设置如图1.15所示：图1.15电压外环建模与参数Fig1.15Voltageouterloopmodelingandparameters1.5.4SVPWM的建模通过3.2节的分析，建立如图1.16所示SVPWM模型：图1.16SVPWM的建模Fig1.16SVPWMmodeling1.6风力发电系统整体仿真及结果通过对以上风力发电系统各个模块的分析和建模，建立整体仿真如图1.17所示：图1.17风力发电系统整体仿真Fig1.17Windpowersystemintegralsimulation输入初始风速V为8m/s，0.5秒以后变为9m/s，如图1.16所示：图1.18风速参数Fig1.18Windspeedparameter图1.19为风力发电机输出的功率曲线。由曲线可知，当系统稳定以后，输出的功率为10kW，符合题目要求。图1.19风力发电机输出功率曲线Fig1.19Windgeneratoroutputpowercurve在LCL滤波器滤波之前，相电压和相电流的波形如图1.20所示：图1.20滤波前相电压和相电流波形图Fig1.20Waveformsofphasevoltageandphasecurrentbeforefiltering经过LCL滤波器滤波以后，相电压和相电流如图1.21所示：图1.21滤波后相电压和相电流波形图Fig1.21Waveformsoffilteredp