基于永磁同步发电机的直驱式风电系统建模与仿真

风能作为一种清洁的可再生能源,不仅可以缓解能源危机,而且有利于环保,可带来直接的经济效益和社会效益,因此近年来受到各界广泛关注,风电产业也发展迅猛。目前获得广泛应用的并网型风力发电系统多采用异步发电机,但是效率不高。并且由于必须采用升速齿轮箱,系统的可靠性不高。而采用永磁同步发电机的直驱式风力发电系统,因其具有效率高、制造方便、控制效果好等优点,逐渐成为人们研究的焦点。本文主要针对永磁直驱风电系统系统进行建模和仿真研究。 风力发电系统包括两个能量转换过程,即风力机将风能转换为机械能和发电机将机械能转换为电能。本文通过研究风力机和永磁同步发电机各自的特性和运行机理,建立了永磁直驱风力发电系统的数学模型。具体包括风速数学模型、风力机数学模型、永磁同步发电机数学模型和电能转换模块数学模型,并在Matlab/Simulink环境下搭建了整个仿真系统的模型。文章提出了基于发电机转子磁场定向的机侧变流器矢量控制方法,实现了最大风能捕获,提高了发电机的效率。同时本文对永磁直驱风力发电控制系统的无位置传感器算法进行了深入研究,解决了由于安装位置传感器所带来的转动惯量增加,系统易受外界干扰,可靠性降低等问题。对于网侧逆变器的控制,采取了直流电压环和无功电流内环的双闭环控制策略,实现了将直流电逆变为与电网同频率、同幅值的交流电,维持直流侧电压恒定,并能根据电网需求实现与电网间的无功交换的控制目标。 建模与仿真是研究分析机电系统性能的有效方法和重要手段。Matlab/Simulink仿真工具虽然提供了丰富的模块库,但电机均为传统电机,如异步感应电机,绕线式同步电机,以及无刷双馈电机等,不能直接用于永磁直驱风电系统的仿真研究。本文基于Simulink仿真技术,构建了永磁同步发电机通用模块,并进行封装,从而为该种发电机系统的仿真研究提供了方便、可靠的工具。 通过以上研究,为建立具有我国自主知识产权的新型永磁直驱风电机组奠定了理论和试验基础。