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 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 设备故障诊断
文献标识码：A
文章编码：1672－6251（2011）02－0030－03
Modeling and Simulation of Direct-driver Permanent Wind Power
配送区域System Based on Matlab/Simulink
ZHAO 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
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·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。风力发电作为一种风能的主要利用形式正以前所未有的速度发展，风力发电代替传统能源发电的比例正逐步上升，并在电力系统受越来越受到欢迎和重视[1-2]。大型永磁同步风力发电机组具有直接驱动、结构简单、效率高等优点，已成为目前兆瓦级大型风电场所采用的主流风电机组。由于风电机组有功出力随着风速的变化而改变，永磁同步风电机组发出频率和电压均变化的交流电，需要通过变流装置才能并网运行[3-4]。以永磁式风力发电机的风力发电系统作为研究对象，通过Matlab/Simulink 对风速、风力机、永磁同步发电机、全功率变流器进行建模和仿真[5]，从而最终得到符合并网条件的电压波形。
1永磁风力发电系统数学模型
永磁风力发电系统数学模型包括风速、风力机和
永磁同步发电机和全功率变流器四部分。
1.1风速模型
为了精确地描述风能随机性和间歇性的特点，风
速变化通常包括以下四种模拟形式[6-7]。
（1）基本风：在风力机正常运行中一直存在，描述风电场平均风速的变化。
（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。
膏药制作其中，。永磁发电机
（3）渐变风：描述风速渐变的特性。
其中，。
（4）随机风：描述在特定高度上风速变化的随机特性。
其中，。
因此，实际风速为：
1.2风力机模型
风力机是用来捕捉风能，并将捕捉到的风能转化为机械能的装置，其捕捉风能的多少决定了整个风力发电系统的有功出力的多少。
风力机捕捉的风能为：
风力机转矩：
1.3永磁同步发电机模型
为了分析永磁同步发电机的动态性能，取永磁体转自极中心线为d轴，沿转子旋转方向超前d轴90°为q轴，建立d、q轴下的数学模型。
电压方程：
电磁转矩方程：
通过上述公式可以看出，永磁同步发电机的电磁转矩与定子q轴电流成正比，调节电流即可调节永磁同
步发电机组的电磁转矩，从而调节永磁同步发电机和风力机的转速，使永磁同步发电机与风力机达到最佳输出状态[9]。在仿真平台中有封装好的模块，直接调用即可。1.4全功率变流器模型
永磁同步发电机的有功出力需要通过变流器处理后才能达到并网运行的要求。采用交-直-交双PWM 背靠背变流器的原因在于它具有良好的传输特性、功率因数高、网测电流谐波小等特点。发电机侧PWM 变流器通过调节定子侧的d轴和q轴电流，控制发电机的电磁转矩和定子的无功功率，使发电机的运行保持在变速恒频状态。网测PWM变流器通过调节网测的d轴和q轴电流，保持直流侧电压稳定，实现有功功率和无功功率的解耦控制，控制流向电网的无功功率，提高了注入电网的电能质量，最终得到满足并网条件的电压波形[10-11]。本研究搭建的全功率变流器采用两个结构完全相同的三相PWM整流器和逆变器构成背靠背全功率变流器，其中电力电子组件采用IGBT。2永磁风力发电系统的建模与仿真
通过上述各个模型搭建完成了永磁同步发电系统模型，但实际上由于风力发电机的容量有限，大型风电场通常要由几十台风力发电机组成。为了避免建立的模型阶数过高、仿真时间过长、严重影响仿真效率，因此在建模时应该在保证准确度的基础上尽量降低系统的维数，减少运算时间，提高仿真效率[12]。
2.1永磁同步发电机发电系统模型
永磁同步发电系统模型如图1所示，全功率变流系统模型如图2所示。
图1永磁同步发电系统模型
2.2仿真结果分析
2.2.1风速模型仿真分析
通过Signal Builder建立风速模型对风速理论中的四种风速进行仿真。对于基本风，在Signal Builder中设置为Constant Speed，初值设置为15m/s；对于阵风，考虑到实际情况一般是从0开始增加，因此在模型中将其设置为Increasing Speed，初值设置为0m/s，在0-1秒内按照线性增加到20m/s，以后的时间内保持20m/s的风速；在仿真系统中将渐变风与随机风设置为variable speed，为了更好地反映仿真效果，将风速设置为0-10秒内不规则变化，给定一个初始风速10m/s，在0-0.3秒内使风速下降到4m/s，在0.3秒时将风速增大到20m/s，随后的0.3-1秒内风速下降到10m/s，以后的时间内继续保持10m/s的风速，用这种方式来模拟渐变风与随机风。风速设置如图3所示。
（下转第35页）
图2永磁同步发电机系统全功率变流系统（AC-DC-AC ）
模型
图5
通过全功率变流器输出的三相电压波形
图4通过全功率变流器输出的一相电压波形
图3MATLAB 中风速模型的建立
2.2.2风力发电系统全功率变流器仿真
将建立的风速模型作为永磁同步风力发电系统的
输入量，对所搭建的整个模型进行仿真。重点观测使用全功率变流器后的电压波形是否满足并网条件，
并以此来验证搭建模型的有效性。通过全功率变流器输出的一相、三相电压波形如图4、图5所示。
3结论
利用MATLAB 中Simulink 对基于直驱式永磁风力
发电机的风电场进行建模与仿真，在仿真过程中，模
拟不同类型的风速作为输入量，最终得到满足并网条件的电压波形。其中最核心的整流逆变模块在整个仿真过程中起了重要作用，采用双PWM 背靠背结构实现AC-DC-AC 的转换，得到最终的仿真波形，与理论分析一致，证明模型搭建是正确的，同时该模型对并网运行时无功控制提供了一定的理论基础
。
（上接第32页）
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参考文献
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理，如将‘0810-0910’替换为‘8:10-9:10’的日常时间发音；④对雷暴方位进行替换处理，如将‘W-Z-N’替换为‘西到天顶到北’等；⑤对最小能见度进行替换处理，如将‘100’替换为‘100米’；⑥对云状进行替换处理，如将‘Actra’替换为‘透光高积云’等。
（1）初始化与逆初始化。回调式的合成方法是在合成过程中，TTS系统合成一批声音数据后主动将该声音数据通过回调函数的形式回送给客户方，具有较高的合成效率和编程灵活性。一般合成步骤如下：TTSInitialize();//语音合成系统初始化
TTSConnect();//建立客户到TTS服务的连接
TTSSynthTextEx();//开始合成文本
TTSDisconnect();//断开语音合成系统建立的连接
TTSUninitialize();//逆初始化语音合成系统，从系统内存中移出语音合成系统
（2）生成波形文件。使用InterPhonic SDK支持直接回放和后台合成声音文件两种方式，支持包括线性PCM、alaw、ADPCM和Dialogic Vox等多种数据格式。一般可以使用TTSSynthTextEx函数以回调方式合成一段文本，回调可以是同步模式，也可以是异步模式。合成的声音文件用sndPlaySound函数即可进行合成语音的播放。
7使用效果
在实际使用过程中，硬件配置为Pentium4、2.8G、内存512M的计算机的合成系统性能指标为：一次定时观测数据合成时间（首次启动）17秒，占用的内存峰值为120M左右。由于语音合成系统刚启动时许多资源并没有真正载入内存，因此开始时的合成效率远远低于正常运行时的合成效率，特别是第一句话的合成效率最低。但经过资源预热后，系统已经读入常用的资源数据，这时其合成效率将大大提高，完全能满足业务需求。
参考文献
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