永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)矢量控制課件

1、重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制策略研究及仿真學(xué) 生：曹既源學(xué) 號(hào)：20104360指導(dǎo)教師：姚駿教授專 業(yè)：電氣工程與自動(dòng)化重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院二O一四年六月Graduation Design(Thesis) of Chongqing UniversityControl Strategy and Simulation of Permanent Magnet Synchronous wind GeneratorUndergraduate: Cao jiyuanSupervisor: Prof. Yao Jun Major: Electrical Engineering a

2、nd AutomationSchool of Electrical Engineering Chongqing UniversityJune 2014重慶大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 摘要摘 要近年來(lái)，科技的高速發(fā)展引起了化石能源的大量消耗，同時(shí)造成了環(huán)境的污染，可再生清潔能源的開(kāi)發(fā)和利用，已經(jīng)成了各個(gè)國(guó)家目前的重要任務(wù)。風(fēng)力發(fā)電作為一種對(duì)生活中普遍存在的清潔可再生能源風(fēng)能的有效利用方法，一直在以一個(gè)極高的速度發(fā)展。相比于雙饋交流勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、發(fā)電效率較高。直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制包括機(jī)側(cè)變換器控制和網(wǎng)側(cè)變換器控制。發(fā)電機(jī)定子輸出的用功功率的大小、

3、電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈沖和發(fā)電系統(tǒng)對(duì)風(fēng)能的利用率都是由機(jī)側(cè)變換器的控制策略來(lái)決定的。本文主要是對(duì)機(jī)側(cè)變換器的矢量控制策略進(jìn)行研究。其中包括了永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型和相關(guān)的坐標(biāo)變換，介紹了幾種常用的永磁同步電機(jī)矢量控制策略，并選取了id=0控制策略在MATLAB上進(jìn)行了仿真，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了分析。關(guān)鍵詞：直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)，矢量控制，數(shù)學(xué)模型，建模重慶大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） ABSTRACTABSTRACTSince fewer and fewer non-renewable energy, the environment is increasingly being destroyed.Clean

4、 and renewable energy development are paid more attention by each country. Wind power as a method for the effective use of renewable and clean energy is rapidly developed. Compared with the double-fed wind power AC excitation systems, direct-drive permanent magnet wind power system has a simple stru

5、cture, reliable operation, high efficiency power generation. Direct-drive permanent magnet wind power system control, including machine side converter control and grid side converter control. Machine side converter control strategy is directly related to the active power output of the generator stat

6、or, the motor torque ripple and utilization of wind power generation system.This paper focuses on the machine side converter control strategy. Including the mathematical model and the associated permanent magnet synchronous motor coordinate transformation introduced several common permanent magnet s

7、ynchronous motor vector control strategies, and select the id=0 control strategy being simulated on MATLAB and analyze the simulation results.Key words：Direct-drive permanent magnet synchronous wind generator, Vector Control, Mathematical Model, ModelingI重慶大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 目錄目 錄中文摘要ABSTRACT1緒論11.1 引言1 1

8、.1.1風(fēng)力發(fā)電的意義1 1.1.2 風(fēng)力發(fā)電的研究現(xiàn)狀21.2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀3 1.2.1變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀3 1.2.2直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)和研究現(xiàn)狀41.3 本文的主要內(nèi)容52永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型和坐標(biāo)變換62.1 永磁同步電機(jī)在靜止三相坐標(biāo)軸系下的數(shù)學(xué)模型62.2 坐標(biāo)變換8 2.2.1靜止三相坐標(biāo)軸系到靜止兩相坐標(biāo)軸系的相變換（3s/2s變換）8 2.2.2靜止兩相坐標(biāo)軸系到旋轉(zhuǎn)兩相坐標(biāo)軸系的整流子變換92.3 小結(jié)103永磁同步電機(jī)控制策略113.1 幾種常用的永磁同步電機(jī)矢量控制策略113.2 PWM脈寬調(diào)制技術(shù)簡(jiǎn)介113.3 id=0控制方式1

9、3 3.3.1 控制原理13 3.3.2 控制方程14 3.3.3 控制過(guò)程143.4 小結(jié)154 永磁同步電機(jī)矢量控制的仿真建模164.1 模型建立164.2 模型說(shuō)明17 4.2.1 永磁同步電機(jī)模型17 4.2.2 坐標(biāo)變換17 4.2.3 解耦模塊18 4.2.4 SPWM模塊18 4.2.5 功率檢測(cè)模塊194.3 小結(jié)195 仿真結(jié)果及其分析205.1 穩(wěn)態(tài)時(shí)的仿真結(jié)果205.2動(dòng)態(tài)時(shí)的仿真結(jié)果235.3 小結(jié)256 結(jié)論26致謝27參考文獻(xiàn)28重慶大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 緒論1 緒論 1.1引言1.1.1風(fēng)力發(fā)電的意義 5-6近年來(lái)，工業(yè)在高速地發(fā)展，在這過(guò)程中，對(duì)能源的需

10、求也越來(lái)越多，因此，人類不斷地對(duì)那些深埋在地殼深處的化石能源進(jìn)行無(wú)節(jié)制的開(kāi)采和使用。這對(duì)我們生活的環(huán)境造成了極大的破壞，并且使得這些珍貴的資源變得越來(lái)越少。根據(jù)專家的預(yù)測(cè)，地球上所有的煤炭大概還可以開(kāi)采利用221年，石油還可以開(kāi)采利用39年，天然氣還可以開(kāi)采利用60年。人類不能僅僅著眼于現(xiàn)在，更需要考慮若干年后，當(dāng)化石能源全面枯竭后，用什么來(lái)代替這些自然的恩賜。所以，對(duì)可再生清潔能源的開(kāi)發(fā)和利用迫在眉睫。中國(guó)的能源危機(jī)形勢(shì)在世界來(lái)說(shuō)已經(jīng)相當(dāng)?shù)膰?yán)峻。據(jù)報(bào)道，中國(guó)已探明的煤炭?jī)?chǔ)量人均值僅為世界人均值的51%左右，已探明的石油儲(chǔ)量?jī)H為世界人均值的11%，天然氣儲(chǔ)量?jī)H為世界人均值的3.78%左右。對(duì)于

11、已經(jīng)成型的商品能量消費(fèi)量，中國(guó)的人均值為世界人均值的55%，為發(fā)達(dá)國(guó)家人均值的17%。由此可知，中國(guó)正處于一個(gè)非常嚴(yán)峻的能源危機(jī)之中。電能是所有能源中消耗最多的，是一種二次能源，即需要其他的能源通過(guò)轉(zhuǎn)化獲得。火力發(fā)電是目前電能的主要來(lái)源?；鹆Πl(fā)電即是通過(guò)燃燒煤、重油等燃料，產(chǎn)生大量的熱能，然后將這些熱能轉(zhuǎn)化為電能。在這個(gè)過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生各種有害氣體及煙塵，對(duì)大氣造成極大的污染。由于這些有害氣體中包含二氧化硫，所以會(huì)形成酸雨，對(duì)農(nóng)作物、森林樹(shù)木、各種建筑物和金屬材料構(gòu)成危害和腐蝕，造成嚴(yán)重的浪費(fèi)。這些有害氣體中還包含二氧化碳，過(guò)多的二氧化碳排放到空氣中之后會(huì)形成溫室效應(yīng)，這會(huì)改變局部氣候，造成各種

12、自然災(zāi)害。目前，中國(guó)的能源消耗量可以在全世界排到第二。在能源消耗的過(guò)程中排放的二氧化碳量達(dá)到了溫室氣體總排放量的80%。在全世界，中國(guó)的溫室氣體排放量大概占了總量的13%，也是在全世界排名第二，僅有美國(guó)多于中國(guó)。國(guó)際能源組織估計(jì)大約在2030年左右，中國(guó)的二氧化碳排放量就將超過(guò)美國(guó)，達(dá)到世界第一。由于能源消耗量的增加排放了更多的溫室氣體，使得溫室效應(yīng)的加劇引起了全球的矚目。從中國(guó)的國(guó)情和社會(huì)的發(fā)展來(lái)看，可持續(xù)清潔能源的開(kāi)發(fā)和利用是現(xiàn)階段能源研發(fā)的重中之重。可再生的清潔能源包括太陽(yáng)能、水能、風(fēng)能等非化石能源。這些能源逐漸成為人們研究的熱點(diǎn)。風(fēng)能是由于地球表面受到不均勻的太陽(yáng)光照射，導(dǎo)致了大氣的相

13、對(duì)運(yùn)動(dòng)而形成的。它是由太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換而來(lái)，風(fēng)能無(wú)窮無(wú)盡。中國(guó)的領(lǐng)土處在北半球中緯度上，地大物博，海岸線比較長(zhǎng)，擁有非常豐富的風(fēng)力資源。根據(jù)初步的估算，我國(guó)全國(guó)的平均風(fēng)能密度為100W/m2，風(fēng)能的總量為10億kW，其中陸地上的風(fēng)能儲(chǔ)存量大約為2.53億kW，在海上可以開(kāi)發(fā)和利用的風(fēng)能儲(chǔ)量大約為7.5億kW。我國(guó)的風(fēng)力資源主要分布在東南海沿岸以及其附近島嶼，內(nèi)蒙和甘肅河西走廊，以及東北，西北，華西和青藏高原等部分地區(qū)。這些地區(qū)的風(fēng)能密度的有效值在150W以上，每年風(fēng)速在3m/s以上的時(shí)間有4000小時(shí)，有些地區(qū)的平均風(fēng)速達(dá)到了67m/s以上。所以，我國(guó)擁有非常豐富的風(fēng)力資源，這些風(fēng)力資源 分布在全國(guó)

14、各個(gè)地區(qū)，值得我進(jìn)行大規(guī)模的開(kāi)發(fā)利用。風(fēng)力資源的開(kāi)發(fā)和利用為解決我國(guó)的能源危機(jī)提供了十分有利的條件。1.1.2 風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展?fàn)顩r7-10有些國(guó)家很早就開(kāi)始了對(duì)風(fēng)力發(fā)電的研究，最早的是在第一次世界大戰(zhàn)之后就開(kāi)始了。風(fēng)力發(fā)電發(fā)展較快的時(shí)期是在上世紀(jì)七八十年代。美國(guó)是世界上最發(fā)達(dá)的國(guó)家之一，美國(guó)非常重視環(huán)境保護(hù)和能源的保護(hù)，美國(guó)是世界上最早開(kāi)始重視風(fēng)力發(fā)電的國(guó)家之一。其在1994年的時(shí)候風(fēng)力發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量達(dá)到了16.2MW，在當(dāng)時(shí)，占了全球風(fēng)力發(fā)電機(jī)總裝機(jī)容量的53%。到了1997年，美國(guó)風(fēng)電機(jī)總裝機(jī)容量達(dá)到了1612MW。到了2000年，美國(guó)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的風(fēng)力發(fā)電，已經(jīng)有了40億美元的風(fēng)機(jī)產(chǎn)業(yè)

15、。預(yù)計(jì)2050年，美國(guó)風(fēng)力發(fā)電量將占全國(guó)總發(fā)電量的10%左右。風(fēng)力發(fā)電在歐洲得到了快速的發(fā)展，特別是在丹麥和德國(guó)。丹麥擁有世界上最先進(jìn)的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，并且是風(fēng)電機(jī)的主要生產(chǎn)國(guó)之一。早在1978年丹麥就成立了風(fēng)電試驗(yàn)站，這促進(jìn)了風(fēng)電的發(fā)展和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展。德國(guó)目前的風(fēng)電總裝機(jī)容量占了全歐洲的50%，風(fēng)力發(fā)電機(jī)占了德國(guó)電機(jī)的2.5%，并且德國(guó)計(jì)劃在近幾年內(nèi)將這個(gè)比例提高到3.5%。中國(guó)由于起步較晚，雖然風(fēng)力資源比較豐富，但是還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有發(fā)展起來(lái)。在1998年底，我國(guó)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組總裝機(jī)容量?jī)H為223.5MW，1999年底僅為263.3MW，而到了2003年底也僅為567MW，由此可看出中國(guó)風(fēng)力發(fā)電

16、一直是以一個(gè)較慢的速度在發(fā)展。這是由于我國(guó)對(duì)風(fēng)力發(fā)電各項(xiàng)技術(shù)的研究都還處于起步階段，所以我國(guó)大部分風(fēng)力發(fā)電機(jī)組都是從外國(guó)進(jìn)口的。由于維護(hù)和生產(chǎn)的原因，導(dǎo)致我國(guó)風(fēng)力發(fā)電成本較高，所以，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的國(guó)產(chǎn)化是推動(dòng)我國(guó)風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的根本途徑。在過(guò)去的5年的時(shí)間里面，風(fēng)力發(fā)電受到了世界各國(guó)的關(guān)注，以一個(gè)超越了專家預(yù)測(cè)的速度在高速發(fā)展著，是增長(zhǎng)得最快的能源。2011年上半年，世界各國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)增長(zhǎng)迅速，達(dá)到了新的高度。截至到2011年6月底，全球范圍內(nèi)新增的風(fēng)電裝機(jī)容量有1840萬(wàn)kW，而總的風(fēng)電裝機(jī)容量更是達(dá)到了2億kW。其中，新增裝機(jī)容量排在前五位的國(guó)家分別為中國(guó)、美國(guó)、印度、德國(guó)和加拿大，新增裝

17、機(jī)容量分別為800萬(wàn)kW、225.2萬(wàn)kW、148萬(wàn)kW、76.6萬(wàn)kW和60.3萬(wàn)kW。在這個(gè)機(jī)遇與挑戰(zhàn)共存的時(shí)代里，中國(guó)這一龐大的經(jīng)濟(jì)體正在飛速發(fā)展。在這個(gè)關(guān)鍵時(shí)期里，我們不僅要考慮能源的效用，還必須應(yīng)對(duì)日益惡化的環(huán)境問(wèn)題。面對(duì)這一系列問(wèn)題，我國(guó)堅(jiān)持符合國(guó)情的可持續(xù)發(fā)展，在能源方面，實(shí)現(xiàn)對(duì)化石能源的高效利用的同時(shí)，還對(duì)新型清潔可再生能源進(jìn)行了快速的研發(fā) 。我國(guó)對(duì)風(fēng)能這類可再生清潔能源非常重視，制定了相關(guān)清潔可再生能源開(kāi)發(fā)利用規(guī)劃，并于2009 年 12 月對(duì)可再生能源法進(jìn)行了修訂。與此同時(shí)，國(guó)家對(duì)新能源的開(kāi)發(fā)利用大力的進(jìn)行扶持。根據(jù)世界風(fēng)能協(xié)會(huì)的最新統(tǒng)計(jì)，2011年上半年，中國(guó)風(fēng)電新增裝機(jī)

18、容量實(shí)現(xiàn)歷史性的突破，達(dá)到了800萬(wàn)kW，占全球新增風(fēng)電裝機(jī)容量43.4%，是全球增長(zhǎng)最快的國(guó)家；中國(guó)風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到 5280 萬(wàn)kW，占全球累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)容量的 24.56%，位居全球第一位。因此，中國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量繼續(xù)領(lǐng)跑全球。1.2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀在風(fēng)力發(fā)電不斷的發(fā)展過(guò)程中，根據(jù)控制方式的不同，分成了恒速恒頻和變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)，根據(jù)風(fēng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)方式的不同，分成了直驅(qū)式和非直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。1.2.1 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，由于風(fēng)速是時(shí)刻在變化的，導(dǎo)致了風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速也下時(shí)刻地變化。但是，由于并網(wǎng)條件即發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能要與電網(wǎng)的頻率相等，所以風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

19、分為變速恒頻和恒速恒頻系統(tǒng)。恒速恒頻系統(tǒng)顧名思義就是指在發(fā)電機(jī)發(fā)電的過(guò)程中，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速不變，從而使得電能頻率不變，利于并網(wǎng)。這種系統(tǒng)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，通常采用的發(fā)電機(jī)為鼠籠式感應(yīng)發(fā)電機(jī)和同步發(fā)電機(jī)。變速恒頻系統(tǒng)則是指發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速根據(jù)風(fēng)速的變化而變化，并通過(guò)其他的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。兩相比較，變速恒頻系統(tǒng)具有比較明顯的優(yōu)點(diǎn)。恒速恒頻系統(tǒng)只能在固定的轉(zhuǎn)速上運(yùn)行，不能對(duì)風(fēng)能最大化的利用。此外，采取一定的控制策略，可以對(duì)系統(tǒng)的無(wú)功功率和有功功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，對(duì)電網(wǎng)也可以起到功率因素補(bǔ)償?shù)淖饔?。而且，變速恒頻系統(tǒng)可以與電網(wǎng)之間更好的實(shí)現(xiàn)柔性連接，更易實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。11-12近年來(lái)，世界各國(guó)都在積極開(kāi)發(fā)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

20、。其中最常用的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)有 4 種13-21： 鼠籠式異步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)風(fēng)速的變化引起風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，從而引起發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，導(dǎo)致了電能頻率的不斷變化。所以，變速恒頻系統(tǒng)需要在并網(wǎng)前對(duì)電能頻率進(jìn)行調(diào)整，使得其與電網(wǎng)頻率相同，鼠籠式異步發(fā)電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是變速恒頻系統(tǒng)，其通過(guò)并網(wǎng)前的變頻器把發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)頻率相同的電能，然后送入電網(wǎng)。這種方案雖然實(shí)現(xiàn)了并網(wǎng)，但是變頻器卻對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響。由于變頻器安置在定子側(cè)，這使得變頻器容量有了明顯的增加，增大了成本。同時(shí)，采用異步發(fā)電機(jī)會(huì)從電網(wǎng)吸收滯后的無(wú)功功率，導(dǎo)致電網(wǎng)功率因數(shù)變壞，需要進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。 永磁同步

21、發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)永磁同步發(fā)電機(jī)，顧名思義，即用永磁材料進(jìn)行勵(lì)磁的發(fā)電機(jī)。其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)是永磁結(jié)構(gòu)，而定子結(jié)構(gòu)與一般的交流發(fā)電機(jī)相同。該系統(tǒng)所產(chǎn)生的電能頻率也是變頻的電能。所以，仍需要變頻器對(duì)電能頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。相較于普通的交流電機(jī)，永磁同步發(fā)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)低轉(zhuǎn)速多極對(duì)數(shù)運(yùn)行，并且風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)之間一般采用直驅(qū)式連接，這種連接省去了升速齒輪箱，降低了系統(tǒng)的成本。 雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)雙饋發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)類似于繞線式異步發(fā)電機(jī)，但是在其轉(zhuǎn)子上有滑環(huán)的存在。工作的時(shí)候，定子繞組直接與電網(wǎng)連接，而轉(zhuǎn)子則是由一套交直交或交交變頻器來(lái)提供一個(gè)可全方位調(diào)節(jié)的電源來(lái)實(shí)現(xiàn)恒頻輸出。 無(wú)刷雙

22、饋電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)無(wú)刷雙饋電機(jī)定子有兩套極數(shù)不同的繞組，一個(gè)稱為功率繞組，直接接電網(wǎng)，另一個(gè)稱為控制繞組，通過(guò)雙向變頻器接電網(wǎng)。其轉(zhuǎn)子為鼠籠式或磁阻式結(jié)構(gòu)，無(wú)需電刷和滑環(huán)，轉(zhuǎn)子的極數(shù)應(yīng)為定子兩個(gè)繞組極對(duì)數(shù)之和。無(wú)刷雙饋電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的變速恒頻方案也是在定子電路實(shí)現(xiàn)，但流過(guò)定子控制繞組的功率僅為無(wú)刷雙饋電機(jī)總功率的一小部分，因此變頻器的容量也為發(fā)電機(jī)容量的一小部分。該系統(tǒng)除了可實(shí)現(xiàn)變速恒頻控制外，還可實(shí)現(xiàn)有功、無(wú)功的獨(dú)立控制，同時(shí)發(fā)電機(jī)本身沒(méi)有電刷和滑環(huán)，使得系統(tǒng)成本降低。但這項(xiàng)技術(shù)還不十分成熟，在實(shí)際中應(yīng)用較少。1.2.2 直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)和研究現(xiàn)狀22-29傳統(tǒng)的風(fēng)力

23、發(fā)電機(jī)組通常都為異步發(fā)電機(jī)，異步發(fā)電機(jī)需要升速齒輪箱將高速的發(fā)電機(jī)和低速的風(fēng)力機(jī)進(jìn)行連接。齒輪箱卻是影響異步發(fā)電機(jī)發(fā)展的因素之一。這有三個(gè)原因。一是由于齒輪箱一直工作在高速旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，加重了系統(tǒng)的損耗，影響了能量的利用率。而是由于風(fēng)電機(jī)組通常安裝在風(fēng)力比較大的偏遠(yuǎn)地區(qū)、孤島等野外的幾十米高空處，經(jīng)受著各種氣候的考驗(yàn)，并且晝夜溫差比較大，導(dǎo)致了齒輪箱的損耗，維修齒輪箱會(huì)花費(fèi)大量的資金。三是由于市場(chǎng)的需求，大容量的風(fēng)力發(fā)電機(jī)成為了市場(chǎng)的主導(dǎo)，但著容量增大，齒輪箱的價(jià)格也在增大，并且在兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組中齒輪箱更容易被破壞。 與非直驅(qū)發(fā)電系統(tǒng)相比，直驅(qū)發(fā)電系統(tǒng)省去了升速齒輪箱，這不但減少了風(fēng)電機(jī)組的重

24、量和體積，同時(shí)省去了維護(hù)費(fèi)用，降低了系統(tǒng)噪音，還提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，這將成為以后風(fēng)電機(jī)組的主要發(fā)展方向。目前，國(guó)外已經(jīng)生產(chǎn)出了采用變流裝置的大型直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。這種發(fā)電機(jī)組是由瑞士ABB公司開(kāi)發(fā)的，風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)直接連軸，發(fā)電機(jī)采用大直徑圓盤式永磁鋼轉(zhuǎn)子，用圓形的高壓電纜線作為定子繞組，發(fā)電電壓達(dá)到了20kV以上，最高可以達(dá)到400kV。最開(kāi)始的時(shí)候發(fā)電平率大約為510Hz，經(jīng)過(guò)高壓變流器后得到了50Hz的交流電。國(guó)內(nèi)外對(duì)直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的控制都進(jìn)行了一定的研究。根據(jù)并網(wǎng)電路的不同，可以分成兩種。第一種是采用不可控整流和可控逆變作為并網(wǎng)電路。這種方式的主要特點(diǎn)是控制比較簡(jiǎn)單，但是

25、不能直接對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行調(diào)節(jié)，發(fā)電系統(tǒng)不能靈活地實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)或制動(dòng)等功能，而且不可控整流會(huì)增大發(fā)電機(jī)定子諧波電流，加大電機(jī)的損耗和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。其主要的特點(diǎn)是系統(tǒng)成本較低，控制算法比較簡(jiǎn)單。第二種是采用雙PWM變換器作為并網(wǎng)電路，其主要的特點(diǎn)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制比較復(fù)雜，但是通過(guò)對(duì)機(jī)側(cè)變換器的控制，可以對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩直接進(jìn)行調(diào)節(jié)，靈活地實(shí)現(xiàn)了發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的自啟動(dòng)和制動(dòng)等功能，減小定子諧波電流，從而見(jiàn)笑了電機(jī)的損耗和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。1.3本文的主要內(nèi)容本文介紹了采用雙脈寬（PWM）調(diào)制交-直-交電壓型變頻器作為并網(wǎng)主回路的直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)。本文詳細(xì)地分析了直驅(qū)式永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，介紹了相關(guān)的坐標(biāo)

26、變換知識(shí)，對(duì)一些常用的矢量控制方式進(jìn)行了比較，最后選定了其中一種控制策略在MATLAB軟件上進(jìn)行了仿真，并對(duì)仿真波形進(jìn)行了一定的分析，本文的主要工作有： 分析直驅(qū)式永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型和相關(guān)的坐標(biāo)變換。 對(duì)常用的永磁同步電機(jī)矢量控制策略進(jìn)行介紹，確定控制策略 畫出控制框圖，并且在MATLAB/SIMULINK軟件上對(duì)自己選取的控制策略進(jìn)行仿真。 對(duì)仿真波形進(jìn)行分析，并得出結(jié)論。4重慶大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型和坐標(biāo)變換2 永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型和坐標(biāo)變換直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的主要控制對(duì)象為電機(jī)側(cè)變換器和電網(wǎng)側(cè)變換器。電機(jī)側(cè)變換器的控制影響了電機(jī)定子輸出的有功功率

27、、電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和系統(tǒng)的風(fēng)能利用率。為了對(duì)機(jī)側(cè)變換器更好的進(jìn)行控制，調(diào)高發(fā)電性能，本章分析了永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型和坐標(biāo)變換，對(duì)機(jī)側(cè)變換器的控制提供了理論基礎(chǔ)。2.1 永磁同步電機(jī)在靜止三相坐標(biāo)軸系下的數(shù)學(xué)模型30-32數(shù)學(xué)模型就是描述實(shí)際的系統(tǒng)性能和各個(gè)物理量之間的關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式。對(duì)于永磁同步電機(jī)這一類強(qiáng)耦合的非線性系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型是對(duì)電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析電機(jī)的性能和對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制的基礎(chǔ)。通常情況下是采用dq軸數(shù)學(xué)模型對(duì)永磁同步電機(jī)進(jìn)行分析，在這坐標(biāo)軸系下，不僅可以分析永磁同步電機(jī)的穩(wěn)態(tài)性能，也可以分析它的暫態(tài)性能。永磁同步電機(jī)和帶轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型比較相似，為了分析更簡(jiǎn)單化，本文

28、作了下列假設(shè)： 忽略空間諧波，設(shè)電機(jī)三相繞組對(duì)稱，產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)沿氣隙周圍以正弦規(guī)律分布； 不考慮磁路飽和的情況，不考慮渦流和磁阻效應(yīng)。 電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)為正弦的；另外需要說(shuō)明本文中永磁同步電機(jī)中的電流、電壓的正方向按電機(jī)慣例規(guī)定。圖2.1三相永磁同步電機(jī)示意圖圖2.1是一臺(tái)三相永磁同步電機(jī)的示意圖，電機(jī)的極對(duì)數(shù)為1。圖中的定子三相繞組分別用A、B、C三個(gè)線圈來(lái)表示，其軸線所在的空間是固定的；為安裝在轉(zhuǎn)子上的永磁體的磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子上沒(méi)有任何線圈。電機(jī)轉(zhuǎn)子沿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，其角速度為：=t。其中是A相繞組和之間的夾角，=t+0，0為t=06時(shí)的夾角。永磁同步電機(jī)的三相定子電壓方程式為： (2.1)其中：

29、、為三相繞組的相電壓瞬時(shí)值；、為三相繞組的相電流瞬時(shí)值；、為三相繞組匝鏈的磁鏈瞬時(shí)值；R為永磁同步電機(jī)定子每相繞組的電阻。定子繞組的磁鏈的數(shù)十只不僅僅跟定子電流有關(guān)，還跟轉(zhuǎn)子上永磁體磁鏈的大小和轉(zhuǎn)子的位置角有關(guān)，定子磁鏈方程如下： （2.2）其中、分別為電機(jī)ABC三相繞組的電感，其值分別為： （2.3）、為三相繞組之間的互感，其值分別為： (2.4)、是永磁體磁鏈在各相繞組中的投影，轉(zhuǎn)子磁鏈在氣隙中呈正弦分布，轉(zhuǎn)子磁鏈在三相繞組中的投影分別為： (2.5)其中為轉(zhuǎn)子永磁體磁鏈的最大值，對(duì)于一些特定的永磁同步電機(jī)為一常數(shù)。將式（2.2）（2.5）帶入式（2.1），并寫成矩陣的形式，得到三相靜止坐

30、標(biāo)8下的定子電壓方程： （2.6）其中為微分算子。2.2 坐標(biāo)變換由方程（2.6）可見(jiàn)，永磁同步電機(jī)在實(shí)際的三相靜止坐標(biāo)下的方程組是一組變系數(shù)的線性微分方程，不容易直接求解。為了方便分析，我們通常采用坐標(biāo)變換的方式，將變系數(shù)的微分方程式變換為常系數(shù)的微分方程式，為了保證變換前和變換后兩個(gè)坐標(biāo)中變量表示的系統(tǒng)總功率相同，必須采用恒功率變換。恒功率變換的條件為： （2.7）其中，和為轉(zhuǎn)換前的電流和電壓矩陣；和為轉(zhuǎn)換后的電流和電壓矩陣。2.2.1 靜止三相坐標(biāo)軸系到靜止兩相坐標(biāo)軸系的相變換（3s/2s變換）由永磁同步電機(jī)在實(shí)際中的靜止三相軸系到堆成的靜止兩相軸系的變換稱為相變換。如圖 。圖2.2三相

31、到兩相之間的變換其中相繞組跟三相中的A相重合，相繞組與相正交。如果三相軸系的相序?yàn)锳-B-C相序，則兩相軸系的相序?yàn)?相序。假設(shè)三相繞組中每相繞組的有效匝數(shù)和兩相繞組中每相繞組的有效匝數(shù)分別為和。根據(jù)矢量坐標(biāo)的變換原則，在變換前后繞組中由電流產(chǎn)生的合成10磁動(dòng)勢(shì)應(yīng)該保持不變，由此可得 （2.8）設(shè)，則有： (2.9)如果三相電流之和不為零，則零序電流為： （2.10）經(jīng)過(guò)分析，當(dāng)為，為時(shí)，三相靜止坐標(biāo)到兩相靜止坐標(biāo)的相變換的電流電壓變換矩陣相同并且都是正交矩陣，滿足恒功率變換的條件。于是得到由三相靜止坐標(biāo)到兩相靜止坐標(biāo)的相變換公式： （2.11）如果將式（2.11）帶入式（2.6）就可以得到永

32、磁同步電機(jī)在靜止兩相坐標(biāo)系下的定子電壓方程，但是這一方程組仍然是一組變系數(shù)的線性微分方程。為了方便分析，還要進(jìn)行整流子變換。2.2.2 靜止兩相坐標(biāo)軸系到旋轉(zhuǎn)兩相坐標(biāo)軸系的整流子變換從靜止兩相坐標(biāo)軸系到旋轉(zhuǎn)兩相坐標(biāo)軸系的變換稱為整流子變換，如圖 。圖2.3 靜止兩相到旋轉(zhuǎn)兩相的變換d-q軸系和-軸系同為正交軸系，且d-q軸系相對(duì)于-以的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)。12假設(shè)四個(gè)繞組的有效匝數(shù)均為N，根據(jù)轉(zhuǎn)換前后磁動(dòng)勢(shì)相等的原理，有： （2.12） 將N約掉之后寫成矩陣形式為： （2.13）2.3 小結(jié)通過(guò)相變換將三相靜止坐標(biāo)軸系A(chǔ)BC軸系轉(zhuǎn)換為兩相靜止坐標(biāo)軸系軸系，然后再由軸系通過(guò)整流子變換轉(zhuǎn)換為兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸系

33、dq軸系，可以將永磁同步電機(jī)在三相ABC實(shí)際軸系下的電壓電流量轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)子軸系下。13重慶大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 永磁同步電機(jī)的控制策略3 永磁同步電機(jī)的控制策略1971年，德國(guó)學(xué)者Hasse和Blaschke提出了交流電機(jī)的矢量控制理論。矢量控制技術(shù)使得交流調(diào)速能夠獲得直流調(diào)速一樣優(yōu)秀的控制性能。矢量控制的基本思想是在普通的三相交流電機(jī)上想辦法模擬直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的規(guī)律，在磁場(chǎng)定向坐標(biāo)上，將電流通過(guò)矢量分解分解成勵(lì)磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量，勵(lì)磁電流分量產(chǎn)生磁通，并且是兩個(gè)分量相互垂直，互不影響，可以分別對(duì)兩個(gè)分量進(jìn)行獨(dú)立調(diào)節(jié)。這樣之后，交流電機(jī)就跟直流電機(jī)在原理和特性上相似了。矢量控制的

34、目的是為了改善轉(zhuǎn)矩的控制性能，最終需要對(duì)定子電流進(jìn)行控制。因此矢量控制的關(guān)鍵仍然是對(duì)電流矢量幅值和空間位置的控制33。3.1 幾種常用的永磁同步電機(jī)矢量控制策略直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)在不同的矢量控制策略下會(huì)有不同的表現(xiàn)，各種策略都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，下面我將簡(jiǎn)單介紹幾種常用的永磁同步電機(jī)的矢量控制策略。 isd=0控制。isd=0控制計(jì)算量小，控制簡(jiǎn)單,無(wú)直軸去磁電流，常用于隱極式同步電機(jī)。最大轉(zhuǎn)矩電流比控制。最大轉(zhuǎn)矩電流比控制就是在電機(jī)輸出給定轉(zhuǎn)矩的條件下，使定子電流最小。該方法常用于凸極式同步電機(jī)，對(duì)于隱極電機(jī)，最大轉(zhuǎn)矩電流比控制就是isd=0控制。單位功率因數(shù)控制。單位功率因素控制就是控制電

35、機(jī)的交直軸電流，使cos=1單位功率因數(shù)控制能將無(wú)功功率控制到0，對(duì)于大型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組來(lái)說(shuō)這是非常有必要的，這種控制方式在發(fā)出相同的有功功率的情況下可以有效的減少機(jī)側(cè)變換器的運(yùn)行容量和成本，還能提高永磁同步發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行的可靠性。 恒磁鏈控制。恒磁鏈控制就是控制電機(jī)的交直軸電流，使電機(jī)的氣隙磁鏈與永磁磁鏈相等。 3.2 PWM脈寬調(diào)制技術(shù)簡(jiǎn)介PWM整流器以其優(yōu)良的性能和潛在的優(yōu)勢(shì)將得到廣泛的應(yīng)用，已成為電力電子技術(shù)研究的熱點(diǎn)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件性能不斷提高，已從早期廣泛使用的半控型功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，如普通晶閘管（SCR）發(fā)展14到如今性能各異且類型諸多的全控型功率開(kāi)關(guān)，

36、如雙極型晶體管（BJT）、門極關(guān)斷（GTO）晶閘管、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）、集成門極換向晶閘管（IGCT）、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）以及場(chǎng)控晶閘管（MCT）等。而20世紀(jì)90年代發(fā)展起來(lái)的智能型功率模塊（IPM）則開(kāi)創(chuàng)了功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件新的發(fā)展方向。功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件技術(shù)的進(jìn)步，促進(jìn)了電力電子變流裝置技術(shù)的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了以脈寬調(diào)制（PWM）控制為基礎(chǔ)的各類變流裝置，如變頻器、逆變電源、高頻開(kāi)關(guān)電源以及各類特種變流器等，這些變流裝置在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域中取得了廣泛的應(yīng)用。但是，目前這些變流裝置很大一部分需要整流環(huán)節(jié)，以獲得直流電壓，由于常規(guī)整流環(huán)節(jié)廣泛采用了二極管不控整流電路或晶

37、閘管相控整流電路，因而對(duì)電網(wǎng)注入了大量諧波及無(wú)功，造成了嚴(yán)重的電網(wǎng)“污染”。治理這種電網(wǎng)“污染”最根本措施就是，要求變流裝置實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流正弦化，且運(yùn)行于單位功率因數(shù)。因此，作為電網(wǎng)主要“污染”源的整流器，首先受到了學(xué)術(shù)界的關(guān)注，并開(kāi)展了大量研究工作。其主要思路就是，將PWM技術(shù)引入整流器的控制之中，使整流器網(wǎng)側(cè)電流正弦化，且可運(yùn)行于單位功率因數(shù)。根據(jù)能量是否可雙向流動(dòng)，派生出兩類不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的PWM整流器，即可逆PWM整流器和不可逆PWM整流器。本書只討論能量可雙向流動(dòng)的可逆PWM整流器及其控制策略，以下所稱PWM整流器均指可逆PWM整流器。能量可雙向流動(dòng)的PWM整流器不僅體現(xiàn)出AC/DC變流

38、特性（整流），而且還可呈現(xiàn)出DC/AC變流特性（有源逆變），因而確切地說(shuō)，這類PWM整流器實(shí)際上是一種新型的可逆PWM變流器。經(jīng)過(guò)幾十年的研究與發(fā)展，PWM整流器技術(shù)已日趨成熟。PWM整流器主電路已從早期的半控型器件橋路發(fā)展到如今的全控型器件橋路；其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)已從單相、三相電路發(fā)展到多相組合及多電平拓?fù)潆娐?；PWM開(kāi)關(guān)控制由單純的硬開(kāi)關(guān)調(diào)制發(fā)展到軟開(kāi)關(guān)調(diào)制；功率等級(jí)從千瓦級(jí)發(fā)展到兆瓦級(jí)，而在主電路類型上，既有電壓型整流器（Voltage Source Rectifier-VSR），也有電流型整流器（Current Source Rectifier-CSR），并且兩者在工業(yè)上均成功地投入了應(yīng)用。P

39、WM調(diào)制技術(shù)主要應(yīng)用于逆變器場(chǎng)合。常見(jiàn)的電壓型PWM逆變器有正弦波PWM逆變器、提高直流電壓利用率PWM型逆變器、消除特定諧波PWM逆變器等。逆變器常用的PWM調(diào)制技術(shù)有SPWM、CHBPWM、SVPWM。下面介紹一下常用的SPWM技術(shù)和SVPWM技術(shù)。 SPWM正弦波脈寬調(diào)制。SPWM的調(diào)制思想是以正弦波作為逆變器輸出的期望波形，載波是比調(diào)制波高很多的等腰三角波，用頻率和期望波相同的正弦波作為調(diào)制波，根據(jù)調(diào)制波與載波的交點(diǎn)來(lái)確定開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)通和關(guān)斷，從而得到一系列幅值相等寬度不相等的矩形波，根據(jù)面積等效原理，這一系列的矩形波和期望的正弦波等效。16 通過(guò)軟件生成的SPWM波有兩種基本的算法，

40、即自然采樣法和規(guī)則采樣法。通過(guò)自然采樣法得到的SPWM波最接近正弦波，其以正弦波為調(diào)制波，以等腰三角形波為載波進(jìn)行比較，在兩個(gè)波的自然交點(diǎn)時(shí)刻控制開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)通和關(guān)斷。但是由于三角波和正弦波交點(diǎn)的任意性，脈沖中心在一個(gè)周期內(nèi)不等距，導(dǎo)致脈沖的表達(dá)式計(jì)算比較復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。規(guī)則采樣法是一種比較實(shí)用的工程應(yīng)用法。其原理是用通過(guò)三角波采樣得到的階梯波與三角波交點(diǎn)時(shí)刻控制開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)通與關(guān)斷，這種算法的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算比較簡(jiǎn)單，但是這種方法的直流電壓利用率比較低，線性控制范圍比較小。 SVPWM電壓空間矢量調(diào)制技術(shù)。又稱為磁通正弦PWM波，其原理是以三相波形整體生成效果為前提，以接近電機(jī)氣隙的理想圓

41、形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)軌跡為目的。通過(guò)逆變器不同的開(kāi)關(guān)模式所產(chǎn)生的實(shí)際磁通去逼近基準(zhǔn)圓磁通，根據(jù)他們比較的結(jié)果來(lái)決定逆變器開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)通和關(guān)斷，形成PWM波形。根據(jù)這種方法生成的三相PWM波計(jì)算比較簡(jiǎn)單，而且對(duì)開(kāi)關(guān)頻率的要求不高，和SPWM相比較，由于輸出的線電壓的基波的最大值為直流側(cè)電壓，因此逆變器的輸出電壓提高了15%，提高了直流電壓的利用率。3.3 id=0控制3.3.1 控制原理是使用最廣泛的一種控制方式之一，對(duì)于永磁同步電機(jī)來(lái)說(shuō)，其定子電流在靜止的三相ABC坐標(biāo)下是三相的交流電，不易直接進(jìn)行控制。通過(guò)坐標(biāo)變換，將其投影到一個(gè)與電機(jī)同步轉(zhuǎn)動(dòng)的dq坐標(biāo)軸系下，這樣，由于dq坐標(biāo)軸系與電機(jī)相對(duì)靜止，就

42、能得到兩個(gè)正交的直流電流id和iq。id稱為勵(lì)磁電流，是定子電流的勵(lì)磁分量。iq電稱為轉(zhuǎn)矩電流，通過(guò)控制id對(duì)電機(jī)的勵(lì)磁進(jìn)行控制，通過(guò)控制iq對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制。在dq坐標(biāo)軸系下，電磁轉(zhuǎn)矩Tem與id、iq分量有以下關(guān)系： （3.1）而控制方式，顧名思義就是通過(guò)電流環(huán)反饋，控制為0，這樣就使得電磁轉(zhuǎn)矩與、分量的關(guān)系變?yōu)槿缦拢?（3.2）發(fā)電機(jī)的功率平衡關(guān)系如下： （3.3）又： （3.4）式中：為發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功功率，為電磁功率，為轉(zhuǎn)子銅耗，為發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。通過(guò)式（3.2）（3.4）可知，通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，18可以有效地調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功功率，而發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，又是通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)

43、矩電流來(lái)實(shí)現(xiàn)的。3.3.2 控制方程由前文給出的坐標(biāo)變換公式（2.11）和（2.13）可得： (3.5)將定子繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)看做反電動(dòng)勢(shì)，定子的外加電壓u和定子的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e和定子上的電阻壓降相平衡。通過(guò)這個(gè)平衡可以得到A相的電壓平衡方程式： (3.6)將式（3.5）帶入式（3.6）并整理得： (3.7)式中：Ls和Rs分別為定子的電阻和電感，、分別為d軸、q軸定子電壓、電流分量，s為同步電角速度，為轉(zhuǎn)子永磁體磁鋼。3.3.3 控制過(guò)程圖3.1 電機(jī)側(cè)變換器的控制框圖19 在控制原理中已經(jīng)講過(guò)，通過(guò)控制q軸電流分量的大小來(lái)控制電磁轉(zhuǎn)矩Tem的大小，又通過(guò)控制電磁轉(zhuǎn)矩Tem，來(lái)達(dá)到控制電機(jī)有功

44、功率輸出的目的。圖3.1清晰的體現(xiàn)了這一過(guò)程。由于要控制網(wǎng)側(cè)變換器來(lái)保持直流側(cè)電壓的恒定，所以在運(yùn)行的過(guò)程中，直流側(cè)電容的充放電功率非常小，如果忽略掉變換器的損耗，就可以認(rèn)為發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功功率經(jīng)雙PWM變換器后全部都饋入電網(wǎng)，因此，發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功功率可以通過(guò)測(cè)量網(wǎng)側(cè)變換器饋入電網(wǎng)的有功功率來(lái)間接測(cè)量。將測(cè)量得到的這個(gè)有功功率與給定的有功功率作差，輸入到功率閉環(huán)的PI調(diào)節(jié)器中，將PI調(diào)節(jié)器輸出的電流作為iq的給定值，通過(guò)有功功率和電流的雙閉環(huán)系統(tǒng)來(lái)對(duì)發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功功率進(jìn)行控制。20重慶大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 永磁同步電機(jī)矢量控制的仿真建模4 永磁同步電機(jī)矢量控制的仿真建模本次仿真是在

45、MATLAB軟件上進(jìn)行的。MATLAB現(xiàn)在已經(jīng)成為公認(rèn)的最優(yōu)秀的科技應(yīng)用軟件，它集圖形處理、圖像處理、數(shù)值計(jì)算為一體已經(jīng)成為自動(dòng)控制理論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、數(shù)字信號(hào)處理、動(dòng)態(tài)仿真分析等課程的基本的教學(xué)工具。在工業(yè)部門和設(shè)計(jì)研究單位，MATLAB被廣泛的應(yīng)用在解決各種具體工程問(wèn)題中。作為MATLAB的重要組成部件，SIMULINK具有其相對(duì)獨(dú)立的使用方法和功能，準(zhǔn)確地說(shuō)SIMULINK是對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真、分析的一個(gè)軟件包。對(duì)MATLAB和SIMULINK仿真環(huán)境的充分利用，將極大的方便對(duì)永磁同步電機(jī)控制策略的研究。4.1 模型建立根據(jù)之前所述的永磁同步電機(jī)矢量控制策略，我構(gòu)造了基于SIMULIN

46、K仿真軟件的永磁同步電機(jī)id=0控制的電流功率雙閉環(huán)的模型。圖4.1永磁同步電機(jī)矢量控制電流功率雙閉環(huán)模型仿真系統(tǒng)的參數(shù)為：定子相電阻0.006；定子相電感2.56mH；極對(duì)數(shù)28；永磁同步電機(jī)額定容量1MW；定子額定電壓550V；定子額定電流1050A；額定轉(zhuǎn)速2.5rad/s；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量35000kgm2。21 這是控制系統(tǒng)整體的模型，由于我的主要工作是做永磁同步電機(jī)的矢量控制，所以省略了網(wǎng)側(cè)變流器部分，用一個(gè)1100V的直流電源進(jìn)行替代。4.2 模型說(shuō)明4.2.1 永磁同步電機(jī)模型永磁同步電機(jī)模型是SIMULINK模型庫(kù)中自帶的模型。圖4.2 永磁同步電機(jī)模型在圖中，通過(guò)一個(gè)電流表檢測(cè)出三

47、相定子電流。用Machines Measurement Demux模塊對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、機(jī)械角度和電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)出的機(jī)械角度與電角度之間的關(guān)系為電角度等于機(jī)械角度與極對(duì)數(shù)的乘積，而MATLAB自帶的坐標(biāo)系與我所采用的坐標(biāo)系有/2的相位差，所以，在機(jī)械角度乘以極對(duì)數(shù)后還需要與/2作差，最后得出了我們所需要的電角度。4.2.2 坐標(biāo)變換通過(guò)公式運(yùn)算模塊Fcn來(lái)實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)變換，如圖4.3。圖4.3 坐標(biāo)變換如圖，將檢測(cè)到的三相電流iA、iB、iC和電角度輸入到公式運(yùn)算模塊，就得到坐標(biāo)變換后的dq軸系上的勵(lì)磁電流id和轉(zhuǎn)矩電流iq。224.2.3 解耦模塊通過(guò)坐標(biāo)變換后，得到了dq軸系上的勵(lì)磁電流i

48、d和轉(zhuǎn)矩電流iq。這兩個(gè)量是實(shí)際值，通過(guò)與給定值作差比較輸入到PI環(huán)中就得到公式（3.7）中的積分項(xiàng)，再與給定的其他參數(shù)按公式（3.7）的關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算，最后根據(jù)公式中給出的加減關(guān)系，將這幾項(xiàng)和起來(lái)，就得到ud和uq。圖4.4 解耦4.2.4 SPWM模塊經(jīng)過(guò)解耦模塊得到了電壓ud和uq。經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換后可以得到ABC三相電壓uA、uB、uC將ABC三相電壓與直流電源電壓udc的一半相除后，可以得到PWM的控制電壓，如圖4.5。圖4.5 SPWM模塊經(jīng)過(guò)SPWM脈寬調(diào)制后，就得到機(jī)側(cè)變換器的控制脈沖。234.2.5 功率檢測(cè)模塊電機(jī)的有功功率Ps和電機(jī)的無(wú)功功率Qs與d軸電流電壓和q軸電流電壓有以

49、下關(guān)系： （4.1）根據(jù)這個(gè)關(guān)系式，可建立一個(gè)模塊，對(duì)電機(jī)的有功功率和無(wú)功功率進(jìn)行檢測(cè)。圖4.6 功率檢測(cè)模塊4.3 小結(jié)模型的建立，就是根據(jù)永磁同步電機(jī)id=0控制方式的矢量控制框圖和永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，在SIMULINK軟件上找出每個(gè)相對(duì)應(yīng)的模塊，按照各個(gè)物理量之間的運(yùn)算關(guān)系，將每個(gè)模塊進(jìn)行連接，最后得到所需要的功率和電流雙閉環(huán)系統(tǒng)。在搭建好模型后，就可以對(duì)模型進(jìn)行仿真，最后得到仿真結(jié)果。25重慶大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 仿真結(jié)果及其分析5 仿真結(jié)果及其分析5.1 穩(wěn)態(tài)時(shí)的仿真結(jié)果模型搭建好后，對(duì)模型進(jìn)行了仿真。我給出的給定功率為0.8MW，得到了以下幾組波形: （a）（b）（c）

50、（d）（e）圖5.1采用id=0矢量控制的永磁同步發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)時(shí)的仿真曲線28 圖中，Ps、Qs為分別為發(fā)電機(jī)的有功和無(wú)功功率。usd、usq、isd、isq分別為dq軸定子電壓和電流，usa和isa分別為定子相電壓和相電流。由圖5.1（a）和（b）可知，發(fā)電機(jī)的定子相電壓和定子相電流未保持反相位運(yùn)行。在圖5.1（e）中，發(fā)電機(jī)有功功率為負(fù)，表示發(fā)電機(jī)通過(guò)雙PWM變換器后向電網(wǎng)輸入有功功率，而無(wú)功功率為正則表示發(fā)電機(jī)從機(jī)側(cè)變換器吸收無(wú)功功率。5.2 動(dòng)態(tài)時(shí)的仿真結(jié)果前面是給定的0.8MW時(shí)的仿真波形?，F(xiàn)在將給定值換成一個(gè)在1s時(shí)從0.4MW到0.8MW時(shí)的階躍，可得到以下波形：（a）（b）（c

51、）（d）圖5.2 采用id=0矢量控制的永磁同步發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)時(shí)的仿真曲線由圖5.2（a）和5.2（b）可知，在階躍的過(guò)程中，d軸電流和q軸電壓變化比較小，幾乎不變，d軸電流由于給定值一直為0，所以不會(huì)產(chǎn)生變化，而q軸電壓不變是由于在式（3.7）中可知，q軸電壓是由幾個(gè)值的和組成的，其中包含定子電阻和q軸電流分量的乘積和電角速度和永磁體磁鏈的乘積，由于q軸電流分量與定子電阻的乘積與電角速度和永磁體磁鏈的乘積相比較小，不在一個(gè)數(shù)量級(jí)上，所以，僅增大q軸電流分量的大小對(duì)q軸電壓分量不會(huì)形成多少改變。由圖5.2（c）和（d）可知，系統(tǒng)響應(yīng)速度較快，跟蹤性能良好。在圖（d）中，隨著有功功率的增加，無(wú)功功率也有比較明顯的增加，這反應(yīng)出id=0控制方式的缺陷。在這種控制方式下，永磁同步發(fā)電機(jī)的無(wú)功功率會(huì)隨著有功功率的增大而增大，這對(duì)于大型兆瓦級(jí)的永磁同步發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)將會(huì)增加機(jī)側(cè)變換器的容量和機(jī)組的成本。在兆瓦級(jí)的大型永磁同步發(fā)電機(jī)中，這種