仿真研究基于PSIM永磁风力发电系统

李南¹YU Bing²Lei,刘¹,Bing香港²

一些,State Grid Chengdu Electric Power Supply Company, Chengdu, Sichuan, China
PG的学生,学校的电气工程和信息、西南石油大学、成都,四川,中国

文摘

通过系统地分析数学理论知识的中小直驱永磁风力发电系统,本文设计了一个额定功率3 kw风力发电系统的环境下PSIM9.0软件。风力发电系统模型建立、背靠背双PWM控制电路设计和仿真分析已经完成。在风速变化的情况下,仿真结果表明,发电机的输出功率稳定和逆变器的直流电压是恒定的,这表明正确的控制策略,良好的系统的稳定性,实现了设计目标。工作已经完成在本文中提供了一个良好的平台和基础设施系统地分析了中小型风力发电系统。

关键字

PSIM;风力发电系统;PMSG;全功率变换器;仿真分析。

介绍

化石能源的日益枯竭和全球环境的不断恶化,风力发电,作为一种新能源,已经被政府进一步关注和研究人员以其独特的优势。最近,随着中小独立发电实现由有关国家政策大力支持,中小型风力发电机一直积极推广和应用[1]。主要用于偏远地区有风但没有电,一些企业的自备电厂,如偏远地区、边境的帖子,孤独的岛屿,大规模的农业、畜牧业、渔业和油田,等。因此,研究中小型风力发电机系统具有重要意义。直驱永磁风力发电机系统是近年来的研究热点,而永磁同步发电机(PMSG)已广泛应用,其良好的控制精度,效率高、低维护和许多其他优势。

本文研究基于PSIM9.0仿真软件。PSIM9.0专用仿真软件在电力电子与电机控制研究中,它的主要特点是用户界面简单,学习和理解容易,操作方便,仿真速度,仿真波形清晰、直观等[2]。与之前的版本相比,PSIM9.0有新添加的太阳能电池和风力涡轮机模型模块相关新能源发电,从而提供一个优越的平台,风力发电系统设计和分析在本文中。

利用MATLAB / Simulink分别和PSCAD / EMTDC,文献[3]和[4]完成了wec相关研究工作。这两个软件是如此强大,他们可以实现复杂的仿真分析,然而,他们启动缓慢,仿真时间更长和更复杂的组件模块和控制回路而与PSIM相比。虽然在文献[5]仿真软件完美的功能,这不是普遍的,它是不适合广泛的利用。文献[6]和[7]建立了永磁同步电动机永磁同步电动机控制系统的仿真模型和最大功率点跟踪wec分别翻译(MPPT)控制系统模型,但是他们并没有建立完整的wec模型并进行仿真分析。利用PSIM软件可用于构建快速、直观的仿真系统模型,本文建立了一个系统模型并完成中小型风力发电系统仿真,和发电机的速度和栅极电压控制准确已经意识到,这为wec研究提供了新思路。

永磁风力发电系统概述

风力发电系统由风力涡轮机,PMSG,转换器和控制系统,基本结构是图1所示。从传统的异步风力发电机系统不同,PMSG系统不需要沉重的超速档变速箱,提高电厂运行的可靠性和风能利用的效率。此外,PMSG系统从电网吸收无功功率几乎和功率转换器实现低压度过(LVRT)提供可靠保证风力发电集成越来越严格的要求。简而言之,直驱永磁风力发电系统具有以下突出特点[8]:1)重量轻、小型发电机;2)小电磁干扰和电磁兼容性好;3)结构简单,可靠性高,使用寿命长;4)效率高,节能效果显著;5)严酷环境下良好的社会适应性;6)良好的电压波形质量和适应各种负载不断变化的环境。

WIDN发电系统的数学模型

3.1风轮机的功率特性

风力涡轮机是整个风能转换系统的关键部分,其主要功能是捕获风能和转换器的机械动能有效。因此,风力涡轮机不仅会影响输出整个风力发电系统的效率和稳定性,但也直接决定了系统操作状态。根据流体力学知识,产生的动能气流席卷风力发电机是风力发电机的输入功率,可以表示如下。

m是空气质量,是叶片的扫掠面积,v是风速、空气密度ρ。根据贝茨极限理论[9],理论上的最大功率风力涡轮机可以导出以下方程(2)所示。

pmax C = 0.593,但是,在实际操作中,它几乎是不可能实现的价值和一般是0.4。风力涡轮机的输出转矩公式可以表示如下。

P是输出功率,Cp是电源转换因子,ω是风力涡轮叶片旋转的角速度。

3.2永磁同步发电机模型

PMSG的操作过程中,转子和定子保持相对运动状态,并且有绕组和永磁体和线圈之间的相互影响。耦合磁路饱和等非线性因素,电磁关系非常复杂。因此,很难建立准确的数学模型,PMSG。因此,为了便于分析,以下假设:1)Yconnected定子绕组;2)正弦反电动势,没有考虑空间谐波和磁路饱和的影响;3)不包括涡流和磁滞损耗;4)没有励磁电流的动态响应过程。在dq轴旋转坐标systemA¯¼PMSG的电压和电磁转矩的数学关系表示如下[10]。

控制策略和建模

背靠背双PWM全功率变换器由发电机侧转换器,直流环节和电网侧逆变器。发电机侧变换器接收有功功率首先,然后这部分发送的有功功率是通过直流电网侧变换器链接,最后到网格。由于风的速度和发电机不断变化,发电机的输出电压和频率的变化,因此,为了实现电网电压和频率要求,双PWM变换器的控制方法是关键。

4.1控制策略,仿真模型的发电机

发电机侧变换器控制的目的,而风速变化,调节发电机转矩和转速,并实现最大功率跟踪控制。在旋转坐标系中,如公式(6)所示,当Ld¯½Lq,扭矩只有q-axis电流有关,因此,转矩控制等于电流控制。简而言之,发电机侧的控制策略是双闭环控制,将电流控制的内循环控制和速度控制外环控制。

4.2控制策略,仿真模型的网格

grid-side三相电压转换器事实上是整流器在逆变器工作状态,控制逆变器直流总线电压稳定和grid-side单位功率因数运行。传统的中小型风力发电系统是由单一控制电流控制方法,针对该方法的缺点,本文采用双闭环控制电压定向矢量控制方法[11]。电压定向矢量控制分为间接控制方法和直接控制方法,本文采用后者具有更好的动态性能,包括闭环电流控制,快速电流响应和良好的鲁棒性(12 - 13)。在控制过程中,外回路电压信号受到给定的直流电压信号直流和直流反馈直流电压信号,而内循环电流信号由坐标转换控制电流在电网方面。仿真模型建立了利用PSIM软件图3所示。

仿真结果分析

为了验证的可行性中小永磁风力发电系统的额定功率3 kw系统设计,该系统的主要参数Tab.1所示。仿真系统模型是建立利用PSIM9.0软件和仿真时间是0.5秒。当风速突变,为了验证维护稳定运行的系统特性,它被设置的额定风速12米/秒9 m / s,波形见图4。在这一点上,发电机的实际变化速度和电磁转矩图五所示。图7表示当风速变化时,输出功率波形,图7显示了直流电压波形。Fig.8和Fig.9表明输出线路电压值和三相分别当前值,而Fig.10说明了网格参考电压。

螺旋角的转换并不认为本文和系统或低于额定风速下操作。指的是微型计算机体积很小,当风速减小,发电机速度和相应的电磁转矩减小,信号的响应速度非常快微小波动后保持稳定。特别是,从图7,输出功率信号后保持稳定的风速变化,这充分满足控制系统的要求。电网侧直流电压是一个关键参数,用于确定是否wec可以纳入到电网。在图7中,直流电压信号通过光滑,恢复迅速,它不会造成很大的影响和干扰电网,满足电网的要求。逆变器输出电压和电流信号Fig.8和Fig.9有益于几乎没有谐波。总之,仿真结果表明PSIM环境下仿真效果好,输出参数非常标准。同时,它演示了系统合理,满足设计要求。

结论

的仿真模型中小永磁风力发电系统设计基于PSIM9.0,每个模块参数计算准确。最后的仿真结果与理论计算值相符,表明该模型设计的中小永磁发电系统是合理的。在PSIM软件环境,系统模型是清晰和直观,控制电路简单,仿真波形很容易分析,它提供了实验和调查中小型风力发电的基础。

引用

d·f·李,“2012中小风电产业发展报告》,“风能,第5卷,44-50,2013页。
PSIM9.0用户指南,2010年,www.powersim.com。
j .郭y张平,“短时间操作直驱永磁同步风力发电系统的仿真,“中国电源学报,37卷,没有。4、617 - 620年,2013页。
问:r .你z, j .张”访问的直驱风力发电系统建模和模拟基于PSCAD / EMTDC,“Energiae Solaris学报,没有卷31日。4、523 - 530年,2010页。
d . s .郑h·罗y曹,et al .,”控制系统设计和实现基于虚拟仪器的双馈风力发电变换器,“电力驱动,43卷,没有。9日,13 - 16,2013页。
z . c, h, s·d·李”PSIM-Based建模与仿真的永磁同步电动机矢量控制系统,《系统仿真学报,16卷,没有。5,898 - 901年,2014页。
k·h·金,t·l·范·d·c·李,et al .,“在变速风力发电机最大输出功率跟踪控制系统考虑转子惯性力量,“IEEE反式。工业电子、60卷,没有。8,3207 - 3217年,2013页。
d·s·奥利维拉·m·m·里斯et al .,“点wec三相高频种半控制状态的整流器之中,“IEEE反式。电力电子,25卷,不。3、677 - 685年,2009页。
诉Agarwal, r·k·Aggarwal p . Patidar et al .,“一种新型方案的快速跟踪最大功率点在风力发电系统中,“IEEE反式。能量转换,25卷,不。1,第236 - 228页,2010。
m·钦奇利亚s Arnaltes j . c .布尔戈斯”控制永磁发电机应用于变速风电系统连接到电网,“IEEE反式。能量转换,21卷,不。1,第135 - 130页,2006。
j·j·张,张c . x, y . b .切”小型风力发电并网逆变器系统分析,“电力驱动,43卷,没有。7日,35 - 39,2013页。
j .姚明,y辽、h·李,et al .,“统一直驱永磁同步发电机的功率因数控制,“电机和控制,14卷,没有。6,13-20,2010页。
Arifujjaman m .建模仿真和控制电网连接永磁发电机(体)的小型风能转换系统[C] / / IEEE电力和能源会议,2010:1-6。