基于Maxwell2D兆瓦级双馈风力发电机有限元仿真
基于Matlab双馈风力发电机混沌运动的仿真分析
基于Matlab双馈风力发电机混沌运动的仿真分析曹娜;朱春华;于群【摘要】Depending on the complex nonlinear characteristics of doubly fed induction generator (DFIG),based on the mathematical model of synchronous rotating d-q axis coordinate system,this paper introduced the derivation of nonlinear dynamical model of doubly fed induction generator which is under flux linkage open-loop control strategy.The Matlab software is used to simulate the nonlinear dynamical model of a real doubly fed induction generator.The characteristics of the system from regular motion to chaotic motion are obtained through the subspace trajectory map and time domain waveform diagram.Students can understand the nonlinear dynamical behavior of doubly fed induction generator vividly and analyze accurately the stability of doubly fed induction generator through the simulation.The combination of theory and simulation method can effectively improve the quality of teaching.%针对双馈风力发电机(DFIG)复杂非线性特点,在同步旋转d-q轴坐标系下数学模型基础上,介绍了磁链开环转差控制策略下双馈风力发电机(DFIG)非线性微分模型推导过程;运用Matlab软件对某实际双馈风力发电机的非线性微分动力学模型进行数值仿真.仿真获得的子空间运动轨迹图和时域波形图展现了系统从规则运动转化到混沌运动所具有的特征.该仿真能使学生深刻的认识双馈风力发电机中存在的非线性动力学行为,准确分析双馈风力发电机稳定性,这种理论与仿真相结合的方法能够有效地提高教学质量.【期刊名称】《实验室研究与探索》【年(卷),期】2017(036)010【总页数】4页(P119-122)【关键词】双馈风力发电机;非线性微分模型;数值仿真;混沌;稳定性【作者】曹娜;朱春华;于群【作者单位】山东科技大学电气与自动化工程学院,山东青岛266590;山东科技大学电气与自动化工程学院,山东青岛266590;山东科技大学电气与自动化工程学院,山东青岛266590【正文语种】中文【中图分类】TM315风力发电具有绿色、环保等特点，作为解决能源问题的主要技术，近年来，越来越受到人们的关注[1-2]。
基于Maxwell2D兆瓦级双馈风力发电机有限元仿真
限 元
据为开路电压谐波分析 (其中幅值低于 2. 0 V 谐波
仿 真
忽略 ) 。由于三次以及三的倍数次谐波在对称三相
系统中不存在 ,因此高次谐波含量较低 ,约为 3% ,
满足电网谐波含量的要求 。
23
D 设es计ign分an析danalysis 的 偏 差 小 于 允 许的 范 围 微, 此特时电机所加 负 20载08为年第该1励0期磁 电
摘 要 :通过分析变速恒频双馈感应风力发电机的工作原理 ,提出了基于有限元分析软件 M axwell 2D 对兆瓦 级风力发电机的仿真方法 ,仿真结果和试验结果的对比验证了该方法的可行性和可靠性 。
关键词 :变速恒频 ;双馈感应发电机 ;有限元仿真 中图分类号 : TM 315; TM 346 文献标识码 : A 文章编号 : 1004 - 7018( 2008) 10 - 0022 - 03
Key words: variable speed constant frequency; doubly fed induction generator; FEM simulation
0 引 言
目前正在开发的绿色新能源主要有太阳能 、风
能 、地热能 、海洋潮汐能等 [ 1 ] ,其中风力发电具有施
加转子励磁电流如下 : Ia = Im co s (2πsf1 t)
Ib
= Im co s ( 2πsf1 t -
2π) 3
(5)
Ic
= Im co s ( 2πsf1 t -
4π) 3
式中 : s为转差率 , 亚同步时为正 , 超同步时为负 , 同
步时为零 。这样 ,同步状态时励磁电流为直流 ,亚同
基 于
频双馈感应发电机 ,另一种是无齿轮箱的直驱永磁
基于Maxwell的双馈风力发电机的建模与仿真
基于Maxwell的双馈风力发电机的建模与仿真吕义;樊姗;段勇强;刘漫;袁海林;廖红华【摘要】为优化双馈风力发电机模型,提出了一种基于Maxwell双馈风力发电机建模与仿真的方案.以1.5MW的双馈风力发电机为例,首先利用Maxwell中RMxprt 模块对电机建立模型,并导入二维界面生成Maxwell 2D模型,然后利用Maxwell 2D进行瞬态有限元分析,通过提取数据分析比较空载和负载两种不同状态下转子磁链特性、三相感应电压的变化情况.仿真结果表明:双馈风力发电机负载和空载运行时转子磁链和三相感应电压成正比关系,且负载时感应电压波动较明显.仿真结果为进一步研究双馈风力发电机提供了理论支持.【期刊名称】《湖北民族学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2019(037)001【总页数】6页(P96-100,120)【关键词】RMxprt;Maxwell;双馈风力发电机;瞬态有限元分析【作者】吕义;樊姗;段勇强;刘漫;袁海林;廖红华【作者单位】湖北民族大学信息工程学院,湖北恩施445000;湖北民族大学信息工程学院,湖北恩施445000;湖北民族大学信息工程学院,湖北恩施445000;湖北民族大学信息工程学院,湖北恩施445000;湖北民族大学信息工程学院,湖北恩施445000;湖北民族大学信息工程学院,湖北恩施445000【正文语种】中文【中图分类】TM315双馈风力发电机具有有功和无功解耦控制、机械应力小、输出电能质量较高等优点，被广泛应用在风力发电机中[1].目前，针对双馈风力发电机的建模与分析往往采用能对其电机内电磁场有效分析的有限元分析软件，如Maxwell软件.Maxwell是一款Ansoft公司研发的具有运算结果精确的软件.它能实现对二维以及三维电磁场有限元分析以及对各状态下磁场的计算.如张俊等[2]运用Maxwell软件建立双馈风力发电的电磁场模型，对空载电机内部磁场分布情况和运行特性进行了分析.梅柏松等[3]运用Maxwell软件建立双馈风力发电机的仿真模型，通过静、瞬态仿真对比分析电机空载时磁场分布情况，并对反电动势进行了谐波分析.尽管国内运用Maxwell软件对双馈风力发电机有许多研究，但在分析比较双馈风力发电机空载和负载的文献相对较少.为此，本文利用Maxwell软件对额定功率为1.5 MW的双馈风力发电机进行建模与仿真分析，通过分析其空载磁力线和磁密的分布、三相开路电动势的变化，以及比较空载和负载下转子的磁链特性和三相感应电压，来分析双馈风力发电机的性能特点和运行状态.1 二维电磁场基本方程在电机磁场分析时求解区域都存在电流源，而电机的磁通量和磁力线分布情况都与磁位矢量有着密切的关系.矢量磁位方程[4]表达如下:式中:υ表示磁阻率，Ω/s；A表示矢量磁位，wb/m；Js表示电流密度矢量，A/m2；σ表示导电率，s/m；v表示运动速度，m/s.又因为:式中:μ为导磁率，F/m.电机的二维磁场沿轴向呈均匀分布，则电流密度矢量Js和矢量磁位A则只存在轴向分量，即:Js=Jsz，A=Asz.则有:由AZ的泊松方程，可得:B=∇A，B表示磁感应强度单位用Tesla来表示.磁感应强度分量为:2 双馈风力发电机数学方程对电机建立三相静止坐标系下的整体数学模型.通过Clark变换[5]成α、β两相静止坐标系方程，则发电机定子电压方程:转子电压方程:磁链方程:式中:Usα、Usβ、Urα、Urβ分别是定子和转子在α、β 轴上分量电压，ω1、ωs分别表示同步角速度和滑差角速度则=-.当以转子磁场控制时，则isα、isβ、ψrα、ψrβ、ωr作为状态变量，则数学方程组为:则有:式中:Rs、Rr分别为定子电阻和转子电阻；P 表示微分算子；ψrα、ψrβ分别表示转子α、β 轴相磁链；isα、isβ分别表示定子α、β轴相电流；Ls、Lr、Lm分别表示定子电感、转子电感、定转子间互感.Rs、Rr分别为定子电阻和转子电阻；Urα、Urβ分别表示变换成α、β轴两相坐标系后转子的输入电压；σ表示电机漏感系数.则转矩的数学表达式:其运动方程为:式中:Te表示电机的电磁转矩；TL表示电机的磁阻转矩；np表示电机负载转矩；p表示交流电机的极对数；ωr表示转子角速度.电机旋转运动方程满足:式中:J表示转子的转动惯量，ω表示角速度，λ表示电机阻尼系数，则Tew表示电磁力矩，Tload表示电机负载力矩.3 双馈风力发电机模型的建立首先根据设计参数和尺寸在RMxprt模块中搭建几何模型，其中双馈风力发电机的铁芯采用热轧硅钢片D23材料，转轴采用不锈钢材料，基座采用铸铁材料.定子采用双层绕组，定子和转子绕组都采用Y型接线方式.然后将几何模型转换至Maxwell 2D模块进行有限元仿真分析.其中双馈风力发电机相关参数和尺寸如表1所示.在RMxprt模块中生成的电机结构模型如图1所示，其中定子和转子的槽型设计尺寸如图2所示.图2 定转子槽型图Fig.2 Groove diagram of stator and rotor表1 双馈风力发电机数据参数Tab.1 Data parameters of doubly-fed wind generator参数项目数值参数项目数值额定功率/kW 1500 转子外径/mm 700额定电压/V 960 转子内径/mm 400频率/Hz 50 铁芯长度/mm 680额定转速/(r·min-1)1500 定/转子槽数 72/60能量转换效率 0.94 定/转子极对数 2/2定子外径/mm 950 铜线绕组 0.09定子内径/mm 720图1 双馈风力发电机结构图Fig.1 Structure diagram of doubly-fed wind generator图1 中双馈风力发电机在RMxprt的基本结构包括定子铁芯、定子槽、转子槽、转子铁芯和转轴.其中定子槽个数为72个，转子槽个数为60个，由于1.5MW双馈风力发电机属于大功率电机，为使电机稳定运行，定子槽的槽型选用开口型，转子槽则选用半开口槽.图2中①为定子槽，其中Hs0为8mm，Hs1为4mm，Hs2为70mm，Bs1为26mm，Bs2为20mm；②为转子槽，其中Hs0为4mm，Hs1为2mm，Hs2为70mm，Bs0为14mm，Bs1为26mm，Bs2为23mm.然后将RMxprt模块的几何结构模型导入Maxwell 2D模块生成的双馈风力发电机模型，双馈风力发电机几何局部模型如图3所示.图3为双馈风力发电机模型四分之一局部图，其中双馈风力发电机结构主要部位包括:定子铁芯、定子绕组、鼠笼导条、转子铁芯以及转轴.4 双馈风力发电机空载仿真分析4.1 双馈风力发电机空载有限元分析在Maxwell 2D模块上设置运行停止时刻为0.005 ms，电机空载转速为1485r/min.在场覆盖分别求解磁通密度和磁力线分布图[6].发电机空载磁通密度云网状线分布如图4所示，双馈风力发电机内部磁力线分布如图5所示.图4中双馈风力发电机内部的磁力线是一个闭环曲线，转子的槽与槽之间磁力线较密集，定子铁芯外围的磁力弧线呈平行弧线.图5中电机运行时定子铁芯和介于定子槽与转子槽的部位磁通密度较大，则该部位的磁场强.由此可知，在双馈风力发电机中磁力线越密集，磁通密度越大.图3 双馈风力发电机几何局部模型Fig.3 The geometry local model of doubly-fed wind generator图4 双馈风力发电机空载磁力线分布图Fig.4 Distribution diagram of no-load magnetic flux line for doubly-fedwind generator图5 双馈风力发电机空载磁通密度云网状线分布图Fig.5 Distribution diagramof no-load flux density cloud network for doubly-fed induction generator 4.2 双馈风力发电机的空载特性提取空载运行时转矩数据并绘制空载运行时双馈风力发电机的转矩特性图[7-8]，双馈风力发电机在空载运行时电机的转矩特性如图6所示.在图6中，当双馈风力发电机运行到5ms时转矩达到233.2kN·m，而在15ms时转矩大小达到了207.3 kN·m，由于双馈风力发电机在旋转过程中绕组磁链将增大，将产生电动磁阻转矩T1，而在绕组磁链减小时，将产生阻力磁阻转矩T2.在图6中，转矩波形的最大幅值随着发电机的运行在减弱，这是因为双馈风力发电机在旋转过程中其转矩与磁场强度以及电流都存在相互关系，随着双馈风力发电机运行过程中由于磁链能量衰减最大转矩也在减弱.当设定双馈风力发电机的转速为1500r/min即为同步转速，此时双馈风力发电机为同步运行状态[9-10].提取双馈风力发电机同步运行时A、B、C三相电势数据并绘制波形.双馈风力发电机同步运行时定子A、B、C三相电势开路波形如图7所示. 图6 空载运行时电机的转矩特性Fig.6 The torque characteristics of motor under no-load operation图7 同步运行时A、B、C三相电势开路波形图Fig.7 Three phase potential open circuit waveform of A，B and C in synchronous operation在图7中，定子三相电势波形对称且最大幅值达到563.3V，三相电势的相位依次相差120°，这是由于双馈风力发电机定子绕组是Y型连接，且双馈风力发电机同步运行时转子绕组的磁链对定子的磁链影响较小，故而定子三相电势呈稳定的对称分布，三相电势的相位相差120°.同样，提取转子磁链特性和三相感应电压数据并绘制波形，双馈风力发电机空载运行时，转子绕组的磁链特性如图8所示，三相感应电压如图9所示.图8 空载运行时双馈风力发电机转子绕组的磁链特性Fig.8 Flux linkage characteristics of doubly fed wind generator rotor windings during no-load operation图9 空载运行时双馈风力发电机转子的感应电压Fig.9 Induction voltage of doubly fed wind generator rotor during no-load operation在图8中，双馈风力发电机空载时转子绕组磁链的最大幅值达到192.2 wb；在图9中，空载时转子的感应电压最大幅值达到29.6kV.图8和图9中转子的三相磁链和三相感应电压按数标相互对应，由双馈风力发电机空载时转子绕组的磁链所对应的感应电压可知:空载时转子绕组的磁链和感应电压成正比关系.5 双馈风力电机的负载特性在空载模型设置基础上，增加机械负载扭矩10 kN·m，则双馈风力发电机运行过程为负载运行.提取负载运行时转子绕组的磁链特性以及感应电压数据并绘制波形图，双馈风力发电机在负载时转子绕组的磁链特性如图10所示，三相感应电压如图11所示.图10 负载运行时双馈风力发电机转子绕组的磁链特性Fig.10 Flux linkage characteristics of doubly fed wind generator rotor windings during load operation图11 负载运行时双馈风力发电机转子的感应电压 Fig.11 Induction voltage of doubly fed wind generator rotor during load operation在图10中，双馈风力发电机在负载时转子绕组的磁链最大幅值达到147.2 wb，相对于空载时转子绕组磁链的最大幅值192.2wb而言，是由于双馈风力发电机在负载时产生电枢反应磁场，反应磁场和气隙中原有的磁感耦合阻止了磁通量的变化.结合图8和图10可知空载时转子磁链增大区域在负载电枢反应后变小，而空载时减小的区域在负载时反而变大.在图11中，双馈风力发电机负载时转子感应电压的幅值达到22.5 kV，相对于空载时转子的感应电压最大幅值29.6kV而言，是由于负载时电驱反应对双馈风力发电机起减磁作用导致转子感应电压较空载时低.双馈风力发电机在负载运行时磁场变化更复杂所导致转子电动势峰值的波动较空载运行时大，双馈风力发电机在负载运行时转子的磁链和感应电压成正比关系.6 结论基于Maxwell对额定功率为1.5MW的双馈风力发电机建模并进行了仿真.通过在RMxprt设置参数生成基本结构并转换成Maxwell 2D模型.求解了空载时双馈风力发电机的磁通密度和磁力线分布图，对电机的空载、同步以及负载运行情况进行了仿真，绘制了电机同步运行时定子三相电势开路波形图，以及空载和负载运行时转子的磁链特性和三相感应电压波形图，并分别对比分析了转子磁链和三相感应电压在两种运行情况下的特性.参考文献：【相关文献】[1] 李金遥，杨梦娇，张昌兵，等.基于Maxwell2D的水轮发电机建模与仿真[J].东北水利水电，2017，6(18):43-46.[2] 张俊，尹曾峰，陈雷，等.基于有限元法的兆瓦级双馈风力发电机电磁分析[J].大电机技术，2013(1):22-24.[3] 梅柏松，刘海华，张金萍.兆瓦级双馈风力发电机磁场有限元分析[J].微电机，2010，10(43):26-29.[4] 刘华，王维俊，王彭伟，等.基于Ansoft的直驱DSPM发电机设计与仿真[J].微电机，2013，46(2):13-16.[5] 高仕红.双馈风力发电机组动态性能改善的控制策略[J].湖北民族学院学报(自然科学版)，2014，32(4):452-456.[6] 尹青华，刘明基，张健.永磁电机电磁场及应力场的时步有限元计算研究[J].电机与控制应用，2015，42(2):37-41.[7] LI R，WALLACE A，SPEE R，et 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双馈风电系统的建模仿真研究与设计
双馈风电系统的建模仿真研究与设计为了对双馈风电系统进行建模仿真研究和设计，需要考虑以下几个方面的内容：1.风机模型：风力发电机的模型通常由刚性转子、永磁同步发电机和转子侧的变频器组成。
确定风机的机械特性和电气特性，以及风速与输出功率之间的关系，这些参数可以通过实验或者已有的文献进行获得。
在仿真中，可以通过模拟风速和风机负载来测试系统的响应和性能。
2.变频器模型：变频器是双馈风电系统中非常重要的部分，它用于控制发电机的转速和电压。
为了进行仿真研究，需要构建变频器的电路模型，并确定其控制策略和参数。
常用的控制策略包括电压控制和转速闭环控制。
通过仿真可以测试不同的控制策略在不同工况下的性能。
3. 功率电子器件模型：双馈风电系统中包含多个功率电子器件，如变频器中的IGBT、MOSFET等。
需要建立这些器件的模型并确定其参数，例如电容和电感的数值。
这些模型可以通过电路仿真软件进行建立，例如PSCAD、MATLAB/Simulink等。
4.输电网模型：双馈风电系统需要将发电的电能输送到电网中。
因此，需要建立电网的模型，并考虑电网的稳定性和电气参数。
可以根据实际情况设置电网中的节点并确定节点的参数。
通过仿真可以测试风电系统在不同节点工况下的运行稳定性。
在进行双馈风电系统的建模仿真研究和设计时1.在建模过程中，需要准确获取系统参数，例如风机特性曲线、变频器控制参数等。
这些参数对于研究系统的性能和运行特性非常重要。
2.在仿真过程中，可以考虑不同的工况条件，例如不同的风速和负载情况。
通过测试系统在不同工况下的性能，可以评估系统的稳定性和效率。
3.在进行仿真研究时，可以采用不同的控制策略和算法，例如PID控制、模糊控制和最优控制等。
通过比较这些控制策略在系统性能上的差异，可以选择最优的控制方案。
总之，双馈风电系统的建模仿真研究和设计需要考虑风机模型、变频器模型、功率电子器件模型和输电网模型等方面的内容，并进行准确参数的设置和不同工况下的测试。
基于有限元法的兆瓦级双馈风力发电机电磁分析
（ Ｘｉ ｎｇ ａ ｔ ｎ ａ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ Ｍａ ｎｕ ｆ ａ ｃ ｔ ｕ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｃ ｏ ｒ ｐ ｏ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｌ ｔ ｄ ． ） ， Ｘｉ ｎｇ ａ ｔ ｎ ａ ４ １ １ １ ０ １ ， Ｃ ｌ ｌ ｉ ｎ ａ
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２ ２
基于有限元法的兆瓦级双馈风力发电机电磁分析
２ ０ １ ３ Ｎ １
基于有 限元法 的兆 瓦级双馈风 力发 电机 电磁 分析
张 俊 ，尹 曾锋 ，陈 雷 ，张越 雷，杨 强 海上风 力发 电技 术与检测 国家重点 实验 室 （ 湘潭 电机股份 有 限公 司 ） ，湘 潭 ４ １ １ １ ０ １
基于Maxwell2D兆瓦级双馈风力发电机有限元仿真
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要 的工作 。
工 周期 短 、 造价 低 等显著 优势 ， 可再 生无 污染 能源 是 中最具 大 规模 开 发 利 用 前 景 的新 能 源 Ｊ 。而 研 制
和选用 适合 于风 电转换 的运行 可靠 、 效率 高 、 制及 控
本 文基 于 双 馈风 力 发 电机 的数 学 模 型 ， 述 了 论
级风力发 电机的仿真方法 ， 仿真结果和试验结果的对 比验证了该方法的可行性 和可靠性 。
关键词 ： 速恒频 ； 变 双馈 感 应 发 电 机 ； 限 元 仿 真 有 中 图分 类 号 ： Ｍ３ ５ Ｔ ４ Ｔ １ ； Ｍ３ ６ 文献 标 识 码 ： Ａ 文 章 编 号 ：０ ４－ ０８ ２０ ）０— ０ ２— ３ １０ ７ １ （０ ８ １ ０ ２ ０
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基于双馈电机风力发电系统的建模与仿真
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基于Matlab的双馈风电机组的建模与仿真
基于Matlab的双馈风电机组的建模与仿真陈楠;郭欣欣【摘要】在双馈发电机结构以及交流励磁变速工作原理基础上,通过双馈发电机矢量控制模型,基于Matlab/Simulink建立了含有风电机组的电网模型,并对风速波动和电网故障情况下的风机运行情况进行了详细分析,最后验证了所建模型的正确性.【期刊名称】《现代制造技术与装备》【年(卷),期】2019(000)006【总页数】4页(P9-12)【关键词】Matlab;双馈风电机;变速恒频【作者】陈楠;郭欣欣【作者单位】安徽工程大学,芜湖 241000;安徽工程大学,芜湖 241000【正文语种】中文作为一种无污染、易获取以及零成本的可再生清洁能源，风能具有广阔的发展前景。
风力发电技术作为发展最快、最可能商品化的技术之一，具有很多其他能源无法比拟的优势。
例如，风电技术建设周期短，一台风机安装时间不超过三个月；万千瓦级风电场建设期不超过一年，即可再投产一台。
风力发电因为其具有特殊优势受到各个国家重视，许多国家都将其列入发展计划中，并投入大量人力、财力，获得了较大的成绩。
早期风力发电机组主要是以恒速恒频风电机为主，其具有结构简单、维护成本低和可靠性高等优点，得到了广泛应用。
这种风电机组通过感应发电机发电，在发出有功功率的同时，会吸收一部分无功功率。
但随着风电机组容量不断增大，这种发电方式势必会吸收更多无功功率，对电网电压稳定性产生较大影响。
基于双馈发电机的变速恒频风电机组采用双馈式感应发电机，其结构与异步绕组发电机类似，定子绕组与转子绕组都与电网存在电气连接；相较于之前的风电机组，它能够实现有功和无功解耦控制，在风速波动情况下仍然能够保持频率稳定运行，目前已成为风电发展中主流的风电机型。
本文将介绍应用于风电技术的双馈风电机组数学模型和控制系统，并在此基础上，建立并网风电机组仿真模型，通过Matlab/Simulink对并网风电机组进行风速波动、电网故障等因素仿真，验证模型正确性。
基于Maxwell2D软件的直线电机性能仿真分析_刘再跃
注：“+”表示电机的初、次级之间为斥力；“ ”表示为吸力，
下同。(条件：相电流 350A，频率 20Hz，气隙 11mm，转差率 s=1)
从表 1 中数据可以看出，在相电流为 350A，
频率为 20Hz，气隙长度为 11mm，转差率 s=1 的条
件下，对于单纯的铝板次级和铁板次级而言，厚度
增加，其推力值和法向力（绝对值）也在增加；对
图 5 铝板(厚 12mm)次级表面电流 受到的电磁力密度矢量图
Fig.5 Vector density diagram of electromagnetic force reacfted to the secondary surface current of sheet aluminium(thickness:12mm)
（Aviation University of Airforce，Changchun 130022）
Abstract：The effects of secondary material to the distribution of magnetic fields and the running performance of linear introduction motor are analyzed by employing Maxwell 2D to simulate linear introduction motor's electromagnetism fields.Methods to adjust end effects and the conclusion of simulation are presented，which have some reference value to the design and development of linear introduction motor in scientific research. Key words：linear introduction motor；simulation；Maxwell 2D
基于Ansys-Maxwell的双定子永磁直驱风力发电机设计研究
压基波幅值为414- 5 V,换算成线电压有效值为
507 V$
图6双定子电机空载相电流图
图 9 双 电机 相电
图
( £
图10为双定子电机的负载电流波形图，双定子
• 勺
电机内外定子绕组负载电流波形接近正弦波,呈三相
)、衆
对称分布。对外定子A相和内定子D相负载电流波
懈
形进行
分解,外定子A相负载电流 值为
has been a new double - stator motor design method proposed and a two - dimensionai finite element modei of the motor built. With the finite element aniysis method, the no - load characteristics, on - load characteristics, maxirnum output power and maximum demagnetization work - point of permanent magnet in the double - stator motor are analyzed, and the reasonabilith of design method is verified. Key words: permanent - magnet direct - driven； double - stator motor; elecWomaaneVc design； finite element analysis
遵循“由外到内，
”的设计方案$
个主要参数值。内转子外电机内径为3 525 mm,外
转子内电机定子内径为3 060 mm,内外电机 铁
某2MW双馈风力发电机组双支撑式主轴强度分析与模型验证
某2MW双馈风力发电机组双支撑式主轴强度分析与模型验证摘要：风力发电机组的主轴在运行工况下受力比较复杂，研发设计中，如果采用传统的计算方法去分析与验算主轴强度比较困难，针对这种情况我们对受力情况进行合理简化，用传统力学计算方法和计算机有限元分析软件对载荷验算和模型分析，通过两种处理方法互为验证和校核，来校核设备（主轴）能否满足运行的工况要求。
关键词：风力发电机组；主轴；载荷计算；模型，有限元应力分析abstract：the spindle of wind turbine works in hard conditions with complex loading. when in research and development, it is difficult to analysis and doing its strength calculation with traditional methods. so we can carry on the reasonable simplified forcing doing in spindle, calculate and analysis its strength with both traditional methods and analysis software on computer to check its reliability whether it can work well.keywords: wind turbine; spindle; load calculation; model; finite element stress analysis中图分类号：p512.2+1文献标识码：a 文章编号：2095-2104（2013）0引言风力发电机组的不断发展实现着新能源的开发和利用。
大兆瓦风力发电机组的开发、设计不断继续着，然而风力发电机组多工作在地处偏僻、气候异常的工况下，机组及其子系统的受力十分复杂，部件的设计和载荷验算比较复杂。
基于Matlab_Simulink的双馈感应风力发电机组建模和仿真研究
用定子磁链定向(SFO)的矢量控制。
定子磁链定向时，假定定子磁链矢量与d轴方向
一致。
ψd1=ψ1 ψq1=0 可以忽略定子电阻，得到：
（11）
1
111ud2=pid2(L2-
11
Lm2 L1
)-ωsiq2(L2-
Lm2 L1
)+R2id2
1
（12）
1
1111uq2=piq2(L2-
1
Lm2 L1
)+ωs
第 26 卷 第 11 期 2010 年 11 月
文章编号：1674- 3814（2010）11- 0095- 07
电网与清洁能源 Power System and Clean Energy
中图分类号：TM615
清洁能源 Cle a n Ene rgy
Vol.26 No.11 Nov. 2010
文献标志码：A
图1 双馈风力发电机组结构
本文对双馈风力发电机的数学模型做了详细推 导，给出了坐标系的数学模型；采用定子磁链定向 (SFO)的矢量控制技术详细推导了控制方程，实现了 功率解耦控制；在定桨距的情况下讨论了基于参考 有功功率的最大风能捕获方法；基于Matlab/Simulink 平台建立了双馈风力发电系统的仿真模型。
0 引言
风能是一种清洁的可再生能源，在能源日益枯
基金项目：国家科技支撑计划项目（2008BAA14B05）。
竭和环境污染日益严重的今天，对风能的开发利用 具有非常重要的意义，风力发电在世界范围内得到 了迅速发展。双馈风力发电机组如图1所示。双馈感 应电机(doubly-fed induction generator，DFIG)定子直 接并入电网，转子通过双向变频器与电网连接。这种 结构比定桨距失速型风机具有更高的风能利用效 率；转子励磁方式使所需变频器容量只是机组额定 功率的一部分，使得整机成本大大降低，还可以实现 有功、无功功率的灵活控制，对电网可以起到无功补 偿的作用；变桨系统通过调节桨叶节距角而改变风 轮的气动特性，机组控制方式更加灵活。由于这个 原因双馈风力发电机组得到了广泛的推广[1-4]。
基于Matlab的双馈风机并网系统仿真分析
2020年 42卷第2期第11页电气传动自动化Vol ・42,No ・2ELECTRIC DRIVE AUTOMATION 2020,42(2):11-15文章编号:1005—7277( 2020 )02—0011—05基于Matlab 的双馈风机并网系统仿真分析杨更宇，李鹏冲(华北电力大学电气与电子工程学院，北京102206)摘要：以双馈风机并网系统为研究对象，利用M a tlab/Simulink 搭建了双馈风机并网系统的仿真模型，并分别 针对不同类型风速的场景和电网侧发生不同类型故障的场景进行了仿真分析。
仿真结果验证了所搭建模型 的正确性,该模型可为研究双馈风机并网运行动态特性提供有效的分析工具和验证手段。
关键词：双馈风机；Matlab ;变风速；短路故障；仿真中图分类号：TM743文献标识码：ASimulation analysis of doubly fed induction generatorgrid-connected system based on MatlabYANG Geng-yu , LI Peng-chong(School of E lectrical and Electronic Engineering , North China Electric Power University , Beijing 102206, China)Abstract ： In this paper, the doubly fed induction generator grid-connected system is taken as the research object.By using the modules in Matlab / Simulink, a simulation model of a DFIG grid-connected system was built, andsimulation analysis was performed on different types of wind speed scenarios and different types of faults on the grid side. The simulation results verify the correctness of the model, which can provide effective analysis tools andverification methods for studying the dynamic characteristics of the DFIG's grid-connected operation.Key words ： doubly fed induction generator; Matlab; variable wind speed; short circuit fault; simulation0引言的仿真模型，如图1所示。
基于Matlab的由双馈风力发电机组成的风电场仿真
基于Matlab的双馈异步风力发电机风电场仿真这里仿真的对象是一个由6台1.5Mw双馈异步风力发电机组组成的9MW的风电场。
这个风电场连接着一个25kV的分布式发电系统，它的电能通过35km长，电压等级为25kV的馈线（B25）输入到120kV的电网上。
有2300kV，2MV A的用电设备也同样连接在B25这条馈线上。
这些用电设备包括一台1.68MW的异步电动机和200kW的阻性负载。
风电机和电动机负载都有保护系统控制着电压、电流和电动机转速。
利用Matlab/Simulink建模并进行了三个方面仿真，其简化示意图及仿真模块图形见附录1。
一、双馈式风力发电机及其仿真模型简介双馈式异步风力发电机(Doubly-Fed Induction Generator)包含有：一个绕线式转子的异步发电机和一个基于IGBT的交-直-交PWM变频器。
定子绕组直接连接到频率为60Hz的电网，转子通过交-直-交变频器的反馈来调节频率。
双馈电机技术可以使风力发电机组在低风速情况下，通过优化风机转速，从风吸收最大的能量。
而在狂风的情况下，可以使风机承受最小的机械压力。
在给定风速的情况下，最优的驱动速度产生最大的机械能。
当然这些能量都是同风速成比例的。
在风速低于10m/s的情况下，转子运行于“次同步转速”。
在高风速下，转子运行于“超同步转速”。
打开风机的菜单选择“Turbine data”，然后选择“Display wind-turbine power characteristics”（见图1）。
风机机械功率作为驱动转速的功能，在风速5m/s~16.2m/s的范围内可以被显示出来。
双馈电机是根据这条红曲线来控制的。
最佳的驱动转速是在曲线上的B点和C点之间。
双馈电机的另一个优点是电力电子变频器可以产生或者吸收无功。
这样就减少了鼠笼绕组式异步风电机所需的补偿无功的电容器组。
图1、双馈式风力发电机功率特征曲线这个风电机模型可以用来做长时间仿真的暂态稳定性研究。
基于MATLAB 的双馈型风力发电机组仿真系统研究
基于MATLAB 的双馈型风力发电机组仿真系统研究∗王旭【摘要】Based on the composition of the double-fed wind turbine and MATLAB software platform,build a double-fed wind turbine shaft model,the pitch control system model,the rotor-side converter control system model and the grid side control model.They consis the double-fed wind turbine simulation system.%根据双馈型风力发电机组的组成，基于MATLAB软件平台，构建了双馈型风力发电机组的轴系模型、变桨距控制系统模型、转子侧变流器控制系统模型和电网侧控制模型，组成了双馈型风力发电机组仿真系统。
【期刊名称】《新技术新工艺》【年(卷),期】2015(000)007【总页数】3页(P56-58)【关键词】MATLAB;双馈型风力发电机组;仿真系统【作者】王旭【作者单位】昆明冶金高等专科学校，云南昆明 650000【正文语种】中文【中图分类】TM312随着我国风力发电技术的不断发展，建造了很多大规模的风电场[1]，机型也逐渐向双馈型和直驱型风力发电机组发展，尤其是双馈型风力发电机组在实际应用中比较重要。
目前，我国风力发电的专业技术人员比较缺乏，为了培养更多风力发电方面的技术人才，本文以MATLAB软件为平台，设计了双馈型风力发电机组仿真系统，期望为技术人才培训提供更加宽广的平台。
1 双馈型风力发电机组的组成目前，在国内外风电市场上，双馈型风力发电机组(DFIG)成为主流机型，主要由传动系统、风力机、双PWM变频器、双馈异步发电机和塔架及机舱等构成。
它具有变频器额定容量小和风能利用率高等优点。
基于实时数字仿真仪的2 MW双馈风电机组硬件在环仿真设计与实现
基于实时数字仿真仪的2 MW双馈风电机组硬件在环仿真设
计与实现
陈为赢;张建文;蔡旭;方陈
【期刊名称】《低压电器》
【年(卷),期】2014(000)013
【摘要】建立了包含实时数字仿真仪(RTDS)、风电变流器控制器以及风机主控制器等在内的2 MW双馈风电机组的硬件在环数字动态模拟系统.详细阐述了平台软硬件设计与实现,模拟双馈风电机组超同步、同步和次同步状态下的稳态运行情况以及风速突变下的动态行为.结果表明,基于RTDS的硬件在环仿真平台能够很好地模拟实际双馈风力发电机组的稳态及动态运行特性.
【总页数】6页(P33-38)
【作者】陈为赢;张建文;蔡旭;方陈
【作者单位】上海交通大学电子信息与电气工程学院风力发电研究中心,上海200240;上海交通大学电子信息与电气工程学院风力发电研究中心,上海200240;上海交通大学电子信息与电气工程学院风力发电研究中心,上海200240;国网上海市电力公司电力科学研究院,上海200437
【正文语种】中文
【中图分类】TM614
【相关文献】
1.基于实时数字仿真仪的2MW双馈风电机组硬件在环仿真设计与实现 [J], 陈为赢;张建文;蔡旭;方陈;
2.双馈式风电场抑制电网低频振荡的实时数字仿真仪实验 [J], 李鹏程;欧家祥;郝正航;张彦兵;王占宝
3.基于实时数字仿真仪动模试验的继电保护设备柔性检测平台 [J], 安然然;王奕;胡玉岚;罗航
4.基于实时数字仿真的大型风电场双馈型机组等值模型的建立 [J], 郭厚静;刘昭睿;程晓磊;乌日娜
5.基于RTDS的双馈感应风电机组实时暂态仿真 [J], 熊小伏;张涵轶;欧阳金鑫因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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2 发电机空载特性仿真
发电机空载仿真内容主要包括空开路电压分析
以及变速恒频仿真方法 。
基
2. 1 开路电压
于
如果忽略铁磁材料饱和效应的影响 ,转速以及
112 MW 双馈感应发电机为例 ,进行有限元建模与 仿真 ,电机主要参数如表 1所示 。
表 1 1. 2 MW 双馈感应发电机主要参数
额定 额定 额定
Key words: variable speed constantion generator; FEM simulation
0 引 言
目前正在开发的绿色新能源主要有太阳能 、风
能 、地热能 、海洋潮汐能等 [ 1 ] ,其中风力发电具有施
微特电机 2008年第 10期
D设es计ign分an析danalysis uds
- R s - pL s
ωsL s
- pLm
ω s
Lm
id s
uqs =
ud r
- ωsL s pLm
- R s - pL s
-
(ωs
-
ω r
id r
-
iqr ids )
(3)
式中 :下标 s、r分别代表定转子分量 , d、q分别代表
dq0坐标系下的分量 , L s、L r、Lm 分别表示定子自感 、 转子自感 、定转子互感 , Rs、Rr 分别表示定转子电 阻 , p为微分算子 , p为极对数 ,ω为角速度 , D 为阻
尼系数 。
所谓双馈电机 , 是指电能可分别从电机的定子 绕组和转子绕组馈入或馈出 。双馈电机作为发电机
限 元
据为开路电压谐波分析 (其中幅值低于 2. 0 V 谐波
仿 真
忽略 ) 。由于三次以及三的倍数次谐波在对称三相
系统中不存在 ,因此高次谐波含量较低 ,约为 3% ,
满足电网谐波含量的要求 。
23
D 设es计ign分an析danalysis 的 偏 差 小 于 允 许的 范 围 微, 此特时电机所加 负 20载08为年第该1励0期磁 电
D设e基s计ign分于an析daMnalyasixs w e l l 2D 兆 瓦 级 双 馈 风 力 发 电 机 有 微特限电机元 仿 2008真年第 10期
郑文鹏 1 ,罗新华 2 ,施进浩 1 ,叶金虎 1
(1. 中国电子科技集团公司第二十一研究所 ,上海 200233; 2. 中国人民解放军驻上海航天局中心军事代表室 )
)
Lm
- ωsLm R r + pL r
- pLm
iqs
-
(ωs
-
ω r
)
Lr
id r
(1)
uqr
(ωs
-
ω r
)
Lm
pLm
(ωs
-
ω r
)
L
r
R r + pL r
iqr
Tm
-
Te
ω
-D r p
=
J ·dωr p dt
机模型 ,图 2为简化为 1 /3的样机模型 。 (2)
Te
=
3 2
pLm
(
iqs
流下所能达到的最大负载 。
3. 2 磁场分布
图 7为磁场分布图 ,其中图 7a为空载磁场分布
图 ,图 7b为额定负载磁场分布图 。由图形对比可以
看出 ,负载时磁场分布和空载有所不同 ,这是因为随
着负载增加励磁电流逐渐增加 ,定子绕组电流也逐
表 2 开路电压谐波分析
谐波次数 1
3
15 17 23 41 51 71 73
外 ,由于兆瓦级发电机局部小尺寸和总体大尺寸差 别较大 ,若采用整体模型 ,剖分单元数量很大 ,计算 速度缓慢 。为此 ,应利用电机的周期性条件 ,简化电
励磁电流的变化只会改变开路电压的幅值 、频率 、相
位 ,而不会改变谐波含量 。利用 M axwell 2D 计算开
路电压时 ,首先需要正确设置定转子绕组匝数和并
摘 要 :通过分析变速恒频双馈感应风力发电机的工作原理 ,提出了基于有限元分析软件 M axwell 2D 对兆瓦 级风力发电机的仿真方法 ,仿真结果和试验结果的对比验证了该方法的可行性和可靠性 。
关键词 :变速恒频 ;双馈感应发电机 ;有限元仿真 中图分类号 : TM 315; TM 346 文献标识码 : A 文章编号 : 1004 - 7018( 2008) 10 - 0022 - 03
双 馈
案 ,所需变换器的容量仅为发电机总容量的 1 /3左
风
力
发
电
机
有
限
元
仿
真
图 1 两种不同结构发电机原理框图
22
收稿日期 : 2008 - 02 - 20
右 ,可以大大降低对变换器的要求 。在大功率变换 器件性能无重大提高的情况下 ,双馈发电方案在兆 瓦级甚至更高级别风力发电方面更具有竞争力和可 行性 。因此 ,该种电机的仿真与设计就成为一项重 要的工作 。
基 于
频双馈感应发电机 ,另一种是无齿轮箱的直驱永磁
发电机 ,原理框图如图 1所示 。两种方案各有特点 ,
其中永磁发电机系统可以不带齿轮箱 ,不需电励磁 ,
效率较高 ,但是由于永磁体励磁调节困难 ,输出必须
兆 经过全功率交直交变换 ,在大功率变换时易受电力
瓦 级
电子器件性能的限制 。而采用双馈感应发电机方
工周期短 、造价低等显著优势 ,是可再生无污染能源
中最具大规模开发利用前景的新能源 [ 2 ] 。而研制
和选用适合于风电转换的运行可靠 、效率高 、控制及
供电性能良好的发电机系统是风力发电工作的一个
重要组成部分 。
根据目前国内外研究概况 ,大功率风力发电机
主要采用以下两种结构 :一种是带齿轮箱的变速恒
FEM S im ula tion of M W - C la ss D oubly - Fed W ind Genera tor Ba sed on M axwell2D
ZHEN G W en - peng1 , LUO X in - hua2 , SH I J in - hao1 , YE J in - hu1 (1. No. 21 Reasearch Institute Under CETC, Shanghai 200233, China; 2. The Chinese PLA Stationed in M ilitary Rep resentative Office of Shanghai Academy of Spaceflight Technology)
本文基于双馈风力发电机的数学模型 ,论述了 利用电磁场有限元软件 M axwell 2D 进行兆瓦级双 馈风力发电机磁场与参数分析的建模与仿真方法 , 根据计算结果和试验结果的对比 ,证明了仿真方法 的可行性和可靠性 。
1 双馈风力发电机基本工作原理及有限元仿 真建模方法
1. 1 双馈风力发电机基本工作原理 双馈风力发电机本质上是感应发电机 。感应电
机的数学模型比较成熟 。由于是恒频发电 ,通常采 用同步旋转轴系的数学模型 。在平衡状态下可忽略 零序分量 ,电机为五阶模型 。数学模型的建立首先 基于以下正方向规定 :
(1) 定子绕组按发电机惯例 ,转子绕组按电动 机惯例 ;
(2) 绕组电流与磁链符合右手螺旋规定 ,正电 流产生正磁链 ;
(3) 感应电势与磁链符合右手螺旋规定 。 由此得到电压平衡方程式 、转矩方程式以及电 磁转矩公式 :
Abstract: The working p rincip le of variable speed constant frequency (VSCF) doubly fed induction generator (DF IG) was p resented and a simulation method for mega watt level w ind power generator was p roposed based on FEM software M ax2 well2D. The coherence of text and simulation results p roved that the method was both feasible and reliable.
步状态时励磁电流相序为 a - b - c, 超同步状态时
变为 a - c - b。图 6给出亚同步和超同步状态定子
开路电压及转子励磁电流波形图 。
基 于
f1
=
pn 60
±f2
(4)
式中 : f1 为定子侧输出频率 , f2 为转子侧励磁电流频 率 , p为电机极对数 , n为电机转速 ,低于同步速运行
时取“ + ”,高于同步速时取“ - ”。
1. 2 场路结合仿真建模方法
双馈感应发电机磁路跟传统径向磁路电机结构
相同 ,可采用二维有限元方法近似分析电机电磁场 。 由于双馈感应电机变量多 ,运行状态复杂 ,为准确仿 真电机性能 ,宜采用场路结合的方法 ,对电机不同负 载 、不同转速等运行状态进行仿真 。本文以一台
加转子励磁电流如下 : Ia = Im co s (2πsf1 t)
Ib
= Im co s ( 2πsf1 t -
2π) 3
(5)
Ic
= Im co s ( 2πsf1 t -
4π) 3
式中 : s为转差率 , 亚同步时为正 , 超同步时为负 , 同
步时为零 。这样 ,同步状态时励磁电流为直流 ,亚同
定子 转子 定子绕组 转子绕组
项目
极对数
功率 /MW 电压 /V 频率 /Hz
槽数 槽数 接线方式 接线方式
数值 1. 2 690 50