基于两质块轴系模型的永磁同步风力发电机仿真系统

资 源 简 介

本项目在MATLAB/Simulink环境下设计并实现了一个高精度的永磁同步风力发电机（PMSG）仿真平台。该系统的核心特色在于引入了两质块轴系动力学模型，用以替代传统的单质块刚性轴模型，从而能够精确刻画风轮与发电机转子之间的机械耦合、扭转振动以及轴系的柔性变形特征。项目集成了多场景风速生成器，可模拟突增、突降、渐变及随机扰动等动态风速工况。在控制策略方面，系统实现了基于叶尖速比法的最大功率点跟踪（MPPT）控制，确保在不同风速下捕获最大能量，并采用双闭环矢量控制技术（机侧控制与网侧控制）对发电机转速、电

详 情 说 明

基于两质块轴系模型的永磁同步风力发电机（PMSG）仿真系统

项目介绍

本项目是一个在MATLAB环境下开发的永磁同步风力发电机（PMSG）动力学仿真平台。系统的核心优势在于通过两质块模型替代了传统的刚性单质块模型，旨在精确模拟风力发电机组中风轮与发电机之间的物理耦合过程。该模型能够反映轴系的柔性变形、扭转振动及其对电能质量的影响，为风机在复杂动态工况下的机械应力分析和控制算法验证提供高保真的仿真环境。

功能特性

1. 两质块轴系动力学建模：完整实现了风轮转动惯量与发电机转动惯量之间的弹性连接模型，包含轴系扭转刚度和内阻尼特性，可观察风轮与发电机之间的速度差异和扭振现象。
2. 复合风速模拟生成：集成了包含基础风速、阶跃风速以及随机阵风干扰的动态风速发生器，模拟最真实的自然风力环境。
3. 叶尖速比法MPPT控制：根据风速变化实时调整发电机转速参考值，通过最优叶尖速比（$lambda_{opt}$）确保系统始终运行在最大功率捕获点。
4. 双闭环矢量控制策略：机侧控制器（MSC）采用转速外环和电流内环的双联控制结构。电流环引入了前馈解耦算法，有效消除了 $d$ 轴与 $q$ 轴之间的电磁耦合。
5. 直流母线动态仿真：建立了包含中间直流电容和功率平衡方程的直流侧模型，通过调节网侧输出功率来维持母线电压稳定。
6. 性能量化评估：系统能够自动计算并导出稳态平均捕获功率、输出电功率、转换效率以及轴系扭矩波动率等关键性能指标。

系统要求

• MATLAB R2016b 或更高版本。
• 无需额外安装 Simulink 库，核心逻辑完全由脚本实现。

使用方法

1. 打开 MATLAB 软件。
2. 将包含仿真脚本的工作目录设置为当前路径。
3. 在命令行窗口输入入口函数名称并回车运行。
4. 程序将自动执行时长为 10 秒（默认）的迭代仿真。
5. 仿真结束后，系统将自动弹出六个维度的结果分析图表，并在命令行输出系统转换效率与稳定性评估报告。

详细实现逻辑与算法说明

1. 气动与风速模型

系统首先生成时间向量，并构建复合风速模型。在仿真 3 秒时引入阶跃变化，并实时叠加基于正弦函数和随机扰动生成的阵风。气动模型利用拟合的 $C_P$ 系数公式，根据当前的叶尖速比和桨距角计算功率捕获系数，进而求得风轮捕获的机械功率和机械转矩。

2. 两质块轴系动力学

该模块是项目的核心。它维护两个独立的速度状态变量：风轮角速度和发电机角速度。

• 轴系扭转角通过两质块的速度差（考虑齿轮箱变比）积分得出。
• 内部扭矩由扭转刚度和阻尼产生的合力构成。
• 通过牛顿第二定律分别更新风轮侧和发电机侧的速度，计及了风轮自阻尼和发电机自阻尼。

3. PMSG 电气与电磁模型

在 $dq$ 旋转坐标系下建立永磁同步发电机的微分方程。系统考虑了定子电阻、电感以及永磁体磁链的影响。电磁转矩由定子电流和磁链相互作用产生，并反馈至轴系动力学方程中。

4. 控制算法实现

• MPPT层：根据当前风速计算理论最优转速，并作为速度环的给定输入。
• 转速控制环：通过 PI 控制器调节转速误差，输出 $q$ 轴参考电流。
• 电流控制环：采用 $i_d=0$ 控制策略，并在电压方程中加入电磁解耦项（$omega_e L_q i_q$ 和 $omega_e (L_d i_d + Psi_f)$），通过 PI 调节器计算发电机端电压指令。

5. 功率平衡与直流侧

直流母线电压的演变基于能量守恒定律。机侧捕获的电功率注入电容，网侧通过一个简化的电压反馈 PI 控制器调节输出电功率，从而维持直流母线电压在参考值（如 1200V）附近运行。

仿真结果说明

仿真界面通过 6 个子图直观展示系统行为：

• 风速波形：显示风速的阶跃和脉动。
• 转速对比：通过等效折算对比风轮与发电机的动态转速差，体现轴系柔性。
• 扭矩分析：记录轴系内部承受的机械应力。
• 功率响应：对比机械捕获功率与最终输出电功率的追踪能力。
• 电磁转矩：显示发电机在控制系统作用下的力矩调节过程。
• 电压响应：监测直流母线在功率波动下的稳定性。