基于MATLAB 的双馈型风力发电机组仿真系统研究.docx

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 shaftmodel,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。风力机通过风获得能量，将其转化成 机械能，传动系统对这些能量进行传递，发电机接收并利用这些能量，将其转化成 电能，传输至电网2。发电机的定子和电网直接相连，转子通过双 PWM 变频器 和电网相连。靠近转子的变频器被称为转子侧变频器，网侧变频器和电网直接相连。 双馈型风力发电机组的结构图如图 1 所示。图 1 双馈型风力发电机组的结构图双馈型风力发电机组的转速可以通过风速进行调整，实现超同步、同步及次同步发 电运行。机组通过双 PWM 变频器控制实现变速恒频运行。通过控制转子侧变频 器，控制转子励磁电流幅值、相角及频率，最终达到调节风力发电机组的输出功率 和转速的目的。网侧变频器为转子侧变频器提供充足能量，通过对其进行控制，能 使直流环节母线电压保持稳定3。2 双馈型风力发电机组控制模型2.1 双馈型风力发电机组的轴系模型双馈型风力发电机组的轴系模型将发电机等效为一个质量块，齿轮箱和风力机等效 为另一个质量块， 2 个质量块的轴系模型如下：(1)(2)(3)式中，w t 是风力机转子转速，r 是发电机的转子转速； Tw t 是风力机机械转 矩， Te 是发电机电磁转矩； Hw t 是风力机惯性时间常数， Hg 是发电机惯性时间 常数； Ds 是阻尼系数； Ks 是轴的刚度系数；s 是同步转速，s 是 2 个质量块之 间的相对角位移。2.2 变桨距控制系统模型在变桨距系统中，伺服电动机为直流电动机，驱动器对直流电动机的输出转矩进行 控制。在建模时，对驱动器和直流电动机进行等效，将其看成伺服电动机(内部含 有转矩闭环控制) ，等效之后，由于转矩信号对伺服电动机的转速产生影响，所以 应对转矩信号进行控制。等效伺服电动机的数学模型如下：(4)式中， T 是直流电动机的输出转矩； Tmax 是直流电动机最大转速对应的转矩输出 值； Tnmax 是直流电动机最小转速对应的转矩输出值； nmax 是直流电动机最大 转速； n 是直流电动机转速。变桨距系统传动部分的数学模型建立时，将伺服电动机和减速机转子的转动惯量一 起等效如下：(5)式中， JPD 是伺服电动机转子与减速机的总转动惯量； 是叶片桨距角； Te 是伺 服电动机的输出转矩； JRB 是叶片转动惯量；e 是伺服电动机转子的转动角度；TZB 是叶片上变桨力矩； k 是等效刚度系数； Tm 是回转支承内环大齿上减速机小 齿轮的作用转矩；N = NPD NPB，其中 NPB 是减速机小齿轮与回转支承内环大 齿轮的半径比， NPD 是减速机的传动比； D 是等效阻尼系数。变桨系统的控制系统主要包括速度控制器、转速控制器及位置控制器等各种控制器， 风力机转速 的实际值和参考值 ref 之间存在差值，转速控制器根据此差值产 生叶片变桨角度参考值 ref；位置控制器根据实际桨距角 与参考值 ref 的差值 生成变桨速率参考值 ref；实际变桨速率 与变桨速率参考值 ref 存在差值，根 据此差值速度控制器产生伺服电动机的转矩信号，以转矩信号为驱动力，伺服电动 机驱动叶片和减速机使桨距角发生改变。变桨距控制系统控制框图如图 2 所示。图 2 变桨距控制系统控制框图2.3 转子侧变流器控制系统转子侧电流的控制是通过转子侧变流器控制系统对转子侧电压 d、 q 轴分量进行控 制，最终实现对风力发电机组输出的无功功率和有功功率的解耦控制4。PWM 变流器转子侧的参考控制电压的d、 q 轴分量 urq_ref 和 urd_ref 的计算按 照式 6 进行。转子侧有功解耦控制框图和无功解耦控制框图分别如图3 和图 4 所 示，图 3 中 Tele_ref 代表电磁转矩参考值。由图3 和图 4 可知，电流控制内环， 功率控制外环，均属于闭环 PI 控制， 2 级闭环 PI 控制组成转子侧变流器。功率控 制闭环产生电流分量参考值 ird_ref 和 irq_ref ，根据转子电流分量比较结果，电流 控制闭环产生解耦的脉冲调制系数和耦合量以补偿电压 urd_com 与urq_com 的 形式作为前馈量输入，最终得到脉冲调制系数。其中，补偿电压可根据式 7 进行 计算。(6)图 3 转子侧变流器控制有功功率框图图 4 转子侧变流器控制无功功率框图(7)式 6 和式 7 中， uDC 是变流器直流侧电压； urq_crl 和 urd_crl 是变流器控制变量 脉冲调制系数； isd 是定子电流 d 轴分量； isq 是定子电流 q 轴分量； ird 是转子 电流 d 轴分量； irq 是转子电流 q 轴分量； Lr 是转子自感； Lm 是定、转子互感； s 是同步速； Rr 是转子电阻； s 是转差率。2.4 电网侧控制模型电网侧变流器控制系统有 2 方面作用： 1)控制转子侧并网无功功率的大小和方向； 2)控制变流器直流侧电压维持在额定值。电流控制模块是电网侧控制系统的核心部 分，电网侧相应信号传输到同构测量模块，经坐标转换后将其传输到电流控制模块， 再经坐标反变换输出，最终对电网侧逆变器进行控制5。 电网侧变流器控制也由 解耦的 2 级闭环控制组成，如图 5 和图 6 所示。变流器和直流电压发出的无功功 率由外环进行控制，产生电网侧变流器的参考控制电流 igcd_ref 和 igcq_ref。由 于控制电网侧变流器和主网的无功功率不进行交换，因此可直接设置 igcq_ref=0， 图 6 中没有外环无功控制部分。 ugcq_com 与 ugcd_com(补偿电压)、 ugcd_ref 与 ugcq_ref(参考控制电压的 d、 q 轴分量)、 ugcd_ref 与 ugcq_ref(脉冲调制系 数) ，可分别按图 5、图 6、式 8 和式 9 求得。图 5 电网侧变流器控制直流电压框图图 6 电网侧变流器控制转子侧并网无功功率框图(8)(9)式中， Lci 是转子侧耦合电感器电感值； Rci 是转子侧耦合电感器的电阻值； usq 是定子电压的 q 轴分量； usd 是定子电压的 d 轴分量。3 仿真系统分析仿真系统的主要作用就是通过 MATLAB 软件平台得到双馈型风力发电机组的控制 模型，对发电机的运行过程进行分析，得到相关数据，确保机组运行的稳定性。由 于仿真系统的模型运行需要在主计算机中完成，所以要求该计算的配置应较高，以 保证系统的仿真结果。由于网络设备主要是实现主计算机和微机之间数据的实时传 输，微机主要完成监控主计算机上仿真系统的运行界面的访问，所以一般配置即可。 MATLAB 软件负责仿真系统底层仿真模型的建立和运行，只需在主计算机上安装 即可。本文设计了双馈型风力发电机组的仿真模型，通过设置相应的风电机组运行参数， 得到不同的运行结果，并对整个仿真过程进行控制。风速刚开始为 8 m/s ，在 t=5 s 时风速突然增大至 14 m/s。监测风力发电机组的转速、风速和桨矩角仿真图如 图 7 所示。图 7 发电机组的转速、风速和桨矩角仿真图4 结语本文基于 MATLAB 软件平台，设计了双馈型风力发电机组各个组成部分的仿真模 型，并在计算机上实现仿真系统。在实际应用中，应对系统加强维护，及时完善系 统功能，对于不足之后尽快改进。由于我国的风电技术发展较快，而专业的技术人 员有所欠缺，研究仿真系统可以满足人员培养的需求，促进我国风电技术的快速发 展。参考文献1 张丽英，叶廷路，辛耀中，等.大规模风电接入电网的相关问题及措施J.中国 电机工程学报,2010,30(25):1-9.2 范高峰，赵海翔，戴慧珠.大规模风电对电力系统的影响和应对策略J.电网与 清洁能源,2008,24(1):44-48.3 林今，孙元章，李国杰，等采用变速恒频机组的风电场有功功率波动对系统 节点频率影响的动态评估模型J 电力自动化设备,2010,30(2):14-18,324 郝正航.双馈风电机组的暂态行为及其对电力系统稳定性影响D.天津：天津大 学,2011.5 刘其辉，李万杰双馈风力发电及变流控制的数/模混合仿真方案分析与设计 J 电力系统自动化， 2011,35(1)：83-86,95.*云南省教育厅科学研究基金资助项目(2013Y086)