基于MATLAB的雙饋型風力發電機組仿真系統研究*

王 旭

(昆明冶金高等專科學校，云南 昆明 650000)

隨著我國風力發電技術的不斷發展，建造了很多大規模的風電場[1]，機型也逐漸向雙饋型和直驅型風力發電機組發展，尤其是雙饋型風力發電機組在實際應用中比較重要。目前，我國風力發電的專業技術人員比較缺乏，為了培養更多風力發電方面的技術人才，本文以MATLAB軟件為平臺，設計了雙饋型風力發電機組仿真系統，期望為技術人才培訓提供更加寬廣的平臺。

1 雙饋型風力發電機組的組成

目前，在國內外風電市場上，雙饋型風力發電機組(DFIG)成為主流機型，主要由傳動系統、風力機、雙PWM變頻器、雙饋異步發電機和塔架及機艙等構成。它具有變頻器額定容量小和風能利用率高等優點。風力機通過風獲得能量，將其轉化成機械能，傳動系統對這些能量進行傳遞，發電機接收并利用這些能量，將其轉化成電能，傳輸至電網[2]。發電機的定子和電網直接相連，轉子通過雙PWM變頻器和電網相連。靠近轉子的變頻器被稱為轉子側變頻器，網側變頻器和電網直接相連。雙饋型風力發電機組的結構圖如圖1所示。

圖1 雙饋型風力發電機組的結構圖

雙饋型風力發電機組的轉速可以通過風速進行調整，實現超同步、同步及次同步發電運行。機組通過雙PWM變頻器控制實現變速恒頻運行。通過控制轉子側變頻器，控制轉子勵磁電流幅值、相角及頻率，最終達到調節風力發電機組的輸出功率和轉速的目的。網側變頻器為轉子側變頻器提供充足能量，通過對其進行控制，能使直流環節母線電壓保持穩定[3]。

2 雙饋型風力發電機組控制模型

2.1 雙饋型風力發電機組的軸系模型

雙饋型風力發電機組的軸系模型將發電機等效為一個質量塊，齒輪箱和風力機等效為另一個質量塊，2個質量塊的軸系模型如下：

(1)

(2)

(3)

式中，ωw t是風力機轉子轉速，ωr是發電機的轉子轉速；Tw t是風力機機械轉矩，Te是發電機電磁轉矩；Hw t是風力機慣性時間常數，Hg是發電機慣性時間常數；Ds是阻尼系數；Ks是軸的剛度系數；ωs是同步轉速，θs是2個質量塊之間的相對角位移。

2.2 變槳距控制系統模型

在變槳距系統中，伺服電動機為直流電動機，驅動器對直流電動機的輸出轉矩進行控制。在建模時，對驅動器和直流電動機進行等效，將其看成伺服電動機(內部含有轉矩閉環控制)，等效之后，由于轉矩信號對伺服電動機的轉速產生影響，所以應對轉矩信號進行控制。等效伺服電動機的數學模型如下：

(4)

式中，T是直流電動機的輸出轉矩；Tmax是直流電動機最大轉速對應的轉矩輸出值；Tnmax是直流電動機最小轉速對應的轉矩輸出值；nmax是直流電動機最大轉速；n是直流電動機轉速。

變槳距系統傳動部分的數學模型建立時，將伺服電動機和減速機轉子的轉動慣量一起等效如下：

(5)

式中，JPD是伺服電動機轉子與減速機的總轉動慣量；β是葉片槳距角；Te是伺服電動機的輸出轉矩；JRB是葉片轉動慣量；βe是伺服電動機轉子的轉動角度；TZB是葉片上變槳力矩；k是等效剛度系數；Tm是回轉支承內環大齒上減速機小齒輪的作用轉矩；N=NPD·NPB，其中NPB是減速機小齒輪與回轉支承內環大齒輪的半徑比，NPD是減速機的傳動比；D是等效阻尼系數。

變槳系統的控制系統主要包括速度控制器、轉速控制器及位置控制器等各種控制器，風力機轉速ω的實際值和參考值ωref之間存在差值，轉速控制器根據此差值產生葉片變槳角度參考值βref；位置控制器根據實際槳距角β與參考值βref的差值生成變槳速率參考值νref；實際變槳速率ν與變槳速率參考值νref存在差值，根據此差值速度控制器產生伺服電動機的轉矩信號，以轉矩信號為驅動力，伺服電動機驅動葉片和減速機使槳距角發生改變。變槳距控制系統控制框圖如圖2所示。

圖2 變槳距控制系統控制框圖

2.3 轉子側變流器控制系統

轉子側電流的控制是通過轉子側變流器控制系統對轉子側電壓d、q軸分量進行控制，最終實現對風力發電機組輸出的無功功率和有功功率的解耦控制[4]。

(6)

圖3 轉子側變流器控制有功功率框圖

圖4 轉子側變流器控制無功功率框圖

(7)

式6和式7中，uDC是變流器直流側電壓；urq_crl和urd_crl是變流器控制變量脈沖調制系數；isd是定子電流d軸分量；isq是定子電流q軸分量；ird是轉子電流d軸分量；irq是轉子電流q軸分量；Lr是轉子自感；Lm是定、轉子互感；ωs是同步速；Rr是轉子電阻；s是轉差率。

2.4 電網側控制模型

電網側變流器控制系統有2方面作用：1)控制轉子側并網無功功率的大小和方向；2)控制變流器直流側電壓維持在額定值。電流控制模塊是電網側控制系統的核心部分，電網側相應信號傳輸到同構測量模塊，經坐標轉換后將其傳輸到電流控制模塊，再經坐標反變換輸出，最終對電網側逆變器進行控制[5]。 電網側變流器控制也由解耦的2級閉環控制組成，如圖5和圖6所示。變流器和直流電壓發出的無功功率由外環進行控制，產生電網側變流器的參考控制電流igcd_ref和igcq_ref。由于控制電網側變流器和主網的無功功率不進行交換，因此可直接設置igcq_ref=0，圖6中沒有外環無功控制部分。ugcq_com與ugcd_com(補償電壓)、ugcd_ref與ugcq_ref(參考控制電壓的d、q軸分量)、ugcd_ref與ugcq_ref(脈沖調制系數)，可分別按圖5、圖6、式8和式9求得。

圖5 電網側變流器控制直流電壓框圖

圖6 電網側變流器控制轉子側并網無功功率框圖

(8)

(9)

式中，Lci是轉子側耦合電感器電感值；Rci是轉子側耦合電感器的電阻值；usq是定子電壓的q軸分量；usd是定子電壓的d軸分量。

3 仿真系統分析

仿真系統的主要作用就是通過MATLAB軟件平臺得到雙饋型風力發電機組的控制模型，對發電機的運行過程進行分析，得到相關數據，確保機組運行的穩定性。由于仿真系統的模型運行需要在主計算機中完成，所以要求該計算的配置應較高，以保證系統的仿真結果。由于網絡設備主要是實現主計算機和微機之間數據的實時傳輸，微機主要完成監控主計算機上仿真系統的運行界面的訪問，所以一般配置即可。MATLAB軟件負責仿真系統底層仿真模型的建立和運行，只需在主計算機上安裝即可。

本文設計了雙饋型風力發電機組的仿真模型，通過設置相應的風電機組運行參數，得到不同的運行結果，并對整個仿真過程進行控制。風速剛開始為8 m/s，在t=5 s時風速突然增大至14 m/s。監測風力發電機組的轉速、風速和槳矩角仿真圖如圖7所示。

圖7 發電機組的轉速、風速和槳矩角仿真圖

4 結語

本文基于MATLAB軟件平臺，設計了雙饋型風力發電機組各個組成部分的仿真模型，并在計算機上實現仿真系統。在實際應用中，應對系統加強維護，及時完善系統功能，對于不足之后盡快改進。由于我國的風電技術發展較快，而專業的技術人員有所欠缺，研究仿真系統可以滿足人員培養的需求，促進我國風電技術的快速發展。

[1] 張麗英，葉廷路，辛耀中，等.大規模風電接入電網的相關問題及措施[J].中國電機工程學報,2010,30(25):1-9.

[2] 范高峰，趙海翔，戴慧珠.大規模風電對電力系統的影響和應對策略[J].電網與清潔能源,2008,24(1):44-48.

[3] 林今，孫元章，李國杰，等．采用變速恒頻機組的風電場有功功率波動對系統節點頻率影響的動態評估模型[J]．電力自動化設備,2010,30(2):14-18,32．

[4] 郝正航.雙饋風電機組的暫態行為及其對電力系統穩定性影響[D].天津：天津大學,2011.

[5] 劉其輝，李萬杰．雙饋風力發電及變流控制的數/模混合仿真方案分析與設計[J]．電力系統自動化，2011,35(1)：83-86,95.

*云南省教育廳科學研究基金資助項目(2013Y086)