雙饋風(fēng)電系統(tǒng)的建模仿真研究與設(shè)計

王坤 周克

摘 要：雙饋風(fēng)電系統(tǒng)的建模仿真對其運(yùn)行原理、故障診斷及預(yù)測等研究具有很大便利性。文中在對風(fēng)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析和理論闡述的基礎(chǔ)上，在Matlab/Simulink中建立其正常動態(tài)下的仿真模型，并通過加入故障塊實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子短路故障的仿真;通過將模型整體進(jìn)行Mask封裝設(shè)計其GUI和代碼生成的方式，提高模型的便捷性和可移植性，便于仿真不同參數(shù)的系統(tǒng)和實(shí)現(xiàn)結(jié)合嵌入式等系統(tǒng)進(jìn)行研究使用。通過仿真結(jié)果表明，文中所建模型具有很好的合理性及適用性，能很好仿真雙饋風(fēng)電系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況，可為風(fēng)電系統(tǒng)的研究提供一個良好的模型基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：雙饋風(fēng)電系統(tǒng);Matlab/Simulink;轉(zhuǎn)子短路故障;GUI文章編號：2095-2163（2019）04-0055-06 中圖分類號：TM315 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

雙饋式風(fēng)力發(fā)電由于其變速恒頻的優(yōu)越性能，成為目前中大型風(fēng)電機(jī)場的主流系統(tǒng)。對其控制策略以及對軸承、風(fēng)電機(jī)等部件的故障診斷與預(yù)測一直是研究的熱點(diǎn)[1]。在許多情況下，實(shí)際的物理系統(tǒng)不便于直接進(jìn)行研究使用，故而常常需要通過建模仿真的形式來對建立的算法理論進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化。

目前，對于風(fēng)電系統(tǒng)的建模主要有基于GH Bladed、Matlab/Simulink、Ansys以及PSCAD等[2]。其中，GH Bladed側(cè)重的是風(fēng)機(jī)的性能及載荷計算方面設(shè)計、Matlab/Simulink偏向于控制算法的驗(yàn)證以及理論的研究、Ansys主要便于電磁分析以及對電機(jī)內(nèi)部的設(shè)計研究、PSCAD則側(cè)重于電磁暫態(tài)的仿真與計算。文中選用熟悉度廣、可移植性強(qiáng)的Matlab/Simulink作為建模平臺，其模塊庫中含有大量封裝模塊可直接進(jìn)行調(diào)用，非常便于模型的搭建。在大多數(shù)對風(fēng)電系統(tǒng)研究的文獻(xiàn)中，較多的是著重于控制策略的對比及優(yōu)化研究，比如文獻(xiàn)[3]和[4];對于系統(tǒng)的建模方面，如文獻(xiàn)[5]、[6]等僅對PWM整流器部分的實(shí)現(xiàn)及控制策略展開了探討，卻并未考慮整個風(fēng)電系統(tǒng)模型;文獻(xiàn)[7]、[8]等雖對整個風(fēng)電系統(tǒng)進(jìn)行了分析研究，但對于模型仿真的便捷性和模型的可移植性未加考慮，對于模型的后續(xù)研究使用等較為不便。

由此，文中在保證模型合理性的前提下，最大程度上利用Simulink中相應(yīng)的封裝模塊來調(diào)節(jié)參數(shù)、并構(gòu)建雙饋風(fēng)電系統(tǒng)的整體模型，以降低建模過程的復(fù)雜性、提高建模效率;接下來，通過設(shè)計GUI的方式實(shí)現(xiàn)模型仿真的簡便運(yùn)行、參數(shù)的快速修改和仿真數(shù)據(jù)的直接保存;最后對模型進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了模型的合理性、正確性，同時也一并給出了模型的生成代碼，提高模型的可移植性。對此擬做闡釋詳述如下。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 風(fēng)速及風(fēng)輪方程

整個雙饋風(fēng)電系統(tǒng)可大致分為：風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能部分、機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能部分和控制轉(zhuǎn)化過程部分，主要包括風(fēng)輪、驅(qū)動鏈、發(fā)電機(jī)及控制器等。

風(fēng)速帶有很大的隨機(jī)性，其變化受地區(qū)、天氣、時間、季節(jié)以及地形等多種因素影響。常用的模型有：

（1）采用紊流和平均風(fēng)相結(jié)合來模擬的風(fēng)速[9]。

（2）采用階躍風(fēng)、平均風(fēng)、隨機(jī)風(fēng)及陣風(fēng)等進(jìn)行組合模擬的風(fēng)速。

根據(jù)研究側(cè)重點(diǎn)的不同，可以得出相應(yīng)的組合選擇。文中將要仿真雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)子短路故障，故而簡化風(fēng)速模型，盡可能不考慮風(fēng)速隨機(jī)特性對故障的影響，這里就采用了階躍風(fēng)的形式，即：

風(fēng)輪是將風(fēng)的動能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的部件，是整個系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化的開始，主要用于將風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械轉(zhuǎn)矩Tm輸出到雙饋電機(jī)中。相應(yīng)的參數(shù)方程為：

在一般情況下，并不需要研究齒輪箱的機(jī)械性能及應(yīng)力分布情況，所以通常可簡化模型使其作用等效于其齒輪增速比kgear的值。

1.2 雙饋風(fēng)電機(jī)方程

風(fēng)電機(jī)是將風(fēng)輪所產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的核心設(shè)備，可以通過輸入的風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩計算出相應(yīng)的電參量。為便于系統(tǒng)的分析和模型搭建，通常對雙饋電機(jī)做出如下假設(shè)[8]：

（1）不計溫度、頻率對電機(jī)相應(yīng)參數(shù)值的影響，忽略空間諧波、磁飽和及鐵芯損耗。

（2）定、轉(zhuǎn)子繞組對稱分布，采用Y型連接且自感和互感為固定值。

（3）轉(zhuǎn)子側(cè)皆折算至定子側(cè)且折算后繞組匝數(shù)比為1。

由于常規(guī)三相坐標(biāo)下雙饋風(fēng)電機(jī)數(shù)學(xué)模型的非線性、多變量和強(qiáng)耦合性等特點(diǎn)[10]，在求解分析過程中非常繁瑣，通常采用坐標(biāo)變換的方式進(jìn)行解耦處理，以簡化參數(shù)方程便于系統(tǒng)的建模分析，同時實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的矢量控制，文中采用Park變換（即3s/2r變換），經(jīng)變換后的雙饋電機(jī)電壓方程為：

1.3 控制系統(tǒng)方程

功率變換器是實(shí)現(xiàn)雙饋風(fēng)電系統(tǒng)變速恒頻的關(guān)鍵部件[11]，目前多是采用背靠背型雙PWM的部分功率變換器，分為轉(zhuǎn)子側(cè)變換器（RSC）和網(wǎng)側(cè)變換器（GSC）兩部分。其中，RSC主要完成變速恒頻的控制方案，實(shí)現(xiàn)對有功功率P和無功功率Q的解耦以及為雙饋電機(jī)提供勵磁，GSC主要保證直流母線DC的電壓穩(wěn)定和單位功率因數(shù)運(yùn)行，以便有良好的電流輸入性能。

文中采用三相電壓型變換器，網(wǎng)側(cè)PWM采用基于網(wǎng)側(cè)電壓定向的矢量控制方式，轉(zhuǎn)子側(cè)PWM采用基于定子磁鏈定向的矢量控制方式。定向后主要的參數(shù)方程為：

空間矢量脈寬調(diào)制（Space Vector PWM， SVPWM）是根據(jù)變換器空間電壓或電流矢量切換來操縱變換器各種功能作用的一種控制方式[9]。而與其它的調(diào)制技術(shù)相比，該技術(shù)有著電壓利用率高、動態(tài)性能好以及諧波抑制能力強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，被廣泛運(yùn)用到電機(jī)的矢量控制中。

文中采用空間電壓矢量調(diào)制的實(shí)現(xiàn)方式，主要參數(shù)方程為：

2 建模及GUI設(shè)計

2.1 模型搭建

由上述分析，根據(jù)式（1）和（2）可在Matlab/Simlink中建立風(fēng)速及風(fēng)輪部分仿真模型，如圖1所示。由式（3）～（5）可搭建出雙饋風(fēng)電機(jī)的仿真模型，在Simulink Library Browser的Simscape/Power Systems/Machines中有相應(yīng)的電機(jī)封裝模塊，只需在其中合理設(shè)置仿真參數(shù)便可直接進(jìn)行調(diào)用，在很大程度上可以提高建模的效率。