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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。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，ωw t 是风力机转子转速，ωr 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；ωs 是同步转速，θs 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；β 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；βe 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 ω 的实际值和参考值 ωref 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 βref；位置控制器根据实际桨距角 β 与参考值 βref 的差值 生成变桨速率参考值 νref；实际变桨速率 ν 与变桨速率参考值 νref 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； ωs 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):14-18,32．
[4] 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)