基于MATLAB_SIMULINK的并网型双馈风力发电机仿真模型的研究[1]

　西安理工大学学报
Journal of Xi’an University of Technology(2010) Vol. 26 No. 1　

文章编号
: 100624710 (2010) 0120081206

基于
MATLAB /SIMUL INK的并网型
双馈风力发电机仿真模型的研究


余健明
,王猛
,李阳阳


(西安理工大学自动化与信息工程学院
,陕西西安
710048)

摘要
:在分析双馈发电机交流励磁变速恒频发电运行原理的基础上
,利用
MATLAB /SIMUL INK分
别搭建了空载并网控制模型和并网后的追踪最大风能变速恒频发电运行模型
,并结合两种模型进
行分时仿真
,解决了传统仿真方式中由于并网前后定子电压输出方向不同
,而无法讨论并网瞬间工
况的问题。仿真结果表明了文中所建立的风力发电机模型不但可以在变速情况下可靠并网
,而且
并网后还能在变速恒频运行的基础上实现有功功率、无功功率的解耦控制。

关键词
:双馈风力发电机
;变速恒频
;矢量控制
中图分类号
: TM310 文献标志码
:A


Researchon theSimulationModelofGrid2Connected Doubly2FedW ind
Turbine Based onMATLAB/SIMULINK


YU Jian2ming, WANGMeng, LIYang2yang
(Faculty ofAutomation and Information Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China)


Abstract: Base on the analysis of the characteristics of doubly2fed AC excited wind turbines in variable
speed constantfrequency (VSCF) operation, usingMATLAB/SIMULINK to establish a comprehensive
system simulation on the no2load operation before the cutting2in and the VSCF wind2power generation by
tracing maximal wind2energy after the cutting2in. In combination with the carrying out of time2domain
simulation of two models, the problems of the instant industrial conditions are solved in the traditional
simulation ways in which the stator voltage output direction is different to discuss before and after the con2nectionwithgrid. ThesimulationresultsoffertheDFIGcontrolsystemthatisestablishedinthepapercan
notonlybeconnectedtogridsafelyatvariablespeed, butalsoachievedecoupledcontrolofactivepower
and reactivepoweron thebasisofVSCFoperationaftergrid2connection.
Key words: double2fed induction generator (DFIG); variable speed constant frequency (VSCF); vector

control

风能是一种清洁的永续能源
,与传统能源相比
,磁控制
,不但可实现变速恒频运行
,而且还能实现输
风力发电不依赖外部能源
,没有燃料价格风险
,发电出有功、无功功率的解藕。另外
,转子施加交流励磁
成本稳定
,也没有碳排放等环境成本
;此外
,可利用的
DF IG可在变速情况下顺利并网
[1]。
的风能在全球范围内分布都很广泛。正是因为有这本文通过分析变速恒频风力发电机的特点
,将
些独特的优势
,风力发电逐渐成为许多国家可持续矢量变换技术运用到发

电机空载并网控制策略中。

发展战略的重要组成部分
,发展迅速。利用
MATLAB /SIMUL INK,分别搭建了空载、并网

双馈型异步发电机
(Doubly2Fed Induction Gen2 两种状态下的
DF IG及其控制系统模型。使用基于

erator,简称
DFIG) ,在结构上类似绕线式异步电机
,定子磁链定向矢量控制的功率解耦控制策略和并网

具有定、转子两套绕组。在控制中
, DFIG转子一般控制策略。并使用分开建模
,分时仿真的方式对并

由接到电网上的变换器进行交流励磁。通过转子励网前、后以及并网瞬间的发电机控制进行系统的仿
真
,证实了该模型在空载并网及最大风能追踪方面


收稿日期
: 2009206230

作者简介
:余健明
(19562),男
,广东台山人
,教授
,研究方向为电力系统自动化和电能质量。
E2mail: jianmingyu@xaut. edu. cn。


. 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.


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均可达到预期的效果。


1　DF IG变速恒频运行的基本原理

众所周知
,任何电机在稳定运行时
,定子旋转磁
势与转子旋转磁势都是相对静止、同步旋转的。对
双馈电机有
:

np

±f2 =f1 ( 1)

60
式中
,f1为定子绕组电流频率
,f2为转子绕组电流频
率
,n为转子转速
,p为电机的极对数。其中
,“
+ ”
用于亚同步运行
,“
-”用于超同步运行
,后者要求
转子绕组相序与定子相反
[ 2 ]。

从上式可以看出
,当转子转速
n变化时
,可以调

节转子的供电频率
f2 ,保持
f1不变
,即保证定子馈电
3.
3　控制系统模型分析
频率不变
,与电网一致
,从而实现了变速恒频。


1　定子磁场定向矢量控制模型分析
2　m 2t坐标系中发电机数学模型由于交流励磁发电机不论是处于电动机状态还
是发电机状态
,始终运行在工频的情况下
,定子电阻


采用发电机惯例时
,m 2t坐标系中发电机电压
方程式为
:

um 1 =-R1 im 1 -Pψm 1 +ψt1ω1

( 2)
ut1 =-R1 it1 -Pψt1 +ψm 1ω1


um 2 =R2 im 1 +Pψm 2 +ψt2ωs

( 3)
ut2 =R2 it2 +Pψt2 +ψm 2ωs

磁链方程式为
:


ψm 1 =L1 im 1 -Lm im 2

( 4)
ψt1 =L1 it1 -Lm it2
ψm 2 =L2 im 2 -Lm im 1

( 5)
ψt2 =L2 it2 -Lm it1
运动方程和电磁转矩方程为
:


dωr

T-Te = (J /p)

dt

( 6)
dθr

ω=

rd t

Te = pLm ( im 1 it2 -it1 im 2 )
以上各式中
,R1 ,R2分别为定、转子绕组各相电阻
;
L1、L2、Lm分别为
m 2t坐标系中定、转子等效自感及
互感
( 1代表定子
, 2代表转子
); um 1、ut1、um 2、ut2分别
为定、转子电压的
m轴和
t轴分量
; im 1、it1、im 2、it2分
别为定、

转子电流的
m轴和
t轴分量
;ψm 1、ψt1、ψm 2、
ψt2分别为定、转子磁链的
m轴和
t轴分量
;ω1、ωr及
ωs=ω1-ωr分别为发电机的同步转速、转子转速及
两者之差
;T为风力机输出驱动转矩
,Te为发电机的
电磁转矩
,J为发电机的转动惯量
,P为微分算
子
[ 3 ]。

空载时
, DF IG定子电流为零
,即
:i= it1 =0,得

m 1

到发电机空载时的数学模型
:
um 1 = Lm Pim 2 -ω1 Lm it2


( 7)
ut1 =ω1 Lm im 2 +Lm Pit2
um 2 = (R2 +L2 P) im 2 -ωsL2 it2



( 8)
ut2 =ωsL2 im 2 + (R2 +L2 P) it2

运动方程和电磁转矩方程简化为
:
dωr


T = (J /p)

d t

( 9)
dθr

ω=

rdt
Te = 0

压降远比电抗压降和电机反电势小
,通常可以忽略
电机定子绕组电阻。由静止坐标系下定子电压表达
式可以看出
,忽略电机定子绕组电阻以后
,发电机的
定子磁链与定子端电压矢量之间的相位差正好是


90°。若以定子磁场定向
,取定子磁链矢量方向为同
步坐标系
m轴
,则定子电压矢量将落在超前
m轴
90°的
t轴负半轴上
,这样可以进一步简化前面得到
的同步坐标系下的交流励磁发电机数学模型
,从而
得到矢量控制所需要的控制方程。

将定子磁链定向在同步坐标系的
m轴上以后
,
可知
:


ψm 1 =ψ1

ψt1 = 0

( 10)
um 1 = 0
ut1 =-u
其中
u为定子电压矢量幅值。
将式
( 10)代入式
(4)化简
,得到
1


im 2 = (L1 im 1 -ψ1 )
Lm

( 11)
L1 it1
it2 =
Lm

将式
( 11)代入式
(5),得到



L2

Lm L1 L2 -mψm 2 = ψ1 + im 2

L1 L1

( 12)
L1 L2 -Lm
2
it2 = it2L1

将式
( 12)代入转子电压方程
( 3),得到



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　余健明等
:基于
MATLAB /SIMUL INK的并网型双馈风力发电机仿真模型的研究　


it2 = 0

Δut2为消除转子电压、
=
L1 L2 -Lm
2
ω
电流解耦控制的解耦
电流交叉耦合的补
i+
Lmω
子电压与同步角速度之比。
Δut2 L1s m 2 L1sψ1 同理
,式
( 4)、( 5)可化简为
:
式中
, um ′
2、ut2 ′为实现转子电压、

ψ1 =-Lmim 2

( 18)
项
,Δum 2、



图
1　变速恒频发电机空载并网控制
Fig. 1　Grid2connection control of the AEVSCF wind power generator


um 2 = (L2 p +R2 ) im 2 ( 13)

ωi

ut2 =L2s m 2

为了解决跟随误差
,可采用电机控制中常采用

的加前馈电压的方法
,使变频器所需的控制信号主
要由前馈控制电压提供
,而让电流调节器只起动态
补偿作用
,其稳态输出为零。

将式
( 13)分成两部分
:


L1 L2 -Lm
2

u′
=( m 2

m 2 p +R2 )i

L1

( 14)
L1 L2 -Lm
2
u′= ( p+R2 ) it

2

t2 L1


L1 L2 -Lm
2
Δum 2 =-ωs it2

L1

( 15)
偿项。将转子电压分解为解耦项和补偿项
,既简化
了控制
,又能保证控制的精度和动态响应的快速
性
[ 4 ]。同时
,定子功率表达式也可以简化为
:


33

P1 = (um 1 im 1 + ut1 it1 ) =-uit1

22

( 16)
33

Q1 = (ut1 it1 -um 1 im 1 ) =-uim 1

22

由上述控制方程
,可以设计出并网后双馈异步

图
1中
,在检测三相电网电压后
,根据检测到
的电压值计算出电网电压空间矢量的幅值
u和相角
θu
。θu
经角度变换后得出定子磁链的相角
θs
。根据
式
( 17)计算出发电机的参考定子磁链
ψ1 ,再根据式


( 18)计算出转子
m轴电流参考分量
i3
。通过
PI调
m 2

节器可实现转子电流
i的闭环控制。根据式
( 20)

m 2

风力发电系统在定子磁场定向下的矢量控制系统。


3. 2　空载并网控制模型分析
空载并网方式是在并网前调节定子电压
,满足
并网条件后进行并网操作。即发电机并网前定子空
载
,依据电网电压
(频率、相位和幅值
)信息
,通过变
换器调节转子的励磁电流
,调节发电机定子电压
,使
其满足并网条件。

根据发电机空载时的数学模型可推导出基于定
子磁场定向的发电机空载并网控制策略。在定子磁
链定向和忽略定子电阻的情况下
,可将式
(2)化简为
:


Pψ1 = 0

( 17)
u1 =ω1ψ1
即空载并网时
,发电机定子磁链保持恒定
,其值为定


ψm 2 =L2 im 2

( 19)
ψ= 0

t2

将
( 19)代入
( 3)得到
:
um 2 = (L2 p +R2 ) im 2 ( 20)
ut2 =L2ωs im 2


由式
( 17)～
( 20)可以得出变速恒频风力发电
空载并网的控制策略
[ 5 ],如图
1所示。

,i3
与
i的误差经过
PI调节后直接得到转子
m轴

m 2m 2

电压参考分量
um
3
2 ;根据式
( 18) it2为零
,所以由补偿
量
L2
3 ωs
3 im 2得到转子
t轴电压参考分量
u3t2。
u3
、u3
经过坐标变换后得到
αβ坐标系中的分量值


m 2t2
uα32、uβ32 ,最终实现对发电机的空载并网控制。



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4　双馈风力发电机的仿真


4. 1　仿真模型的建立
电机模型参数为
:R1=3. 74 Ω,R2 =3. 184 Ω,
L1 =0. 304 2 H,L2 =0. 310 7 H, Lm =0. 292 H,
f1 =50 Hz,u1 =220 V,p =2,J =0. 001 25 kg·m。

风力机模型参数
:桨叶半径
R =1. 2m,额定功
率
P =3 kW ,最佳风能系数
Cpmax =0. 437,最佳叶尖
速比
λ
=6. 552。

系统并网前后发电机的运行状态和运行控制均
不相同
,并网前空载运行
,实施并网控制
;并网后发
电

运行
,实施最大风能追踪控制。为此
,要进行并网
区和风能追踪区的完整仿真研究需要合适的双馈异

步发电机模型。

发电机空载时定子电压为输出量
,发电时定子
电压为输入量。由于工作机理不同
,建立统一的发
电机模型比较困难。本文采用分开建模、分时工作
的方案
:建立空载和发电两个模型
,仿真时空载模型
首先运行
,进行并网控制的仿真
;并网时空载仿真停
止工作
,并网后进行最大风能追踪的仿真。

仿真过程分为两个阶段来进行
,先做空载仿真
,
满足并网要求后
,再做并网仿真
,图
2模型上面有一
阶跃输入模块
,选择
0, 1信号作为区分空载和并网
运行两种状态的控制信号。图中上下两个方块即分
别是两种状态下系统的仿真模型。


图
2　空载并网控制仿真模型
Fig. 2　DFIGmodel under grid2connection control

4. 2　控制系统的仿真
图
2中系统为恒定风速启动
,先空载运行
,当输
出电压的幅值、频率、相位均满足并网条件时
,可切
换至并网发电系统
,仿真结果如图
3所示。

在开始运行
1s时切入并网运行
,可以看出
,并
网时刻定、转子电流、转子电压、定子有功、无功功率
及转矩均有一定幅度波动
,约持续
0. 2 s后逐渐平
稳
,一段时间
,在
5s时
,风速发生变化
,由
5 m/s变
化至
12 m /s,在
7. 5 s时又降低到
8 m /s,在此期间
,
系统跟踪最大风能
,由图
3 (h)可以看出
,定子有功
功率发生变化时
,定子无功功率基本不变
,说明实现
了有功、无功的解耦控制。图
3 (c)、( d)为并网前
后的定、转子电流变化曲线
,转速变化时定子电流频
率保持恒定
,实现了变速恒频
,定子电流幅值的变化
体现了机组在追踪最大风能时的发电机输出有功功
率的变化情况。

图
4所示为风速变化时定子、转子电流的变化
情况。从图
4可以看出
,当风速给定由
5 m/s变为
12 m/s时
,有功功率给定增加
,提供有功分量的转
子电流有所增加
,所以总的转子电流有所增加
,相应
的定子电流也有所增加。此外还可以看出当风速变
化时
,转子电流的频率即滑差频率也是随着相应改
变的
,以保证定子能发出恒定
50 Hz的电压和电流
,
证明实现了变速恒频风力发电过程。

图
5所示为发电机定子空载一相端电压和电网
一相电压的波形图
,图
6所示为其对应一相电压误
差的波形。可以看出
,在空载并网控制策略下
,两电
压波形趋于一致的收敛过程非常快
,发电机输出电
压很快能够跟踪上电网电压
,电压误差迅速减小
,而
且调节过程不受发电机转速的影响
,为使发电机减
小冲击

电流
,平滑地并入电网创造了理想的并网
条件。



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图
3　空载并网控制系统仿真
Fig. 3　Simulation of the cutting2in control system with no2load

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图
4　风速变化时定子、转子电流的变化
Fig. 4　The changes of stator current and rotor current


图
5　发电机定子和电网电压
Fig. 5　Generator statorvoltage and grid voltage

5　结　论

本文在分析双馈电机数学模型及其定子磁链定
向矢量控制的基础上
,推导出基于定子磁链定向的
空载并网控制策略
,并实现了有功功率和无功功率
的解耦控制
,利用
MATLAB /SIMUL INK分别搭建了
这两种状态下的仿真模型
,并进行分时仿真
,实现了
对发电过程中各个环节的系统仿真
,仿真结果表明
,
上述模型能够实现并网前启动阶段迅速使发电机输
出电压符合并网条件
,并网后顺利实现有功功率和
无功功率的独立解耦控制
,满足风力发电系统的并
网控制要求。

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图
6　一相电压误差
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(责任编辑　杨小丽
)


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