摘要： 本文對(duì)兆瓦級(jí)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了分析，在MATLAB中采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法建立了基于定子磁場(chǎng)矢量控制技術(shù)的雙PWM變流器控制系統(tǒng)模型。仿真結(jié)果驗(yàn)證了系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕捉和有功、無(wú)功解耦控制上的有效性。
      關(guān)鍵詞：雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)；雙PWM變流器；矢量控制技術(shù)；MATLAB仿真

Simulation Analysis of the Mega-watt DFIG Wind Turbines system

Dong Hongxi1  Sun Zhiyi2

       Abstract: In this paper, analyzing the mathematical model of MW doubly fed induction generator (DFIG) wind turbines. In the MATLAB, using a structured design method, a dual PWM converter control system model were established on the basis of the stator flux field vector control technology. Based on the simulation results, it was proved that the system is capable of capturing maximum wind powers, achieving the decoupled control of active and reactive powers.
      Keywords: DFIG; dual-PWM converter; vector control technology; MATLAB simulation
 
      引言
      雙饋異步風(fēng)力發(fā)電技術(shù)因?yàn)榫哂校旱惋L(fēng)速時(shí)可以根據(jù)風(fēng)速變調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩獲得最大風(fēng)能；高于額定風(fēng)速時(shí)可以改變槳葉節(jié)距角來(lái)維持額定功率的優(yōu)點(diǎn)而成為風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的重要發(fā)展方向。
 

      1 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作原理和數(shù)學(xué)模型
      1.1 雙饋異步發(fā)電機(jī)組的工作原理
雙饋異步發(fā)電機(jī)是由一臺(tái)帶集電環(huán)的繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī)和雙PWM變流器組成。雙饋異步發(fā)電機(jī)的定子繞組直接與工頻電網(wǎng)相連。運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和定、轉(zhuǎn)子電流的頻率關(guān)系可表示為：f1=pn/60±f2,由此式可知：當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化時(shí)可通過(guò)調(diào)節(jié)f2來(lái)維持f1恒定。
      1.2 雙饋異步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型
      本文按電動(dòng)機(jī)慣例建立雙饋異步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。其中電壓方程式為

                     

式中下標(biāo)1和2分別表示定子側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)；d和q分別表示d軸和q軸。P是微分算子，ω、ωS 分別是同步角速度和轉(zhuǎn)差角速度。磁鏈方程式為

         

雙饋發(fā)電機(jī)采用定子磁場(chǎng)定向矢量控制技術(shù)，將定子磁鏈Ψ1方向取在d軸，忽略電阻壓降得

                       

由上幾式可得電磁轉(zhuǎn)矩和功率方程  

                                                             

（4）
     

       當(dāng)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)以后，定子電壓不變，則Ψ1也不變，由式(4)可見，發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩可通過(guò)轉(zhuǎn)子中的q軸電流進(jìn)行控制，達(dá)到調(diào)速的目的；而定子有功功率P1只與轉(zhuǎn)子電流iq2有關(guān)，無(wú)功功率Q1只與id2有關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)了有功功率和無(wú)功功率的解耦控制。
     

      2 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的仿真模型
MATLAB中雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的仿真模塊包括：風(fēng)速模型、變槳距風(fēng)力機(jī)模型、雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型、雙PWM變流器模型、網(wǎng)側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)控制系統(tǒng)模型等【3】。鑒于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的復(fù)雜性，本文僅給出網(wǎng)側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)控制系統(tǒng)的仿真模型。
      2.1 網(wǎng)側(cè)變流器的矢量控制 
      雙饋異步發(fā)電機(jī)網(wǎng)側(cè)變換器的矢量控制仿真模型如圖2所示。它由三相鎖相環(huán)、3/2矢量變換、電流調(diào)節(jié)器、2/3矢量變換組成【4-6】。

 

                                 圖1 電網(wǎng)側(cè)變流器控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖
      2.2 轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的矢量控制
      雙饋異步發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子側(cè)的矢量控制仿真模型如圖2所示。它由3/2矢量變換、無(wú)功功率調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)矩控制器、最優(yōu)轉(zhuǎn)子q軸電流計(jì)算、電流調(diào)節(jié)器以及2/3矢量變換組成。

      3 仿真分析
      本文在MATLAB軟件平臺(tái)中搭建了額定風(fēng)速11m/s,風(fēng)機(jī)額定功率為1.5MW的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真模型。仿真結(jié)果表明：本文所建立的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在風(fēng)速變化時(shí)，能夠很好的跟蹤最大風(fēng)能，并能實(shí)現(xiàn)良好的有功、無(wú)功解耦控制。圖2到圖6分別為風(fēng)速模型、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、有功和無(wú)功分量。
 

 

    

      4 結(jié)論
      本文分析了兆瓦級(jí)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作原理和數(shù)學(xué)模型，在MATLAB中采用結(jié)構(gòu)化方法建立了1.5MW風(fēng)電機(jī)組的仿真模型。該模型基于定子磁場(chǎng)定向的矢量控制方法，采用雙PWM變流器，對(duì)大型并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組的最大風(fēng)能跟蹤、有功和無(wú)功功率的解耦控制進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果驗(yàn)證了控制系統(tǒng)的有效性，對(duì)控制系統(tǒng)的實(shí)用化具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
      參考文獻(xiàn)
      [1] 葉杭冶. 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2006.
      [2] 惠晶. 新能源轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2008.

 

                                   圖2 轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖
 

     [3]孫蕾, 吳濤, 樊小偉,米增強(qiáng). 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行特性仿真分析[J]. 電力科學(xué)與工程,2009.6
     [4]陳昆明, 湯天浩, 陳新紅等. 永磁半直驅(qū)風(fēng)力機(jī)控制策略仿真[J]. 上海海事大學(xué)學(xué)報(bào), 2008.12
     [5]Hopfensperger B. Stator-flux oriented control of a doubly fed induction machine with and without position encoder [J]. IEE Proc Electr Power Appl, 2000, 147 (4): 241-250.
     [6]李文靜,熊光煜. 基于MATLAB的異步電動(dòng)機(jī)矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真[J]. 電力學(xué)報(bào), 2006.2
     作者簡(jiǎn)介：
     董紅喜(1983-)，男，山西運(yùn)城人，太原科技大學(xué)在讀研究生，研究方向?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電的控制技術(shù)
     孫志毅(1959-),男，山西長(zhǎng)治人，太原科技大學(xué)教授，博導(dǎo)，研究方向?yàn)榭刂评碚撆c工程
     通信地址：太原科技大學(xué)633#信箱 ；郵編030024手機(jī)：13653659874郵箱：dhx723@163.com