基于MATLAB的双馈电机仿真

2013-10-24王培炎

中国校外教育 2013年31期

◆王培炎

(内蒙古北方重工培训中心)

一、双馈发电机的基本原理

随着电力电子技术和数字控制技术的迅速发展，人们在不断寻求采用新的途径解决电力系统稳定和无功问题的时候，提出了采用交流励磁发电机取代或部分取代常规同步发电机的设想，并已由理论到实践取得了一些成果。这种发电机的转子绕组由原来的直流励磁绕组改为三相对称交流励磁绕组。当通以某一额定频率(fc)的交流电时，就会产生一个相对转子旋转的磁场，其转速为:n=(np为极对数)，转子实际转速加上交流励

磁产生的旋转磁场的转速(方向可以相同或相反)等于同步转速，即:n1=nr±n2。

由此在电机气隙中形成一个同步旋转的磁场，在定子侧感应出同步速的感应电势。从定子侧看，这与直流励磁的转子以同步速旋转时，在电机气隙中形成一个同步旋转的磁场是等效的。如果按电机转子的转速是否与同步转速一致来区分异步发电机或同步发电机。则交流励磁发电机应当被称为异步发电机。但是，从性能来看，交流励磁发电机很多地方又与同步发电机相似。

二、定子磁链定向的矢量控制

在交流励磁发电机中，考虑到发电机始终是在工频50Hz下运行，在这样的频率下，通常电机定子绕组的电阻可以忽略不计。此时，定子绕组总磁链与定子电压的矢量之间的相位正好相差90度，因此在实际应用中，以定子电压矢量或者以定子绕组总磁链为参考矢量，可使控制系统变得相对简单。

采用定子磁链定向，同步转速n1旋转的坐标轴d与定子磁链ψs相重合，则有:

这表明，电机有功功率和转子电流有功分量成正比，无功功率和转子电流无功分量成正比，只要分别控制转子电流分量和，即可实现发电机有功功率和无功功率的独立调节。

三、变速恒频风电系统的控制

变速恒频发电是20世纪末发展起来的一种新型发电方式，它将电力电子技术、矢量变换控制技术和微机信息处理技术引入发电机控制之中，获得了一种全新的、高质量的电能获取方式。风力机采用变速运行，即风机叶轮跟随风速的变化改变其旋转速度，保持基本恒定的最佳叶尖速比，风能利用系数最大。因此，可以根具风速的变化情况，调整双馈电机的转速使之产生恒定频率的电能。

四、仿真

MATLAB软件是当今控制系统的设计与仿真中重要的工具软件。MATLAB提供的仿真工具箱SIMULINK就是一个功能十分强大的仿真软件，可以根据用户的需要方便地为系统建立模型，并且十分直观;它的仿真精度很高，仿真结果准确。

由于交流励磁变速恒频风力发电系统的特点，Matlab/Simulink中的Power System基本模块提供的电机模型用于双馈发电机仿真时，受到多方面因素的影响，如转子侧供电时接入问题，用PWM供电时如何调频等一系列问题，不能完全适应仿真的需要。因而不能直接利用Simulink电机模型进行仿真研究。我们基于在两相同步旋转坐标系d-q中建立的双馈发电机的数学模型，在Simulink环境下建立了相应的仿真模型。采用上述公式推导所得控制策略，因此转子参考电压、直接送入发电机转子侧，，省去了变换器的控制及坐标变换，使仿真系统大大简化［4］。这样不但简化了对控制系统仿真的复杂性，而且并不影响仿真结果的可信度。

首先，根据双馈电机在两相旋转坐标系下的数学模型建立电机的仿真模型。单一选电流量为状态变量，可得到电机的状态方程，再根据电机的运动方程和转矩方程便可建立电机仿真模型，仿真图型如下所示。