基于LabVIEW及StarSim的双馈风力发电机离线仿真

胡锦，凌志聪，韦宗春，兰丽莉

(广西大学电气工程学院，广西壮族自治区 南宁 530004)



基于LabVIEW及StarSim的双馈风力发电机离线仿真

胡锦，凌志聪，韦宗春，兰丽莉

(广西大学电气工程学院，广西壮族自治区 南宁 530004)

以LabVIEW与StarSim软件为平台，建立了含风力机、双馈发电机及其矢量控制系统的仿真模型，应用定子磁链定向矢量控制策略，对有功功率和无功功率进行解耦控制，实现了不同风速下的最大风能捕获以及变速恒频运行。依据双馈风力发电机的运行特性对仿真结果进行校验，验证了基于该平台对双馈风力发电机组进行离线仿真的可行性。

LabVIEW；DFIG；定子磁链定向矢量控制；最大风能捕获

1 引言

近年来风力发电发展十分迅速，然而随之而来的由风电随机性、波动性和间歇性所引发的一系列电网安全问题给风电控制系统的研究提出大量的课题。实际风场的实验研究投资巨大，对自然环境的依赖性很高等许多因素制约了一些新技术、新理论的转化效率，而数字仿真技术因其不受气象条件限制,且投入低等优点，在风力发电的研究领域得到了广泛的应用。

风力发电常用的仿真软件有PSCAD、DIgSILENT、Matlab等软件。几种软件各有所长，也有不足之处[1,2]。LabVIEW是一种用图标代替文本创建应用程序的图形化编辑语言，编程快捷方便，具有多种类的数学运算函数，特别适合进行虚拟与仿真实验。StarSim是一款基于LabVIEW开发的电力电子仿真软件，两款软件结合起来可以实现电力电子系统控制器的离线仿真。而两个软件结合嵌入式控制器并运行于LabVIEW Real-Time模式，则可以实现上述仿真软件所不能为的硬件在环(HiL)仿真和快速控制原型(RPC)仿真。

本文在LabVIEW以及StarSim软件环境下，分别对风力机、双馈发电机、背靠背PWM变流器、矢量控制模块进行了建模与仿真，以验证模型的正确性和该仿真平台的的有效性。

2 双馈风力发电机结构与运行原理

图1为双馈风力发电机结构图。双馈风力发电机组主要由风力机、双馈发电机、变流器和控制系统组成。风力机捕获风能后，经齿轮箱传递给双馈发电机，双馈发电机定子侧与电网相连，转子侧经背靠背PWM变流器连接至定子侧。在控制系统的控制下，背靠背PWM变流器给转子送入频率、相位、幅值可控的交流励磁电源，实现双馈机的变速恒频发电，并网后实现能量的输送控制。

图1 双馈风力发电机结构

3 风力机模型

根据贝兹理论，单位时间内风力机输出捕获的风能为：

Pm=0.5CpρSv3

(1)

式中ρ—空气密度;S—风轮掠面积;v—风速;Cp—风能吸收系数。

(2)

由式(2)可见，在β角改变时，总有一个最佳叶尖速比λop[3]对应最佳风能吸收系数Cpmax，此时风力机的捕捉效率最高。因而，在不同风速下，可以通过对发电机的转速进行控制，使风力机运行于最佳转速，达到最佳叶尖速比λop，即可实现最大风能捕获。如图2为LabVIEW环境下，根据式(1)、(2)构建的风力机仿真模型。

图2 风力机仿真模型

4 背靠背PWM变流器模型

背靠背PWM一般数学模型[4、5]如下：

(3)

式中ia、ib、ic为三相交流电流，ea、eb、ec为转子三相电势；L为网侧变流器交流侧电感；R为交流侧电阻。

(4)

式中Udc为直流电压。

(5)

(6)

在搭建LabVIEW仿真模型之前，先在StarSim软件环境下依据式(3)～(6)构建背靠背PWM变流器的模型，其物理拓扑结构，如图3所示。

图3 背靠背PWM变流器拓扑结构

图中，Rotor为转子侧变流器控制脉冲输入端，Grid为网侧脉冲输入端，Udc为直流电压，C为直流母线并联电容。最后通过Express VI把电气拓扑转换为可执行的LabVIEW代码。图4为转换到LabVIEW仿真平台中的PWM变换器模型。

图4 转换为LabVIEW VI的变流器模型

5 基于定子磁链定向矢量控制的双馈发电机模型

5.1 dq坐标系下双馈发电机数学模型

双馈电机在同步旋转dq坐标系下的数学模型[3,6-7]如下：

定子电压和磁链方程：

(7)

转子电压和磁链方程：

(8)

在同步旋转dq坐标系下，上述公式的标记作如下规定：电压U、电流i、磁链ψ、电阻R、电感L、有功功率P、无功功率Q，下标s、r分别表示定、转子量，d、p分别表示同步旋转坐标系d轴、q轴分量，Lm为互感，ω表示角速度，D为微分算子。图5为在LabVIEW环境下(7)、(8)构建的双馈发电机模型。

图5 双馈发电机仿真模型

5.2 有功、无功功率解耦控制策略

在同步旋转坐标系下，定子的瞬时有功功率、无功功率[7]分别可以写成:

(9)

可见，对发电机的有功、无功功率的调节就可以分别通过对ids、iqs的调节来实现。由于对于P、Q的控制是通过DFIG转子侧的变流器进行的，应该推导转子电流、电压和ids、iqs之间的关系[6]，以便实现对DFIG有功、无功的独立控制。

(10)

(11)

其中，Δudr、Δuqr是d-q轴转子电流的交叉耦合电压项，因此，必须采用前馈补偿以消除稳态跟随误差。通过引入前馈补偿量Δudr、Δuqr对转子电流的控制真正实现解耦控制，进而实现有功、无功功率的独立解耦。在LabVIEW软件环境下构建双馈发电机组矢量控制系统的仿真模型，仿真模型由风力机模型、转换为LabVIEW代码的PWM变流器模型、双馈发电机模型等子VI构成，如图6所示。

图6 双馈风力发电机组矢量控制系统仿真模型

6 仿真结果分析

图7为给定风速和机组转速的变化曲线，初始风速v=8.5m/s，t=3s时，风速开始上升，t=5s时，风速上升至10.5m/s。由式(3)可计算出，风速在v=8.5、10.5m/s时所对应的最佳理论转速分别为1035、1260r/min，图7(b)为风速变化情况下所对应的发电机转的仿真曲线，可以看到发电机转速在风速变化后，经过短暂的调节，最终稳定运行在1265r/min，与最佳理论转速基本吻合，表明仿真实现了最大风能捕获控制。

图7 给定风速、机组转速波形

图8为风速变化时定子、转子A相电流的变化情况，由图8(a)可知，定子A相电流幅值增大，频率保持不变；由图8(b)可知，双馈机转速变化时，转子A相电流频率也随之变化，同步速时为零，达到超同步状态后频率相应增大。

图8 定子、转子电流波形

图9显示了转子功率的变化情况，在仿真初期，电机工作在亚同步状态，功率从电网流入电机转子，所以转子功率为负。风速增大后，电机工作在超同步状态，功率从电机转子馈入电网，转子功率递增为正。

双馈电机的有功、无功功率的解耦控制效果如图10所示。为简化模型，本文无功参考功率的标幺值根据电网无功需求取为0.08。当t=3s时，风速突然生改变，使得电机转速发生变化,因而电机转矩就发生改变，进而使得转子电流的转矩分量iqr发生变化,发电机的有功功率发生改变。由图可以看出有功功率P能迅速的跟踪风速的变化而变化，无功功率Q维持给定值，稳态误差小，说明有功功率P得到了独立调节，功率解耦控制效果明显，双馈发电机的有功、无功功率实现了有效的解耦控制。

图10 有功、无功功率波形

7 总结

基于LabVIEW及StarSim软件平台搭建了DFIG风电机组控制系统仿真模型并对其进行了离线仿真分析。仿真结果表明，本文所构建的模型，可以实现最大风功率捕获、变速恒频运行以及有功、无功功率解耦控制，对引入嵌入式控制器以后，基于此平台进行的硬件在环仿真及快速控制原型仿真研究具有一定的指导意义。

[1] 汪路.基于PSCAD双馈风力发电机控制系统的研究[D].上海：上海电力学院，2011:03-01.

[2] 吕涛，韩祯祥.电力系统仿真软件DIgSILENT介绍[J].杭州:浙江大学，2004:12-24.

[3] 王沐晗.基于LabVIEW的风电机组仿真研究[D].北京：华北电力大学,2012:22-24.

[4] 李鹏程，叶林.基于 EMTP_ATP 的双馈式风力发电系统的模型与实现[J].电力系统自动化，2009,33(14):93-98.

[5] 尹明，李庚银，周明，等.双馈感应风力发电机组动态模型的分析与比较[J].电力系统自动化，2006,30(13):22-27.

[6] 贺益康，胡家兵，Lie XU(徐烈).并网双馈异步风力发电机运行控制[M].北京：中国电力出版社，2012:30-31,69-86.

[7] 冯双磊，赵海翔，任普春，等.基于 PSCAD_EMTDC 的双馈式变速恒频风电机组动态模型仿真[J].电网技术，2007,31(17):30-35.

[8] 刘光德，姚兴佳，赵杨，等.变速风电机组仿真用数学模型研究[J].研究与试验，2006,2(126):48-55.

The Off-line Simulation on DFIG Based on LabVIEW and StarSim

HUJin，LINGZhi-cong，WEIZong-chun，LANLi-li

(School of Electrical Engineering,Guangxi University,Nanning 530004,Guangxi Zhuang Autonomous,China)

This paper establishes the models of wind turbine、Doubly fed induction generator(DFIG)and its vector control system Based on LabVIEW and StarSim platform.By adapt Stator flux-oriented vector control,That enables the independent decoupling control of active power and reactive power、realize maximal wind energy capture and Variable speed constant frequency operation.By analyze the result of test model,LabVIEW and StarSim were proved feasible of off-line simulation on DFIG.Key words：Lab VIEW;doubly-fed induction generator;stator flux-oriented vector control;maximun wind energy tracking

1004-289X(2015)04-0018-04

广西大学大学生实验技能和科技创新能力训练基金资助项目。

TM61

B

2014-05-15

胡锦(1990-),男,硕士研究生,从事电力电子在电力系统中的应用研究； 凌志聪(1991-),男,本科学历,从事电力系统继电保护研究； 韦宗春(1991-),男,本科学历,从事风电功率预测研究； 兰丽莉(1990-),女,本科学历,从事电力系统继电保研究。