双馈风力发电系统的建模及其控制策略仿真研究

李本荣　赵旺　马宁

【摘 要】风力发电因其绿色环保特性，在国内已得到推广。目前风力发电机组中双馈异步风力发电系统因其体积可控和成本较低，应用较为广泛。本文完成了双馈异步风力发电双PWM变换器的建模，根据数学模型，设计网侧变换器的电网电压定向矢量控制策略和控制参数，设计了转子侧变换器的定子电压定向的矢量控制方法;通过在Simulink中搭建仿真模型，进行仿真，仿真结果证明了网侧和转子侧的控制策略能有效控制双馈风力发电系统，实现恒频发电。

【关键词】风力发电;矢量控制;Simulink仿真

中图分类号： TH7;TP21 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）18-0046-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.18.023

1 双馈风力发电原理概述

风力发电因其绿色环保特性，在国内已得到推广。目前风力发电机组中双馈异步风力发电系统（DFIG）因其体积可控和成本较低，应用较为广泛。DFIG风力发电系统中，DFIG定子通过并网装置与电网相连，转子通过双PWM励磁变换器与电网相连，其结构图如图1所示[1-3]。

根据电机学原理，要实现有效的机电能量转换，发电机定子旋转磁场n1和转子的旋转磁场（转子旋转磁场相对于转子的转速n2与转子转速nr之和）必须相对静止，稳定运行时有定子电流频率f1=npn1/60，转子电流频率f2=npn2/60，则有npnr/60+f2=f1，当nr发生改变时，可通过改变转子励磁电流频率f2的大小，使定子输出电流频率f1保持恒定。

2 网侧变换器电网电压定向的矢量控制模型

2.1 网侧变换器控制建模

励磁变换器采用双PWM变换器[4]，其中网侧变换器由6个晶闸管构成，将两相同步旋转速dq坐标系中的d轴与电网电压的方向重合，可得网侧变换器在dq坐标系中的数学模型如式（1）所示[5]。其中Lg为网侧进线电感;Rg为网侧进线电阻;C为直流母线电容;？棕1为dq坐标轴同步旋转角速度。

2.2 网侧变换器控制器参数设计

电流环igd和电流环igq相互对称，其PI控制器的参数可设为一致，故在此处仅通过igd进行说明。将PWM调制响应延迟考虑在内，则可得到igd电流环传递函数式（2），令？子=L/R，可将其校正为典型Ⅰ型系统。

系统被校正为典型Ⅰ型系统，其参数可以按照式（3）计算[6-8]。

3 转子侧变换器定子电压定向矢量控制

3.1 转子侧变换器控制建模

将双馈风力发电机dq模型中的d轴与定子电压矢量取为同向，则有定子电压q轴分量usq=0，定子电压d轴分量usd=Us，Us为电网电压幅值，定子电压滞后定子磁链90°，故定子磁链的d轴分量=0，q轴分量等于定子磁链的幅值。将dq轴坐标系中的d轴定向于定子电压矢量时，DFIG定子输出的有功、无功功率实现了解耦。

转子磁链的表达式能够用定子电压和转子电流来描述，联立DFIG数学模型电压方程[10]可得式（4），其中：？滓为漏磁系数

参照表达式（4）中的基于定子电压定向的控制框图，可以在Simulink环境中建立转子侧变换器控制模块的仿真模型。仿真模型如图2所示。

4 仿真结果及分析

系统仿真中直流侧电压响应如图3所示。

从直流侧电压响应图中可以看出直流电压在0.4s左右时维持在给定值600V，系统的超调量为13%，在0.072s时，直流电压第一次到达给定值。直流侧的电压响应较好，符合预期。電网电压在系统稳定之后，其相位和幅值均保持稳定无大幅度波动，满足电网要求。

定子输出的有功功率在经过一段时间波动后，稳定在给定值5000左右。从图4能够得知，定子输出的无功功率在经过一段时间波动后，稳定在给定值0左右。

5 结论

根据仿真结果可得知，网侧变换器采用电网电压定向的矢量控制，能够实现较好直流侧的电压响应，符合预期;转子侧变换器采用定子电压定向的矢量控制方法，能够实现功率解耦控制，能有效控制双馈风力发电系统转子侧励磁电流。该仿真过程验证了本文中采用的网侧和转子侧变换器控制策略能够实现DFIG定子侧恒频、恒功率输出。

【参考文献】

[1]夏长亮.双馈风力发电系统设计与并网运行[M].科学出版社，2014.

[2]韩照亚，赵兴勇，韩照晶，等.双馈风力发电机变换器的控制方法研究[J].电力学报，2013，28（1）：54-57.

[3]赵阳.风力发电系统用双馈感应发电机矢量控制技术研究[D].武汉：华中科技

大学，2008.

[4]潘彦年.双馈式风力发电机组建模与最大功率控制研究[D].华北电力大学（北京），2012.

[5]胡寿松.自动控制原理（第四版）[M].科学出版社，2001.