基于LabVIEW及StarSim的雙饋風力發電機離線仿真

胡錦，凌志聰，韋宗春，蘭麗莉

(廣西大學電氣工程學院，廣西壯族自治區 南寧 530004)

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基于LabVIEW及StarSim的雙饋風力發電機離線仿真

胡錦，凌志聰，韋宗春，蘭麗莉

(廣西大學電氣工程學院，廣西壯族自治區 南寧 530004)

以LabVIEW與StarSim軟件為平臺，建立了含風力機、雙饋發電機及其矢量控制系統的仿真模型，應用定子磁鏈定向矢量控制策略，對有功功率和無功功率進行解耦控制，實現了不同風速下的最大風能捕獲以及變速恒頻運行。依據雙饋風力發電機的運行特性對仿真結果進行校驗，驗證了基于該平臺對雙饋風力發電機組進行離線仿真的可行性。

LabVIEW；DFIG；定子磁鏈定向矢量控制；最大風能捕獲

1 引言

近年來風力發電發展十分迅速，然而隨之而來的由風電隨機性、波動性和間歇性所引發的一系列電網安全問題給風電控制系統的研究提出大量的課題。實際風場的實驗研究投資巨大，對自然環境的依賴性很高等許多因素制約了一些新技術、新理論的轉化效率，而數字仿真技術因其不受氣象條件限制,且投入低等優點，在風力發電的研究領域得到了廣泛的應用。

風力發電常用的仿真軟件有PSCAD、DIgSILENT、Matlab等軟件。幾種軟件各有所長，也有不足之處[1,2]。LabVIEW是一種用圖標代替文本創建應用程序的圖形化編輯語言，編程快捷方便，具有多種類的數學運算函數，特別適合進行虛擬與仿真實驗。StarSim是一款基于LabVIEW開發的電力電子仿真軟件，兩款軟件結合起來可以實現電力電子系統控制器的離線仿真。而兩個軟件結合嵌入式控制器并運行于LabVIEW Real-Time模式，則可以實現上述仿真軟件所不能為的硬件在環(HiL)仿真和快速控制原型(RPC)仿真。

本文在LabVIEW以及StarSim軟件環境下，分別對風力機、雙饋發電機、背靠背PWM變流器、矢量控制模塊進行了建模與仿真，以驗證模型的正確性和該仿真平臺的的有效性。

2 雙饋風力發電機結構與運行原理

圖1為雙饋風力發電機結構圖。雙饋風力發電機組主要由風力機、雙饋發電機、變流器和控制系統組成。風力機捕獲風能后，經齒輪箱傳遞給雙饋發電機，雙饋發電機定子側與電網相連，轉子側經背靠背PWM變流器連接至定子側。在控制系統的控制下，背靠背PWM變流器給轉子送入頻率、相位、幅值可控的交流勵磁電源，實現雙饋機的變速恒頻發電，并網后實現能量的輸送控制。

圖1 雙饋風力發電機結構

3 風力機模型

根據貝茲理論，單位時間內風力機輸出捕獲的風能為：

Pm=0.5CpρSv3

(1)

式中ρ—空氣密度;S—風輪掠面積;v—風速;Cp—風能吸收系數。

(2)

由式(2)可見，在β角改變時，總有一個最佳葉尖速比λop[3]對應最佳風能吸收系數Cpmax，此時風力機的捕捉效率最高。因而，在不同風速下，可以通過對發電機的轉速進行控制，使風力機運行于最佳轉速，達到最佳葉尖速比λop，即可實現最大風能捕獲。如圖2為LabVIEW環境下，根據式(1)、(2)構建的風力機仿真模型。

圖2 風力機仿真模型

4 背靠背PWM變流器模型

背靠背PWM一般數學模型[4、5]如下：

(3)

式中ia、ib、ic為三相交流電流，ea、eb、ec為轉子三相電勢；L為網側變流器交流側電感；R為交流側電阻。

(4)

式中Udc為直流電壓。

(5)

(6)

在搭建LabVIEW仿真模型之前，先在StarSim軟件環境下依據式(3)～(6)構建背靠背PWM變流器的模型，其物理拓撲結構，如圖3所示。

圖3 背靠背PWM變流器拓撲結構

圖中，Rotor為轉子側變流器控制脈沖輸入端，Grid為網側脈沖輸入端，Udc為直流電壓，C為直流母線并聯電容。最后通過Express VI把電氣拓撲轉換為可執行的LabVIEW代碼。圖4為轉換到LabVIEW仿真平臺中的PWM變換器模型。

圖4 轉換為LabVIEW VI的變流器模型

5 基于定子磁鏈定向矢量控制的雙饋發電機模型

5.1 dq坐標系下雙饋發電機數學模型

雙饋電機在同步旋轉dq坐標系下的數學模型[3,6-7]如下：

定子電壓和磁鏈方程：

(7)

轉子電壓和磁鏈方程：

(8)

在同步旋轉dq坐標系下，上述公式的標記作如下規定：電壓U、電流i、磁鏈ψ、電阻R、電感L、有功功率P、無功功率Q，下標s、r分別表示定、轉子量，d、p分別表示同步旋轉坐標系d軸、q軸分量，Lm為互感，ω表示角速度，D為微分算子。圖5為在LabVIEW環境下(7)、(8)構建的雙饋發電機模型。

圖5 雙饋發電機仿真模型

5.2 有功、無功功率解耦控制策略

在同步旋轉坐標系下，定子的瞬時有功功率、無功功率[7]分別可以寫成:

(9)

可見，對發電機的有功、無功功率的調節就可以分別通過對ids、iqs的調節來實現。由于對于P、Q的控制是通過DFIG轉子側的變流器進行的，應該推導轉子電流、電壓和ids、iqs之間的關系[6]，以便實現對DFIG有功、無功的獨立控制。

(10)

(11)

其中，Δudr、Δuqr是d-q軸轉子電流的交叉耦合電壓項，因此，必須采用前饋補償以消除穩態跟隨誤差。通過引入前饋補償量Δudr、Δuqr對轉子電流的控制真正實現解耦控制，進而實現有功、無功功率的獨立解耦。在LabVIEW軟件環境下構建雙饋發電機組矢量控制系統的仿真模型，仿真模型由風力機模型、轉換為LabVIEW代碼的PWM變流器模型、雙饋發電機模型等子VI構成，如圖6所示。

圖6 雙饋風力發電機組矢量控制系統仿真模型

6 仿真結果分析

圖7為給定風速和機組轉速的變化曲線，初始風速v=8.5m/s，t=3s時，風速開始上升，t=5s時，風速上升至10.5m/s。由式(3)可計算出，風速在v=8.5、10.5m/s時所對應的最佳理論轉速分別為1035、1260r/min，圖7(b)為風速變化情況下所對應的發電機轉的仿真曲線，可以看到發電機轉速在風速變化后，經過短暫的調節，最終穩定運行在1265r/min，與最佳理論轉速基本吻合，表明仿真實現了最大風能捕獲控制。

圖7 給定風速、機組轉速波形

圖8為風速變化時定子、轉子A相電流的變化情況，由圖8(a)可知，定子A相電流幅值增大，頻率保持不變；由圖8(b)可知，雙饋機轉速變化時，轉子A相電流頻率也隨之變化，同步速時為零，達到超同步狀態后頻率相應增大。

圖8 定子、轉子電流波形

圖9顯示了轉子功率的變化情況，在仿真初期，電機工作在亞同步狀態，功率從電網流入電機轉子，所以轉子功率為負。風速增大后，電機工作在超同步狀態，功率從電機轉子饋入電網，轉子功率遞增為正。

雙饋電機的有功、無功功率的解耦控制效果如圖10所示。為簡化模型，本文無功參考功率的標幺值根據電網無功需求取為0.08。當t=3s時，風速突然生改變，使得電機轉速發生變化,因而電機轉矩就發生改變，進而使得轉子電流的轉矩分量iqr發生變化,發電機的有功功率發生改變。由圖可以看出有功功率P能迅速的跟蹤風速的變化而變化，無功功率Q維持給定值，穩態誤差小，說明有功功率P得到了獨立調節，功率解耦控制效果明顯，雙饋發電機的有功、無功功率實現了有效的解耦控制。

圖10 有功、無功功率波形

7 總結

基于LabVIEW及StarSim軟件平臺搭建了DFIG風電機組控制系統仿真模型并對其進行了離線仿真分析。仿真結果表明，本文所構建的模型，可以實現最大風功率捕獲、變速恒頻運行以及有功、無功功率解耦控制，對引入嵌入式控制器以后，基于此平臺進行的硬件在環仿真及快速控制原型仿真研究具有一定的指導意義。

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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

廣西大學大學生實驗技能和科技創新能力訓練基金資助項目。

TM61

B

2014-05-15

胡錦(1990-),男,碩士研究生,從事電力電子在電力系統中的應用研究； 凌志聰(1991-),男,本科學歷,從事電力系統繼電保護研究； 韋宗春(1991-),男,本科學歷,從事風電功率預測研究； 蘭麗莉(1990-),女,本科學歷,從事電力系統繼電保研究。