雙饋風電機組并網運行仿真實驗

李文娟，張 琦，馬亮亮

雙饋風電機組并網運行仿真實驗

李文娟，張 琦，馬亮亮

（哈爾濱理工大學 電氣與電子工程學院，黑龍江 哈爾濱 150080）

開發了雙饋風電機組并網運行仿真實驗根據雙饋感應發電機（DFIG）的工作原理，建立了雙饋感應發電機的數學模型，分別設計了轉子側和網側的PWM變換器，并對轉子側和網側變換器進行協同控制。在MATLAB/Simulink仿真實驗平臺上進行了雙饋風電機組并網運行實驗，以及DFIG封裝模型與的DFIG數學模型的仿真對比通過實驗，驗證了數學模型的準確性和數學模型輸出的穩定性。

雙饋感應發電機（DFIG）；雙饋風電機組；變換器

風能是一種綠色、清潔的可再生能源。利用風能發電安全性好、綠色環保、建設規模小、不消耗燃料，具有很好的經濟效益和社會效益[1-2]。但是風能資源的穩定性和密度較低，且地區差異比較大，給風力發電帶來一定的困難。然而風力發電憑借獨特的優勢，在許多國家仍得到了高度重視和快速發展[3]。

隨著近年來風力發電的迅速發展，雙饋感應發電機（doubly-fed induction generator，DFIG）得到了大規模應用[4]。雙饋感應發電機的變速恒頻控制系統，其定子繞組直接掛網，并且通過雙PWM變換器控制轉子電流的頻率、相位和幅值，間接調節定子側的輸出功率。由于現代電力系統容量越來越大，雙饋感應發電機組對電網影響也隨之增強。因此，需要對雙饋感應發電機組和電網進行整體控制。

仿真實驗是電力電子技術教學的重要內容，建立模型是仿真實驗中的重要環節[5]。本文通過進行DFIG數學公式的推導，分別設計了轉子側和網側變換器控制方法，通過在MATLAB/Simulink仿真平臺上搭建數學模型和仿真，使學生更好地理解雙饋風電機組并網運行的理論。

1 雙饋風電機組的結構及DFIG的模型

1.1 雙饋風電機組的結構及原理

雙饋風電機組是由雙饋感應發電機、變換器和網側變壓器構成。雙饋感應發電機的定子結構采用與標準三相交流發電機定子相同的分布式交流繞組，定子側繞組與電網直接連接[6-7]。在標準工作狀態下，轉子側繞組由單獨設置的勵磁電源供電，該電源的幅值、頻率等參數均可靈活調控。雙饋風電機組的系統結構如圖1所示。

圖1 雙饋風電機組的系統結構

1.2 DFIG數學模型

根據雙饋風電機組的結構與工作原理，進行雙饋感應發電機數學公式的推導，并將轉子側進行等效折算至定子側，轉換后每相匝數相等。在圖2中，定子三相繞組A、B、C固定在空間中，選取軸為參考坐標軸，轉子繞組軸、、隨轉子同步旋轉。轉子軸和定子軸之間的電角度是空間角位移變量[8]。

圖2 DFIG物理模型

在三相靜止坐標系下，DFIG的定子電壓方程為

三相轉子繞組折算到定子側后的電壓方程為

式中，A、B、C、a、b、c為定子和轉子相電壓的瞬時值；A、B、C、a、b、c為定子和轉子相電流的瞬時值；A、B、C、a、b、c為各相繞組的全磁鏈；s和r為定子和轉子繞組電阻。將電壓方程寫成矩陣形式，并以微分算子代替微分符號d/d。

矩陣形式磁鏈方程可表示為

其中ss和rr分別為

式中，ms為與定子繞組交鏈的最大互感磁通對應的定子互感；mr為與轉子繞組交鏈的最大互感磁通對應的轉子互感，且ms=mr；ls和lr為定子漏感。

轉矩方程為

式中，p為極對數。

通過Clark變換和Park變換，可得出同步旋轉坐標系下的磁鏈方程為

式中，sq和sd分別為定子磁鏈在q軸和d軸的分量，rq和rd分別為轉子磁鏈在q軸和d軸的分量；sq和sd分別為定子電流在q軸和d軸的分量，rq和rd分別為轉子電流在q軸和d軸的分量。

利用同樣的運算推導可以得到同步旋轉坐標系下的電壓平衡方程為：

其中表示為

同理，可得到電磁轉矩方程為：

2 雙向PWM變換器的建模與控制

雙向PWM變換器是一種可四象限運行的變換器，由于在雙饋風力發電系統中，功率需要雙向流動，所以必須采用雙向能量流動拓撲結構的變換器作為DFIG的勵磁電源，雙PWM變換器需要實現整流與逆變兩種運行狀態。本文以兩個背靠背三相電壓型PWM變換器作為研究對象。

2.1 網側變換器的數學模型及其控制策略

網側變換器的主要控制目標是保證直流母線電壓數值恒定和輸入電流的正弦特性，主要的運行狀態包括整流和逆變。在控制直流母線電壓為恒值的前提下，能夠保證轉子側變換器不受影響，雙PWM變換器處于正常運行狀態[9]。網側變換器在三相靜止坐標系下的數學模型為

式中，A、B和C分別為三相電網電壓；gA、gB和gC分別為網側變換器交流側輸入端電壓；gA、gB和gC分別為網側變換器交流側輸入端電流；dc為直流母線電壓；dc為直流母線電流；L為負載電流；為負載側每相線路的等效電阻；為直流母線電容；為濾波電感。

將式（12）進行Clark變換和Park變換，得到兩相旋轉坐標系下的網側變換器的方程為：

網側變換器采用電網電壓矢量定向控制方式。圖3為基于電網電壓矢量定向的網側變換器控制原理圖。

圖3 網側變換器控制原理圖

2.2 轉子側變換器的數學模型及其控制策略

轉子側變換器與網側變換器的不同在于其與雙饋感應發電機的功率直接相關，可得到定子電流方程和轉子磁鏈方程：

轉子側變換器采取定子磁鏈定向矢量控制策略，將定子磁鏈矢量定向在同步旋轉坐標系的d軸，可得到電壓控制方程為

在電壓控制中同樣去除解耦項，即可對轉子側變換器的有功功率和無功功率進行獨立控制[11-12]。根據電壓控制方程，能夠得到轉子側變換器控制框圖，該控制策略同樣實現雙閉環獨立控制，如圖4所示。

3 仿真研究

3.1 建立仿真模型

本文采用MATLAB/Simulink平臺驗證所提出的DFIG數學模型的正確性。所建立的模型容量為6臺1.5 MW的雙饋感應發電機組，DFIG的輸出端為575 V的配電系統，經過升壓變壓器和30 km線路連接到25 kV的配電系統中，再經過升壓變壓器和30 km線路，將25 kV電壓等級的輸電線路連接到120 kV輸電系統中。圖5為雙饋風電機組并網運行仿真模型，圖6為依據DFIG數學公式搭建的仿真模型。

3.2 仿真結果分析

本文采用漸變風程序進行仿真。設置起始風速為7 m/s。當=5 s時，風速呈線性增加；運行到=12 s時，風速增加到14 m/s后恒定，且假定風電場內6臺風力發電機遇到的風況相同。

當=5 s時，雙饋感應風電機組輸出的有功功率開始增大，在=25 s時，其輸出功率達到額定值9 MW。觀察風電機組輸出電壓和無功功率，并網輸出結果列于表1。

圖5 雙饋風電機組并網運行仿真模型

圖6 DFIG仿真模型

表1 雙饋風電機組并網運行輸出結果

圖7為輸出電流對比圖，通過MATLAB仿真平臺對DFIG封裝模型與DFIG數學模型進行對比，結果表明DFIG數學模型的輸出電流效果更好。

圖7 輸出電流對比圖

圖8為輸出角速度對比圖。當電機并網運行20 s后，DFIG數學模型輸出角速度穩定為1.2 pu，DFIG封裝模型的輸出角速度在1.2 pu上下波動。

圖8 輸出角速度對比圖

4 結語

運用MATLAB/Simulink仿真實驗平臺對雙饋風電機組進行并網運行實驗，既加深了學生對雙饋風電機組工作原理的認知，也驗證了數學模型的準確性和數學模型輸出的穩定性。通過本仿真實驗，增強了學生對雙饋風電機組的工作原理以及轉子側和網側變換器理論知識的深刻認知，這種數學模型搭建與實驗仿真相結合的教學模式有效提高了教學質量。

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Simulation experiment of grid-connected operation of doubly-fed wind turbine

LI Wenjuan, ZHANG Qi, MA Liangliang

(College of Electrical and Electronic Engineering, Harbin University of Science and Technology, Harbin 150080, China)

A simulation experiment of grid-connected operation of doubly-fed wind turbines is developed. According to the working principle of doubly-fed induction generator, the mathematical model of the doubly-fed induction generator (DFIG) is established. The PWM converters on the rotor side and the grid side are designed respectively, and the rotor side and the grid side converters are co-controlled. On the MATLAB/Simulink simulation platform, the grid-connected operation experiment of doubly fed wind turbines and the simulation comparison between DFIG packaging model and DFIG mathematical model are carried out. The accuracy of the mathematical model and the stability of the output of the mathematical model are verified by experiments.

doubly-fed induction generator; doubly-fed wind turbine; converter

TM614

A

1002-4956(2019)11-0094-05

10.16791/j.cnki.sjg.2019.11.023

2019-04-23

黑龍江省學位與研究生教育教學改革資助項目（JGXM_ HLJ_2015060）

李文娟（1968—），女，黑龍江哈爾濱，博士，教授，主要研究方向為電力電子裝置與系統，電力電子變換智能控制技術。