基于MATLAB 的雙饋風力發電機仿真設計

姜 俐，李自成，陳柯帆，柴 銘，況玘作

（成都理工大學工程技術學院，四川 樂山 614000）

風能作為一種可再生、能量巨大、前景廣的能源，逐漸受到世界各國的重視。當前我國風力資源占有率最高，如果風力資源僅開采一半，就可以支撐我國目前的全部電力需求。我國的風力發電處于發展階段，風力發電也正在進入產業化和商業化的軌道，在將來風能會作為一種常規能源進行開采開發。本文以雙饋發電機作為研究對象，著手于雙饋發電機的基本原理，并在已有的雙饋發電機數學模型的基礎上建立數字仿真，通過仿真檢驗模型的正確性和實用性。

1 雙饋發電機結構分析

雙饋異步發電機與繞線型感應電機比較類似，其中定子與普通三相交流發電機定子一樣，具有分布式繞組，但其轉子繞組上加有滑環和電刷；轉子采用三相分布式對稱交流繞組。變速恒頻雙饋風力發電機系統由風力機、齒輪箱、雙饋異步發電機、雙 PWM 變換器組成，其主要結構如圖1 所示。[1]

圖1

雙饋風力發電機的定子和轉子都與電網連接，在超同步的狀態下工作時，定子與轉子分別向電網輸送能量。在亞同步狀態下工作時定子向電網輸送能量，轉子這需要從電網獲取能量。[2]

2 雙饋風力電機的數學模型

三相靜止abc 坐標系下的數學模型：取定子電流以流出為正，從定子側看，電流流過定子繞組電阻為電壓降的過程；轉子繞組采用電動機慣例，轉子電流流入為正，[3]并作如下假設：（1）忽略磁飽和和空間諧波，設三相繞組對稱，均為星形連接，磁動勢沿氣隙正弦分布；（2）不考慮溫度對電機參數的影響；[4]（3）轉子繞組均折算到定子側，折算后每相繞組匝數相等。

1.三相定子繞組電壓方程：

2.三相轉子電壓方程：

3.磁鏈方程：

其中，Lls：定子漏感；Llr：轉子漏感；θr：轉子位置角；Lms：定子相繞組交鏈的最大互感磁通所對應的定子互感值；Lmr：轉子相繞組交鏈的最大互感磁通所對應的轉子互感值。

3 兩相同步旋轉坐標系下的數學模型

三相靜止abc 坐標系變換到兩相同步旋轉dq 坐標系時按變換前后功率不變的原則[5]，同時坐標變換時，d 軸和a 軸之間的角度由θ 變為θ-θr，矩陣T 表達式：

由變換矩陣對三相靜止abc 坐標系中各量做坐標變換即得到雙饋發電機在兩相同步旋轉坐標系下的數學模型。

1.dq 坐標系下的電壓方程：

2.dq 坐標系下的磁鏈方程：

式中，dq 坐標系下：Ls 為兩相定子繞組的自感，Ls=Lls+1.5Lms；L0 為同軸定子繞組與轉子繞組間的等效互感，L0=1.5Lms；Lr 為兩相轉子繞組的自感，Lr=Llr+1.5Lmr。

3.dq 坐標下的功率方程：

式中，Ps、Qs 為定子側向電網輸出的有功無功；Pr、Qr 為轉子側從電網輸入有功無功。

4 仿真模型

通過利用MATLAB 作為仿真工具，構建出雙饋風力發電機在電網搭建的數字電路模型如圖2 所示。通過對一些參數的突變來研究雙饋風力發電機在外界干擾下各轉矩、功率、電壓等波形變化。

圖2

圖3

圖4

電路模塊參數：（1）雙饋發電機L0 取0.06419 歐姆，Llr、Lls 取0.000991Ω；（2）線電壓為400V，各相相差120°；（3）雙PWM 變換器電阻為0.1Ω，電感為0.1mH；電容為4700uF；（4）定子側PWM 控制器控制電容電壓為900V；（5）設置雙饋風力發電機輸入轉矩初始值為200，0.5s 時突變為100，運行仿真。

5 仿真結果

5.1 機械轉矩與電磁轉矩

如3 圖所示，電磁轉矩在大小上逐漸逼近輸入的機械轉矩，在0.5s 時，輸入轉矩由200 突變為100，后電磁轉矩在較小的波動后也逐漸趨于新的輸入機械轉矩大小。

5.2 定子側消耗的有功無功

如4 圖所示，有功功率和無功功率先趨于穩定，在0.5s 時輸入轉矩減小，導致波動，穩定后有功功率較之前降低，無功功率較之前變化不大，都較低。

5.3 電容兩端的電壓與轉子轉速

如5 圖所示，定子側PWM 控制器在0.2s 后有效控制了電容兩端電壓在895V～900V 之間，0.5s 時讓輸入機械轉矩突變，導致定子側PWM 變換器輸出電壓出現波動，在定子側PWM 控制器調節后，使電容兩端電壓穩定在900V 左右。在雙PWM 控制器的調節后，也達到了一個穩定值。

圖5

圖6

5.4 轉子側電流

如6 圖所示，轉子側電流在雙PWM 控制器的控制下趨于穩定，在0.5s 時輸入機械轉矩由200 突變到100，則勵磁電流減小，導致轉子側輸入電流減小。仿真數據未達到故障閾值條件，轉子過電流保護沒有動作。

本文以雙饋風力發電機作為研究對象，對雙饋風力電機的數學模型進行分析，在MATLAB/SIMULINK環境中，建立數字仿真模型，得到了機械轉矩與電磁轉矩、定子側消耗的有功無功、電容兩端的電壓與轉子轉速、轉子側電流波形，實現定子有功功率和無功功率的控制。