logo资料库

基于Matlab_Simulink的双馈感应风力发电机组建模和仿真研究.pdf

发布时间：2022-06-13 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.82M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
第1页 / 共7页
第2页 / 共7页
第3页 / 共7页
第4页 / 共7页
第5页 / 共7页
第6页 / 共7页
第7页 / 共7页
资料共7页，全文预览结束
    第 26 卷 第 11 期 2010 年 11 月 电网与清洁能源 Power System and Clean Energy 文章编号：1674- 3814（2010）11- 0095- 07 中图分类号：TM615 清洁能源 Cle a n Ene rgy Vol.26 No.11 Nov. 2010 文献标志码：A 基于Ma t la b / S im u lin k的双馈感应风力发电机组 建模和仿真研究 徐希望，李庚银 （华北电力大学 电气与电子工程学院，北京 102206） Modeling and Simulation of Doubly-Fed Induction Wind Power System Based on Matlab/Simulink XU Xi-wang, LI Geng-yin （School ofElectrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Beijing102206，China） ABSTRACT: Targeting the doubly-fed wind power system, this paper establishes the overall mathematical model composed of wind turbine, drive system, double-fed induction generator, stator flux orientation vector control tactics, maximum power point tracking tactics. By applying the simulink in the matlad software, and based on the mathematical model mentioned above, the paper also sets up a double-fed wind power system simulation model, and taking two step-up wind speeds as examples, simulation studies are made on the dynamic characteristics of the model with the grid connected. The simulation studies show that the model realizes the maximum power point tracking and decoupling control of power, and the double-fed wind power system has satisfactory dynamic characteristics, thus proving that the model established is correct and valid. KEY WORDS: wind power generation; doubly fed wind power generator; vector control; maximum wind energy tracking; de- coupling control 摘要 ：以双馈风力发电机组为研究对象，建立了包括风力机、 传动部分、双馈感应发电机、定子磁链定向的矢量控制策略、 最大风能捕获策 略 的 整 体 数 学 模 型 ； 应 用 matlab 软 件 中 simulink工具，以建立的数学模型为基础搭建了双馈风力发电 机组仿真模型，并以两次阶跃风速为例对所建模型并网后运 行特性进行了仿真研究。实现了双馈风力发电机组的最大风 能捕获和功率解耦控制，仿真结果表明，双馈风力发电机组具 有良好的运行特性，同时验证了所建模型的正确性和有效性。 关键词 ：风力发电；双馈风力发电机；矢量控制；最大风能捕 获；解耦控制 0 引言 风能是一种清洁的可再生能源，在能源日益枯 基金项目：国家科技支撑计划项目（2008BAA14B05）。 竭和环境污染日益严重的今天，对风能的开发利用 具有非常重要的意义，风力发电在世界范围内得到 了迅速发展。双馈风力发电机组如图1所示。双馈感 应电机(doubly-fed induction generator，DFIG)定子直 接并入电网，转子通过双向变频器与电网连接。这种 结构比定桨距失速型风机具有更高的风能利用效 率；转子励磁方式使所需变频器容量只是机组额定 功率的一部分，使得整机成本大大降低，还可以实现 有功、无功功率的灵活控制，对电网可以起到无功补 偿的作用；变桨系统通过调节桨叶节距角而改变风 轮的气动特性，机组控制方式更加灵活。由于这个 原因双馈风力发电机组得到了广泛的推广[1-4]。 图1 双馈风力发电机组结构 本文对双馈风力发电机的数学模型做了详细推 导，给出了坐标系的数学模型；采用定子磁链定向 (SFO)的矢量控制技术详细推导了控制方程，实现了 功率解耦控制；在定桨距的情况下讨论了基于参考 有功功率的最大风能捕获方法；基于Matlab/Simulink 平台建立了双馈风力发电系统的仿真模型。
    清洁能源 Cle a n Ene rgy 96 徐希望等：基于Matlab/Simulink的双馈感应风力发电机组建模和仿真研究 Vol.26 No.11 双馈风力发电机组数学模型 1 1.1 风力机和传动部分数学模型 风力机的机械输入转矩TW 与风速VW 的关系通 过空气动力学得出[5]： 2CP(θ,λ) TW= ρπR3VW 2λ λ= ωWR VW （1） （2） 其中，ρ为空气密度；R为风力机叶片半径；θ为桨叶 的桨距角；λ为叶尖速比；Cp 是与θ、λ有关的风能利用 系数；ωw 是风力机叶片转速。当风速小于切入风速或 大于切出风速时输出为0。 由厂家提供，经验公式为 Cp CP(θ,λ)=0.22(116/β-0.4θ-5)e -12.5 β （3） 其中：β=1/( 1 λ+0.08θ - 0.035 θ3+1 ) 风能利用系数-叶尖速比（CP-λ）如图2所示。对 于给定的叶片桨距角，不同的叶尖速比对应的风能 利用系数相差较大，且只有一个固定的最佳叶尖速 比能使风能利用系数达到最大值。由式（2）可知，在 风速不断变化的情况下要保持最佳叶尖速比就必须 使得风力机机械转速ωW 佳叶尖速比才能保证最大风能捕获。 随风速而变化，只有保持最 为等效转动惯量；T'wtr 式中，Jd 转子转矩；Ωgen 1.2 双馈感应发电机数学模型 为转子机械角速度。 为等效风轮转矩；Tgen 为 在建立数学模型时，定子侧采用发电机惯例，定 子电流以流出为正；转子侧采用电动机惯例，转子电 流以流入为正。 定子绕组电压方程为： 1 ud1=Pψd1-ω1ψq1-R1id1 uq1=Pψq1-ω1ψd1-R1iq1 （5） 转子绕组电压方程为： ud2=Pψd2-ωsψq2+R2id2 1 uq2=Pψq2-ωsψd2+R2iq2 分别为定转子电压的d、q分量；id1, 式中，ud1,uq1,ud2,uq2 为d、q iq1,id2,iq2 坐标系相对于转子的角速度。 分别为定转子电流的d、q分量；ωs=ω1－ωr （6） 磁链方程为： ψd1=-L1id1+Lmid2 ψd2=-Lmid1+L2id2 2 2 2 2 ψq1=-L1iq1+Lmiq2 2 22 2 2 2 2 2 22 ψq2=-Lmiq1+L2iq2 2 分别为定转子磁链的d、q轴分量；L1 为d、 为d、q 式中，ψd1ψq1ψd2ψq1 为d、q坐标系下两相定子绕组间的等效互感；Lm q坐标系下同轴定转子绕组间的等效互感；L2 坐标系下两相转子绕组间的等效互感。 （7） 将式（7）代入（5）、（6）得电流与电压之间的关 系： -R1-L1P ω1L1 -R1-L1P 2 2 2 2 2 2 = 2 2 2 2 22 2 2 ud1 2 2 2 uq1 2 2 2 ud2 2 2 22 uq2 2 式中，P为微分符号。 -ω1L1 -LmP -ωsLm ωsLm -LmP LmP ω1Lm R2+L2P ωsL2 -ω1Lm LmP -ωsL2 R2+L2P 2 2 id1 2 2 2 iq1 2 2 2 id2 2 2 22 iq2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 22 2 （8） 电磁转矩方程为： Tem= 3 2 功率方程为： NpLm(iq1id2-id1iq2) （9） 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 P1= 3 2 Q1= 3 2 P2= 3 2 P2= 3 2 (ud1id1+uq1iq1) (uq1id1-ud1iq1) (ud2id2+uq2iq2) (uq2id2-ud2iq2 ) （10） 图2 风能利用系数-叶尖速比 从轮毂到发电机转子之间的机械传动部分在硬 度和阻尼系数被忽略时，可用一质量块的实用模型 来描述[6-7]，如式（4）所示。 Tgen-T'wtr=Jd dΩgen dt （4）
    第 26 卷 第 11 期 电网与清洁能源 清洁能源 Cle a n Ene rgy 97 为定子侧向电网输出有功无功；P2、Q2 式中，P1、Q1 转子侧从电网输入有功无功。 1.3 矢量控制策略 为 矢量控制理论由德国的F. B laschke于1971年提 出，矢量控制技术的应用使得交流调速真正获得了 如同直流调速同样优良的理想性能。经过20多年的 工业实践的考验、改进与提高，目前己达到成熟阶 段。它通过电机统一理论和坐标变换理论，把交流电 动机的定子电流分解成磁场定向旋转坐标系中的励 磁分量和与之相垂直的转矩分量[8-10]。分解后的定子 电流励磁分量和转矩分量不再具有耦合关系，对它 们分别控制，就能实现交流电动机磁通和转矩的解 耦控制，使交流电动机得到可以和直流电动机相媲 美的控制性能[5,7,11-12]。 DFIG定子绕组直接连在无穷大电网上，可以近 似地认为定子的电压幅值、频率都是恒定的，本文采 用定子磁链定向(SFO)的矢量控制。 定子磁链定向时，假定定子磁链矢量与d轴方向 一致。 ψd1=ψ1 ψq1= 0 （11） 可以忽略定子电阻，得到： 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ud2=pid2(L2- Lm L1 uq2=piq2(L2- Lm L1 2 2 2 )+R2id2 )-ωsiq2(L2- Lm L1 u1+(L2- Lm L1 Lm L1ω1 )+ωs 2 （12） )id2 +R2iq2 考虑到转子电压电流并未完全解耦，再设： 2 1 1 1 1 11 1 1 1 1 11 1 ud2′=pid2(L2- Lm L1 2 uq2′=piq2(L2- Lm L1 )+R2id2 )+R2iq2 2 ) 1 1 1 1 11 1 1 1 Δuq2=ωs 1 11 1 Δud2=-ωsiq2(L2- Lm L1 u1+(L2- Lm L1 Lm L1ω1 2 （13） （14） )id2 1 式中，uq2′、ud2′为实现转子电压电流解耦控制的解耦 项；Δuq2、Δud2 为消除转子电压电流交叉耦合的补偿 项。 定子侧功率方程为： 就可控制定子绕组有功的输出，同样通过控制转子 电流的d轴分量就可控制定子绕组无功的输出。 通过矢量控制技术，加上消除交叉耦合的补偿 项我们就可以实现有功无功的解耦控制。这也是矢 量控制技术应用广泛的原因[13]。 1.4 最大风能捕获 要控制机组的转速来实现最大风能捕获，可以 检测当前的风速并计算出最佳转速后进行转速控 制，这实际上是一种直接转速控制的方法，控制目标 明确，原理简单。但现场中风速的准确检测比较困 难，实现起来存在很多问题，风速检测的误差会降低 最大风能捕获的效果[14-15]。在实际应用中，可以通过 控制策略和控制方法的改进来避免风速的检测。这 种方案省去了风速检测装置，提高了系统的运行性 能。本文采用了一种通过DFIG功率控制来实现最大 风能捕获的方案，即通过控制DFIG输出有功功率来 控制DFIG的电磁阻转矩，从而间接地控制机组的转 速。该方案不需要风速的检测。为实现最大风能捕 获，应依据风力机最佳功率曲线和风力机转速计算 DFIG的有功参考值[7,16-21]。 在某一固定风速V下，随着风力机机械角速度ωw 的值也会相应的变化，从而 的变化，风能利用系数Cp 使风力机输出的机械功率P变化。 由式： 可求得： P= 1 2 P= 1 2 ρπR2CP(θ,λ)Vwind 3 ρπR5CP(θ,λ) λ3 3 ωw （16） （17） 不同的风速对应不同的功率P与风力机机械角 速度ωw 的曲线，曲线为最佳叶尖速比λ时达到最大 值，把所有最大值连成一条曲线即为最佳功率曲线。 此时有： Pmax= 1 2 3 λopt 为最佳叶尖速比。 式中，λopt ρπR5CPmax(θ,λ) 3 ωw （18） 考虑损耗，DFIG的功率关系如下式： Pe1=P1+Pcu1+Pfe1 1 1 1 1 Pe=Pe1-Pe2 1 11 1 1 1 1 1 11 P=Pe+Pms 1 为定、转子及气隙电磁功率；Pms Pe2=s*Pe1 （19） 为风 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 P1= 3 2 Q1= 3 2 Lmu1 L1 iq2 iq2- u1 ( Lmu1 L1ω1 L1 2 （15） ) 由式（15）可看出通过控制转子电流的q轴分量 式中，Pe1、Pe2、Pe
    清洁能源 Cle a n Ene rgy 98 徐希望等：基于Matlab/Simulink的双馈感应风力发电机组建模和仿真研究 Vol.26 No.11 力机机械损耗；Pcu1 为滑差。 为定子铜耗；Pfe1 为发电机铁耗；s 方程的解为： 忽略机械损耗、铁耗，由式（18）和（19）可得： P1 *= Pmax 1-s -Pcu1 （20） 式中： P1 *= 1 2A （-B+ B-4AC 姨 ） （26） 式（26）即为控制系统有功功率参考值。 2 双馈风力发电机组整体仿真分析 （21） 2.1 双馈风力发电机组整体仿真图 *、无功功率指令Q1 包括功率外环和电流内环的整体仿真Simulink 实现如图3所示。整个系统采用双闭环结构，外环为 功率控制环，内环为电流控制环。在功率内环中，有 *与功率反馈值P1 功功率指令P1 进行比较，差值经PI型功率调节器运算，输出定 Q1 *，由式（27） 子电流无功分量及有功分量指令iq1 计算得到转子电流的无功分量和有功分量指令iq2 *、 *和转子电流反馈量比较后的差值送入PI id2 型电流调节器，调节后输出电压分量uq2 '*；按式 （13） 加上电压补偿分量后就可获得转子电压指令 *，得到转子的励磁电压，从而实现变速恒频 uq2 及有、无功功率的调节控制。 *；iq2 '*、ud2 *、ud2 *、id2 *、id1 （23） （24） （25） *+ R1 3U1 2 Q1 2- 1 1-s Pmax=0 （22） Pcu1=3I1 I1= S1 3U1 2R1 = (P1 2)1/2 2+Q1 3U1 将式（18）、（21）代入（20） R1 3U1 2 P1 *2+P1 式（22）改写为： AP1 *2+BP1 *+C=0 式中： A= R1 2 3U1 B=1 C= R1 3U1 Pmax 对式（23）求解，有实解条件为： 2 Q1 2- 1 1-s B2-4AC≥0 id2= L1 Lm iq2= L1 Lm id1+ u1 Lmω1 iq1 图3 整体仿真Simulink实现 2.2 双馈风力发电机组整体仿真分析 （27） 仿真采用的参数：额定功率为15 kW，定子额定 为3，R1=0.379 Ω，R2=0.314 Ω， 电压380V/50Hz，极对数Np
    第 26 卷 第 11 期 电网与清洁能源 清洁能源 Cle a n Ene rgy 99 为正说明GFIG处于发电状态。进入转子的机械转矩 与电磁转矩如图7所示。 图6 机械、电磁转矩变化 图7 进入转子的机械转矩与电磁转矩 最大风能捕获过程中，实际有功功率与参考有 功功率变化的情况如图8所示，从图8可看出，风速 增大时参考有功功率和实际有功功率都相应地增 大，采用本文的控制策略，可以实现最大风能捕获， 使DFIG运行在最佳功率曲线上。实际无功功率与参 考无功功率变化的情况如图9所示，在参考无功功 率设为0的情况下，无功功率维持在0附近。 L1=0.043 8 H，L2=0.044 9 H，Lm=0.042 7 H，折算到高 速侧的转动惯量J=0.1 kg/m2。叶片半径R为4.3 m，齿 轮箱变比7.846，参考无功功率设为0。由式（3）计 算 得 最 大 风 能 系 数 为 0.438 2， 最 佳 叶 尖 速 比 为 6.32。 本文在进行PI控制器参数整定时采用先电流内 环再功率外环的顺序，即把电流内环的PI参数整定 好后，再加上功率外环，整定功率外环上的PI参数。d 轴和q轴电流PI参数相同：积分系数300，比例系数 10。无功功率PI参数：积分系数100，比例系数5。有 功功率PI参数：积分系数0.7，比例系数0.005。 为了反映发电机组3种运行状态：次同步运行、 同步运行、超同步运行，采用两次阶跃风速模型对 双馈风力发电机组进行了仿真研究，在1.5 s以前风 速为4 m/s，1.5 s时跳跃到6 m/s，在2 s时风速再次跳 跃到10 m/s。 对于DFIG来说，应满足的是：励磁频率（也即转 差频率）应能反应转子的转速变化使得其频率之和 为电网同步频率。仿真结果如图4所示。 图4 风速变化时各电角速度的关系 在最大风能捕获控制情况下，随着风速的变 化，风力机机械角速度不断调整，以保持最佳叶尖 速比，从而达到最大风能利用，图5为风力机机械角 速度和转子电角速度的变化过程。 图5 角速度变化 最大风能捕获过程中，风力机机械转矩和发电 机电磁转矩变化的情况如图6所示，图中电磁转矩 图8 定子侧实际有功功率与参考有功功率 DFIG定转子有功功率的变化如图10所示，由图 可看出，当转差角速度为负值时转子吸收负的有功 功率，也即输出正的有功功率，转差越小，功率越 小。DFIG发出的功率是由定子输出功率减去转子吸 收功率。 DFIG定转子发出无功功率如图11所示，与图4
    清洁能源 Cle a n Ene rgy 100 徐希望等：基于Matlab/Simulink的双馈感应风力发电机组建模和仿真研究 Vol.26 No.11 的转差角速度比较表明，DFIG吸收的无功与转差密 切相关，转差正的越小DFIG吸收的无功功率越小。 转差负的越大DFIG发出的无功功率越小。 图9 定子侧实际无功功率与参考无功功率 图12所示的是风力机输出的机械功率与DFIG 输出有功功率，其差为功率损耗，需说明的是，在功 率突变调整过程中风力机输出的机械功率与DFIG 输出有功功率之差不全是功率损耗，有部分以机械 能的形式储存在转子内。 图13、14所示为转差与电压、电流的对比，由图 所示，随着风速的增加励磁电流频率不断变化（转 子转速越来越大），转子由次同步变到超同步（仿真 结果显示在2.06秒时转差为0），转子转速为同步速 时，励磁电流为直流，即励磁电流频率为0。当转子 转速变化时，通过改变励磁电流的频率来保证定子 电流频率的恒定，这就是变速恒频的基本原理。随 着转子转速的变化，定子电流幅值和转子电压幅值 发生明显的变化，在电网电压恒定的条件下，定子 电流幅值的变化反映了功率的变化。 图10 DFIG发出有功功率 图13 定转子电压变化 图11 DFIG发出无功功率 图14 定转子电流变化 图12 风力机输出的机械功率与DFIG输出有功功率 图15 功率与电流dq轴分量
    第 26 卷 第 11 期 电网与清洁能源 清洁能源 Cle a n Ene rgy 101 图15是功率与电流dq轴分量的对比。本文采用 定子磁链定向(SFO)的矢量控制，可以实现定子功率 的解耦控制。有功功率与d轴分量有关，无功与q轴 分量有关。 3 结语 本文基于Matlab/Simulink 软件实现了双馈风力 发电机组并网后运行的动态仿真，为了反映发电机 组三种运行状态：次同步运行、同步运行、超同步运 行，采用两次阶跃风速模型对双馈风力发电机组进 行了仿真研究，实现了最大风能捕获和解耦控制， 仿真结果表明双馈风力发电机组具有良好的运行 特性；同时验证了所建模型的正确和有效性。本文 所基于Matlab/Simulink建立的模型为对双馈风力发 电机组作进一步的研究奠定了良好的基础。 参考文献 [2] [1] 李俊峰，时璟丽．国内外可再生能源政策综述与进一步促 进我国可再生能源发展的建议[J]．可再生能源，2006，125 （1）：1-6. Soderholm G. Klaassen．Wind Power in Europe：A Simul - taneous Innovation -diffusion Model． Environ Resour Econ， 2007，36（2）：163-190. Soter，Stefan，Ralf Wegener．Development of Induction Mach- ines in Wind Power Technology．2007 IEEE IEMDC，May 2007，2：1491-1495. [3] [4] 李娜，无刷双馈风力发电机并网运行的策略及仿真[J].现 代电子技术，2009,32（22：）180-182. [5] 迟永宁．大型风电场接入电网的稳定性问题研究[D]．北京： 中国电力科学研究院．2006. [6] 雷亚洲，Gordon，Lightbody． 国外风力发电导则及动态模型简 介[J]．电网技术，2005，29(12)：27-32. [7] 刘其辉．变速恒频风力发电系统运行与控制研究[D]．杭州： 浙江大学．2005. [8] 刘晓宇，张润和，武海涛.变速恒频风力发电系统中矩阵变 换器的仿真研究[J].现代电子技术，2009，32（19）：176-180. [9] 王辉，程坦.直流斩波电路的Matlab/Simulink仿真研究[J]. 现代电子技术，2009，32（3）：174-175. [10] 朱春华，王建国.Matlab/Simulink在DC-DC变换器仿真中 的应用[J].现代电子技术，2008，31（18）：23-25. [11] el-helw HM，Tennakoon SB． Vector Control of a Doubly Fed Induction Generator for Standalone Wind Energy Application． Wind Power to the Grid -EPE Wind Energy Chapter 1st Seminar，2008．EPE-WECS 2008，1-6. [12] 张武荣．异步电机矢量控制研究[D]．硕士论文．沈阳工业大 学．2007. [13] 刘其辉，贺益康，张建华．交流励磁变速恒频风力发电机 的运行控制及建模仿真[J]．中国电机工程学报，2006，26 (5)：43-50. [14] 李娜.天刷双馈风力发电机并网运行的策略及仿真[J].现 代电子技术，2009，32（22）：180-182. [15] 申宽育.中国的风能资源与风力发电[J].西北水电，2010 （1）：76-81. [16] 李东东，陈陈.风力发电机组动态模型研究[J]．中国电机工 程学报，2005，25(3)：116-119. [17] 卞松江，吕晓美，相会杰，等．交流励磁变速恒频风力发电 系统控制策略的仿真研究 [J]． 中国电机工程学报， 2005，25(6)：57-62. [18] 胡家兵，贺益康，刘其辉．基于最佳功率给定的最大风能 追踪控制策略[J]．电力系统自动化，2005，29(24)：32-38. [19] 刘其辉，贺益康，张建华．交流励磁变速恒频风力发电机 的最优功率控制[J]．太阳能学报，2006，27(10)：1015-1020. [20] 彭国平，李帅，鱼振民，等．小型风电系统最大功率跟踪的 研究[J]．西安交通大学学报，2004，38(4)：357-360. [21] Bratcu AI，Munteanu I，Ceanga E，Epure SAES． Energetic Optimization of Variable Speed Wind Energy Conversion Systems by Extremum Seeking Control．EUROCON，2007． The International Conference on "Computer as a Tool" 2007，September 9-12. ——————————————————— 收稿日期：2010-04-16。 作者简介： 徐希望（1985—），男，硕士研究生，研究方向为风电场并网技术。 （编辑 徐花荣）
    分享到：
    赞 收藏

    相关推荐

    资料库

    课程资源

    共收录17145份资料，累计13个分类，关注成员有19位，主要包括：PHP,网络管理,网页制作,Java,.Net,数据库,3G/移动开发,C/C++,游戏开发,嵌入式,讲义,软件测试,专业指导

    热门标签

    PHP 网络管理 网页制作 Java .Net 数据库 3G/移动开发 C/C++ 游戏开发 嵌入式 讲义 软件测试 专业指导

    最新资料