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风力发电仿真系列-基于Simulink搭建的双馈风力发电（DFIG）模型

时间：2020-09-17 14:42:15

基于Simulink搭建的双馈风力发电（DFIG）模型

1、双馈风力发电机

双馈异步风力发电机（DFIG）是一种绕线式感应发电机，是变速恒频风力发电机组的核心部分。DFIG主要由两大部分组成，分别是冷却系统和本体：本体的组成是定子、转子以及轴承，而冷却系统则分为空空冷、水冷和空水冷三类结构。

DFIG为何称为“双馈”发电机：

（1）发电机其中的定子和转子侧都参与到了电网输电的过程中；

（2）实现发电机的有功功率以及无功功率进行单独的调节，对电网实施无功补偿；

（3）DFIG同时囊括了异步和同步发电机的特点。

2、双馈异步风力发电机的数学模型

DFIG风电系统由电气子系统以及机械子系统两大核心构成。机械子系统是由齿轮箱、风机以及部分组件组成的；而电气子系统由网侧和机侧这两部分组成。网侧包含网侧变换器、电网等，机侧包含DFIG发电机以及机侧变换器。DFIG系统结构如下图所示：

首先在对DFIG进行建模之前，我们需先完成DFIG正方向惯例的参数设定，本文选取电压降落的方向作为电流的正方向。为了达到数学模型的简化，可以假定以下几点：

（1）不考虑空间谐波的情况，设发电机定、转子三相绕组对称分布杂在空间上，它们之间相差120电角度，气隙磁场呈正弦规律分布。

（2）不考虑铁耗以及磁路的非线性，假定绕组的自感和互感是与磁路工作点有关的恒定值，也不考虑频率和温度变化对DFIG风电系统参数的影响。

（3）以定子侧为参考，将转子的参数均归算至定子侧，定、转子绕组归算后的有用匝数相同。

DFIG仿真模型如下所示：

带转子电压补偿的双馈发电机控制器模型：

风力发电模型：

DFIG+Wind组合模型如下图所示：

3、仿真分析

3.1、清空变量

clear; clc;

3.2、DFIG参数设置

f_rated = 60; % 额定频率 Hzw_syn = 2*pi*f_rated; % 同步电转速 rad/sV_ll_rated = 690;% 额定线电压 Vp = 6;% 极点数s = 0.01; % 滑移率J = 70;% 转动惯量 kg*m^2R_s = 2e-3; % 定子下标s OhmR_r = 1.5e-3; % 转子下标r OhmX_ls = 50e-3; X_lr = 47e-3;X_m = 860e-3; L_ls = X_ls/w_syn; % HL_lr = X_lr/w_syn;L_m = X_m /w_syn;L_s = L_ls+L_m;L_r = L_lr+L_m;tau_r = L_r/R_r;% 转子绕组时间常数sigma = 1-L_m^2/(L_s*L_r);

3.3、DFIG初始条件设置

% 额定（满）负载下的转子转速w_mech_rated = (1-s)*w_syn/(p/2); % 额定定子电流 AI_s_rated = V_ll_rated/sqrt(3) / (R_s + j*X_ls + j*X_m*(R_r/s+j*X_lr)/(j*X_m+R_r/s+j*X_lr));% 额定转子电流 AI_r_rated = -I_s_rated*j*X_m/(j*X_m+R_r/s+j*X_lr);% 额定扭矩T_em_rated = (3*abs(I_r_rated)^2*R_r*(1-s)/s) / w_mech_rated;T_load_rated = T_em_rated;% dq 域中的电压V_sd_rated = V_ll_rated;V_rd_rated = 0;V_rq_rated = 0;% dq 域中的定子电流I_sd_rated = sqrt(3)*real(I_s_rated);I_sq_rated = sqrt(3)*imag(I_s_rated);% dq 域中的转子电流I_rd_rated = sqrt(3)*real(I_r_rated);I_rq_rated = sqrt(3)*imag(I_r_rated);% Rated QsQ_s_rated = (V_sd_rated)^2/(w_syn*L_s)+(L_m/L_s)*V_sd_rated*I_rq_rated;% 额定流量fl_sd_rated = L_s*I_sd_rated + L_m*I_rd_rated;fl_sq_rated = L_s*I_sq_rated + L_m*I_rq_rated;fl_rd_rated = L_m*I_sd_rated + L_r*I_rd_rated;fl_rq_rated = L_m*I_sq_rated + L_r*I_rq_rated;