外文翻译译文-双馈感应风力发电机的建模与仿真

双馈感应风力发电机的建模与仿真塔里克麦徳勒麦斯欧德 1，IEEE 学生会员P.K.森 2，IEEE 研究员，科罗拉多矿业学院，分部工程，科罗拉多州戈尔登 80401摘要：随着风电渗透到电网，双馈异步风力发电机（DFIG）涡轮机主要部署，由于其变速功从而影响系统动力学。本文详细介绍了双馈电机的建模与控制，定子直接连接到一个硬性电网，转子被连接到通过双向对拖反馈的 AC-DC-AC 转换器网格。该模型是唯一完整详细的 Simulink 模型，它不使用半电力系统工具箱和模型并要在这两个分同步和操作下适当的超同步的操作模式。在一种新的矢量控制转子磁场的基础上，定向矢量控制策略在本文提出。新的矢量控制策略相比与定子磁链定向的矢量控制通常用于控制双馈感应发电机。基于定子磁链的估计和转子磁通估计的两个间接矢量控制策略，已经应用到转子侧变换器（RSC） ，控制定子所产生的有功功率发电机。在完整的系统进行建模和仿真 MATLAB/ Simulink 环境下，这样的一种方式，它可以适合于所有类型的感应发电机的建模配置。关键词：双馈感应发电机（DFIG） ，向量控制，风力发电，控制。一、绪言由于二氧化碳排放量得到日益关注，可再生的能源系统，尤其是风能源在近几年吸引了极大的兴趣。大范围的风电场已安装并且计划在全世界范围内风力涡轮机的额定功率（个别的和大范围的）都在增加。通常情况下，任何风力场，基于双馈感应发电机（DFIG的）技术的风涡轮机与转换器的额定电流，有约 25- 30的发电机被使用。风力涡轮机使用相比定速感应发电机，基于双馈感应发电机的风力涡轮机提供多种优势，包括变速操作，和四象限有功和无功功率的能力。这样的系统和基于完全送入同步发电机与全功率变流器相比还导致较低的转换器的成本和更低的功耗损失的系统相比。双馈感应发电机基本上是一个绕线转子标准感应电机定子直接连接到电网，而且连接在转子到网络中是通一个对拖反馈脉波宽度调制（PWM）转换器。双馈电机的简化原理图基于风力发电系统示于图1 中。本文首先解释了在“DQ 参考模型的变速恒频双馈框架 “，第二部分是解释矢量控制双馈电机的战略。间接矢量控制方法与线性比例积分 PI 控制器为了控制有功和无功功率。变速恒频双馈独立。该控制策略的性能是评估参考跟踪有功和无功。有两种不同的间接的矢量控制战略应用在本文里是根据磁通导向架。第一个控制策略是基于定子磁链导向架4第二个策略是基于转子磁场定向架1。本文的组织如下。第二部分提出了设置的双馈感应发电机的 d-q 模型方程。那两个矢量控制战略的概念在第三部分中被提出，而第四部分仿真结果的介绍和讨论。第五部分则是结论。1、配置双馈风力能源转换系统采用对拖反馈转换器6二、双馈感应发电机（DFIG）的建模感应电机 d-q 或动态等效电路 如图 2 中所示的3 。基于其等效电路，双馈感应发电机主要的建模方程在通量联动的形式可以推导，如下所示。(1)(dqsmlsdbeqsbqs FXRvtF(2)(dslsqbedsbdst(3)()( qrmlsrdbreqrbqr FXRvtF(4)()(d drlrqbredrbqrt图 2。d-q 等效电路中的感应机 3（ 5）)x(lrqls*qFFm（ 6）)(lrdls*d定子和转子的电流可以有一下计算：(7)）（ mqslFx1iqs(8)）（ dslids(9)）（ mqrlFx1iqr(10)）（ dqrlidr电磁转矩的计算如下：(11)(1)23dsqsdbe iFPT (12)dtPJTrLe2(13)(3qsssiv(14)(2qsdsqsiQ其中：是交链磁通（i= d 或 Q，j= s 或 r）jF是 D-Q 的定子和转子的电压qsvr是 q 和 d 轴磁通联动md是定子和转子的电阻。rsR和 是定子和转子的电抗。lsXlrP 是极数，J 是转动惯量。的电磁转矩。eT为负载转矩（力学转矩） 。l和 是定子的有功和无功功率。sPSQ分别是所述定子的电气频率和转子角电机速度。er是角电基频,其中b bijijFij是磁通。方程组（1）（12）已被在 Matlab / Simulink 实现 DFIG 模型。该机械转矩，定子和转子的输入电压和同步转速是输入；电磁转矩，定子和转子电流和转子的转速是输出。完整的Simulink 模型变速恒频双馈所示图 3。该模型可以运行在两个分同步和超同步模式。使用正性负载转矩作为电动机操作模型（亚同步模式 ） ，同时施加一个负的负载转矩，er将操作作为发电机的模型（超同步模式 ）电源流程图所示的两种操作模式图 5-16。r图 3、实现双馈电机在 Matlab / Simulink该模型还包括对拖反馈 AC-DC-AC PWM 转换器，它连接在转子电路的网格（图 4）包括转子侧转换器（RSC）和网格侧变流器（ GSC） 。图 4、AC-DC-AC 转换器在 Matlab / Simulink 中的实施图5、双馈感应发电机系统功率流6 。三、双馈电机的矢量控制方案当双馈感应发电机被连接到一个现有的电网，电力定子和电网之间的调节是重要的一步，是必须做的8。矢量控制是一个最常用的方法，适用于控制双馈流定子和电网之间的有功和无功功率。矢量控制技术可以应用在两个转子侧变流器（RSC）和电网侧变流器（GSC） 。RSC 的目的是管理定子侧有源和无功功率的独立的目的，而 GSC 是使直流环节电压保持恒定，不管转子的功率的大小和方向。 GSC 控制设计方案也可以调节无功功率。RSC 和 GSC 是必要的无功功率控制在所需范围内，以保持电压时，双馈感应发电机送入一个弱电系统不足的地方无功补偿。 RSC 控制器的设计本文的主要重点。RSC 控制器的设计RSC 控制计划包括两个级联控制循环。内部电流控制回路独立调节将 d 轴和 q 轴转子电流分量， dri、 q，根据一些同步旋转参考坐标系的4。定子磁链定向的参照系是最普遍使用的一个，但在本文中转子磁通导向的参照帧使用比定子磁通导向的参照帧。外部控制回路调节定子有功功率（或发电机转矩）和无功功率的独立。A. 基于 RSC 控制器的定子磁场定向矢量控制在定子磁场定向参照系，将 d 轴对齐的定子交链磁通矢量 ，即 和 ，ssd0如在图6中所示的1。图6。矢量图定子磁链定向的矢量控制1 。采用定子机定子磁通估计在静止坐标系中方程( )的，如下：sqd(15)sdssdiRv (16)sqssqiRv从 定子磁通定子组件磁通角度大小 用来控制方向,如下：sds(17)sdqs1tan从上述动态等式（1）（4） ，方程可以改写它的通量乘以 ，并重新排列，我们得到：b(18)dtiRvsqsedss(19)tiqsdseqss(20)tiRvdrqredrr )(21)dti qrreqrr)(其中： bijijF*(22)dsmqrdrrsdmdiLis如前文所述连接到的定子磁通的参照帧，在稳定的条件下，给出了以下条件：， (23)sd0q将式（23）代到（18）（22） ，得到：(24)dseqssdiRv (25)qrsmqsiLi(26)(drmsdsii其中 (27)meqssLiRvi通过式子（25） （26） （27）代入到（13） （14） ，定子有功和无功功率，可以通过以下方式获得的下面的公式。(28)qrmsesiLP23(29)(2drmsess iiQ通过将式子（22） （26） （27）代入到（20） （21）中，我们得到：(30)qrredrdrr iLtiLiRv)(31)(2smdrreqrqrr iitii 其中 rsmL21方程（28）和（29）表明，Ps 和 Qs 可以是独立控制，分别调节的的转子电流分量，和 。因此，本参考值的 和 可以由外部功率控制回路。driqdriq如果 Rs 被忽略，这是完全可以接受的高功率电机，定子活跃的最终表达功率由下式给出：(32)qrsmsiLP23 (33)(23drmeqssiLvQ其中 是常数并等于定子电压。qsv从方程（30）和（31）内的电流控制循环可以使用 PI 控制器，所有的细节的设计在4中可以找到的内部控制回路的设计。最终形成内部电流控制回路如下所示。(34)qredripdr iLsskv)(*(35)()(2* msdreqripqr iissk和 的组成和比例增益的 PI 控制器。图7显示了整体的矢量控制方案在 RSC4。补偿ip后的输出的两个电流控制器，vdr 和 vqr，所使用的 PWM 模块生成 IGBT 的栅极控制信号来驱动 IGBT 转换器。图7、RSC 的矢量控制方案4 。图7中的 和 是方程（30）和（31）2drvqrqredriLs2)/(22 smdreqr Lisv其中 )(reB. 基于 RSC 控制器的转子磁场定向矢量控制在转子磁场定向的参照帧，将 d 轴对齐与转子交链磁通矢量 ，即， ,rrd，如在图8中所示的1。0qr图8、矢量图与转子磁场定向的矢量控制1。基于对上述取向方程（21）可以被重新写入如下：(36)reqrriRv)(整理可得： (37)rqresl iRv)(其中， dr由于转子以恒定的僵硬电网连接电压，其承担定子磁通不变1。定子磁通定子磁链的控制方向是 ，得到：s(38)slre(39)dte在超同步模式中， 将是负的，以验证转子角速度较高的电同步转速时，确保验证sl方程（38） 。 和 在方程（37）被计算，直接从内部控制回路采用 PI 控制器。该qrviSimulink 实现内部控制回路，这源于方程（37） ，如图9所示。内部控制回路计算所需的有功和无功功率信号转子电压命令 vd 和 vqr。将被应用的内部控制回路的输出作为转子侧转换器（PWM 逆变器）的栅极命令独立控制的，控制转子电流定子有功和无功功率4。图9、Simulink 实现内转子磁场定向控制回路矢量控制四、仿真结果与讨论为了确保双馈感应发电机模型的有效性，在 Matlab / Simulink 的条件下稳定的运行模型。参数示于附录如下。 Fig10a Fig10f 和 Fig11a Fig11f 显示的是在超同步和次同步双馈模型模式的输出。一下为相关说明。通过施加正负载转矩的机器是作为电动机（子同步模式） ，同时施加负的负载转矩，使机器操作生成模式。在发电模式下，机器达到稳态条件下，0.3秒后，而在驾驶模式需要0.5秒。图10a 、 在超同步模式下的双馈电机的定子电流图10b 上、在超同步模式下的双馈电机转子电流图10C、电气双馈电机的扭矩在超同步模式图10D、在超同步转子和双馈感应发电机的同步速度模式图10E、在超同步模式下的双馈电机定子有功功率图10F、双馈电机的无功功率在超同步模式图11A、在次同步模式下的双馈感应发电机的定子电流图11b、双馈电机转子电流在亚同步模式图11C、在次同步模式下的双馈转子和同步速度图11D、在次同步模式下的双馈感应发电机的电磁转矩图11E、吸收有功功率双馈电机在亚同步模式图11F 、吸收的无功功率双馈电机在亚同步模式有功功率的负号意味着产生了有功功率（超同步模式） ，而正号意味着吸收了有功功率（次同步模式） 。这也是从上面的结果可以清楚得到（在超同步模式下） 。转子的转速高于图10d 的同步转速，并在亚同步速转子的速度是小于图11c 的同步速度。这证实了该模型的有效性。 基于定子磁链定向的矢量控制系统参考框架已经运行，并在 Matlab / Simulink 应用参考定子有功功率（或电气扭矩）外部控制回路，而在一个恒定的转子电流 d 轴 DR 应用，而不是有参考价值的无功功率，而不是有参考价值的无功功率的无功功率循环。定子有功功率能够跟踪施加的参考价值，它证实在图12中所示的控制系统的有效性。该无功功率控制是超出了本文的范围。图12a 、跟踪的参考电源采用定子定子有功功率磁场定向矢量控制结果也证实，有功功率在 q 轴由转子电流分量 控制，图12b 显示 的变化对应的变qriqri化在有功功率。 如下变化完全更改步骤参考功率在0.8秒和1结果在定子有功功率相同qri的阶跃变化。图12b、在定子磁场定向矢量控制 IQR 组件控制 矢量控制时给予同样的回应使用转子磁场定向的矢量控制，有效运行功率跟踪图12c所示。图 12C、定子有功功率跟踪参考电源采用转子磁通定向矢量控制图12D， 组件的控制转子磁链定向矢量控制图 12d 的示出， 中的变化对应的在qri qri有功功率变化时，转子磁场定向矢量控制应用。 的变化正确地遵循了更改步骤参考功率qri在0.8秒和1结果在定子有功功率相同的阶跃变化。根据仿真结果，数字（12a）的（12d 的） ，在此提出的转子磁场定向的矢量控制策略本文提供一个更好的有源功率跟踪精度与定子磁场定向矢量控制策略。五、结论在许多研究中已经使用了 DFIG 的 Simulink 模型作为双馈感应发电机。半电源系统工具箱是建模双馈电机最普遍的工具，详细完整的双馈电机模型，包括 AC-DC-AC 转换器利用 Matlab / Simulink 还没有得到解决，但只有详细的感应电动机模型3 中已被引入。双馈电机的建模与控制本文中已论及。一详细 DFIG 在 Matlab / Simulink 建立的模型和模拟结果已被讨论并确认了该模型的有效性。矢量控制策略，提出了基于定子磁链定向的参考帧，仿真结果表明，满意的新战略。本文提出一个新的矢量控制策略，基于转子磁场定向的参考帧，并与定子磁场定向矢量控制。矢量控制策略应用的双馈感应发电机的转子侧转换器（RSC）上，以独立地控制有功功率，通过控制转子电流的 q 轴分量 。电网侧变流器的qri控制可以是一个未来要完成的工作，以便控制无功功率控制的 DC 电压的 AC-DC-AC 转换器。六、附录规格参数：10HP，三相，四极，50HZ，220/380V， ， ， ，19.0sR39.0r 06.lrL，HLls021.Lm04.7、参考文献*1 Bimal 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