基于MATLAB仿真分析的风电系统双馈电机矢量控制研究

摘

要：在双馈电机磁场定向的数学模型基础上，推导出了双馈电机的矢量控制数学模型，提出了双馈电机定子侧无功功率调节方案，并进一步提出了转子电流解耦控制方案。利用MATLAB软件中的SIMULINK仿真工具，对双馈电机矢量控制系统进行了仿真分析，验证了数学模型的正确性及控制策略的可行性，为双馈电机实际控制系统的搭建提供了理论依据。关键词：双馈电机；矢量控制；功率调节；解耦控制

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引言近年来，由于世界各国日益重视发展新的可再生能源，风力发电技术得到快速发展。由于双馈电机风电机组具有功率变换器容量低，其定子侧输出功率因数可调，同时还可以补偿电网扰动等优点，逐渐成为近年来各国风电机组制造厂家争相开发研制的主流风电机组。图1为双馈感应发电机（后文简称为双馈电机）风电机组原理图，变换器为交-直-交电压源型功率变换器，DFIG即为双馈感应发电机。1

双馈电机矢量控制方案对于双馈调速而言，在矢量控制理论出现以前，只有一些简单的控制方案，不能充分发挥双馈调速的优点。采用矢量控制后，可以独立调节有功功率和无功功率，系统的动、静态性能优越，因此双馈电机矢量控制方案的应用日益广泛。1.1

磁场定向的数学模型双馈电机在同步速-坐标系统的电压方程如下：式中，下标s代表定子有关变量；下标r代表转子有关变量；下标d、q分别代表d轴分量与q轴分量。其转矩方程为：式中，P代表电机极数。1.2

双馈电机矢量控制数学模型假设式(1)中的状态变量为定子磁通和转子电流，则有下式：定义滑差角速度并把d轴定位在定子磁链方向上，即有定子磁链，则，系统状态方程如下：因此，转距方程可简化为：根据式（6），在采用定子磁场定向时，转距的大小与定子磁链的幅值和转子电流q轴分量有关，如果定子磁链幅值稳定，可以说转矩仅由控制，可以定义为转子电流力矩分量，同时定义为转子电流励磁分量。1.3

定子侧无功功率调节定子瞬时无功功率表达式为：将式（3）、式（4）代入式（7），同时考虑到定子磁链幅值恒定时，定子磁链的导数项为0，即可得到式（8）表明在定子磁链幅值恒定的情况下，定子侧无功功率大小仅取决于。

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转子电流解耦控制转子电流d,q分量由转子电压d,q分量分别控制，但,存在严重的交叉耦合项，这些耦合干扰了转子电压对转子电流的控制，可以看成是系统的扰动。由转子电流和定子磁链内部变量计算出扰动补偿量：将加入到表达式中，得到新的电压变量它们与的关系为：式（10）表明加入补偿扰动后，均实现了转子电流d.q轴解耦控制。同时，电压对电流的方程为简单的一阶惯性环节，因此得到了很好的电流控制特性。

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仿真参数及结果分析双馈电机风力发电系统是大型的电控系统，为降低成本，在实际工程硬件系统尚未完成之前，通常利用MATLAB软件中的SIMULINK仿真工具对系统进行仿真分析，以验证理论研究的正确性及可行性。本系统仿真参数设置为：最大步长0.001，最小步长0.0005，初始步长0.0005。仿真结果如图2所示。图2所示为双馈电机在风速，速调比例增益为13，积分增益为13，流调积分增益为1，时的定子侧有功功率和无功功率波型。

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结语仿真实验结果验证了文中提出的双馈电机风力发电系统控制策略的正确性，对实际系统的软硬件开发和调试运行具有指导意义。但需要说明的是，本文所做的仿真分析是建立在诸多理想假设基础上的，实际系统要复杂得多。在设计实际控制系统时，除了考虑励磁电源和双馈电机的匹配