摘要： 本文對兆瓦級雙饋風力發電機組的數學模型進行了分析，在MATLAB中采用結構化設計方法建立了基于定子磁場矢量控制技術的雙PWM變流器控制系統模型。仿真結果驗證了系統在實現最大風能捕捉和有功、無功解耦控制上的有效性。
      關鍵詞：雙饋風力發電機；雙PWM變流器；矢量控制技術；MATLAB仿真

Simulation Analysis of the Mega-watt DFIG Wind Turbines system

Dong Hongxi1  Sun Zhiyi2

       Abstract: In this paper, analyzing the mathematical model of MW doubly fed induction generator (DFIG) wind turbines. In the MATLAB, using a structured design method, a dual PWM converter control system model were established on the basis of the stator flux field vector control technology. Based on the simulation results, it was proved that the system is capable of capturing maximum wind powers, achieving the decoupled control of active and reactive powers.
      Keywords: DFIG; dual-PWM converter; vector control technology; MATLAB simulation
 
      引言
      雙饋異步風力發電技術因為具有：低風速時可以根據風速變調節發電機轉矩獲得最大風能；高于額定風速時可以改變槳葉節距角來維持額定功率的優點而成為風力發電技術的重要發展方向。
 

      1 雙饋風力發電機組的工作原理和數學模型
      1.1 雙饋異步發電機組的工作原理
雙饋異步發電機是由一臺帶集電環的繞線轉子異步發電機和雙PWM變流器組成。雙饋異步發電機的定子繞組直接與工頻電網相連。運行時，發電機的轉速和定、轉子電流的頻率關系可表示為：f1=pn/60±f2,由此式可知：當發電機的轉速變化時可通過調節f2來維持f1恒定。
      1.2 雙饋異步發電機的數學模型
      本文按電動機慣例建立雙饋異步發電機的數學模型。其中電壓方程式為

式中下標1和2分別表示定子側和轉子側；d和q分別表示d軸和q軸。P是微分算子，ω、ωS 分別是同步角速度和轉差角速度。磁鏈方程式為

雙饋發電機采用定子磁場定向矢量控制技術，將定子磁鏈Ψ1方向取在d軸，忽略電阻壓降得

由上幾式可得電磁轉矩和功率方程  

（4）
     

       當發電機并網以后，定子電壓不變，則Ψ1也不變，由式(4)可見，發電機電磁轉矩可通過轉子中的q軸電流進行控制，達到調速的目的；而定子有功功率P1只與轉子電流iq2有關，無功功率Q1只與id2有關，從而實現了有功功率和無功功率的解耦控制。
     

      2 雙饋風力發電機組的仿真模型
MATLAB中雙饋異步風力發電機組的仿真模塊包括：風速模型、變槳距風力機模型、雙饋風力發電機模型、雙PWM變流器模型、網側和轉子側控制系統模型等【3】。鑒于風力發電機組的復雜性，本文僅給出網側和轉子側控制系統的仿真模型。
      2.1 網側變流器的矢量控制 
      雙饋異步發電機網側變換器的矢量控制仿真模型如圖2所示。它由三相鎖相環、3/2矢量變換、電流調節器、2/3矢量變換組成【4-6】。

   
                               圖1 電網側變流器控制系統仿真結構圖
      2.2 轉子側變流器的矢量控制
      雙饋異步發電機組轉子側的矢量控制仿真模型如圖2所示。它由3/2矢量變換、無功功率調節器、轉矩控制器、最優轉子q軸電流計算、電流調節器以及2/3矢量變換組成。

      3 仿真分析
      本文在MATLAB軟件平臺中搭建了額定風速11m/s,風機額定功率為1.5MW的風力發電系統仿真模型。仿真結果表明：本文所建立的風力發電機組在風速變化時，能夠很好的跟蹤最大風能，并能實現良好的有功、無功解耦控制。圖2到圖6分別為風速模型、發電機轉速、有功和無功分量。
 

                                   圖2 轉子側變流器控制系統仿真結構圖
 

4 結論
      本文分析了兆瓦級雙饋風力發電機組的工作原理和數學模型，在MATLAB中采用結構化方法建立了1.5MW風電機組的仿真模型。該模型基于定子磁場定向的矢量控制方法，采用雙PWM變流器，對大型并網風電機組的最大風能跟蹤、有功和無功功率的解耦控制進行了仿真。仿真結果驗證了控制系統的有效性，對控制系統的實用化具有重要的現實意義。
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