双馈风力发电机并网运行控制及仿真
双馈风电机的控制仿真
2020.05科学技术创新双馈风电机的控制仿真耿秀明（内蒙古电子信息职业技术学院，内蒙古呼和浩特010011）1概述经济的飞速发展带动了各行各业的发展，电能需求的日益增长与发电容量不足的矛盾显得越来越明显。
在目前能源紧缺与环境日益恶化的全球背景下，节能环保的可再生能源的的发展受到了各国的高度重视。
从风能资源的形成来看，其具有典型的可再生性和无污染性，而且风能资源总量大，分布广，是清洁能源战略的重要选择路径之一[1]。
目前，我们所使用的电能中，火电，水电和核电占据了主要的部分[2]。
由于制造、控制技术的发展应用比较成熟，这类发电厂生产的电能能够稳定的供给运行，并变送供给公共电网进行输电配送。
在中国，火力发电的份额占有主导地位，火电厂排放的灰尘、C02等，是造成大气污染的主要来源，并且随着煤炭资源的过度开采，现有储备量也大幅度缩减。
在国家大力的新能源政策扶植下，我国的风电产业迅猛发展，并相继投产了很多大容量风电场[3]。
因风能资源的随机性和波动性，使发出的电能不稳定，造成大部分风电场不能并网运行。
目前双馈发电机是风电场的主要机型，研究双馈风电机对研究风电并网，解决并网电压不稳定问题具有较高的应用价值和研究基础。
2双馈风电机双馈风电机（DFIG ）是风电场的主要机型[3]，风力机通过连接机构带动双馈风电机转子转动，转子绕组通过变换器组与电网连接，通过调节控制转子转速获得最大风能捕获。
定子绕组与电网连接，发电系统根据转速的变化调节励磁电流的频率，实现电机的变速恒频运行[4]。
连接机构主要是齿轮箱，双馈风电机结构如图1所示。
图1双馈风电机结构图当风速较高时，双馈电机转子转速大于同步转速时，转子绕组产生的旋转磁场方向与转速方向相反，电机在超同步状态运行，电能通过变换器从转子侧反馈到电网；当风速较低时，双馈电机转速小于同步转速时，转子绕组产生的旋转磁场方向与转速方向相同，发电机运行在次同步转速状态，转子将通过变流器从电网吸收功率[5]。
【风力发电技术方案】双馈风力发电实验仿真平台技术方案
双馈风力发电实验仿真平台技术方案一、双馈风力发电实验仿真平台设计初衷在能源枯竭与环境污染问题日益严重的今天，风力发电已经成为绿色可再生能源的一个重要途径。
双馈电机变速恒频（VSCF）发电是通过对转子绕组的控制来实现的，而转子回路流动的功率是由发电机运行范围所决定的转差功率，因而可以将发电机的同步转速设定在整个运行范围的中间。
如果系统运行的转差率范围为+-30%，则最大转差功率仅为发电机额定功率的 30%，因此交流励磁变频器的容量可以大大减小，从而降低了成本。
该变换器如果加上良好的控制策略，则系统运行将具有优越的稳态和暂态运行性能，非常适用于风能这种随机性强的能源形势。
因此国内外很多科研者都在研究变速恒频双馈即风力发电系统的若干关机技术，如空载柔性并网、最大功率点跟踪、低电压故障穿越等。
那么，在风力发电产业蓬勃发展的国际环境下，风力发电水平不断提高。
科研实验室作为各种新理论和新技术的孕育摇篮，其先期的研究和验证对风电技术的发展和前进起着至关重要的引导和推动作用。
进行实验研究最直接有效的方法是将风力发电机与风力机相连，进行现场实际试验。
但是鉴于所需要的风场环境以及体积庞大、结构复杂的桨叶设备，实验室内不可能具备条件，只能在室外进行现场调试。
但是，受环境、自然因素、天气条件等影响，现场实验困难重重，比如：无法自由的对风速进行变化，某些高风速下的极限测试只能在极少数情况下得以实现，实验周期长，人力、物力、经费投入大；新理论和新技术存在诸多的未知数，实验结果的好坏难以预测，现场调试风险巨大；电气设备的运算和安装不便，不同容量设备难以在同一风力系统进行试验；这些因素都要求在实验室内构件模拟系统来模拟实际风力机的真实工作特性势在必行。
对此，南京研旭电气科技有限公司设计了一整套模拟定桨距式的双馈风力发电的实验仿真平台。
通过此平台，研究人员可以研究双馈风力发电机的真实工作特性，可以缩短研究和开发周期、节省研究经费，便于对风力发电系统的控制技术展开全面深入的研究，具有重要的显示意义。
双馈式风力发电仿真平台系统方案
双馈式风力发电仿真平台系统方案一晃十年过去了，方案写作这档子事儿，对我来说已经是家常便饭了。
今天，就让我用这十年的经验，给大家带来一份“双馈式风力发电仿真平台系统方案”。
1.项目背景风力发电作为可再生能源的重要组成部分，在我国能源结构调整中扮演着举足轻重的角色。
然而，风力发电系统的研究与开发过程中，实验条件的限制和实验成本的提高，使得仿真技术成为了一种重要的研究手段。
本项目旨在搭建一个双馈式风力发电仿真平台，为研究人员提供一个高效、经济的实验环境。
2.项目目标（1）搭建一个具有实际应用价值的双馈式风力发电仿真平台。
（2）通过仿真实验，研究双馈式风力发电系统的运行特性。
（3）为我国风力发电行业提供技术支持，推动风力发电技术的进步。
3.技术方案（1）系统架构（2）风力模型风力模型是仿真平台的基础，它决定了风电机组所承受的风力大小。
本项目采用湍流模型来模拟风力，包括风速、风向和湍流强度等参数。
（3）风力发电机组模型风力发电机组模型是仿真平台的核心，主要包括电机、发电机、变压器和控制系统等部分。
本项目采用双馈式风力发电机组，其特点是电机和发电机采用同一套控制系统，能够实现风力发电的高效运行。
（4）控制系统模型控制系统模型是保证风力发电系统正常运行的关键。
本项目采用PID控制算法，实现对风力发电机组的实时控制，确保其稳定运行。
（5）负载模型负载模型主要用于模拟风力发电系统的负载特性，包括有功负载、无功负载和负载率等参数。
本项目采用恒阻抗负载模型，以简化仿真过程。
（6）仿真环境仿真环境是风力发电仿真平台的重要组成部分，主要包括硬件环境和软件环境。
硬件环境主要包括计算机、服务器等设备；软件环境主要包括操作系统、编程语言和仿真工具等。
4.项目实施（1）搭建仿真平台我们需要搭建一个双馈式风力发电仿真平台，包括风力模型、风力发电机组模型、控制系统模型、负载模型和仿真环境。
在搭建过程中，要注意各模块之间的接口关系，确保仿真平台的稳定运行。
双馈风力发电系统仿真技术研究
论文双馈风力发电系统仿真技术研究摘要随着一些地区风电供应比例的急剧增加,大规模风电场对地区电网稳定性造成的影响愈发显著。
风力发电机的低电压穿越技术越来越受关注。
文中首先介绍了低电压穿越技术的概念、国外的相应标准,继而分析比较了有关此技术的双馈感应发电机建模问题、各种常见的实现低电压穿越的技术手段及改进控制策略。
最后描述了具备此技术的风电场对电力系统的影响。
根据电机学中异步电机的相关知识推导了双馈感应发电机在三相静止坐标系下的数学模型以及运动方程；在对双PWM电压型变流器原理分析基础上，推导了网侧PWM 变流器在三相静止坐标系下数学模型；为了便于控制系统设计，应用坐标变换技术将所建数学模型转换到两相旋转坐标系下；基于坐标变换技术和电机矢量控制理论，进行了电网电压定向的网侧变流器矢量控制设计和定子磁链定向的转子侧变流器矢量控制设计的研究；进行了亚同步速和超同步速时电机变速恒频发电和有功无功独立调节的仿真研究，仿真结果表明所设计的系统在实现了变速恒频发电的同时，实现了P、Q的完全解耦控制，验证了双馈感应风力发电系统理论分析和控制策略设计的正确性与可行性。
关键字：风力发电；变速恒频；双馈发电机；矢量控制目录摘要........................................................................................................................................ 第1章绪论 (1)1.1课题背景及意义 (1)1.1.1可再生能源开发的必要性 (1)1.1.2风能的开发利用 (2)1.2国内外风力发电技术的发展趋势 (2)1.2.1风力发电机组容量的发展趋势 (2)1.2.2并网风力发电机组的种类 (3)1.2.3风力发电机的发展 (4)1.3变速恒频发电的优点 (5)1.4本课题主要研究内容 (6)第2章双馈风力发电系统的结构特点和基本原理 (7)2.1双馈风力发电系统结构特点 (7)2.2风力机最大风能捕获原理 (7)2.3双馈感应发电机的运行原理 (9)2.4双馈感应发电机功率流动特点 (11)2.5转子励磁变流器的结构特点 (13)2.6 变速恒频双馈风电机组矢量励磁控制 (14)2.7 坐标变换技术 (15)第3章双馈风力发电系统仿真模型的建立 (17)3.1双馈感应发电机数学模型及仿真模型 (17)3.1.1双馈感应发电机的数学模型 (17)3.1.2双馈感应发电机的仿真模型 (20)3.2 双PWM电压型变流器的数学模型 (24)3.2.1网侧PWM变流器的数学模型 (25)3.2.2 双PWM电压型变流器直流环节的数学模型 (28)3.3 网侧变流器的电网电压定向矢量控制设计 (29)3.4 转子侧变流器的定子磁链定向矢量控制设计 (30)3.5 变速恒频双馈感应风力发电系统的并网仿真模型 (36)第4章仿真结果 (38)第5章结论............................................................................................... 错误!未定义书签。
双馈发电机控制系统仿真实验指导书 (1)
题目5：双馈发电机控制系统仿真一．实验目的1．加深理解双馈发电机矢量控制系统的工作原理2．掌握双馈发电机控制系统仿真分析方法二．实验要求：1.学习双馈发电机并网运行理论（附录1为双馈发电机控制原理）2.并网前双馈发电机定子电压闭环仿真实验3.并网后双馈发电机功率闭环仿真实验4.给出仿真实验结论三．实验模型介绍仿真模型已经提供:DFIG_model_1.m, DFIG_model.mdl首先打开并运行DFIG_model.m，初始化部分仿真系统参数。
然后在simulink 环境下打开DFIG_model.mdl（图1）。
图1 仿真系统图DFIG_model.mdl仿真模型内大致分为四部分1.grid（左下角）为电网电源。
2.DFIG model（左上红色）为双馈发电机模型部分3.Ir_controller（右上）为转子电流内环控制器4.outloop_controller (中间橘黄色)为外环控制器。
其余模块为测量及部分参数输入模块。
仿真过程中第1和第2部分内容不需要修改。
重点学习第3和第4部分。
在Ir_controller模块中（图2），左侧输入信号依次为Irabc（转子三相电流）、thetam（发电机转子角度）、Irdq_ref（转子电流给定值，此处为外环控制器输出）、Isdq（定子电流dq值）。
右侧输出信号为Urabc（转子电压，此处为转子电流环控制器输出，直接控制转子侧输出电源）。
双击Ir_controller进入模块内部，左侧模块为转子电流坐标变换模块（abc-dq，将三相转子电流转换为同步旋转坐标系下dq值），中间为转子电流控制器Ir_PI_controller，右侧为转子电压逆变换模块（将同步旋转坐标系下转子电压dq值转换为三相转子电压）。
此部分各模块细节可双击进入。
右上角Scope1和Scope2分别为Id，Iq的给定值和实际值。
图3为转子电流环控制器（对应理论说明中公式28）图2 Ir_controller模块图图3 转子电流环控制器在outloop_controller模块中，左侧输入依次分别为Usabc（定子侧三相电压），Ugabc（电网侧三相电压），angle_grid(电网电压相角)，Isabc（定子侧三相电流），P_ref(有功功率给定值)，Q_ref(无功功率给定值)，grid_connection(并网信号)，grid_reset(并网信号-用于积分器清零)。
双馈风力发电系统仿真与控制研究
双馈风力发电系统仿真与控制研究
Research on Control Strategy and Simulation of Doubly-Fed Wind-Power Generator System
李跃华
2013 年 12 月
国内图书分类号：TM614 国际图书分类号：621.3
关键词：双馈风力发电；电磁暂态特性；协调控制策略；低电压穿越
I
华北电力大学硕士学位论文
Abstract
As a result of dual constraints of fossil energy depletion and environmental protection, wind power industry has a rapid development all over the world. With the access to grid of wind generation power centralized and on a large, the core control technology of doubly-fed induction generator (DFIG) which is one of the mainstream models of variable speed constant frequency wind power generation system, becomes the essential issue. Because of the structure difference of DFIG and traditional synchronous and asynchronous motors and its transient characteristics and fault mechanism has not been revealed thoroughly, it makes relay protection setting difficult, the safety of electrical equipment vulnerable and the stable operation of power grid out of safety. Based on DFIG wind power generation system, the in-depth study of control strategy in grid-side converter and machine side converter is conducted in this thesis. Firstly, stable operational model of DFIG is built on the RTDS simulation platform. A reasonable filter and control parameters is designed to satisfy the requirements of its access to the grid a. Secondly, based on the space vector model of DFIG based derivation of symmetrical fault, the stator and rotor flux and current analytical expression under symmetrical three-phase fault is derived. Analysis of the transient current mechanism of action is conducted and the correctness of the analytical results is verified by simulation. Finally, for the Low Voltage Ride-through (LVRT) of DFIG under symmetrical three-phase fault, a rotor Crowbar adaptive control method which based on voltage dip degree is proposed. The simulation results on the RTDS platform confirmed the effectiveness of the proposed control strategies. Keywords: doubly-fed induction generator, electromagnetic transient characteristics, coordinated control strategy, low voltage ride through
双馈感应风力机并网运行的仿真
双馈感应风电机并网运行的简单仿真学号：201521401036 姓名：刘香 学院：电气工程 班级：s1551摘要：风电场并网运行时会对电网产生一定影响。
本文首先阐述了主体双馈异步发电机的基本情况；详细阐明了风速模型的四种类型及其独立的仿真；感应发电机的并网运行；重点是基于Matlab/Simulink 软件平台，建立风电场与电力系统的模型，在电压调节模式下，由风速变化、电压暂降等双馈感应风电机并网引起的常见故障进行仿真试验。
关键词：双馈感应风力机；并网；Matlab/Simulink ； 1 前言风力发电机组是实现将风能转换为电能的能量转换系统，它包括风力机和风力发电机。
经风力机风轮将风能转换成机械能；由于发电机转子的转动使机械能转化为电能。
本文中的双馈异步发电机（DFIG ）是变速恒频型，电力电子频率变换设备是交-直-交型变频器。
双馈异步发电机的定子绕组与电网直接相连，转子绕组通过频率变换器供给频率可调的交流励磁电流。
2 风速模型风速为风力机提供原动力，风速模型的建立不受整个风电机组模型其它环节的影响，可以独立进行。
可以分为四分量模型：基础风、阵风、渐变风、随机风。
2.1基础风模型基本风对风力机的影响表现在反映风力机输出的额定功率大小，可以由风电场所测得的威布尔分布参数近似表示.⑴式（1）中的A 、K 表示威布尔分布的尺度参数和形状参数，⎪⎭⎫ ⎝⎛K +Γ11代表伽马函数。
基本风风速为 12.5m/s ，仿真时间为 0～10s ，基本风始终存在，MATLAB 仿真程序见附录1，仿真图如图1所示。
图 1 基本风仿真曲线2.2阵风模型风速突然变化的特性可以用阵风模型来表示，当风力机遇到突然变化的干扰可以用它来表示。
.1212max ⎪⎪⎭⎫⎝⎛---=R R R R T T T t V V γG IG GIG IG IG COS GT T t T T t T T t V V +>+≤≤<⎪⎩⎪⎨⎧= 00⑵其中，式中的T G ,T IG ,V Gmax 分别表示阵风的周期（s ）、启动时间（s ）、最大值（m/s ）。
基于PSCAD的双馈风力发电机的控制模式仿真研究
（3）
其中， Ls 、 Lr 、 Lm 为定、转子在 d 、 q 轴下的 等效电感和互感， s 为转差率， usd 、 usq 、 urd 、 u rq 、 isd 、 isq 、 ird 、 irq 分别为定、转子电压和电流的 d 、 q 轴分量， ω 为坐标系旋转角速度， p 为微分算子。 将旋转坐标系的 d 轴定向在定子磁链上，即为 双馈电机的定子磁链定向矢量控制。忽略定转子的 电阻和暂态过程，即有
Simulation Research on Control Modes of Doubly-Fed Wind Power Generator Based on PSCAD
Cai Zhi Liu Jianzheng Wang Jian Liu Shu (State Key Lab of Power Systems, Department of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084) Abstract Doubly fed induction generator (DFIG) used in MW-class variable speed constant frequency wind energy generation system can capture wind energy with the highest efficiency by using the stator flux oriented vector control method. Based on the wind turbine characteristics, the arithmetic of the control objective reference values is derived. It is shown three control modes can be used to realize maximum power point tracking which are speed-mode control, torque-mode control and power-mode control. Based on The dynamic and static performances of three control modes analyzed and compared, it is proposed the best control mode is power-mode control. The model of MW-class wind generation system was established by PSCAD in order to simulate the operational performance with wind speed variation. The results show the correctness of the conclusion. Key words：doubly fed induction generator；maximal wind energy tracking；speed-mode control； torque-mode control； power-mode contro
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双馈风力发电机并网运行控制及仿真
结合双馈异步风力发电机的运行特点，将矢量控制技术应用到双馈异步风力发电机并网控制中。
构建了风力发电机空载并网与最大追踪控制策略，设计了基于LabVIEW、PXI8840及Compact RIO9035的硬件在环仿真系统。
通过PXI能够观测到并网前、后定、转子电流、电压、功率等变化情况，为新型风力发电并网控制策略的研究提供了一个公共平台。
标签：双馈；矢量控制；最大风能追踪；LabVIEW；PXI
Abstract：According to the operational characteristics of doubly-fed asynchronous wind turbine，vector control technology is applied to grid-connected control of doubly-fed asynchronous wind turbine. The no-load grid-connected and maximum tracking control strategy of wind turbine is constructed，and the hardware in loop simulation system based on LabVIEW，PXI8840 and Compact RIO9035 is designed. The changes of current，voltage，power and so on before and after the grid connection can be observed by PXI，which provides a common platform for the research on the grid-connected control strategy of new wind power.
Keywords：doubly-fed；vector control；maximum wind energy tracking；LabVIEW；PXI
1 概述
風能作为一种可再生能源，具有高效，清洁等特点。
风力发电技术在世界范围内也得到迅速发展[1，2]。
双馈异步风力发电机（Doubly-Fed Induction Generator，DFIG）机组，通过控制发电机励磁，实现在发电机转速可调情况下的并网运行。
采用矢量控制技术调节励磁，可以有效的调节发电机输出功率，在实现最大风能利用效率的同时，还可以调节电网的功率因数，提高电网的稳定性等[3-6]。
本文分析了DFIG机组运行特性，将定子磁链定向的矢量控制技术运用到机组控制策略中，制定控制策略。
建立了基于LabVIEW的仿真系统，验证采用矢量控制技术对DFIG并网控制和最大风能追踪控制的精准性。
2 发电机的运行控制
2.1 发电机空载数学模型
为了准确调节DFIG并网前、后的端电压，本文采用磁场定向的矢量控制。
为此，首先建立发电机内磁场定向旋转d-q坐标系的数学模型。
设s、r分别代表定、转子；Rs、Rr为定、转子绕组电阻；Lm、Ls、Lr为d、q坐标轴下互感及定、转子等效自感；uds、uqs、udr、uqr分别为定、转子电压在d、q轴的分量；ids、iqs、idr、iqr分别为定、转子电流在d、q轴的分量；？鬃ds、？鬃qs、？鬃dr、？鬃qr分别为定、转子磁链在d、q轴的分量；np为极对数。
发电机正常运行下，d-q坐标系中DFIG的电压方程为：
定子电压方程
转子电压方程
定子磁链方程
转子磁链方程
电磁转矩方程
由定子磁场定向得：
将式（6）及式（7）代入式（1），得
发电机空载时定子各分量电流为零，即ids=iqs=0，由式（3）得
将式（8）代入式（9）得
在工频条件，Rs可忽略不计，发电机定子电压矢量？鬃1比u1超前90°，则上式可整理得
（11）
综上分析，得出DFIG空载控制策略，如图1所示。
并网控制要依据电网，为此采用三相锁相环3PLL。
三相锁相的是q轴相位，所以加为电压的相位，又因为采用的是定子磁链定向控制，定子磁链相位超前电压90°，由此得？鬃1的相角？兹s。
2.2 并网控制策略
依然采用定子磁链定向，？鬃ds=？鬃1，uqs=-u1得
其中deltaUd、deltaUq为补偿量。
对于每相绕组的磁通是互感磁通和漏感磁通的叠加，因此，转子自感为Lr=Llr+Lm，定子自感为Ls=Lls+Lm、Llr、Lls为漏感。
其中？棕为风轮角速度、p为风轮吸收功率、r为风轮半径、？籽为空气密度、cp为风能利用系数、im为定子的等效励磁电流矢量、？啄为电机的漏磁系数。
由于本文采用标幺值计算，系统参数确定后都是常数，所以推出，功率和
风速的三次方成正比。
由以上公式可设计出交流励磁双馈风力发电系统的并网控制策略，如图2所示。
3 双馈风力机运行控制的建模与仿真
3.1 仿真模型的建立
基于LabVIEW的风力发电机的并网系统结构图如图3。
3.2 DFIG并网前、后控制控制策略仿真
仿真参数为：双馈异步发电机极对数为3，风机容量1.5MW，额定电压575V 为基准电压，定子电阻0.00635？赘，转子电阻0.00453？赘，定子漏感0.1285mH，转子漏感0.1173mH，互感2.18mH，cp=0.41。
在变流器控制中先使能网侧逆变器，可以观测到网侧逆变器开始有电流，当直流电压稳定后，使能转子侧逆变器，转子侧电流产生励磁电压，通过控制算法来控制转子电流，从而控制DFIG的定子电压使双馈电机达到并网条件。
点击并网，则双馈电机定子侧与电网连接，可以观测到定子侧电流慢慢趋于稳定，并网后电流如图4。
并网后，控制策略切换至最大风能追踪控制，可观测到当风速不同时，通过调节转子侧电流来达到变速恒频的效果；随着风速的变化，定子侧电流改变，有功功率也随之改变。
设计中10m/s对应同步转速，此时转子电流基本是直流，当电机转速低于同步转速时，转子侧从电网吸收功率情况，当电机转速大于同步转速时，转子侧功率反向，改为向电网发出功率，如图5。
4 结束语
本文基于LabVIEW平台进行设计，在实时仿真平台PXI上进行仿真，验证了所给出的并网方式的合理性，为新型风电系统并网控制设计提供了一种可行的方案。
参考文献：
[1]周建强，孙为民，李玉娜.可再生能源利用技术[M].北京：中国电力出版社，2015：58-81.
[2]夏长亮.双馈风力发电系统设计与并网运行[M].北京：科学出版社，2014：5-25.
[3]刘其辉，贺益康.变速恒频风力发电系统最大风能追踪控制[J].电力系统自动化，2003，27（20）：62-67.
[4]Tang Y ，Xu L. A flexible active and reactive power control strategy for a variable speed constant frequency generating system[J]. IEEE Transactions on Power Electronics，1996，10（4）：427-478.
[5]吴峰.风力发电机并网技术综述[J].风力发电，1992（1）：5-8.
[6]赵斌，许洪华.大型风力发电机组的软并网控制系统[J].新能源，2000，22（12）：45-47.
[7]尚井鑫.风力发电并网逆变控制系统的设计要点研究[J].科技创新与应用，2012（17）：21.。