搭建一種基于Simulink的雙饋式感應(yīng)發(fā)電機(jī)模型

雙饋式感應(yīng)發(fā)電機(jī)（DFIG）是在同步電機(jī)和異步電機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型發(fā)電機(jī)。DFIG的主要優(yōu)點(diǎn)是其足夠?qū)挼乃俣确秶?，能使組合式風(fēng)力渦輪機(jī)以最佳的性能系數(shù)運(yùn)行。

由于定子電壓由電網(wǎng)施加，因此是不可控的，因此在dq域中建模DFIG的目的是通過dq域中轉(zhuǎn)子電流或電壓的兩個(gè)解耦軸向分量來控制DFIG（其速度、電磁轉(zhuǎn)矩等）。通常，選擇d軸與轉(zhuǎn)子漏磁空間矢量或定子電壓方向?qū)R。在本項(xiàng)目中，定子電壓vs的方向被選為d軸。

d軸的轉(zhuǎn)速等于電空間中vs的轉(zhuǎn)速，即：

假設(shè)定子電壓由電網(wǎng)平衡的正弦三相電壓施加：

我們可以通過調(diào)節(jié)ird來控制雙饋發(fā)電機(jī)的定子實(shí)際功率Ps和電磁Tem，通過調(diào)節(jié)irq來控制雙饋發(fā)電機(jī)的定子無功功率Qs。總之，d軸轉(zhuǎn)子電流可用于控制定子有功功率和電磁轉(zhuǎn)矩，q軸轉(zhuǎn)子電流可用于控制定子磁鏈和定子無功功率。顯然，它能夠通過兩個(gè)解耦部件ird和irq來控制DFIG，并且我們的控制目的是可以實(shí)現(xiàn)的。

參考信號(hào)可以從所需的電磁轉(zhuǎn)矩（或所需的定子實(shí)際功率）和所需的定子無功功率中獲得，如下所示：

基于Simulink搭建的DFIG模型如下圖所示：

1、dq域雙饋發(fā)電機(jī)模型

2、估計(jì)模型

3、帶轉(zhuǎn)子電壓補(bǔ)償?shù)碾p饋發(fā)電機(jī)控制器模型

4、從Qs生成irq的模型

5、風(fēng)力渦輪機(jī)模型

6、DFIG和風(fēng)力渦輪機(jī)的組合

DFIG風(fēng)力發(fā)電機(jī)相關(guān)參數(shù)設(shè)置：

仿真代碼：

%% 雙饋發(fā)電機(jī)的參數(shù)
f_rated = 60;         % 額定頻率；單位：赫茲
w_syn = 2*pi*f_rated; % 同步電轉(zhuǎn)速；單位：拉德/秒


V_ll_rated = 690;     % 額定線電壓；均方根值；單位：V


p = 6;                % 極點(diǎn)數(shù)


s = 0.01;             % 在額定（滿）負(fù)載下滑動(dòng)


J = 70;               % 慣性矩；單位：千克*m^2


R_s = 2e-3;           % 定子下標(biāo)s；單位：歐姆
R_r = 1.5e-3;         % 定子下標(biāo)r；單位：歐姆


X_ls = 50e-3;        
X_lr = 47e-3;
X_m = 860e-3;         


L_ls = X_ls/w_syn;   
L_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;           % 指轉(zhuǎn)子繞組的時(shí)間常數(shù)
sigma = 1-L_m^2/(L_s*L_r); 


%% DFIG的初始（額定）條件


% 額定（滿）負(fù)載下的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速
w_mech_rated = (1-s)*w_syn/(p/2); 


% 定子額定電流，均方根值，單位：A
I_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));


% 額定轉(zhuǎn)子電流，均方根值，單位：A
I_r_rated = -I_s_rated*j*X_m/(j*X_m+R_r/s+j*X_lr);


% 額定扭矩，P_額定/w_機(jī)械額定
T_em_rated = (3*abs(I_r_rated)^2*R_r*(1-s)/s) / w_mech_rated;
T_load_rated = T_em_rated;


% dq域中的電壓
V_sd_rated = V_ll_rated;
V_rd_rated = 0;
V_rq_rated = 0;


% dq域中的定子電流
I_sd_rated = sqrt(3)*real(I_s_rated);
I_sq_rated = sqrt(3)*imag(I_s_rated);


% dq域中的轉(zhuǎn)子電流
I_rd_rated = sqrt(3)*real(I_r_rated);
I_rq_rated = sqrt(3)*imag(I_r_rated);


Q_s_rated = (V_sd_rated)^2/(w_syn*L_s)+(L_m/L_s)*V_sd_rated*I_rq_rated;


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;


%% 雙饋發(fā)電機(jī)控制器參數(shù)
w_c_i = 10*2*pi; % 交叉頻率
PM_i = pi/3;     % PM 


kpi_by_kii = (1/w_c_i)*tan(-pi/2+PM_i+atan(sigma*L_r*w_c_i/R_r));
kii = w_c_i*sqrt(R_r^2+(sigma*L_r*w_c_i)^2)/sqrt(1+(kpi_by_kii*w_c_i)^2);
kpi = kpi_by_kii * kii;


V_sd_prime_rated = V_rd_rated + s*w_syn*sigma*L_r*I_rq_rated;
V_sq_prime_rated = V_rq_rated - s*w_syn*sigma*L_r*I_rd_rated;


%% 風(fēng)力機(jī)參數(shù)


A = 3904;            % 掃掠面積，單位：m^2
R = 70.5/2;          % 轉(zhuǎn)子半徑，單位：m
J_turb = 2.4*10^6;   % 慣性矩，單位：kg*m^2
rho = 1.2;           % 空氣密度


v_wind = [12; 9; 6]; % 風(fēng)速，單位：m/s


Cp_2 = @(lambda) 0.52*(116*(1-0.035*lambda)/lambda-5)*exp(-21*(1-0.035*lambda)/lambda)+0.0068*lambda;


% Seek Cp_opt and lambda_opt
Cp_opt = -inf;
lambda_opt = -inf;
iter = 1;
while true
    lam = iter*0.01;
    res = Cp_2(lam);
    if ~isnan(res)
        if res < Cp_opt
            break;
        else
            lambda_opt = lam;
            Cp_opt  = res;
        end
    end
    iter = iter + 1;
end

本文從理論上以及在MATLAB/Simulink中建立了雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)（DFIG）和風(fēng)力發(fā)電機(jī)在dq域的模型以及相關(guān)控制器的模型。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的控制器能有效地控制雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)，并能自動(dòng)調(diào)節(jié)施加在雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)上的轉(zhuǎn)子電壓，從而使風(fēng)力發(fā)電機(jī)在最佳狀態(tài)下運(yùn)行。