基于MATLAB仿真分析的風(fēng)電系統(tǒng)雙饋電機(jī)矢量控制研究

摘

要：在雙饋電機(jī)磁場定向的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出了雙饋電機(jī)的矢量控制數(shù)學(xué)模型，提出了雙饋電機(jī)定子側(cè)無功功率調(diào)節(jié)方案，并進(jìn)一步提出了轉(zhuǎn)子電流解耦控制方案。利用MATLAB軟件中的SIMULINK仿真工具，對雙饋電機(jī)矢量控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析，驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型的正確性及控制策略的可行性，為雙饋電機(jī)實(shí)際控制系統(tǒng)的搭建提供了理論依據(jù)。關(guān)鍵詞：雙饋電機(jī)；矢量控制；功率調(diào)節(jié)；解耦控制

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引言近年來，由于世界各國日益重視發(fā)展新的可再生能源，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)得到快速發(fā)展。由于雙饋電機(jī)風(fēng)電機(jī)組具有功率變換器容量低，其定子側(cè)輸出功率因數(shù)可調(diào)，同時還可以補(bǔ)償電網(wǎng)擾動等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為近年來各國風(fēng)電機(jī)組制造廠家爭相開發(fā)研制的主流風(fēng)電機(jī)組。圖1為雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)（后文簡稱為雙饋電機(jī)）風(fēng)電機(jī)組原理圖，變換器為交-直-交電壓源型功率變換器，DFIG即為雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)。1

雙饋電機(jī)矢量控制方案對于雙饋調(diào)速而言，在矢量控制理論出現(xiàn)以前，只有一些簡單的控制方案，不能充分發(fā)揮雙饋調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)。采用矢量控制后，可以獨(dú)立調(diào)節(jié)有功功率和無功功率，系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能優(yōu)越，因此雙饋電機(jī)矢量控制方案的應(yīng)用日益廣泛。1.1

磁場定向的數(shù)學(xué)模型雙饋電機(jī)在同步速-坐標(biāo)系統(tǒng)的電壓方程如下：式中，下標(biāo)s代表定子有關(guān)變量；下標(biāo)r代表轉(zhuǎn)子有關(guān)變量；下標(biāo)d、q分別代表d軸分量與q軸分量。其轉(zhuǎn)矩方程為：式中，P代表電機(jī)極數(shù)。1.2

雙饋電機(jī)矢量控制數(shù)學(xué)模型假設(shè)式(1)中的狀態(tài)變量為定子磁通和轉(zhuǎn)子電流，則有下式：定義滑差角速度并把d軸定位在定子磁鏈方向上，即有定子磁鏈，則，系統(tǒng)狀態(tài)方程如下：因此，轉(zhuǎn)距方程可簡化為：根據(jù)式（6），在采用定子磁場定向時，轉(zhuǎn)距的大小與定子磁鏈的幅值和轉(zhuǎn)子電流q軸分量有關(guān)，如果定子磁鏈幅值穩(wěn)定，可以說轉(zhuǎn)矩僅由控制，可以定義為轉(zhuǎn)子電流力矩分量，同時定義為轉(zhuǎn)子電流勵磁分量。1.3

定子側(cè)無功功率調(diào)節(jié)定子瞬時無功功率表達(dá)式為：將式（3）、式（4）代入式（7），同時考慮到定子磁鏈幅值恒定時，定子磁鏈的導(dǎo)數(shù)項為0，即可得到式（8）表明在定子磁鏈幅值恒定的情況下，定子側(cè)無功功率大小僅取決于。

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轉(zhuǎn)子電流解耦控制轉(zhuǎn)子電流d,q分量由轉(zhuǎn)子電壓d,q分量分別控制，但,存在嚴(yán)重的交叉耦合項，這些耦合干擾了轉(zhuǎn)子電壓對轉(zhuǎn)子電流的控制，可以看成是系統(tǒng)的擾動。由轉(zhuǎn)子電流和定子磁鏈內(nèi)部變量計算出擾動補(bǔ)償量：將加入到表達(dá)式中，得到新的電壓變量它們與的關(guān)系為：式（10）表明加入補(bǔ)償擾動后，均實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子電流d.q軸解耦控制。同時，電壓對電流的方程為簡單的一階慣性環(huán)節(jié)，因此得到了很好的電流控制特性。

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仿真參數(shù)及結(jié)果分析雙饋電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是大型的電控系統(tǒng)，為降低成本，在實(shí)際工程硬件系統(tǒng)尚未完成之前，通常利用MATLAB軟件中的SIMULINK仿真工具對系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，以驗(yàn)證理論研究的正確性及可行性。本系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置為：最大步長0.001，最小步長0.0005，初始步長0.0005。仿真結(jié)果如圖2所示。圖2所示為雙饋電機(jī)在風(fēng)速，速調(diào)比例增益為13，積分增益為13，流調(diào)積分增益為1，時的定子側(cè)有功功率和無功功率波型。

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結(jié)語仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了文中提出的雙饋電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制策略的正確性，對實(shí)際系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)和調(diào)試運(yùn)行具有指導(dǎo)意義。但需要說明的是，本文所做的仿真分析是建立在諸多理想假設(shè)基礎(chǔ)上的，實(shí)際系統(tǒng)要復(fù)雜得多。在設(shè)計實(shí)際控制系統(tǒng)時，除了考慮勵磁電源和雙饋電機(jī)的匹配