基于Simulink搭建的双馈风力发电（DFIG）模型

1、双馈风力发电机

双馈异步风力发电机（DFIG）是一种绕线式感应发电机，是变速恒频风力发电机组的核心部分。DFIG主要由两大部分组成，分别是冷却系统和本体：本体的组成是定子、转子以及轴承，而冷却系统则分为空空冷、水冷和空水冷三类结构。

DFIG为何称为“双馈”发电机：

（1）发电机其中的定子和转子侧都参与到了电网输电的过程中；

（2）实现发电机的有功功率以及无功功率进行单独的调节，对电网实施无功补偿；

（3）DFIG同时囊括了异步和同步发电机的特点。

2、双馈异步风力发电机的数学模型

DFIG风电系统由电气子系统以及机械子系统两大核心构成。机械子系统是由齿轮箱、风机以及部分组件组成的；而电气子系统由网侧和机侧这两部分组成。网侧包含网侧变换器、电网等，机侧包含DFIG发电机以及机侧变换器。DFIG系统结构如下图所示：

首先在对DFIG进行建模之前，我们需先完成DFIG正方向惯例的参数设定，本文选取电压降落的方向作为电流的正方向。为了达到数学模型的简化，可以假定以下几点：

（1）不考虑空间谐波的情况，设发电机定、转子三相绕组对称分布杂在空间上，它们之间相差120角度，气隙磁场呈正弦规律分布。

（2）不考虑铁耗以及磁路的非线性，假定绕组的自感和互感是与磁路工作点有关的恒定值，也不考虑频率和温度变化对DFIG风电系统参数的影响。

（3）以定子侧为参考，将转子的参数均归算至定子侧，定、转子绕组归算后的有用匝数相同。

DFIG仿真模型如下所示：

带转子电压补偿的双馈发电机控制器模型：

风力发电模型：

DFIG+Wind组合模型如下图所示：

3、仿真分析

%% 初始化
clear; clc;
%% DFIG参数设置
f_rated = 60;         % 额定频率 Hz
w_syn = 2*pi*f_rated; % 同步电转速 rad/s
V_ll_rated = 690;     % 额定线电压 V
p = 6;                % 极点数
s = 0.01;             % 滑移率
J = 70;               % 转动惯量 kg*m^2
R_s = 2e-3;           % 定子下标s（stator） Ohm
R_r = 1.5e-3;         % 转子下标r（rotor）  Ohm
X_ls = 50e-3;         
X_lr = 47e-3;
X_m = 860e-3;         
L_ls = X_ls/w_syn;    % H
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;           % 转子绕组时间常数
sigma = 1-L_m^2/(L_s*L_r); 
%% DFIG 的初始（额定）条件
% 额定（满）负载下的转子转速
w_mech_rated = (1-s)*w_syn/(p/2); 
% 额定定子电流 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));
% 额定转子电流 A
I_r_rated = -I_s_rated*j*X_m/(j*X_m+R_r/s+j*X_lr);
% 额定扭矩
T_em_rated = (3*abs(I_r_rated)^2*R_r*(1-s)/s) / w_mech_rated;
T_load_rated = T_em_rated;
% dq 域中的电压
V_sd_rated = V_ll_rated;
V_rd_rated = 0;
V_rq_rated = 0;
% dq 域中的定子电流
I_sd_rated = sqrt(3)*real(I_s_rated);
I_sq_rated = sqrt(3)*imag(I_s_rated);
% dq 域中的转子电流
I_rd_rated = sqrt(3)*real(I_r_rated);
I_rq_rated = sqrt(3)*imag(I_r_rated);
% Rated Qs
Q_s_rated = (V_sd_rated)^2/(w_syn*L_s)+(L_m/L_s)*V_sd_rated*I_rq_rated;
% 额定流量
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;
%% 风机参数
A = 3904;            % 面积 m^2
R = 70.5/2;          % 转子半径 m
J_turb = 2.4*10^6;   % 转动惯量 kg * m^2
rho = 1.2;           % 空气密度
v_wind = [12; 9; 6]; % 风速 m/s

由上图可以看出，搭建的Simulink模型能很好的显示出DFIG风电机组工作在理想电网电压工况状态下。