雙饋風(fēng)電系統(tǒng)的建模仿真研究與設(shè)計(jì)

王坤 周克

摘 要：雙饋風(fēng)電系統(tǒng)的建模仿真對(duì)其運(yùn)行原理、故障診斷及預(yù)測(cè)等研究具有很大便利性。文中在對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析和理論闡述的基礎(chǔ)上，在Matlab/Simulink中建立其正常動(dòng)態(tài)下的仿真模型，并通過(guò)加入故障塊實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子短路故障的仿真;通過(guò)將模型整體進(jìn)行Mask封裝設(shè)計(jì)其GUI和代碼生成的方式，提高模型的便捷性和可移植性，便于仿真不同參數(shù)的系統(tǒng)和實(shí)現(xiàn)結(jié)合嵌入式等系統(tǒng)進(jìn)行研究使用。通過(guò)仿真結(jié)果表明，文中所建模型具有很好的合理性及適用性，能很好仿真雙饋風(fēng)電系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況，可為風(fēng)電系統(tǒng)的研究提供一個(gè)良好的模型基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：雙饋風(fēng)電系統(tǒng);Matlab/Simulink;轉(zhuǎn)子短路故障;GUI文章編號(hào)：2095-2163（2019）04-0055-06 中圖分類(lèi)號(hào)：TM315 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

雙饋式風(fēng)力發(fā)電由于其變速恒頻的優(yōu)越性能，成為目前中大型風(fēng)電機(jī)場(chǎng)的主流系統(tǒng)。對(duì)其控制策略以及對(duì)軸承、風(fēng)電機(jī)等部件的故障診斷與預(yù)測(cè)一直是研究的熱點(diǎn)[1]。在許多情況下，實(shí)際的物理系統(tǒng)不便于直接進(jìn)行研究使用，故而常常需要通過(guò)建模仿真的形式來(lái)對(duì)建立的算法理論進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化。

目前，對(duì)于風(fēng)電系統(tǒng)的建模主要有基于GH Bladed、Matlab/Simulink、Ansys以及PSCAD等[2]。其中，GH Bladed側(cè)重的是風(fēng)機(jī)的性能及載荷計(jì)算方面設(shè)計(jì)、Matlab/Simulink偏向于控制算法的驗(yàn)證以及理論的研究、Ansys主要便于電磁分析以及對(duì)電機(jī)內(nèi)部的設(shè)計(jì)研究、PSCAD則側(cè)重于電磁暫態(tài)的仿真與計(jì)算。文中選用熟悉度廣、可移植性強(qiáng)的Matlab/Simulink作為建模平臺(tái)，其模塊庫(kù)中含有大量封裝模塊可直接進(jìn)行調(diào)用，非常便于模型的搭建。在大多數(shù)對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)研究的文獻(xiàn)中，較多的是著重于控制策略的對(duì)比及優(yōu)化研究，比如文獻(xiàn)[3]和[4];對(duì)于系統(tǒng)的建模方面，如文獻(xiàn)[5]、[6]等僅對(duì)PWM整流器部分的實(shí)現(xiàn)及控制策略展開(kāi)了探討，卻并未考慮整個(gè)風(fēng)電系統(tǒng)模型;文獻(xiàn)[7]、[8]等雖對(duì)整個(gè)風(fēng)電系統(tǒng)進(jìn)行了分析研究，但對(duì)于模型仿真的便捷性和模型的可移植性未加考慮，對(duì)于模型的后續(xù)研究使用等較為不便。

由此，文中在保證模型合理性的前提下，最大程度上利用Simulink中相應(yīng)的封裝模塊來(lái)調(diào)節(jié)參數(shù)、并構(gòu)建雙饋風(fēng)電系統(tǒng)的整體模型，以降低建模過(guò)程的復(fù)雜性、提高建模效率;接下來(lái)，通過(guò)設(shè)計(jì)GUI的方式實(shí)現(xiàn)模型仿真的簡(jiǎn)便運(yùn)行、參數(shù)的快速修改和仿真數(shù)據(jù)的直接保存;最后對(duì)模型進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了模型的合理性、正確性，同時(shí)也一并給出了模型的生成代碼，提高模型的可移植性。對(duì)此擬做闡釋詳述如下。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 風(fēng)速及風(fēng)輪方程

整個(gè)雙饋風(fēng)電系統(tǒng)可大致分為：風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能部分、機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能部分和控制轉(zhuǎn)化過(guò)程部分，主要包括風(fēng)輪、驅(qū)動(dòng)鏈、發(fā)電機(jī)及控制器等。

風(fēng)速帶有很大的隨機(jī)性，其變化受地區(qū)、天氣、時(shí)間、季節(jié)以及地形等多種因素影響。常用的模型有：

（1）采用紊流和平均風(fēng)相結(jié)合來(lái)模擬的風(fēng)速[9]。

（2）采用階躍風(fēng)、平均風(fēng)、隨機(jī)風(fēng)及陣風(fēng)等進(jìn)行組合模擬的風(fēng)速。

根據(jù)研究側(cè)重點(diǎn)的不同，可以得出相應(yīng)的組合選擇。文中將要仿真雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)子短路故障，故而簡(jiǎn)化風(fēng)速模型，盡可能不考慮風(fēng)速隨機(jī)特性對(duì)故障的影響，這里就采用了階躍風(fēng)的形式，即：

風(fēng)輪是將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的部件，是整個(gè)系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化的開(kāi)始，主要用于將風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械轉(zhuǎn)矩Tm輸出到雙饋電機(jī)中。相應(yīng)的參數(shù)方程為：

在一般情況下，并不需要研究齒輪箱的機(jī)械性能及應(yīng)力分布情況，所以通?？珊?jiǎn)化模型使其作用等效于其齒輪增速比kgear的值。

1.2 雙饋風(fēng)電機(jī)方程

風(fēng)電機(jī)是將風(fēng)輪所產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的核心設(shè)備，可以通過(guò)輸入的風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩計(jì)算出相應(yīng)的電參量。為便于系統(tǒng)的分析和模型搭建，通常對(duì)雙饋電機(jī)做出如下假設(shè)[8]：

（1）不計(jì)溫度、頻率對(duì)電機(jī)相應(yīng)參數(shù)值的影響，忽略空間諧波、磁飽和及鐵芯損耗。

（2）定、轉(zhuǎn)子繞組對(duì)稱(chēng)分布，采用Y型連接且自感和互感為固定值。

（3）轉(zhuǎn)子側(cè)皆折算至定子側(cè)且折算后繞組匝數(shù)比為1。

由于常規(guī)三相坐標(biāo)下雙饋風(fēng)電機(jī)數(shù)學(xué)模型的非線性、多變量和強(qiáng)耦合性等特點(diǎn)[10]，在求解分析過(guò)程中非常繁瑣，通常采用坐標(biāo)變換的方式進(jìn)行解耦處理，以簡(jiǎn)化參數(shù)方程便于系統(tǒng)的建模分析，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的矢量控制，文中采用Park變換（即3s/2r變換），經(jīng)變換后的雙饋電機(jī)電壓方程為：

1.3 控制系統(tǒng)方程

功率變換器是實(shí)現(xiàn)雙饋風(fēng)電系統(tǒng)變速恒頻的關(guān)鍵部件[11]，目前多是采用背靠背型雙PWM的部分功率變換器，分為轉(zhuǎn)子側(cè)變換器（RSC）和網(wǎng)側(cè)變換器（GSC）兩部分。其中，RSC主要完成變速恒頻的控制方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)有功功率P和無(wú)功功率Q的解耦以及為雙饋電機(jī)提供勵(lì)磁，GSC主要保證直流母線DC的電壓穩(wěn)定和單位功率因數(shù)運(yùn)行，以便有良好的電流輸入性能。

文中采用三相電壓型變換器，網(wǎng)側(cè)PWM采用基于網(wǎng)側(cè)電壓定向的矢量控制方式，轉(zhuǎn)子側(cè)PWM采用基于定子磁鏈定向的矢量控制方式。定向后主要的參數(shù)方程為：

空間矢量脈寬調(diào)制（Space Vector PWM， SVPWM）是根據(jù)變換器空間電壓或電流矢量切換來(lái)操縱變換器各種功能作用的一種控制方式[9]。而與其它的調(diào)制技術(shù)相比，該技術(shù)有著電壓利用率高、動(dòng)態(tài)性能好以及諧波抑制能力強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，被廣泛運(yùn)用到電機(jī)的矢量控制中。

文中采用空間電壓矢量調(diào)制的實(shí)現(xiàn)方式，主要參數(shù)方程為：

2 建模及GUI設(shè)計(jì)

2.1 模型搭建

由上述分析，根據(jù)式（1）和（2）可在Matlab/Simlink中建立風(fēng)速及風(fēng)輪部分仿真模型，如圖1所示。由式（3）～（5）可搭建出雙饋風(fēng)電機(jī)的仿真模型，在Simulink Library Browser的Simscape/Power Systems/Machines中有相應(yīng)的電機(jī)封裝模塊，只需在其中合理設(shè)置仿真參數(shù)便可直接進(jìn)行調(diào)用，在很大程度上可以提高建模的效率。