双馈风电系统的建模仿真研究与设计

王坤 周克

摘 要：双馈风电系统的建模仿真对其运行原理、故障诊断及预测等研究具有很大便利性。文中在对风电系统数学模型进行分析和理论阐述的基础上，在Matlab/Simulink中建立其正常动态下的仿真模型，并通过加入故障块实现转子短路故障的仿真;通过将模型整体进行Mask封装设计其GUI和代码生成的方式，提高模型的便捷性和可移植性，便于仿真不同参数的系统和实现结合嵌入式等系统进行研究使用。通过仿真结果表明，文中所建模型具有很好的合理性及适用性，能很好仿真双馈风电系统的实际运行情况，可为风电系统的研究提供一个良好的模型基础。

关键词：双馈风电系统;Matlab/Simulink;转子短路故障;GUI文章编号：2095-2163（2019）04-0055-06 中图分类号：TM315 文献标志码：A

0 引 言

双馈式风力发电由于其变速恒频的优越性能，成为目前中大型风电机场的主流系统。对其控制策略以及对轴承、风电机等部件的故障诊断与预测一直是研究的热点[1]。在许多情况下，实际的物理系统不便于直接进行研究使用，故而常常需要通过建模仿真的形式来对建立的算法理论进行验证和优化。

目前，对于风电系统的建模主要有基于GH Bladed、Matlab/Simulink、Ansys以及PSCAD等[2]。其中，GH Bladed侧重的是风机的性能及载荷计算方面设计、Matlab/Simulink偏向于控制算法的验证以及理论的研究、Ansys主要便于电磁分析以及对电机内部的设计研究、PSCAD则侧重于电磁暂态的仿真与计算。文中选用熟悉度广、可移植性强的Matlab/Simulink作为建模平台，其模块库中含有大量封装模块可直接进行调用，非常便于模型的搭建。在大多数对风电系统研究的文献中，较多的是着重于控制策略的对比及优化研究，比如文献[3]和[4];对于系统的建模方面，如文献[5]、[6]等仅對PWM整流器部分的实现及控制策略展开了探讨，却并未考虑整个风电系统模型;文献[7]、[8]等虽对整个风电系统进行了分析研究，但对于模型仿真的便捷性和模型的可移植性未加考虑，对于模型的后续研究使用等较为不便。

由此，文中在保证模型合理性的前提下，最大程度上利用Simulink中相应的封装模块来调节参数、并构建双馈风电系统的整体模型，以降低建模过程的复杂性、提高建模效率;接下来，通过设计GUI的方式实现模型仿真的简便运行、参数的快速修改和仿真数据的直接保存;最后对模型进行仿真，验证了模型的合理性、正确性，同时也一并给出了模型的生成代码，提高模型的可移植性。对此拟做阐释详述如下。

1 数学模型

1.1 风速及风轮方程

整个双馈风电系统可大致分为：风能转化为机械能部分、机械能转化为电能部分和控制转化过程部分，主要包括风轮、驱动链、发电机及控制器等。

风速带有很大的随机性，其变化受地区、天气、时间、季节以及地形等多种因素影响。常用的模型有：

（1）采用紊流和平均风相结合来模拟的风速[9]。

（2）采用阶跃风、平均风、随机风及阵风等进行组合模拟的风速。

根据研究侧重点的不同，可以得出相应的组合选择。文中将要仿真双馈电机的转子短路故障，故而简化风速模型，尽可能不考虑风速随机特性对故障的影响，这里就采用了阶跃风的形式，即：

风轮是将风的动能转化为机械能的部件，是整个系统能量转化的开始，主要用于将风能转变为机械转矩Tm输出到双馈电机中。相应的参数方程为：

在一般情况下，并不需要研究齿轮箱的机械性能及应力分布情况，所以通常可简化模型使其作用等效于其齿轮增速比kgear的值。

1.2 双馈风电机方程

风电机是将风轮所产生的机械能转化为电能的核心设备，可以通过输入的风轮转矩计算出相应的电参量。为便于系统的分析和模型搭建，通常对双馈电机做出如下假设[8]：

（1）不计温度、频率对电机相应参数值的影响，忽略空间谐波、磁饱和及铁芯损耗。

（2）定、转子绕组对称分布，采用Y型连接且自感和互感为固定值。

（3）转子侧皆折算至定子侧且折算后绕组匝数比为1。

由于常规三相坐标下双馈风电机数学模型的非线性、多变量和强耦合性等特点[10]，在求解分析过程中非常繁琐，通常采用坐标变换的方式进行解耦处理，以简化参数方程便于系统的建模分析，同时实现对系统的矢量控制，文中采用Park变换（即3s/2r变换），经变换后的双馈电机电压方程为：

1.3 控制系统方程

功率变换器是实现双馈风电系统变速恒频的关键部件[11]，目前多是采用背靠背型双PWM的部分功率变换器，分为转子侧变换器（RSC）和网侧变换器（GSC）两部分。其中，RSC主要完成变速恒频的控制方案，实现对有功功率P和无功功率Q的解耦以及为双馈电机提供励磁，GSC主要保证直流母线DC的电压稳定和单位功率因数运行，以便有良好的电流输入性能。

文中采用三相电压型变换器，网侧PWM采用基于网侧电压定向的矢量控制方式，转子侧PWM采用基于定子磁链定向的矢量控制方式。定向后主要的参数方程为：

空间矢量脉宽调制（Space Vector PWM， SVPWM）是根据变换器空间电压或电流矢量切换来操纵变换器各种功能作用的一种控制方式[9]。而与其它的调制技术相比，该技术有着电压利用率高、动态性能好以及谐波抑制能力强等一系列优点，被广泛运用到电机的矢量控制中。

文中采用空间电压矢量调制的实现方式，主要参数方程为：

2 建模及GUI设计

2.1 模型搭建

由上述分析，根据式（1）和（2）可在Matlab/Simlink中建立风速及风轮部分仿真模型，如图1所示。由式（3）～（5）可搭建出双馈风电机的仿真模型，在Simulink Library Browser的Simscape/Power Systems/Machines中有相应的电机封装模块，只需在其中合理设置仿真参数便可直接进行调用，在很大程度上可以提高建模的效率。