基于MATLAB/S IMULINK的感应发电机风力发电系统设计与建模

G. Hima Bindu¹， P. Nagaraju Mandadi博士²

PG学生[EPS]， EEE系，Sree Vidyanikethan工程学院，蒂鲁帕蒂，安得拉邦，印度
印度安得拉邦蒂鲁帕蒂市Sree Vidyanikethan工程学院EEE系教授

摘要

本文介绍了基于三种不同感应发电机的风力发电系统的性能比较。本文所研究的三种感应发电机分别为鼠笼式感应发电机(SCIG)、双馈感应发电机(DFIG)和双馈感应发电机单侧并网。比较了SCIG、DFIG和DFIG在单侧并网系统中的性能。机器的SEF-DFIG定子与直连电网连接，转子由逆变器控制，无需任何外部电源。本文将所提出的方案应用于风力发电机组，在MATLAB/SIMULINK环境下对感应发电机的设计和建模进行仿真

关键字

双馈感应电机，现场导向控制方案，风力发电系统。

I.INTRODUCTION

随着化石燃料的短缺和全球对环境可持续性的关注，对可再生能源的需求正在稳步增长。风能转换系统一般接入电网，提供电力，以补充其他使用化石燃料或核能发电系统的基础电力。对可再生风能的日益重视引起了对更可靠和更有利的发电机系统的更多关注。感应发电机系统由于其优于同步发电机的优点，在风力发电系统中得到了广泛的应用和研究。感应发电机是一种异步发电机，它是交流发电机的一种。感应发电机通过机械转动转子的速度快于同步速度来运行。这些都是有用的应用，如小型水力发电厂和风力涡轮机。感应发电机在机械上和电气上都比其他类型的发电机简单。感应发电机特别适合风力发电站，因为在这种情况下，速度总是一个可变因素。与同步电动机不同，感应发电机依赖于负载，不能用于电网频率控制。 The straightforward power conversion technique using squirrel-cage induction generator (SCIG) is widely accepted in fixed-speed applications with less emphasis on the high efficiency and control of power flow. Another major problem with SCIG power system is the source of reactive power. On the other hand, the doubly fed induction generator (DFIG) with variable-speed ability has higher energy capture efficiency and improved power quality. With the advent of power electronic techniques, a back-to-back converter, which consists of two bidirectional converters and a dc link, acts as an optimal operation tracking interface between generator and grid.

虽然该系统具有鲁棒性强、可靠性高、维护成本低的优点，但其缺点是机器转速和发电量不可控，仅由风速决定。这些类型的WECSs可以减少由于风速变化引起的功率波动，也可以实现最大功率点跟踪(MPPT)，因为背对背脉冲宽度调制(PWM)转换器控制产生的功率。本文提出了一种采用转子侧逆变器的DFIG (SEF-DFIG)单次外馈电结构。转子侧逆变器所消耗的功率由连接到电网的定子绕组提供。由于SEF-DFIG还可以像常规DFIG一样控制风力发电机的转矩、功率和转速，并以变速方式运行，调节各种风速下的发电量。本文的重点是对三种感应发电机风力发电系统进行建模比较。

2Scig风力发电系统

SCIG系统的原理图，包括风力涡轮机，螺距控制，无功补偿器。整个系统包括将风能从风力涡轮机输送到电网的三个阶段。第一阶段是低电压的风电场阶段，第二阶段是中压的配电阶段，第三阶段是高电压的电网输电阶段。三相变压器负责级与级之间的接口。如前文所述，将标称功率Pn SCIG作为调节桨距角的有功功率参考，Vdis和Idis表示配电线路电压和相电流，并对其进行监测，以促进配电线路的无功功率补偿。这种相当直接的技术最初被使用，因为它简单，结构坚固，运行可靠，成本低。然而，风力机的定速特性和潜在的电压不稳定问题严重限制了风力机的运行。由于SCIG是定速发电机，对于特定的风速，输出有功功率也是固定的。因此，随着风速的增大，输出功率也随之增大，直到达到标称功率为止。此时的风速称为标称风速。

采用比例积分(PI)控制器控制桨叶螺距角，将输出功率限制在标称机械功率范围内。当测得的电力输出功率低于其标称值时，螺距角保持在零度不变。当它增加到其标称值以上时，PI控制器增加俯仰角，将测量功率带回其标称值。

3Dfig风力发电系统

风力发电系统采用动态转差控制实现变速运行，转子绕组连接可变电阻，通过变电阻[1]、[3]控制转差。这种系统可以实现有限的发电机转速变化，但仍然需要外部无功电源，为了完全消除无功补偿，实现有功和无功功率的独立控制，DFIG风力发电系统是[1]、[3]、[7]风力发电应用中最常用的方法之一。特别地，提出了包含RL系列扼流圈的定子侧变换器控制。转子侧和定子侧变换器电压的控制都由电流调节部分和交叉耦合部分组成。风力机驱动DFIG风力发电系统由缠绕转子感应发电机和基于交流/dc/ac绝缘栅双极晶体管(IGBT)的脉宽调制(PWM)变换器(背对背变换器与电容直流链路)组成，如图3所示。在这种配置中，背对背变换器由定子/电网侧变换器和转子侧变换器两部分组成。两者都是使用igbt的电压源转换器，而两个转换器之间的电容作为直流电压源。

iv . self - dfig风力发电系统

在SEF-DFIG风力发电系统中，与DFIG风力发电系统相同，但电机定子连接到直连电网，转子控制直接连接到逆变器，没有任何永恒电源。这被称为单外馈电的DFIG使用一个额外的电网功率转换器来调节转子功率;但在SEF-DFIG中，电网的外部电源只连接到定子绕组。由于这一特点，转子侧逆变器可以集成在转子上，没有任何滑环。

五、仿真结果

图6为上述SCIG风力发电系统Simulink模型中发电机转速、有功功率、无功功率和桨距角的风阶响应。

图(7)和图(8)为SCIG风电系统的电压、电流、有功功率和无功功率。

图(10)和(11)显示了直流链路电压、转子转速、有功功率和无功功率的风力机阶跃响应。

V.CONCLUSION

进行仿真比较的感应电机有:鼠笼式感应发电机(SCIG)、双馈感应发电机(DFIG)和单侧并网双馈感应发电机(DFIG)。在MATLAB/SIMULINK环境下对这些感应发电机进行了建模和仿真。比较了SCIG、DFIG和DFIG在单侧并网系统中的性能。在本文中，为将所提出的方案应用于风力发电机组，分析了设计和建模比较。

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