奥尔堡大学Simulink风电系统建模仿真工具箱

资 源 简 介

该工具箱由丹麦奥尔堡大学（Aalborg University）开发，是专门针对风力发电系统建模与仿真的高级专业仿真软件包。其核心功能涵盖了从风资源模拟到电力系统接入的全过程，内置了高精度的风速随机模型（包含湍流风速发生器）、气动叶轮模型、机械传动链模型（如两质量块模型），以及多种主流风力发电机组模型，如双馈感应电机（DFIG）和永磁同步电机（PMSG）。在能量转换与控制层面，工具箱提供了详实的功率变换器拓扑及对应的控制算法，包括但不限于最大功率点跟踪技术（MPPT）、变桨距控制策略、转子侧与网侧变换器的

详 情 说 明

基于Matlab的丹麦奥尔堡大学（AAU）风电仿真工具箱实现

项目介绍

本项目是基于丹麦奥尔堡大学（Aalborg University）风电研究逻辑开发的数值仿真程序。该工具箱旨在提供一个高精度的风力发电系统建模环境，涵盖了从自然风资源建模、风轮气动转化、机械传动链动态到双馈感应发电机（DFIG）及其电力电子变换器控制的全过程。该程序特别适用于电力系统暂态稳定性分析、并网电能质量评估以及风电机组在极端工况下的响应研究（如低电压穿越）。

功能特性

1. 随机湍流风速模拟：内置基于Kaimal频谱特性的风速发生逻辑，模拟真实环境中的阵风和湍流。
2. 非线性气动响应：实现复杂的功率系数Cp曲线模型，考虑浆距角与叶尖速比的实时影响。
3. 双质量块轴系模型：模拟风轮与发电机之间的柔性传动特性，捕捉转轴颤振与机械应力。
4. 解耦矢量控制：基于定子磁链定向的DFIG控制算法，实现有功、无功功率的独立调节。
5. LVRT故障模拟：内置变电站侧电压跌落模块，用于分析机组的低电压穿越能力。
6. 全面数据可视化：自动生成功率、转速、电压及定子电流的高频波形图，并包含谐波分析（FFT）。

使用方法

1. 环境准备：确保计算机已安装Matlab R2016b或更高版本，并安装了Signal Processing Toolbox（信号处理工具箱）。
2. 参数配置：在主程序脚本的初始化区域，用户可根据需要调整风轮半径、发电机额定参数以及PI控制器的增益系数。
3. 运行仿真：直接运行主脚本函数。程序将根据预设的10秒时长进行数值积分运算。
4. 结果查看：仿真结束后，系统将自动弹出六个子图，展示风速变化、转速响应、功率动态、并网电压、故障电流波形及频谱分布。

系统要求

• 操作系统：Windows 10/11, macOS, 或 Linux。
• 软件平台：Matlab 2018a 及以上版本。
• 硬件建议：4GB以上内存，主频2.0GHz以上处理器，以确保高频采样下的仿真流畅度。

核心实现逻辑与算法说明

该工具箱通过一个高度集成的数值循环，实现了风电系统的全物理过程模拟，具体逻辑如下：

#### 1. 物理参数与环境定义 仿真始于对5MW典型风电机组物理特性的定义。程序将模型缩放至2MW DFIG级别，设置了详细的定转子电阻、漏感及互感参数，并建立了基于额定功率和电压的标幺化（pu）基准值系统，为后续的解耦控制打下基础。

#### 2. 湍流风速生成算法 风速模型并非简单的恒定值，而是通过随机游走序列结合一阶低通Butterworth滤波器生成。这种方法能够模拟出具有0.2Hz截止频率的低频脉动特性，真实还原了空气动力学中的随机干扰。

#### 3. 气动与机械动力学

• 气动模型：利用包含指数项的非线性方程计算功率系数Cp。该模型实时输入叶尖速比（lambda）和浆距角（beta），计算捕捉到的机械转矩。
• 传动链模型：放弃了单质量块简化模型，采用了由风轮惯量、发电机惯量、传动轴刚度和阻尼组成的两质量块方程。通过数值微分求解风轮与发电机之间的相对转角，捕捉到了由于齿轮轴刚性引起的转速波动。

#### 4. 变桨距控制策略 当发电机转速超过额定参考值（1.2倍电网频率对应的同步转速）时，PI控制器激活。它通过调整浆距角beta来减小风能捕获，将转速限制在安全范围内，体现了大型风机在高风速下的主动防御机制。

#### 5. DFIG电磁与控制逻辑

• 电磁模型：在旋转dq坐标系下建立定子和转子的磁链与电压微分方程。考虑了定转子间的强耦合特性，通过求解四阶微分方程（dids, diqs, didr, diqr）更新电流状态。
• RSC控制（转子侧变换器）：实现了定子磁链定向控制。其中d轴用于控制无功功率，q轴基于最大功率点跟踪（MPPT）逻辑生成的转矩参考值直接控制有功功率。虽然控制律在代码中进行了简化实现，但保留了双闭环PI调节的核心思想。

#### 6. 电网故障与LVRT响应 仿真在5.0秒至5.5秒区间内模拟了一个30%幅度的对称电压跌落。这一模块用于观察DFIG在电网扰动下的暂态电流冲击、转矩震荡以及在故障清除后的恢复能力。

#### 7. 高级后处理与信号分析 仿真末端集成了信号处理功能。除了展示时域响应外，还针对定子相电流进行了快速傅里叶变换（FFT），分析在PWM调制（模拟效果）及非线性负载影响下的谐波分布，为电能质量评估提供依据。

关键函数与计算细节解析

• 数值积分：采用前向欧拉法（Forward Euler）进行状态空间方程的迭代计算，仿真步长设定为0.2毫秒（5000Hz采样），足以捕捉电磁暂态过程。
• MPPT算法：根据实时风速与最佳叶尖速比反向推算参考转矩，确保机组在额定风速以下始终运行在最高效率点。
• 坐标变换：在输出阶段，通过dq逆变换将旋转坐标系下的电流信号还原为三相交流相电流，便于工程人员直观分析电流畸变。