基于Simulink的三相风力发电并网仿真系统

资 源 简 介

本项目利用MATLAB/Simulink平台构建一个完整的三相风力发电全流程仿真系统，旨在模拟从自然风力捕获到转换为电能并接入交流电网的复杂物理过程。系统核心包含风速模拟模型、风力机空气动力学模型、传动链模型、三相发电机模型（如永磁同步发电机PMSG或双馈感应发电机DFIG）以及电力电子变换器接口。该项目的核心功能涵盖了最大功率点跟踪（MPPT）策略的实现，通过实时调整发电机电磁转矩或桨距角，确保在不同风速条件下均能捕获最大机械能。此外，系统内置了高性能的并网控制策略，利用矢量控制技术对机侧和网侧变换器进

详 情 说 明

三相风力发电并网系统仿真项目说明文档

项目介绍

本项目是一个基于MATLAB开发的三相风力发电并网系统仿真程序。通过数学建模与数值计算，该项目完整地模拟了从自然风力捕获到永磁同步发电机（PMSG）能量转换，再到通过电力电子变换器接入交流电网的全过程。程序不仅涵盖了复杂的空气动力学模拟，还实现了高性能的控制算法，包括最大功率点跟踪（MPPT）和矢量控制策略。该项目特别适用于风电系统的控制策略验证、能量流向分析以及电能质量（如谐波失真）的初步评估。

功能特性

1. 动态风速模拟：支持稳定风速、阶跃风速变化以及带有正弦波动的阵风模拟，用于测试系统在不稳环境下的鲁棒性。
2. 风力机特性建模：内置Cp-Lambda空气动力学模型，能够准确反映风力机在不同叶尖速比下的捕获效率。
3. 全解耦控制策略：机侧变换器采用id=0的矢量控制实现转速调节与MPPT；网侧变换器采用双闭环控制实现直流母线电压稳定及单位功率因数并网。
4. 电力电子建模：包含直流母线（DC-Link）的动态能量平衡模型及L型滤波器的物理演化方程。
5. 电能质量分析：程序内置了结果可视化模块和FFT频率分析功能，能够实时计算并网电流的总谐波失真（THD）。
6. 物理系统演化：利用一阶欧拉法对发电机电磁方程、机械转动方程及电路微分方程进行数值求解，无需依赖Simulink框架即可运行。

使用方法

1. 启动MATLAB软件。
2. 将包含主仿真脚本的项目文件夹设置为当前工作路径。
3. 在命令行窗口输入主函数的名称并回车，或者直接点击运行按钮。
4. 程序将自动执行仿真循环，并在执行完毕后弹出包含风速响应、转矩分析、直流电压波动、功率输出、并网波形及频谱分析的六路对比图。
5. 在MATLAB控制台查看额定风速下的平均功率、电压脉动幅度及THD等统计数据。

系统要求

• MATLAB R2016b 或更高版本。
• 基础MATLAB运行环境，无需安装额外的控制系统工具箱或电力系统工具箱（Simscape/Simulink）。

系统实现逻辑说明

仿真程序按照物理时间步长（Ts = 0.0001s）进行顺序求解，核心逻辑如下：

1. 参数定义：初始化空气密度、叶轮半径、发电机定转子参数（电阻、电感、磁链）、滤波器参数及控制器PID增益。
2. 风速产生：根据时间轴生成包含0.5s阶跃和1.2s后阵风扰动的风速序列。
3. 机械能捕获：通过叶尖速比计算Cp系数，进而得到风力机捕获的机械转矩Tm。
4. 机侧控制（MSC）：

* 利用最佳叶尖速比计算参考转速，实现MPPT功能。 * 通过速度外环PID生成q轴电流参考值。 * 电流内环PID配合前馈解耦技术，计算机侧dq轴控制电压。

1. 直流链路动态：计算发电机产生的电磁功率输出与网侧输出功率的差值，更新直流母线电容电压。
2. 网侧控制（GSC）：

* 电压外环维持直流母线稳定在800V。 * 电流内环控制d轴电流（有功）和q轴电流（无功，设为0以保证单位功率因数）。 * 采用坐标变换同步电网相角，重建三相输出。

1. 数值求解：应用一阶欧拉法更新机械转速、定子电流、直流电压和并网电流的微分状态。

关键函数与算法分析

• MPPT算法：基于最佳叶尖速比（lambda_opt）控制。程序根据当前风速实时计算发电机应达到的目标转速，通过调节电磁转矩使设备保持在Cp曲线的顶点。
• 矢量控制（FOC）：在同步旋转dq坐标系下对电流进行控制。机侧通过ids=0减小铜损并简化控制；网侧利用电网电压矢量定向，实现有功与无功的独立解耦控制。
• 前馈解耦技术：在电流环中加入了ωLi项的补偿，抵消了dq轴之间的耦合电动势，显著提升了系统的动态响应速度。
• 空间矢量重建：通过逆Park变换和逆Clarke变换的数学等效实现，将旋转坐标系下的控制变量还原为时域的三相正弦并网电流。
• 频谱分析算法：利用快速傅里叶变换（FFT）对系统进入稳态后的电流波形进行采样，计算基波与各次谐波的能量分布，最终得出THD数值。