双PWM风力发电并网变流器IGBT仿真模型

资 源 简 介

本系统旨在模拟风力发电系统中并网变流器的核心运行机制，采用基于IGBT功率开关管的背靠背双PWM（脉宽调制）变流器架构。该系统由机侧变流器（MSC）和网侧变流器（GSC）通过共同的中间直流电容环节耦合而成。机侧变流器的主要功能是根据实时风速变化，通过磁场定向控制或矢量控制策略调节发电机的输出转矩和转速，从而实现最大功率点跟踪（MPPT），确保发电机从风力机捕获最大风能。网侧变流器的核心功能在于维持中间直流侧电压的稳定，并将机侧产生的电能以高质量的交流形式回馈至电网。其内部集成了锁相环（PLL）技术以保证变

详 情 说 明

项目介绍

本项目提供了一个基于MATLAB开发的风力发电并网变流器全链路仿真系统。该系统模拟了永磁同步发电机（PMSG）在风力驱动下的发电过程，以及通过背靠背（Back-to-Back）双PWM变流器将电能输送至电网的核心技术。系统重点展示了功率开关器件在复杂电力电子控制下的运行机制，涵盖了从捕获风能到电网同步交互的完整物理过程和控制逻辑。

功能特性

1. 包含完整的风力机物理特性模拟，支持风速的阶跃变化响应。
2. 实现了永磁同步发电机（PMSG）的动态数学模型，包括机械转动惯量和电磁感应。
3. 具备最大功率点跟踪（MPPT）功能，根据风速自动调节发电机运行转速。
4. 网侧变流器采用直流电压外环和电流内环的双闭环控制，确保母线电压稳定。
5. 采用锁相环（PLL）技术，实现变流器输出与电网电压的频率及相位实时同步。
6. 利用dq轴矢量控制技术，实现了有功功率和无功功率的完全解耦。
7. 系统自带离线总谐波失真（THD）分析功能，用于评估并网电流质量。
8. 提供了丰富的可视化图表，展示转速、电压、电流矢量、功率及相位同步效果。

使用方法

1. 启动MATLAB软件。
2. 将主仿真程序脚本载入工作路径。
3. 直接运行仿真脚本。程序将自动初始化各项物理参数与控制器增益。
4. 仿真结束后，系统将自动生成六个子图组成的交互界面，展示系统从启动到稳态、以及在风速突变下的动态响应结果。
5. 用户可以通过修改程序开头的参数设置部分（如电感、电容、PI增益等）来研究不同硬件配置对系统稳定性的影响。

系统要求

1. 环境：MATLAB R2016b 或更高版本。
2. 工具箱：基础MATLAB环境即可运行，无需额外的Simulink模块，所有物理模型与控制算法均采用数值积分实现。
3. 性能：建议内存4GB以上，主频2.0GHz以上处理器。

实现逻辑说明

系统的核心运行逻辑基于离散时间步长的欧拉数值积分法（Euler Method），在每一个采样周期内完成以下闭环计算流程：

1. 环境驱动逻辑：根据预设的时间矢量模拟风速输入，在仿真中途引入风速阶跃，以测试系统的抗扰动能力。
2. 捕获逻辑：根据风力机特性计算最优转速指令，通过机械性能方程模拟风力机产生的机械转矩。
3. 电网同步逻辑：利用网侧a-b-c三相电压的瞬时值推导alpha-beta分量，通过软件锁相环（PLL）锁定旋转坐标系相位，确保控制算法的参考系与电网严格一致。
4. 控制算法执行：

- 机侧控制：通过速度环生成q轴电流参考值，结合id=0控制策略，经由电流内环生成机侧电压控制指令。 - 网侧控制：通过直流电压环生成d轴电流参考值（控制有功），设定q轴电流参考值为0（控制无功），经由解耦电流控制生成网侧电压控制指令。

1. 物理模型更新：

- 发电机模型：根据定子电压方程和转矩方程更新定子电流和电机转速。 - 变流器与电感模型：根据变流器输出指令与电网电压之差，更新网侧电感电流。 - 直流母线模型：根据机侧与网侧的瞬时功率差值，动态更新中间支撑电容的电压。

1. 后处理逻辑：对并网稳态电流数据进行快速傅里叶变换（FFT），计算波形畸变率。

关键算法与细节分析

1. dq轴解耦控制：在电流环中引入了前馈补偿项，抵消了d轴与q轴之间因电感耦合产生的交叉干扰项，从而实现了有功和无功的独立控制。
2. 功率均衡策略：直流母线电压的稳定依赖于机侧输入功率与网侧输出功率的动态平衡。系统通过实时调整网侧有功电流指令值，补偿电容能量的变化。
3. 锁相环（PLL）实现：采用基于q轴电压反馈的PI调节逻辑，通过不断修正旋转频率使q轴电压分量归零，从而精确提取电网相位。
4. 物理参数模拟：系统设定了高频采样频率（20kHz）以模拟IGBT的开关特性，确保数值积分在处理电感电流微分方程时的收敛性和准确性。
5. 简化SVPWM思想：控制输出采用了基于平均值物理模型的电压矢量控制，模拟了脉宽调制对电压合成的效果。