基于DFIG的双馈风力发电系统建模与仿真项目

资 源 简 介

该项目旨在MATLAB/Simulink环境下搭建一套完整且高性能的双馈感应发电机（DFIG）风力发电系统仿真平台。该系统集成了风力机气动模型、机械传动模型、绕线式异步发电机模型以及采用背靠背双PWM变流器的功率控制模块。其核心功能在于实现风能捕获的最优化处理，即通过最大功率点跟踪（MPPT）算法根据风速动态调整发电机转速。系统采用了定子磁链定向的矢量控制策略，实现了定子有功功率和无功功率的完全解耦操作，确保了并网运行时的功率因数自由可调。同时，该项目深入研究了变流器的控制逻辑，包括网侧变流器的直流电压稳

详 情 说 明

基于DFIG的双馈风力发电系统建模与仿真分析项目

项目介绍

本项目提供了一个在MATLAB环境下实现的双馈感应发电机（DFIG）风力发电系统综合仿真平台。该平台通过数学建模模拟了风力发电核心组件的电磁与机械动态过程，包括风力机、DFIG发电机、背靠背变流器及其控制系统。项目重点展示了双馈发电机在变速运行下的最大功率捕获能力，以及在电网电压扰动下的动态响应特性。此仿真模型适用于电力系统自动化、可再生能源接入及电机控制理论的验证研究。

功能特性

• 全系统动态模拟：集成了从风能捕获到电网接入的完整物理链路，包含风力机气动特性、机械传动系统、DFIG感应发电机电磁方程以及直流母线动态。
• 最大功率点跟踪（MPPT）：通过实时监测风速并根据最佳叶尖速比调整发电机转速参考值，确保在不同风速下捕获最大风能。
• 定子磁链定向矢量控制：机侧变流器（RSC）采用定子磁链定向策略，实现了定子有功功率（转矩）与无功功率（励磁电流）的完全解耦控制。
• 直流电压稳定控制：网侧变流器（GSC）通过直流电压环和电流环控制，维持直流母线电压稳定，并确保单位功率因数并网。
• 低电压穿越（LVRT）模拟：具备模拟电网电压骤降的能力，可观察系统在故障期间的功率波动、电流响应及稳定性表现。
• 高性能数值仿真：采用高采样频率的离散化迭代算法，能够精确捕捉电磁暂态过程，并提供丰富的多维度结果可视化图表。

系统要求

• 软件版本：MATLAB R2020a 或更高版本（需包含计算及绘图基础工具箱）。
• 硬件建议：建议 8GB RAM 或以上，以确保长序列仿真绘图的流畅度。

实现逻辑与功能说明

项目主程序通过逐周期迭代的方式模拟了物理系统的真实运行逻辑，具体步骤如下：

1. 参数配置与初始化 系统初始化了1.5MW额定功率发电机的电磁参数（电阻、自感、互感等）、风轮几何参数（半径、空气密度）以及变流器的控制参数（PI增益）。同时预设了仿真步长和时间轴。

2. 环境干扰模拟 代码中内置了两种动态干扰：

• 风速突变：在仿真1.0秒时引入风速阶跃，测试系统的动态跟踪性能。
• 电压跌落：在1.8秒至2.2秒区间，将电网电压幅值强行降至额定值的20%，用于评估系统的低电压穿越能力。

3. 风力机气动模型 基于经典$C_p$曲线公式计算风能利用系数。通过叶尖速比（$lambda$）和桨距角的非线性关系确定机械转矩输出，并利用最优叶尖速比算法生成MPPT转速参考信号。

4. 机侧变流器(RSC)控制逻辑

• 转速环：利用PI控制器根据MPPT给出的参考转速生成电磁转矩指令。
• 电流环：在$dq$旋转坐标系下，通过定子磁链定向，将$q$轴电流关联转矩、$d$轴电流关联定子无功。包含前馈补偿项以消除旋转电动势的耦合影响。

5. 网侧变流器(GSC)与直流侧动态 模拟了直流电容的能量平衡。根据网侧输送功率与转子侧吸收功率的差值，动态更新直流母线电压，并通过电压外环维持其在设定参考值（1150V）。

6. DFIG物理模型求解 这是仿真的核心部分，程序直接求解了DFIG在$dq$坐标系下的四阶微分方程（定转子电压方程）。通过矩阵计算得出$i_{sd}, i_{sq}, i_{rd}, i_{rq}$的导数，并利用欧拉法进行数值积分计算下一时刻的电流状态，同步更新电磁转矩和机械运动方程。

关键算法与实现细节分析

• 矢量控制解耦算法：在RSC控制模块中，通过精准的坐标变换和定子磁链近似计算，实现了“电流-转矩”的线性映射。代码中显式包含了前馈补偿项（如 u_rd_ff 和 u_rq_ff），这是实现高性能动态响应的关键，能够抵消转子旋转产生的互感电动势。
• 电磁暂态计算：模型未使用标准的简化代数方程，而是构建了包含漏感和互感的全动态行列式（det = Ls*Lr - Lm^2）。这种实现方式允许系统捕获转子电流在一个开关周期内的细微波动，非常适合分析电网故障时的电磁冲击。
• 变步长思维的定步长迭代：虽然采用固定步长 dt，但10kHz的采样率足以模拟毫秒级的电磁响应。通过对状态变量（电流、转速、电压）的递归更新，确保了仿真结果的收敛性和物理意义的准确性。
• 能量流分析：模型不仅关注电流控制，还实时计算定子有功/无功功率（$P_s, Q_s$）以及转子侧的功率流动。通过将 $P_{rsc}$ 反向作用于直流母线，完整还原了双馈系统四象限运行的能量交换特征。