双馈异步风力发电机PID算法并网控制仿真项目

资 源 简 介

本仿真项目旨在构建一个完整的双馈异步风力发电系统模型，用于研究和优化风力发电机的并网运行稳定性。该模型集成了风轮机气动特性、机械传动系统、双馈感应电机以及背靠背双PWM变流器。项目的核心功能是通过矢量控制理论结合经典的PID控制算法，实现对发电机输出功率的解耦控制。 在转子侧变流器（RSC）控制策略中，利用定子磁场定向技术，通过调节转子电流的d轴和q轴分量，分别控制发电机的有功功率和无功功率，确保在不同风速下都能实现最优功率捕获。 在网侧变流器（GSC）控制策略中，采用电网电压定向矢量控制，维持直流母线电

详 情 说 明

双馈异步风力发电机(DFIG)基于PID算法的并网控制仿真项目

项目介绍

本项目是一个基于MATLAB环境开发的双馈异步风力发电机（DFIG）并网运行仿真系统。项目模拟了从风能捕获到电能馈入电网的完整物理过程，重点展示了双变流器架构下的矢量控制策略。通过集成风力机空气动力学模型、发电机数学模型以及基于PID算法的闭环控制器，该仿真能够准确模拟风电场在不同工况下的动态响应，是研究风力发电控制算法、电力电子变流器设计及PID参数整定的理想参考模型。

功能特性

• 高度集成的动力系统：完整包含了风速生成模块、风轮机捕获模型、传动系统机械模型以及双馈感应电机电磁模型。
• 高效控制算法：转子侧变流器（RSC）采用定子磁场定向控制（SFO），实现了发电机有功功率和无功功率的完全解耦。
• 稳定的直流侧管理：网侧变流器（GSC）实时监控并维持直流母线电压稳定，确保变流环节的能量平衡。
• 极大功率点跟踪 (MPPT)：程序根据最佳叶尖速比动态调整发电机功率指令，确保在额定风速以下捕获最大电能。
• 多工况动态仿真：支持阶跃风速、随机波动风速等多种输入模式，检验系统在突变环境下的鲁棒性。
• 自动化结果分析：仿真结束后自动生成六维可视化图表，涵盖转速、功率、转矩、电压以及电流波形，并提供运行简报。

系统要求

• 软件环境：MATLAB R2016b 或更高版本。
• 核心组件：基础MATLAB功能即可运行，无需额外的Simulink工具箱。
• 硬件建议：由于采用2e-4s的高精度步长，建议配备4GB以上内存以保证计算效率。

仿真实现逻辑说明

项目的运行逻辑严格遵循电力系统仿真的时间步进机制，主要步骤如下：

1. 系统参数初始化

程序首先定义了1.5MW大型风电机组的物理特性，包括电机定转子电阻电感、互感、惯性系数。同时设定了网侧电感和直流侧大电容参数。控制器的比例（Kp）和积分（Ki）增益针对转子侧和网侧四组控制环路进行了预设。

2. 仿真主循环

在每一个时间段（dt）内，程序依次执行以下计算任务：

• 物理环境计算：模拟风速随时间的变化逻辑。
• 空气动力学模拟：利用Cp特性曲线函数计算风轮机捕捉的机械功率，并推导出施加在发电机轴上的机械转矩。
• 功率与磁场定向：基于定子电压矢量位置，计算实时有功与无功功率。利用定子磁场定向技术，确定同步旋转坐标系下的d-q轴参考基准。

3. 控制器的分级实现

• RSC控制逻辑：首先执行MPPT算法计算目标有功功率指令，随后将功率指令转化为转子轴向电流指令（idr_ref/iqr_ref）。最后通过PID算法计算出所需的转子控制电压。
• GSC控制逻辑：以外环直流电压偏差作为输入，生成网侧有功电流指令，并维持网侧无功电流为零以实现单位功率因数。通过PID电流内环产生变流器补偿电压。

4. 物理状态方程求解

采用数值积分方法（欧拉法）求解电机的微分方程，包括转子电流的动态变化、转速的动态平衡以及直流母线电容的充放电过程。该部分是模拟电机物理特性的核心，确保了电流和速度随转矩变化的连续性。

关键算法与技术细节分析

矢量控制与解耦

项目核心采用了定子磁场定向控制。在仿真中，通过将定子磁链矢量定向在d轴，使得转矩（有功）由q轴电流控制，而励磁（无功）由d轴电流控制。这种方法克服了交流电机内部变量耦合严重的难题。

自适应风速模拟

算法通过条件分支语句实现了复合风速模型：

• 前1.5秒为恒定风速运行，验证初始稳定性。
• 1.5秒至2.5秒引入阶跃变化，观察系统对风能突变的跟踪速度。
• 2.5秒后引入正弦波动风速，模拟实际环境中的湍流特性。

直流母线电压控制

GSC控制器通过实时监测电容电压，动态调整从电网侧吸收或注入的电流。当转子侧产生的能量超过网侧消耗或输送时，控制器会自动增加网侧电流，从而保持电压在1200V的额定值附近，防止电力电子器件过压损毁。

结果处理技术

为了呈现高质量的仿真结果，项目实现了：

• 瞬时电流合成：通过反Park变换将dq轴直流分量映射回ABC三相瞬时值，用于展示并网点的高频电流波形。
• 标幺化处理：在视图输出时，将转速等关键指标转化为标幺值（pu），便于工程人员分析发电机是否运行在超同步或欠同步状态。

使用方法

1. 打开MATLAB软件，进入本项目所在的文件夹。
2. 直接运行主程序函数。
3. 等待仿真进度条完成（仿真时间为4秒）。
4. 仿真结束后，会自动弹出图形窗口展示仿真曲线。
5. 在MATLAB命令行窗口查看系统的最终运行统计简报。