手把手教你学Simulink--风电电机控制场景实例：基于Simulink的DFIG有功/无功功率解耦控制仿真

手把手教你学Simulink

一、引言：为什么“双馈感应发电机**（DFIG）

二、DFIG 功率控制原理

1. 定子功率表达式（静止坐标系）

2. 定子磁链定向（SFO）——关键一步！

三、系统架构总览

四、关键参数设定（1.5 MW DFIG）

五、Simulink 建模全流程

第一步：搭建 DFIG 主电路（Simscape Electrical）

第二步：实现定子磁链定向（SFO）

步骤：

第三步：设计 RSC 功率解耦控制器

控制结构（双闭环）：

前馈解耦补偿（关键！）：

反Park 变换：

第四步：GSC 控制器（辅助但重要）

第五步：设置仿真工况

六、仿真结果与分析

关键波形（3–8 s）

七、工程实践要点

1. 磁链观测器改进

2. 参数敏感性

3. 电网电压不平衡

八、扩展方向

1. 结合 LVRT

2. 多目标优化

3. 数字孪生应用

九、总结

核心价值：

附录：所需工具箱

手把手教你学Simulink--风电电机控制场景实例：基于Simulink的DFIG有功/无功功率解耦控制仿真

手把手教你学Simulink

——风电电机控制场景实例：基于Simulink的DFIG有功/无功功率解耦控制仿真

一、引言：为什么“双馈感应发电机**（DFIG）

DFIG结构优势：
- 定子直接并网，转子通过背靠背变流器接入电网
- 变流器仅处理滑差功率（25–30%额定）→ 成本低 ✅
- 可独立调节有功与无功功率→ 支撑电网电压 ✅
控制难点：
- DFIG 是强耦合、非线性系统
- 转子电流 idr,iqr 同时影响定子有功 Ps 和无功 Qs
- 若不解耦，调节 Ps 会扰动 Qs，反之亦然 ❌

“既要发好电，又要稳住压——DFIG 的双重使命。”

✅解决方案：基于定子磁链定向的矢量控制（Vector Control）

核心思想：将三相交流量变换到同步旋转坐标系，通过前馈补偿消除耦合项，实现 Ps 与 Qs 的独立、快速控制。

🎯本文目标：手把手教你使用 Simulink 搭建DFIG 风电系统 + 有功/无功功率解耦控制器，涵盖：
DFIG 机电模型
定子磁链定向（Stator Flux Orientation）
转子侧变流器**（RSC）** 功率解耦控制律
网侧变流器**（GSC）** 直流母线稳压与单位功率因数控制
最终实现：在风速突变或无功指令阶跃下，有功功率响应时间 < 100 ms，无功功率超调 < 5%，两者互不干扰，满足风电并网调度要求。

二、DFIG 功率控制原理

1. 定子功率表达式（静止坐标系）

PsQs=vdsids+vqsiqs=vqsids−vdsiqs

⚠️ 强耦合！无法直接用 ids,iqs 独立控制 Ps,Qs

2. 定子磁链定向（SFO）——关键一步！

令同步旋转 d-q 坐标系的d 轴对齐定子磁链矢量：

ψqs=0,ψds=ψs≈ω1Vs(忽略 Rs)

此时定子电压近似为：

vds≈0,vqs≈Vs

代入功率公式，得解耦形式：

PsQs≈−23ω1LmVs⋅Lmiqr=Kp⋅iqr≈23ω1LmVs⋅(Lsids−ψs)=Kq⋅(ids−ids∗)

✅结论：
有功功率 Ps∝iqr
无功功率 Qs∝ids
→ 实现天然解耦！

三、系统架构总览

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[风速] → [风力机] → [DFIG] │ ┌───────────┴───────────┐ ▼ ▼ [转子侧变流器 RSC] ← [直流母线] → [网侧变流器 GSC] │ │ [功率解耦控制器] [V_dc 控制 + 单位PF] │ ├── P_s_ref → i_qr_ref └── Q_s_ref → i_dr_ref

🔁控制目标：
RSC：跟踪 idrref,iqrref → 控制 Ps,Qs
GSC：维持 Vdc 恒定，且网侧无功 Qg=0

四、关键参数设定（1.5 MW DFIG）

参数	符号	值
额定功率	—	1.5 MW
定子电压	Vs	690 V (rms)
极对数	p	2
定子电阻	Rs	0.012 pu
转子电阻	Rr	0.014 pu
定子漏感	Lls	0.12 pu
转子漏感	Llr	0.12 pu
励磁电感	Lm	3.2 pu
直流母线电压	Vdc	1100 V

💡 所有电感单位为标幺值（pu），基准：1.5 MVA, 690 V

五、Simulink 建模全流程

第一步：搭建 DFIG 主电路（Simscape Electrical）

拖入Asynchronous Machine pu Units模块
设置上述参数
连接：
- 定子 → 三相电网（690 V, 50 Hz）
- 转子 → RSC（通过Three-Phase Inverter (Average Model)）
- 直流母线 → GSC

第二步：实现定子磁链定向（SFO）

步骤：

测量定子三相电压 vabc,s
Clark 变换→ vαs,vβs
积分估算磁链（忽略 Rs）：
ψαs=−∫vαsdt,ψβs=−∫vβsdt
计算转子位置角：
θs=tan−1(ψαsψβs)
生成 Park/反Park 变换角度

✅ 使用Integrator,Trigonometric Function,dq0 to abc等模块实现

第三步：设计 RSC 功率解耦控制器

控制结构（双闭环）：

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[P_s_ref] ──► [K_p⁻¹] ──► i_qr_ref ──► (+) ──► PI_q ──► v_qr* ▲ │ │ ▼ [i_qr_meas] ◄── [Park Transform] [Q_s_ref] ──► [K_q⁻¹] ──► i_dr_ref ──► (+) ──► PI_d ──► v_dr* ▲ │ │ ▼ [i_dr_meas] ◄── [Park Transform]

前馈解耦补偿（关键！）：

在 PI 输出叠加解耦项：

vdr∗vqr∗=vdr,PI−ωr(Llr+Lm)iqr=vqr,PI+ωr(Llr+Lm)idr

💡 此项消除交叉耦合，实现真正解耦