基于Simulink的DFIG高电压穿越（HVRT）控制策略仿真

目录

手把手教你学Simulink

一、引言：为什么双馈风机必须具备“高电压穿越”能力？

二、HVRT 机理与挑战分析

1. 高电压下的 DFIG 动态

2. 能量不平衡问题

三、系统整体架构

三层防护策略：

四、Simulink 建模全流程

步骤1：DFIG 主电路与变流器

步骤2：HVRT 主动控制策略

A. 转子侧变流器（RSC）

B. 网侧变流器（GSC）

步骤3：被动保护电路建模

A. 转子 Crowbar

B. 直流母线 Chopper

步骤4：HVRT 协调状态机（核心）

步骤5：电网 HVRT 场景建模

五、系统参数设定

六、仿真场景设计

七、仿真结果与分析

1. 1.3 p.u. HVRT 响应（场景1）

2. 保护电路动作情况

3. 对比无 HVRT 控制

八、工程实践要点

1. 无功指令斜坡化

2. Crowbar 与 RSC 协同

3. 参数整定

九、扩展方向

1. 预测型 HVRT

2. 多机协同 HVRT

3. 结合储能

十、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高电压穿越（HVRT）控制策略仿真

手把手教你学Simulink

——风电电机控制场景实例：基于Simulink的DFIG高电压穿越（HVRT）控制策略仿真

一、引言：为什么双馈风机必须具备“高电压穿越”能力？

随着风电渗透率提升，电网规范（如GB/T 19963-2021、IEC 61400-21）不仅要求风机具备低电压穿越（LVRT），还强制要求高电压穿越（High Voltage Ride-Through, HVRT）能力：

📌中国标准要求：

• 电网电压升至1.3 p.u.（相电压 897 V）时，DFIG 必须持续并网运行 500 ms 以上
• 期间需提供感性无功电流支撑电网恢复

然而，DFIG 在高电压下极易脱网：

表格

✅HVRT 控制策略通过协同 RSC + GSC + 保护电路，实现：

• 抑制转子/直流母线过压
• 主动吸收感性无功
• 避免不必要的脱网

🎯本文目标：手把手教你使用 Simulink 搭建1.5 MW DFIG 风电系统，实现：

• 电网 1.3 p.u. 电压阶跃下的 HVRT 控制
• 转子 Crowbar 与 Chopper 协同保护
• 网侧变流器感性无功注入
  最终实现：在 1.3 p.u. / 500 ms 电压扰动下，机组不脱网，直流母线 < 1200 V，且提供 ≥ 0.2 p.u. 感性无功。

二、HVRT 机理与挑战分析

1.高电压下的 DFIG 动态

当电网电压 VsVs​ 突升：

• 定子磁链 ψs∝Vsψs​∝Vs​ 瞬间增大
• 转子感应电压：

vr≈−LmLsdψsdt−jsωsψsvr​≈−Ls​Lm​​dtdψs​​−jsωs​ψs​

• 第一项：电压突变 → 高频尖峰
• 第二项：稳态高电压 → 持续高压

⚠️ 转子电压可能超过 IGBT 耐压（通常 ±1200 V）

2.能量不平衡问题

• 定子向电网输出功率 Ps∝Vs2Ps​∝Vs2​ →骤增
• 但风能输入 PwindPwind​ 不变 →多余能量涌入直流母线
• 导致： CdVdcdt=Pgrid−Pgen<0CdtdVdc​​=Pgrid​−Pgen​<0 →VdcVdc​ 飙升

三、系统整体架构

text

编辑

[电网] → [定子] │ [DFIG] ←─ [转子侧变流器 RSC] │ ▼ [直流母线 Vdc] │ ▼ [网侧变流器 GSC] → [LCL] → [电网] │ ┌──────┴──────┐ ▼ ▼ [Crowbar] [Chopper 电阻]

三层防护策略：

1. 主动控制层（RSC + GSC）
2. 被动保护层（Crowbar + Chopper）
3. 协调逻辑层（状态机切换）

四、Simulink 建模全流程

步骤1：DFIG 主电路与变流器

• DFIG：1.5 MW，参数略
• 背靠背变流器：
  • RSC：控制转矩/无功
  • GSC：控制 VdcVdc​ 与并网无功
• 直流母线电容：10 mF
• 额定 VdcVdc​：1100 V

步骤2：HVRT 主动控制策略

A.转子侧变流器（RSC）

• 目标：抑制转子过流，维持可控性
• 策略：
  • 切换至高电压专用控制模式
  • 注入负 iqriqr​（减小电磁转矩，降低功率输出）
  • 注入正 idridr​（发出感性无功，符合标准）

💡 控制指令：

$$

i_{qr}^* = -k_1 (V_s - V_{\text{nom}}), \quad i_{dr}^* = +k_2 (V_s - V_{\text{nom}})
$

B.网侧变流器（GSC）

• 目标：吸收多余能量，稳定 VdcVdc​
• 策略：
  • 外环1： VdcVdc​ 控制 → idg∗idg∗​
  • 外环2：强制感性无功→ iqg∗=+0.2 p.u.iqg∗​=+0.2p.u.
  • 内环：dq 电流解耦控制

步骤3：被动保护电路建模

A.转子 Crowbar

• 触发条件： ∣vr∣>1200 V∣vr​∣>1200V
• 动作：闭合晶闸管，将转子短接至电阻（0.5 Ω）
• 释放条件：电压回落 + 延时 20 ms

B.直流母线 Chopper

• 触发条件： Vdc>1150 VVdc​>1150V
• 动作：导通 IGBT，接入卸荷电阻（2 Ω）
• 作用：消耗多余能量

📌 在 Simulink 中用Thyristor+Controlled Switch实现

步骤4：HVRT 协调状态机（核心）

matlab

编辑

% MATLAB Function: HVRT State Machine function [rsc_mode, gsc_Q_ref, crowbar_on, chopper_on] = hvr_t_logic(Vs_pu, Vdc, Vr_peak) persistent hvr_t_start hvr_t_active if isempty(hvr_t_start) hvr_t_start = -1; hvr_t_active = false; end % 检测 HVRT 事件 if Vs_pu >= 1.1 && ～hvr_t_active hvr_t_start = clock_time; % 假设有时间输入 hvr_t_active = true; end % 退出条件 if hvr_t_active && (Vs_pu < 1.05 || (clock_time - hvr_t_start) > 1.0) hvr_t_active = false; end if hvr_t_active rsc_mode = 'HVRT'; % 切换 RSC 控制律 gsc_Q_ref = +0.2; % 感性无功 crowbar_on = (Vr_peak > 1200); chopper_on = (Vdc > 1150); else rsc_mode = 'Normal'; gsc_Q_ref = 0; crowbar_on = false; chopper_on = false; end end

步骤5：电网 HVRT 场景建模

• 电压阶跃：
  • t=1 s： VsVs​ 从 1.0 → 1.3 p.u.
  • 持续 500 ms
  • 符合GB/T 19963曲线
• 风速：恒定 10 m/s（排除风扰）

五、系统参数设定

表格

六、仿真场景设计

表格

📊评估指标：

• 是否脱网
• VdcVdc​ 峰值
• 转子电压峰值
• 并网无功（是否 ≥ 0.2 p.u. 感性）
• 有功功率跌落深度

七、仿真结果与分析

1. 1.3 p.u. HVRT 响应（场景1）

表格

✅完全满足国标要求

2. 保护电路动作情况

• Crowbar：未触发（主动控制有效抑制转子电压）
• Chopper：短暂导通（20 ms），消耗多余能量
• GSC：成功注入感性无功

🛡️主动控制为主，被动保护为辅

3. 对比无 HVRT 控制

表格

❌无 HVRT 必然脱网

八、工程实践要点

1.无功指令斜坡化

• 避免 iqg∗iqg∗​ 阶跃导致 GSC 过流
• 采用0.1 s 斜坡上升至 0.2 p.u.

2.Crowbar 与 RSC 协同

• Crowbar 闭合期间，封锁 RSC PWM
• 释放后，软启动RSC（避免冲击）

3.参数整定

• RSC 降载系数 k1k1​ 需平衡：
  • 过大 → 功率损失多
  • 过小 → VdcVdc​ 仍超限

九、扩展方向

1.预测型 HVRT

• 基于电网频率/电压趋势提前动作

2.多机协同 HVRT

• 风场级无功分配优化

3.结合储能

• 用超级电容吸收瞬时能量，减少 Chopper 损耗

十、总结

本文完成了基于 Simulink 的 DFIG 高电压穿越（HVRT），实现了：

✅掌握 HVRT 的物理机理与控制挑战
✅构建“主动控制 + 被动保护”协同架构
✅验证其在 1.3 p.u. 电压扰动下的合规性
✅达成不脱网、稳母线、供无功三大目标

核心价值：

• HVRT 是现代风电并网的“必修课”
• 仅靠硬件保护无法满足标准，必须依赖智能控制
• Simulink 是验证复杂保护逻辑的安全平台

⚡🛡️🌍记住：
在新型电力系统中，风机不仅是能源生产者，更是电网的“守护者”——而 HVRT 控制，正是它在风暴中挺身而出的勇气与智慧。

附录：所需工具箱

表格

💡教学建议：

1. 先运行无 HVRT 系统，观察“瞬间脱网”；
2. 再启用完整策略，体验“从容穿越”；
3. 最后讨论：如何优化无功指令以最小化有功损失？