MATLAB/Simulink平台搭建同步电机、异步电机和双馈风机仿真模型

仿真模型总体架构

基础环境配置

% 初始化仿真环境
clear; clc; close all;

% 添加电力系统工具箱路径
addpath(genpath('powerlib'));
addpath(genpath('mcb'));

% 设置仿真参数
Ts = 1e-5;  % 基本采样时间
T_final = 1; % 仿真总时间

同步电机仿真模型

1. 同步电机数学模型

% 同步电机参数定义
function syn_motor_params = define_synchronous_motor_params()
    syn_motor_params.P_n = 5000e3;      % 额定功率 5MW
    syn_motor_params.V_n = 6e3;         % 额定电压 6kV
    syn_motor_params.f_n = 50;          % 额定频率 50Hz
    syn_motor_params.p = 4;             % 极对数
    syn_motor_params.Rs = 0.02;         % 定子电阻 (pu)
    syn_motor_params.Xd = 1.2;          % 直轴同步电抗 (pu)
    syn_motor_params.Xq = 0.8;          % 交轴同步电抗 (pu)
    syn_motor_params.Xd_prime = 0.3;    % 直轴瞬变电抗 (pu)
    syn_motor_params.Xq_prime = 0.4;    % 交轴瞬变电抗 (pu)
    syn_motor_params.H = 2.5;           % 惯性常数 (s)
    syn_motor_params.Tdo_prime = 5.0;   % 直轴开路瞬变时间常数 (s)
end

2. Simulink同步电机模型搭建

function create_synchronous_motor_model()
    % 创建同步电机仿真模型
    model_name = 'Synchronous_Motor_Model';
    new_system(model_name);
    open_system(model_name);
    
    % 添加同步电机模块
    add_block('powerlib/Machines/Synchronous Machine', ...
              [model_name '/Synchronous Machine']);
    
    % 添加励磁系统
    add_block('powerlib/Machines/Excitation System', ...
              [model_name '/Excitation System']);
    
    % 添加机械负载
    add_block('powerlib/Machines/Mechanical Load', ...
              [model_name '/Mechanical Load']);
    
    % 添加三相电源
    add_block('powerlib/Elements/Three-Phase Source', ...
              [model_name '/Three-Phase Source']);
    
    % 添加测量和显示模块
    add_block('simulink/Sinks/Scope', [model_name '/Scope']);
    add_block('powerlib/Measurements/Three-Phase V-I Measurement', ...
              [model_name '/V-I Measurement']);
    
    % 连接模块
    add_line(model_name, 'Three-Phase Source/1', 'V-I Measurement/1');
    add_line(model_name, 'V-I Measurement/1', 'Synchronous Machine/1');
    add_line(model_name, 'Excitation System/1', 'Synchronous Machine/2');
    add_line(model_name, 'Mechanical Load/1', 'Synchronous Machine/3');
    
    % 保存模型
    save_system(model_name);
end

异步电机仿真模型

1. 异步电机数学模型

% 异步电机参数定义
function async_motor_params = define_induction_motor_params()
    async_motor_params.P_n = 100e3;     % 额定功率 100kW
    async_motor_params.V_n = 400;       % 额定电压 400V
    async_motor_params.f_n = 50;        % 额定频率 50Hz
    async_motor_params.p = 2;           % 极对数
    async_motor_params.Rs = 0.02;       % 定子电阻 (pu)
    async_motor_params.Rr = 0.015;      % 转子电阻 (pu)
    async_motor_params.Ls = 0.15;       % 定子电感 (pu)
    async_motor_params.Lr = 0.12;       % 转子电感 (pu)
    async_motor_params.Lm = 2.5;        % 励磁电感 (pu)
    async_motor_params.J = 0.5;         % 转动惯量 (kg·m²)
    async_motor_params.slip_rated = 0.03; % 额定转差率
end

2. 异步电机矢量控制

function create_induction_motor_vfd_model()
    % 创建带变频驱动的异步电机模型
    model_name = 'Induction_Motor_VFD_Model';
    new_system(model_name);
    open_system(model_name);
    
    % 主要模块
    blocks = {
        'Three-Phase Source', 'powerlib/Elements/Three-Phase Source';
        'Rectifier', 'powerlib/Power Electronics/Universal Bridge';
        'DC Link', 'powerlib/Elements/Series RLC Branch';
        'Inverter', 'powerlib/Power Electronics/Universal Bridge';
        'Induction Motor', 'powerlib/Machines/Asynchronous Machine';
        'VFD Controller', 'simulink/User-Defined Functions/MATLAB Function';
        'Speed Reference', 'simulink/Sources/Step';
        'Measurements', 'powerlib/Measurements/Three-Phase V-I Measurement';
        'Scope', 'simulink/Sinks/Scope'
    };
    
    % 添加所有模块
    for i = 1:size(blocks, 1)
        add_block(blocks{i,2}, [model_name '/' blocks{i,1}]);
    end
    
    % 连接模块
    connections = {
        'Three-Phase Source/1', 'Rectifier/1';
        'Rectifier/2', 'DC Link/1';
        'DC Link/1', 'Inverter/1';
        'Inverter/1', 'Measurements/1';
        'Measurements/1', 'Induction Motor/1';
        'VFD Controller/1', 'Inverter/2';
        'Speed Reference/1', 'VFD Controller/1'
    };
    
    for i = 1:size(connections, 1)
        add_line(model_name, connections{i,1}, connections{i,2});
    end
    
    save_system(model_name);
end

双馈风机仿真模型

1. 双馈风机系统参数

function dfig_params = define_dfig_params()
    % 双馈感应发电机参数
    dfig_params.P_rated = 2e6;          % 额定功率 2MW
    dfig_params.V_rated = 690;          % 额定电压 690V
    dfig_params.f_rated = 50;           % 额定频率 50Hz
    
    % 发电机参数
    dfig_params.Rs = 0.01;              % 定子电阻 (pu)
    dfig_params.Rr = 0.015;             % 转子电阻 (pu)
    dfig_params.Ls = 0.15;              % 定子电感 (pu)
    dfig_params.Lr = 0.13;              % 转子电感 (pu)
    dfig_params.Lm = 2.8;               % 励磁电感 (pu)
    
    % 风力机参数
    dfig_params.rho = 1.225;            % 空气密度 (kg/m³)
    dfig_params.R = 40;                 % 风轮半径 (m)
    dfig_params.G = 90;                 % 齿轮箱速比
    dfig_params.J_turbine = 5e6;        % 风轮转动惯量 (kg·m²)
    dfig_params.J_generator = 60;       % 发电机转动惯量 (kg·m²)
    
    % 变流器参数
    dfig_params.Vdc = 1200;             % 直流母线电压 (V)
    dfig_params.f_sw = 2000;            % 开关频率 (Hz)
end

2. 双馈风机完整模型

function create_dfig_wind_turbine_model()
    % 创建双馈风机完整模型
    model_name = 'DFIG_Wind_Turbine_Model';
    new_system(model_name);
    open_system(model_name);
    
    % 子系统划分
    subsystems = {
        'Wind Turbine', 'Wind Turbine Model';
        'DFIG Generator', 'DFIG Electrical Model';
        'RSC Controller', 'Rotor Side Converter Control';
        'GSC Controller', 'Grid Side Converter Control';
        'Grid Interface', 'Grid Connection Model';
        'MPPT Control', 'Maximum Power Point Tracking';
        'Pitch Control', 'Blade Pitch Control'
    };
    
    % 添加子系统
    for i = 1:size(subsystems, 1)
        add_block('simulink/Ports & Subsystems/Subsystem', ...
                  [model_name '/' subsystems{i,1}]);
    end
    
    % 连接主要子系统
    main_connections = {
        'Wind Turbine/1', 'DFIG Generator/1';
        'DFIG Generator/1', 'Grid Interface/1';
        'MPPT Control/1', 'RSC Controller/1';
        'Pitch Control/1', 'Wind Turbine/2';
        'RSC Controller/1', 'DFIG Generator/2';
        'GSC Controller/1', 'Grid Interface/2'
    };
    
    for i = 1:size(main_connections, 1)
        add_line(model_name, main_connections{i,1}, main_connections{i,2});
    end
    
    save_system(model_name);
end

3. 风力机气动模型

function Cp = wind_turbine_Cp(lambda, beta)
    % 计算风能利用系数Cp
    % lambda: 叶尖速比
    % beta: 桨距角 (度)
    
    lambda_i = 1./(1./(lambda + 0.08*beta) - 0.035./(beta.^3 + 1));
    Cp = 0.22.*(116./lambda_i - 0.4*beta - 5).*exp(-12.5./lambda_i);
    Cp = max(0, Cp);  % Cp不能为负
end

function P_mech = wind_turbine_power(v_wind, omega, beta, params)
    % 计算风力机机械功率
    % v_wind: 风速 (m/s)
    % omega: 风轮转速 (rad/s)
    % beta: 桨距角 (度)
    % params: 风力机参数
    
    R = params.R;
    rho = params.rho;
    
    % 叶尖速比
    lambda = omega * R / v_wind;
    
    % 风能利用系数
    Cp = wind_turbine_Cp(lambda, beta);
    
    % 机械功率
    P_mech = 0.5 * rho * pi * R^2 * v_wind^3 * Cp;
end

4. 转子侧变流器控制

function create_rsc_controller()
    % 转子侧变流器控制系统
    model_name = 'RSC_Controller';
    new_system(model_name);
    open_system(model_name);
    
    % 控制模块
    control_blocks = {
        'Power Calculation', 'simulink/User-Defined Functions/MATLAB Function';
        'Speed Controller', 'simulink/Discrete/PID Controller';
        'Current Controller', 'simulink/Discrete/PID Controller 1';
        'dq Transformation', 'powerlib/Extra Library/Measurements/dq Transformation';
        'PWM Generator', 'powerlib/Power Electronics/PWM Generator';
        'Clark/Park Transform', 'powerlib/Extra Library/Measurements/abc to dq0'
    };
    
    for i = 1:size(control_blocks, 1)
        add_block(control_blocks{i,2}, [model_name '/' control_blocks{i,1}]);
    end
    
    % 添加参考信号
    add_block('simulink/Sources/Step', [model_name '/Power Reference']);
    add_block('simulink/Sources/Ramp', [model_name '/Speed Reference']);
    
    save_system(model_name);
end

仿真分析与可视化

综合仿真分析脚本

function run_comprehensive_simulation()
    % 综合仿真分析
    
    % 1. 同步电机仿真
    fprintf('=== 同步电机仿真 ===\n');
    sim('Synchronous_Motor_Model.slx');
    analyze_synchronous_motor_results(simout);
    
    % 2. 异步电机仿真
    fprintf('=== 异步电机仿真 ===\n');
    sim('Induction_Motor_VFD_Model.slx');
    analyze_induction_motor_results(simout);
    
    % 3. 双馈风机仿真
    fprintf('=== 双馈风机仿真 ===\n');
    sim('DFIG_Wind_Turbine_Model.slx');
    analyze_dfig_results(simout);
end

function analyze_synchronous_motor_results(data)
    % 分析同步电机仿真结果
    figure('Name', '同步电机性能分析', 'Position', [100 100 1200 800]);
    
    subplot(2,3,1);
    plot(data.time, data.voltage);
    title('三相电压'); xlabel('时间(s)'); ylabel('电压(V)'); grid on;
    
    subplot(2,3,2);
    plot(data.time, data.current);
    title('三相电流'); xlabel('时间(s)'); ylabel('电流(A)'); grid on;
    
    subplot(2,3,3);
    plot(data.time, data.speed);
    title('转速'); xlabel('时间(s)'); ylabel('转速(rpm)'); grid on;
    
    subplot(2,3,4);
    plot(data.time, data.torque);
    title('电磁转矩'); xlabel('时间(s)'); ylabel('转矩(N·m)'); grid on;
    
    subplot(2,3,5);
    plot(data.time, data.power);
    title('功率'); xlabel('时间(s)'); ylabel('功率(W)'); grid on;
    legend('有功功率', '无功功率');
    
    subplot(2,3,6);
    plot(data.voltage(:,1), data.current(:,1));
    title('电压-电流特性'); xlabel('电压(V)'); ylabel('电流(A)'); grid on;
end

function analyze_dfig_results(data)
    % 分析双馈风机仿真结果
    figure('Name', '双馈风机性能分析', 'Position', [100 100 1400 900]);
    
    subplot(3,3,1);
    plot(data.time, data.wind_speed);
    title('风速'); xlabel('时间(s)'); ylabel('风速(m/s)'); grid on;
    
    subplot(3,3,2);
    plot(data.time, data.rotor_speed);
    title('转速'); xlabel('时间(s)'); ylabel('转速(rpm)'); grid on;
    
    subplot(3,3,3);
    plot(data.time, data.power_total);
    title('功率'); xlabel('时间(s)'); ylabel('功率(W)'); grid on;
    legend('总功率', '定子功率', '转子功率');
    
    subplot(3,3,4);
    plot(data.time, data.dc_voltage);
    title('直流母线电压'); xlabel('时间(s)'); ylabel('电压(V)'); grid on;
    
    subplot(3,3,5);
    plot(data.time, data.Cp);
    title('风能利用系数'); xlabel('时间(s)'); ylabel('Cp'); grid on;
    
    subplot(3,3,6);
    plot(data.time, data.pitch_angle);
    title('桨距角'); xlabel('时间(s)'); ylabel('角度(°)'); grid on;
    
    subplot(3,3,7);
    plot(data.rotor_current_d, data.rotor_current_q);
    title('转子电流d-q轨迹'); xlabel('Id (A)'); ylabel('Iq (A)'); grid on;
    
    subplot(3,3,8);
    plot(data.time, data.grid_voltage);
    title('电网电压'); xlabel('时间(s)'); ylabel('电压(V)'); grid on;
    
    subplot(3,3,9);
    plot(data.time, data.reactive_power);
    title('无功功率控制'); xlabel('时间(s)'); ylabel('无功功率(VAR)'); grid on;
end

参数敏感性分析

function parameter_sensitivity_analysis()
    % 参数敏感性分析
    base_params = define_dfig_params();
    
    % 分析不同参数的影响
    parameters = {'Rs', 'Rr', 'Lm', 'J_turbine'};
    variations = linspace(0.5, 1.5, 5);  % ±50%变化
    
    results = struct();
    
    for i = 1:length(parameters)
        param = parameters{i};
        fprintf('分析参数: %s\n', param);
        
        for j = 1:length(variations)
            % 修改参数
            test_params = base_params;
            test_params.(param) = base_params.(param) * variations(j);
            
            % 运行仿真
            sim_out = simulate_dfig_with_params(test_params);
            
            % 记录结果
            results.(param)(j) = analyze_performance(sim_out);
        end
    end
    
    plot_sensitivity_results(results, parameters, variations);
end

模型验证与测试

测试用例生成

function test_cases = generate_test_cases()
    % 生成测试用例
    
    test_cases = struct();
    
    % 同步电机测试
    test_cases.sync_motor = {
        struct('scenario', '启动特性', 'load_torque', 0, 'time', 2);
        struct('scenario', '额定负载', 'load_torque', 1, 'time', 1);
        struct('scenario', '过载测试', 'load_torque', 1.5, 'time', 0.5);
        struct('scenario', '电压跌落', 'voltage_sag', 0.8, 'time', 1);
    };
    
    % 双馈风机测试
    test_cases.dfig = {
        struct('scenario', '额定风速', 'wind_speed', 12, 'time', 5);
        struct('scenario', '低风速', 'wind_speed', 6, 'time', 5);
        struct('scenario', '高风速', 'wind_speed', 18, 'time', 5);
        struct('scenario', '风速渐变', 'wind_ramp', [8, 16], 'time', 10);
        struct('scenario', '电网故障', 'grid_fault', true, 'time', 2);
    };
end

参考代码 MATLAB搭建的三种风机模型包含同步电机、异步电机和双馈风机仿真模型 www.3dddown.com/cna/53176.html

使用建议

1. 模块选择：

   • 使用 powerlib 中的标准电机模块确保准确性
   • 对于研究用途，可以搭建详细的数学模型

2. 仿真设置：

   • 电力电子系统使用固定步长求解器
   • 设置合适的采样时间和仿真精度

3. 参数配置：

   • 基于实际电机数据配置参数
   • 进行参数敏感性分析

4. 模型验证：

   • 与理论计算结果对比
   • 在不同工况下测试模型性能