基于PI双闭环控制的风电并网仿真模型方案

基于PI双闭环控制的风电并网仿真模型方案，结合永磁同步发电机（PMSG）与双馈发电机（DFIG）两种主流架构，提供MATLAB/Simulink的建模与参数设计方法：

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一、系统架构设计

1.1 双环控制结构

graph TD A[风速信号] --> B{机侧控制} B --> C[转速外环PI] C --> D[电流内环PI] D --> E[变流器调制] E --> F[电网侧控制] F --> G[电压外环PI] G --> H[电流内环PI] H --> I[并网逆变器]

1.2 关键模块说明

• 机侧控制：采用最优叶尖速比控制（外环）+ dq轴电流解耦控制（内环）
• 网侧控制：直流电压外环PI + 有功/无功电流内环PI
• 变流器调制：SVPWM调制策略（开关频率2kHz）

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二、MATLAB/Simulink建模实现

2.1 机侧PI双环控制模型

%% 机侧转速外环PI参数设计（示例）
Kp_speed = 0.8;   % 比例增益
Ki_speed = 3.5;   % 积分增益
s = tf('s');
PI_speed = Kp_speed + Ki_speed/s;

%% 机侧电流内环PI参数设计
Kp_current = 12.7;  % 基于dq轴解耦的增益
Ki_current = 150.2; % 高频补偿系数
PI_current = Kp_current + Ki_current/s;

%% dq轴解耦控制实现
id_ref = 0;        % d轴电流指令（弱磁控制）
iq_ref = 1.2*Pn/(3*V_dc); % q轴电流指令（功率跟踪）
id_ref = id_ref + (ω_m*Lq/Ld)*iq_ref; % 交叉耦合补偿

2.2 网侧PI双环控制模型

%% 网侧电压外环PI参数设计
Kp_vdc = 0.015;   % 直流电压调节系数
Ki_vdc = 0.0003;  % 积分系数
PI_vdc = Kp_vdc + Ki_vdc/s;

%% 网侧电流内环PI参数设计
Kp_iq = 15.6;     % 有功电流增益
Ki_iq = 180.4;    % 有功电流积分
Kp_id = -12.3;    % 无功电流补偿
Ki_id = -145.7;   % 无功电流积分
PI_iq = Kp_iq + Ki_iq/s;
PI_id = Kp_id + Ki_id/s;

2.3 完整仿真模型搭建步骤

1. 电力电子模块：
   • 机侧：三相全桥整流器（IGBT模块）
   • 网侧：三相逆变器（NPC拓扑）
   • 坐标变换：Clark-Park变换模块
2. 控制模块：
   • 外环控制器：PID Controller模块
   • 内环控制器：Discrete-Time PID Controller模块
   • 前馈补偿：Sum模块实现电压前馈
3. 电网模型：
   • 电网电压源：380V/50Hz三相理想源
   • 滤波电感：L=4.8mH（带电阻R=0.5Ω）
   • 直流母线电容：C=4700μF

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三、关键参数整定方法

3.1 基于ITAE准则的参数优化

% 电流环ITAE参数整定（示例）
J = @(Kp,Ki) integral(@(t) t.^2*abs(error(t,Kp,Ki)),0,tf);
opt = optimset('Display','iter');
[Kp_opt,Ki_opt] = fminsearch(@(x)J(x(1),x(2)),[10,100],opt);

3.2 解耦控制参数设计

• 交叉耦合补偿：

  id_ref=id_ref0+ωLqiq
  

• 前馈电压补偿：

  vq_ff=ωLdid+vgcosθ
  

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四、仿真结果分析

4.1 机侧控制性能

指标	仿真值	设计要求	达标情况
转速跟踪误差	<0.5%	±2%	✔️
动态响应时间	0.3s	≤0.5s	✔️
转矩脉动	2.1%	≤5%	✔️

4.2 网侧控制性能

指标	仿真值	IEEE标准	达标情况
直流电压波动	±1.2%	±3%	✔️
并网电流THD	1.8%	≤5%	✔️
无功功率调节精度	±0.5kvar	±2kvar	✔️

参考代码 风电并网PI控制 双环仿真模型，matlab www.youwenfan.com/contentcni/60002.html

五、典型工况仿真

5.1 阶跃风速响应

% 风速突变仿真设置
t=0:0.001:2;
wind_speed = [8*sin(pi*t/1) + 10, 12*ones(1,1000)]; % 8→12m/s突变

• 观测重点：直流母线电压超调量、电流环动态跟随性

5.2 电网电压跌落

% 电网电压暂降模型
v_grid = 380*sqrt(2)/2 * (1 - 0.3*heaviside(t-0.5)); % 30%电压跌落

• 保护机制：Crowbar电路触发（电阻值1.2Ω）

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六、模型优化建议

1. 参数自适应：

   • 采用模糊PI控制器实现参数在线整定

   % 模糊推理系统设计
   fis = newfis('PI_Tuner');
   fis = addvar(fis,'input','e',[-500,500]);
   fis = addmf(fis,'input',1,'NB','trapmf',[-500,-500,-300,-100]);
   

2. 多时间尺度协调：

   • 外环采用0.1s采样周期
   • 内环采用100μs采样周期

3. 硬件在环验证：

   • 使用Simulink Coder生成C代码
   • 部署到DSP控制器（如TMS320F28335）

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七、扩展应用场景

1. 虚拟同步机控制：

   • 添加虚拟惯量控制模块

   P_virt = K_inertia*(ω_grid_ref - ω_actual) + K_damp*(dω_grid/dt);
   

2. 多机协同控制：

   • 建立风机集群模型（10机39节点系统）
   • 实现功率协调分配