雙饋風力發電轉子側控制技術的研究

馬立新，鄭益文，殷苗苗

(上海理工大學，上海200093)

轉子磁鏈可由定子電壓和轉子電流表示:

0 引 言

近年來，能源危機不斷加劇和環境保護意識不斷增強，風力發電已經成為各國研究和開發的熱點。其系統有獨立型和并網型兩種形式。并網型又分為兩類，一類是恒速恒頻風力發電系統，另一類是變速恒頻風力發電系統［1］。雖然，恒速恒頻風力發電系統的結構和控制簡單、成本小、運行可靠性高、過載能力比較強，但是，風電機組直接與電網耦合，風電機組的特性將直接對電網產生影響;此外，由于交流異步發電機的運行需要電源提供無功，使得電網的無功負擔加重，從而電力系統的潮流分布也變得更加復雜。尤其是隨著風力發電規模的不斷擴大，這些問題將更加突出。

然而隨著大容量電力電子技術的快速發展，變速恒頻風力發電技術也日趨成熟。尤其是雙饋感應發電機(以下簡稱DFIG)的應用，其定子繞組直接與電網連接，轉子采用三相對稱繞組，經過背靠背的雙PWM變流器［2］接入電網，給雙饋感應發電機提供交流勵磁［3］，其勵磁頻率就是發電機的轉差頻率，此系統不僅實現了電網頻率與發電機轉速的解耦控制，降低了電網與風力發電機組之間的相互影響，而且大大減少了變流器容量，改善了風力發電機組運行性能，并逐漸發展成主流的風力發電設備，在風能發電中的應用越來越廣。

鑒于此，本文針對雙PWM變流器展開研究，設計了轉子側變流器采用定子電壓定向矢量控制方案［4］，并構建了11 kW變速恒頻雙饋風力發電機系統控制系統，實現了有功、無功功率解耦控制和最大風能跟蹤控制。本系統也是未來風力發電控制系統的發展方向，具有廣闊應用前景和現實意義。

1 變速恒頻雙饋風力發電系統的基本概念

1.1 變速恒頻雙饋風力發電系統的原理［5］

由交流異步發電機的基本原理可知，DFIG的定子頻率、轉子頻率、極對數和轉速的關系如下:

式中:fs為定子電流頻率;n為轉子轉速;p為電機極對數;fr為轉子電流頻率。當n＜n1時，處于亞同步運行狀態，此時變流器向DFIG轉子提供交流勵磁，定子發出電能給電網，式(1)中fr取正號;當n＞n1時，處于超同步運行狀態，此時DFIG的定子和轉子同時發出電能給電網，式(1)中fr取負號;當n=n1時，處于同步運行狀態，此時DFIG作為同步電機運行，fr=0，變流器向轉子提供直流勵磁。當DFIG轉速n變化時，可控制轉子供電頻率fr相應變化，使fs保持恒定不變，與電網頻率保持一致，就實現了變速恒頻控制，這就是交流勵磁雙饋風力發電機變速恒頻運行的基本原理。

1.2 交流勵磁變流器

VSCF雙饋風力發電機的控制是通過控制轉子交流勵磁變流器來實現的。為了滿足變速恒頻雙饋風力發電的特殊要求，從變流器的主電路拓撲結構、運行性能和控制系統的復雜程度等方面來看，雙PWM變流器是最佳方案，其結構和控制系統簡單、可靠，運行性能好，成本低，是目前VSCF雙饋風力發電系統交流勵磁電源最具優勢的一種方案。

雙PWM變流器由兩個完全相同的兩電平電壓型三相PWM變流器通過直流母線連接而成，按位置分為網側變流器和轉子側變流器(也稱機側變流器)，如圖1所示。本系統網側變流器采用無電網電壓傳感器虛擬電網磁鏈定向矢量控制技術，主要任務是保證其有良好的輸入特性和直流母線電壓的穩定性，本文不做深入研究。

圖1 兩電平電壓型雙PWM變流器

1.3 變速恒頻雙饋風力發電系統結構

系統由風機、齒輪箱、DFIG、雙PWM變流器、濾波器、變壓器等構成，如圖2所示。

圖2 交流勵磁變速恒頻雙饋風力發電系統結構

2 DFIG在dq坐標系下的動態數學模型

在三相靜止坐標系中的DFIG數學模型既是一個多輸入多輸出的高階系統，又是一個非線性、強耦合的系統［6］，數學模型比較復雜，現通過3s/2s坐標變換和2s/2r坐標變換，將三相靜止坐標系中定子和轉子的電壓、電流、磁鏈和轉矩變換到兩相旋轉dq坐標系中，由于兩相坐標軸相互垂直，則兩相繞組之間沒有磁的耦合，從而簡化了數學模型。特別是當三相靜止坐標系中的電壓和電流是在電源頻率下的交流正弦波時，通過坐標變換后，在dq坐標系上，這些量就成為直流，對控制系統的設計與實現非常有利。

因此，同步旋轉dq坐標系下的磁鏈方程、電壓方程、轉矩方程和運動方程如下。

磁鏈方程:

電壓方程:

轉矩方程:

運動方程:

以上各式中，ψsd、ψsq、ψrd、ψrq，usd、usq、urd、urq，isd、isq、ird、irq分別為定、轉子磁鏈、電壓和電流的 d、q軸分量;Lm、Ls、Lr分別為dq坐標系下等效繞組間互感和等效繞組定、轉子自感;ω1為同步角速度;ωs=ω1－ω為dq坐標系相對于轉子的電角速度，即轉差的電角速度;Te為發電機電磁轉矩;TL為風力機拖動轉矩;p為電機極對數;J為機組的轉動慣量;θr為轉子位置角;K為機組扭轉彈性阻尼系數;KD為機組阻轉矩阻尼系數。

3 機側變流器采用SVO的矢量控制策略

由式(2)～式(4)可知，系統雖簡化不少，但其非線性、多變量、強耦合的性質并沒有改變。采用矢量控制策略［7］，即通過定子電壓 軸定向矢量控制實現對DFIG有功和無功的解耦控制，進一步簡化系統模型。

3.1 dq坐標系下DFIG的矢量模型

dq坐標系下DFIG電壓方程和磁鏈方程的矢量形式分別:

式中:us、ur、is、ir分別為定、轉子端電壓和電流矢量，且有:us=usd+jusq，ur=urd+jurq;is=isd+jisq，ir=ird+jirq;ψs、ψr分別為定、轉子磁鏈矢量，且有ψs=ψsd+jψsq，ψr= ψrd+jψrq。由式(6)和式(7)可得DFIG矢量形式的T型等效電路，如圖3所示。

圖3 DFIG矢量形式的T型等效電路

由圖3和式(6)可以看出，向DFIG輸入的定、轉子總有功功率:

設DFIG由風力機輸入的機械功率為:

若不考慮DFIG磁場變化從電網吸收的無功，那么電網向DFIG輸入的無功功率:

在研究DFIG風力發電系統的穩態運行特性時，一般都假定電網電壓恒定，忽略定子電阻，并且穩態時定子繞組勵磁電流的動態過程可以忽略。則式(6)簡化成:

3.2 DFIG定子電壓d軸定向矢量控制策略

在DFIG采用定子電壓d軸定向的同步旋轉坐標系中，設Us為定子電壓矢量的幅值，由式(14)可得:

則:

則DFIG通過定子向電網輸入有功功率:

DFIG通過定子向電網輸入的無功功率:

將轉子電壓矢量方程寫成分量的形式:

轉子磁鏈可由定子電壓和轉子電流表示:

由DFIG的最大風能跟蹤原理可以得到定子輸出有功功率指令:

然而雙饋感應發電機定子輸出的無功功率與最大風能跟蹤無關，其指令Q*一般是根據DFIG優化運行的需要，或是電網的需要來給定。

由式(19)～式(23)可得到如圖4所示的DFIG的定子電壓定向矢量控制框圖。通過控制轉子電流d軸分量就可以控制DFIG中的各個有功分量，控制轉子電流的q軸分量就可以控制DFIG向電網發出的無功分量，從而實現有功、無功功率的解耦控制和最大風能跟蹤控制。

圖4 DFIG定子電壓d軸定向矢量控制框圖

3.3 系統仿真研究

機側變流器采用定子電壓定向矢量控制策略，利用MATLAB/Simulink建立VSCF雙饋風力發電系統的仿真模型［8］，如圖5所示。圖中風力機仿真模塊采用MATLAB2010a中固有的風力機模塊。DFIG參數設置為:US=380 V，p=2，RS=0.431 0 Ω，Rr=2.390 Ω，XS=0.429 4 Ω，Xr=0.578 0 Ω，P=11 kW，f1=50 Hz。在給定風速不斷變化時，系統仿真結果如圖6～圖8所示。

圖5 11 kW變速恒頻雙饋風力發電系統的仿真模型

圖6 給定風速v和DFIG轉速n曲線

圖7 DFIG定子電壓和電流波形

圖8 DFIG輸出的有功和無功功率曲線

4 結 語

從仿真結果可以看出，在風速不斷變化的情況下，定子電壓幅值、頻率、相位保持恒定，基本與電網電壓一致;當有功功率變化時，無功功率保持不變，從而實現了有功功率與無功功率解耦控制。仿真結果驗證了本控制策略和技術的可行性，本系統的研究為11 kW雙饋風力發電系統實驗平臺的建立提供了理論依據。

［1］ 王志新.現代風力發電技術及工程應用［M］.北京:電子工業出版社，2010.

［2］ Pena R，Clare J C，Asher G M.Doubly fed induction generator using back－to－back PWM converters and its application to variable － speed wind － energy generation［J］.IEEE Proc.Power Appl.1996，143(3):231 －241.

［3］ 劉其輝，賀益康，張建華.交流勵磁變速恒頻風力發電機的運行控制及建模仿真［J］.中國電機工程學報，2006，26(5):43－50.

［4］ Song Huihui，Qu Yanbin.Energy － Based Controller for Machine －Side Converter of Doubly － Fed Wind Generator［C］//Proceedings of the 8th World Congress on Intelligent Control and Automation.2010:1402－1407.

［5］ 陳伯時，陳敏遜.交流調速系統［M］.北京:機械工業出版社，2003.

［6］ 楊耕，羅應立.電機與運動控制系統［M］.北京:清華大學出版社，2006.

［7］ 馬志源.電力拖動控制系統［M］.北京:科學出版社，2004.

［8］ 賀益康.交流電機調速系統的計算機仿真［M］.杭州:浙江大學出版社，1993.