變速恒頻雙饋風力發(fā)電轉(zhuǎn)子側(cè)控制技術(shù)的研究

鄭學慶，鄭益文，馬立新

（1.陜西省商洛市鎮(zhèn)安中學，陜西 商洛711500；2.上海理工大學電氣工程系，上海200093）

0 引 言

近年來，能源危機不斷加劇和環(huán)境保護意識不斷增強，風力發(fā)電已經(jīng)成為各國研究和開發(fā)的熱點。其系統(tǒng)有獨立型和并網(wǎng)型兩種形式。并網(wǎng)型又分為恒速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)和變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)兩類［1］。恒速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)雖然具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、過載能力強和運行可靠性高等優(yōu)點。但是，風電機組直接與電網(wǎng)耦合，風電機組的特性將直接對電網(wǎng)產(chǎn)生影響；此外，異步發(fā)電機的運行需要無功電源的支持，加重了電網(wǎng)的無功負擔，使電力系統(tǒng)的潮流分布更加復雜。隨著風力發(fā)電規(guī)模的不斷擴大，這些問題將更加突出。

然而隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，變速恒頻風力發(fā)電技術(shù)也不斷成熟，特別是雙饋感應發(fā)電機，其定子繞組直接接入電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子采用三相對稱繞組，經(jīng)背靠背雙PWM變流器［2］與電網(wǎng)相連，給雙饋發(fā)電機提供交流勵磁［3］，勵磁頻率即發(fā)電機的轉(zhuǎn)差頻率。此系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了發(fā)電機轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率的解耦，降低了風力發(fā)電與電網(wǎng)之間的相互影響，而且大大改善了風電機組的運行性能，降低了變流器的容量，已逐漸發(fā)展成主流風力發(fā)電設(shè)備，在風能發(fā)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(shè)計了轉(zhuǎn)子側(cè)變流器采用定子電壓定向矢量控制方案［4］，并構(gòu)建了11 kW變速恒頻雙饋風力發(fā)電機系統(tǒng)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了有功、無功功率解耦控制和最大風能跟蹤控制。本系統(tǒng)也是未來風力發(fā)電控制系統(tǒng)的發(fā)展方向，具有廣闊應用前景和現(xiàn)實意義。

1 變速恒頻雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的基本概念

1.1 變速恒頻雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的原理［5］

由交流異步發(fā)電機的基本原理可知，DFIG的定子頻率、轉(zhuǎn)子頻率、極對數(shù)和轉(zhuǎn)速的關(guān)系如下：

式中，fs為定子電流頻率，n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，p為電機極對數(shù)，fr為轉(zhuǎn)子電流頻率。當n＜n1時，處于亞同步運行狀態(tài)，此時變流器向DFIG轉(zhuǎn)子提供交流勵磁，定子發(fā)出電能給電網(wǎng)，式（1）中fr取正號；當n＞n1時，處于超同步運行狀態(tài)，此時DFIG的定子和轉(zhuǎn)子同時發(fā)出電能給電網(wǎng)，式（1）中fr取負號；當n＝n1時，處于同步運行狀態(tài)，此時DFIG作為同步電機運行，fr＝0，變流器向轉(zhuǎn)子提供直流勵磁。當DFIG轉(zhuǎn)速n變化時，可控制轉(zhuǎn)子供電頻率fr相應變化，使fr保持恒定不變，與電網(wǎng)頻率保持一致，就實現(xiàn)了變速恒頻控制，這就是交流勵磁雙饋風力發(fā)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(fā)電機的控制是通過控制轉(zhuǎn)子交流勵磁變流器來實現(xiàn)的，為了滿足變速恒頻雙饋風力發(fā)電的特殊要求，從變流器的成本、主電路拓撲結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)的復雜程度、電壓傳輸比、動態(tài)響應能力和對電網(wǎng)故障的適應能力等方面來看，雙PWM變流器是最佳方案，其結(jié)構(gòu)與控制簡單、成熟、可靠，成本低，控制性能好，是目前VSCF雙饋風力發(fā)電機交流勵磁電源的主流方案。

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(wǎng)側(cè)變流器和轉(zhuǎn)子側(cè)變流器（也稱機側(cè)變流器），如圖1所示。本系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)變流器采用無電網(wǎng)電壓傳感器虛擬電網(wǎng)磁鏈定向矢量控制技術(shù)，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(wěn)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(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

變速恒頻雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)由風機、齒輪箱、DFIG、雙PWM變流器、濾波器、變壓器等構(gòu)成。

圖2 變速恒頻雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 DFIG在dq坐標系下的動態(tài)數(shù)學模型

在三相靜止坐標系中的DFIG數(shù)學模型既是一個多輸入多輸出的高階系統(tǒng)，又是一個非線性、強耦合的系統(tǒng)［6］，數(shù)學模型比較復雜，現(xiàn)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(zhuǎn)子的電壓、電流、磁鏈和轉(zhuǎn)矩變換到兩相旋轉(zhuǎn)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(shù)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，變換到dq坐標系上就成為直流，十分有利于控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。

同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的磁鏈方程、電壓方程、轉(zhuǎn)矩方程和運動方程如下：

（1）磁鏈方程

（2）電壓方程

（3）轉(zhuǎn)矩方程

（4）運動方程

式中，ψsd、ψsq、ψrd、ψrq，usd、usq、urd、urq，isd、isq、ird、irq分別為定、轉(zhuǎn)子電壓和電流的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(zhuǎn)子自感；ω1為同步角速度，ωs＝ω1－ω為dq坐標系相對于轉(zhuǎn)子的電角速度，即轉(zhuǎn)差的電角速度；Te為發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩；np為電機的極對數(shù)；θr為轉(zhuǎn)子的位置角；TL為風力機的拖動轉(zhuǎn)矩；J為機組轉(zhuǎn)動慣量；KD為與轉(zhuǎn)速成正比的阻轉(zhuǎn)矩阻尼系數(shù)；K為扭轉(zhuǎn)彈性阻尼系數(shù)。

3 機側(cè)變流器采用SVO的矢量控制策略

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

式中，us、ur，is、ir分別 為定、轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子磁鏈矢量，且有ψs＝ψsd＋jψsq，ψr＝ψrd＋jψrq。由式（6）和（7）可得如圖3所示DFIG矢量形式的T型等效電路。

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(zhuǎn)子總有功功率為：

設(shè)DFIG由風力機輸入的機械功率為：

若不考慮磁場變化而從電網(wǎng)吸收的無功成份，則DFIG從電網(wǎng)吸收的無功功率為：

在研究DFIG風力發(fā)電系統(tǒng)自身的穩(wěn)態(tài)運行特性時，通常假定電網(wǎng)電壓恒定，且穩(wěn)態(tài)時可以忽略定子繞組勵磁電流的動態(tài)過程，定子電阻可以忽略。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(zhuǎn)坐標系中，設(shè)Us為定子電壓矢量的幅值，由式（14）可得：

則DFIG通過定子向電網(wǎng)輸入有功功率為：

DFIG通過定子向電網(wǎng)輸入的無功功率為：

將轉(zhuǎn)子電壓矢量方程寫成dq分量的形式：

轉(zhuǎn)子磁鏈可由定子電壓和轉(zhuǎn)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為：

而DFIG定子輸出無功功率與最大風能跟蹤無關(guān)，其指令Q＊由電網(wǎng)的需要或DFIG優(yōu)化運行的需要來給定。

在定子電壓定向矢量控制中，由式（19）～（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(zhuǎn)子電流d軸分量就可以控制DFIG中的各個有功分量，控制轉(zhuǎn)子電流的q軸分量就可以控制DFIG向電網(wǎng)發(fā)出的無功功率。從而實現(xiàn)最大風能跟蹤和有功、無功解耦控制。

圖4 DFIG定子電壓d軸定向矢量控制框圖

3.3 系統(tǒng)仿真研究

機側(cè)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(fā)電系統(tǒng)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（wind turbine）。DFIG參數(shù)設(shè)置為：US＝380 V，np＝2，RS＝0.4310Ω，Rr＝2.390Ω，XS＝0.4294Ω，Xr＝0.5780Ω，P＝11 kW，f1＝50 Hz。在給定風速不斷變化時，系統(tǒng)仿真結(jié)果見圖6～圖8。

從仿真結(jié)果可以看出，在風速不斷變化的情況下，定子電壓幅值、頻率、相位基本與電網(wǎng)電壓一致；當有功功率變化的時候，無功功率保持不變，從而實現(xiàn)了有功功率與無功功率解耦控制。

圖5 11 kW變速恒頻雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型

圖6 給定風速V和DFIG轉(zhuǎn)速n曲線

4 系統(tǒng)實驗研究

根據(jù)上文介紹的機側(cè)變流器采用定子電壓定向矢量控制方案，采用15 kW的YPT180M－4的電動機和變頻調(diào)速系統(tǒng)來模擬風力機、11 kW的YVPR180L－4雙饋發(fā)電機、380 V隔離變壓器，雙PWM變流器和LT8503DSP開發(fā)板等硬件構(gòu)建了一套11 kW變速恒頻雙饋風力發(fā)電實驗系統(tǒng)，并進行了并網(wǎng)穩(wěn)態(tài)實驗研究，實驗結(jié)果如圖9所示。

圖7 DFIG定子電壓和電流波形

圖9中給出了定子A相電壓uA的波形和定子A相電流iA的波形，雙饋電機根據(jù)給定有功電流向電網(wǎng)注入有功功率，此時定子電流與定子電壓相位相反，無功功率為零，即實現(xiàn)了有功無功功率解耦控制，實驗結(jié)果驗證了該方案的可行性。

圖8 DFIG輸出的有功和無功功率曲線

圖9 轉(zhuǎn)子有功電流為15 A，無功電流為0

5 結(jié) 論

本文以變速恒頻雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)子側(cè)控制技術(shù)為核心，研制了一套11 kW變速恒頻雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)實驗平臺。如文中所述，基于定子電壓定向的矢量控制方案可以很好地控制定子電壓幅值、頻率、相位與電網(wǎng)電壓一致。從仿真和實驗結(jié)果看，該矢量控制方案具有良好的可行性。

［1］ 王志新.現(xiàn)代風力發(fā)電技術(shù)及工程應用［M］.北京：電子工業(yè)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）.

［3］ 劉其輝，賀益康，張建華.交流勵磁變速恒頻風力發(fā)電機的運行控制及建模仿真［J］.中國電機工程學報，2006，26（5）：43－49.

［4］ Huihui Song，Yanbin Qu.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.

［5］ 陳伯時，陳敏遜.交流調(diào)速系統(tǒng)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2003.

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

［7］ 馬志源.電力拖動控制系統(tǒng)［M］.北京：科學出版社，2004.

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