變速恒頻雙饋風力發電系統控制研究

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（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102）

1 引言

交流勵磁變速恒頻（ACVSCF）風力發電技術具備運行效率高、電能質量優、變流器容量小等優勢，已經成為風力發電領域中應用較為廣泛的技術，它可以實現功率的解耦控制和最大風能的跟蹤控制［1－2］。在該方案中，將雙饋異步發電機（DFIG）的定子接入電網，轉子則由電力電子變流器提供勵磁電流，當DFIG機械轉速發生變化時，實時控制變流器改變轉子電流的頻率、相位以及幅值實現“交流勵磁”，從而保證DFIG在不同工作轉速范圍內都能正常運行，同時還能實現輸出有功和無功功率的解耦。

雙饋型風力發電系統是一個系統工程，涉及到電機控制、變流器的控制、無功補償控制以及電網低壓故障控制等。對變流器控制而言，目前一般采用矢量控制技術較為方便，本文在推導基于電動機慣例下的雙饋異步發電機數學模型基礎上，研究其運行控制原理，給出了基于定子磁鏈定向控制的矢量控制策略，同時對雙饋型風力發電中的低電壓穿越（LVRT）問題也作了分析研究和探討，最后在搭建的樣機上做了上述理論分析及實驗研究，并給出了相關實驗結果。

2 變速恒頻風力發電機的原理

圖1 交流勵磁變速恒頻風力發電系統Fig.1 ACVSCF wind power generation system

交流勵磁變速恒頻風力發電系統見圖1，由背靠背的PWM變流器作為DFIG的勵磁源，DFIG定子直接接入電網，而其轉子則由PWM變流器提供勵磁電流，當風速變化時，通過控制變流器改變勵磁電流從而實現變速恒頻。

由電機學可知：

式中：f1，f2為 DFIG 定、轉子電流頻率；nr為DFIG機械轉速；p為DFIG極對數。

定義DFIG轉差率為

式中：np為DFIG額定轉速。

根據DFIG的原理可知：

式中：P1為DFIG定子有功功率；P2為DFIG轉子有功功率。

由式（3）可知，當DFIG亞同步運行時，P2＞0，DFIG轉子通過PWM變流器從電網吸收有功；當DFIG超同步運行時，P2＜0，DFIG轉子通過PWM變流器向電網回饋有功；當DFIG同步速運行時，P2＝0，DFIG轉子與電網無任何有功交換；DFIG的運行特征要求勵磁變流器具備4象限功率運行，而由IGBT組成的PWM變流器具備能量雙向流動、動態響應速度快、開關頻率高等優勢，可以為DFIG理想的勵磁源。

由圖1可以看出，網側變流器的控制目標主要是穩定直流電壓、功率因數控制以及低壓穿越時的無功補償（static var generate，SVG）控制；而機側變流器的控制目標主要是對DFIG進行勵磁控制實現變速恒頻以及功率解耦控制。

3 dq坐標系下DFIG數學模型

為了推導DFIG的數學模型，將電機控制中的矢量控制技術引入變速恒頻風力發電控制系統中，建立二相旋轉dq坐標系統，同步旋轉坐標系中采取定子磁鏈定向［3－5］，將定子磁鏈Ψ1定向于d軸，d軸逆時針旋轉90°為q軸方向。

圖2 DFIG矢量控制坐標變化Fig.2 Coordinate transformation for DFIG vector control

圖2中α1，β1為兩相靜止坐標系，α1軸為定子A相繞組軸線正方向。α2，β2為以轉子旋轉角速度ω2為參考的兩相旋轉坐標系，α2軸為轉子A相繞組軸線正方向。θr為α2軸與α1軸的夾角，其角度由光電編碼器給出。dq軸為兩相同步旋轉坐標系，旋轉角速度ω1為電網電壓角頻率，uqs為電網電壓的q軸分量，d軸與α1軸的夾角為θs，其角度由控制系統軟件對電網電壓磁鏈的鎖相定位得到。

忽略雙饋電機定轉子電阻，在電動機慣例下［5－6］，雙饋電機的定轉子磁鏈方程為

雙饋電機的轉子電壓方程為

雙饋電機定子有功功率和無功功率方程為

式中：Rs，Rr為定轉子繞組電阻；Ls，Lr，Lm為dq坐標系下定、轉子等效自感和互感；uds，uqs，udr，uqr為定、轉子電壓的dq軸分量；ids，iqs，idr，iqr為定、轉子電流的dq軸分量；Ψds，Ψqs，Ψdr，Ψqr為定、轉子磁鏈的dq軸分量；ω1，ωsl分別為同步轉速和轉差；σ為漏磁系數，

圖3給出了DFIG的矢量控制框圖。

圖3 交流勵磁變速恒頻發電機定子磁鏈定向矢量控制圖Fig.3 Block diagram of stator field oriented control for the AC excited VSCF generator

從圖3可以看出，DFIG外環控制可以設計為功率環，通過功率環控制給出定子電流dq軸指令，經過運算可以得到轉子電流dq軸指令，根據式（5）設計電流內環，并計算相應的轉子電壓dq軸補償分量，最后通過空間矢量脈寬調制（SVPWM）控制轉子側變流器輸出勵磁電壓。

4 網側變流器數學模型和控制

網側變流器拓撲結構如圖4所示，va，vb，vc為電網電壓；va1，vb1，vc1為逆變器電壓；L和 R分別為網側變流器的電感和電阻；ia，ib，ic為網側電流，以流入變流器為正；C為直流環節的儲能電容，Udc是直流環節電壓。網側變換器的控制目標是保持交流側單位功率因數運行和直流環節電壓穩定，根據LVRT的要求還需要在發生電網電壓跌落故障情況下作SVG運行以支撐電網電壓恢復。

圖4 三相PWM整流器電路模型Fig.4 The electrical model of three phase PWM rectifier

顯然采取矢量控制技術更加方便，同時也利于功率的解耦控制，為此將控制系統矢量d軸定向于電網電壓矢量位置，而q軸超前d軸90°，進行等幅值dq坐標變化，得到在以電網電壓矢量角度θs定向下的電壓方程如下［7－8］：

系統傳遞的有功和無功功率為

可以看出，通過電網電壓矢量定向控制可以方便地實現有功和無功的解耦控制。其中3／2是等幅值坐標變化的系數，電網電壓角度θs可以通過軟件鎖相得到，由于電網電壓矢量被定向于d軸，因此可以認為網側變流器的電壓矢量為vd，其大小即為相電壓幅值且恒定，而vq為0。由式（8）可見，變流器傳遞的有功與無功和id與iq成正比關系。同時可以得出，通過控制＞0則可以使PWM整流器運行在SVG狀態。三相PWM整流器控制原理如圖5所示。

圖5 三相PWM整流器控制原理Fig.5 The control principle of three phase PWM rectifier

5 電網低電壓控制

DFIG風電機組定子直接并網，通過勵磁變流器控制轉子電流頻率、幅值等來實現定子側電流的“變速恒頻”，這樣的結構不能分離DFIG和電網的聯系，導致機組對電網故障非常敏感，當發生電網電壓驟降故障時定子電流將急劇增大，轉子側也會發生明顯的過電流和過電壓現象，直流側電壓也將快速升高，同時風電機組機械系統也會產生扭切力沖擊。隨著DFIG風電機組在電力系統中所占容量的快速提高，發電機與局部電網之間的相互影響也越來越大。為此要求風電機組在電網電壓跌落時能夠保持不脫網運行，即要求DFIG風電機組具備低電壓穿越能力［9－10］，具體要求如圖6所示。

圖6 風電場低電壓穿越要求Fig.6 LVRT requirements of wind farm

在轉子側裝設Crowbar電路是一個行之有效的方法，如圖1所示，在發生電網電壓跌落后，通過開通Crowbar電路的IGBT促使電阻吸收轉子回路能量，從而抑制轉子過電流現象和直流母線電壓的快速上升，Crowbar電路的投入和退出邏輯由轉子側變流器控制。網側變流器負責在故障期間向電網提供無功功率以支撐電網電壓恢復。

6 實驗研究

為驗證所研究控制算法的正確性，搭建了30 kW變速恒頻風力發電控制系統。在該系統中，由異步電動機帶動雙饋電機模擬變風速運行，DFIG的轉子勵磁系統由背靠背的PWM變流器構成。雙PWM變流器采用全控型器件IGBT，調制方式為SVPWM，其中雙變流器中的網側變流器控制為整流器運行方式［10－15］，開關頻率3 000Hz。機側變流器控制為逆變器運行方式，開關頻率2 000Hz，采取電動機慣例。DSP控制板卡核心控制器為TI浮點控制器TMS28346。

DFIG的參數為：額定功率30kW，定子額定電壓380V，定子額定電流71A，轉子額定電流72A。極對數為2，同步轉速1 500r／min，轉子繞組電阻Rr＝0.103Ω，定子繞組電阻Rs＝0.097 Ω，轉子繞組電感Lr＝27.81mH，定子繞組電感Ls＝27.46mH，轉子開路電壓314V。背靠背變流器參數：輸入交流額定線電壓380V，額定線電流45.58A，考慮到DFIG轉子開路電壓過小，控制直流母線電壓為300V，直流側電容3 400μF，交流濾波電感2.5mH，功率器件為IGBT。

圖7給出了雙饋電機在轉速為1 400r／min亞同步時網側PWM變流器的電壓和電流波形以及雙饋定子側電壓和電流波形。圖8給出了雙饋電機在轉速為1 780r／min超同步時網側PWM變流器的電壓和電流波形以及雙饋定子側電壓和電流波形。對比圖7和圖8可以看出，當電機處于亞同步運行時，網側變流器運行在整流狀態，表明從電網吸收有功后注入DFIG轉子回路。而當電機處于超同步運行時，網側變流器運行在逆變狀態，表明DFIG轉子通過網側變流器向電網回饋有功。圖9給出了DFIG在跨越同步轉速時的轉子電流波形，此時轉子電流勵磁相序由ABC轉變成ACB，從而實現了網側變流器的能量雙向流通，而在整個過程中，雙饋電機定子電壓和電流波形相位始終一致，表示DFIG定子始終向電網傳輸有功功率，實驗結果符合DFIG的運行特征。

圖7 亞同步狀態，P＝10kW，Q＝0kvar時勵磁變流器波形Fig.7 The excitation converter waveforms at sub－synchronizing operation with P＝10kW，Q＝0kvar

圖8 超同步狀態，P＝20kW，Q＝0kvar時勵磁變流器波形Fig.8 The excitation converter waveforms at super－synchronizing operation with P＝20kW，Q＝0kvar

圖9 跨越同步轉速時的轉子勵磁電流波形Fig.9 Rotator excitation current waveforms at synchronizing operation

根據交流勵磁變速恒頻風力發電機的運行特征，在電網發生低電壓故障時，轉子側變流器負責Crowbar投入與退出控制，而網側變流器則需要按照要求作SVG運行。本實驗在動態模擬仿真實驗室中通過在高壓側模擬三相短路故障的方式模擬電網電壓跌落，通過改變短路點，設置電壓跌落度為0.4，故障持續時間700ms，待故障恢復后切換至正常運行模式，圖10給出了LVRT實驗結果。

圖10 電壓跌落故障波形Fig.10 Waveforms of voltage drop fault

從圖10的實驗結果可以看出，當發生電壓跌落時，網側變流器迅速發出3.2kvar無功功率，從圖10a中可以看出，在電壓跌落至0.6標幺值后能上升至0.67標幺值，證明了網側SVG控制有利于支撐電網電壓。而在發生LVRT的過程中，由于Crowbar電路的保護，直流側電容電壓的波動得到抑制，雙饋電機轉子電流的過電流現象同時得到抑制。在故障消失后恢復至正常運行控制模式，系統運行正常，實驗論證了本文提出方案的可行性。

7 結論

隨著風電機組裝機容量的擴大，風力發電作為新能源產業的優勢已經逐步體現出來，而雙饋型風力發電系統具有變流器容量小，輸入輸出特性好等獨特的優勢，對雙饋型風力發電的勵磁控制系統而言，主要是針對背靠背PWM變流器的控制研究，包括以下主要技術：1）轉子勵磁變流器的矢量控制；2）網側變流器的4象限運行和控制；3）有功和無功功率的解耦控制；4）電網低電壓故障時的雙變流器控制和SVG運行控制處理。本文對以上技術進行了理論分析和實驗研究，論證了技術的正確性和可行性，為兆瓦級大型雙饋風力發電機組的工程化實現提供了一定的理論和技術基礎。

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