雙饋風力發電機轉子側變流器控制技術研究

鐘運鵬 強喜臣

東方電氣風電有限公司 四川德陽 618000

隨著我國對環境問題的重視程度越來越高，在能源系統中可再生能源所占比例也越來越重，作為微電網中重要的一部分，風力發電技術發展迅速，在發電系統中得到了廣泛的應用。雙饋風力發電系統因其勵磁變流器容量小、造價低、可實現變速恒頻運行等優點而成為風力發電系統中主流機型。雙饋風力發電系統中包含大量電力電子變流器，變流器濾波電容、電感與變流器控制環節交互作用容易引起諧振，從而造成系統諧波污染嚴重，降低電網電能質量。

1 概述

雙饋風力發電機在風力發電中應用廣泛，目前針對其控制策略的研究主要集中在有功和無功的解耦控制、低電壓穿越等。普遍采用的雙饋變速恒頻風電機組的建模及控制目標中，網側換流器控制主要實現以下目標：

（1）維持直流側電壓Udc 穩定，不受轉子側功率的數值和方向的影響；

（2）保持交流側電流的正弦波形；

（3）保持交流側功率因數為1μs。機側換流器設計目標是：DFIG 變速風電機組可以變速運行，也可以實現定子繞組的有功和無功解耦控制和機端電壓控制[1]。

2 數學模型

在坐標系下發電機的磁鏈方程如下：

式中：Ψsd，Ψsq，Ψrd，Ψrq分別為定子與轉子磁鏈d，q 軸分量；Ls為定子等效電感；Lr為轉子等效電感；Lm心為定轉子互感；isd，ird，isq，irq分別為定子與轉子電流軸d，q 分量。

在d，q 坐標系下系統功率轉矩方程如下：

式中：P 為有功功率；Q 為無功功率；Te為電磁轉矩；usd，usq為定子電壓d，q 軸分量；np 為極對數[2]。

在坐標系下發電機的電壓方程如下：

式中：urd，urq為轉子電壓d，q 軸分量；Rs為定子阻抗；Rr為轉子阻抗；ωs為定子磁鏈角速度；ωr為轉子電磁角速度[3]。

3 基于矢量控制的轉子側變換器控制策略

雙饋風力發電系統中控制其網側PWM 變換器的主要任務是：

（1）使得母線（直流）上電壓充分穩定，讓電壓響應（動態）速度達到較高水平；

（2）保證絕對值大小為1μs 的網側功率輸入因子的交流（正弦）電。因為網內電壓維持在同一水平，而風速是時刻改變的，即轉子轉速非恒定。因而需要對轉子磁場進行實時調節，轉子側功率變換器采用矢量控制算法，通過調控輸入轉子繞組的電流大小實現對轉子側所形成磁場大小的調控，對應的如果可以對轉子側上電流加以控制，也必然能夠調控系統的能量流動[4]。倘若將系統內所用變換器（雙PWM）導入的側電壓（轉子），運用坐標變換手段處理電流，再用磁鏈（定子）定向實時調整兩軸中分量電流di、qi，即可有效調控電網產出功率（包括有功、無功）。通過di 電流分量的方向即可實現對輸出有功功率的雙向控制，通過調節qi 電流分量則可以對無功功率進行有效的控制。由以上分析可以看出，對電機轉子側電流的矢量控制，可以實現對雙饋發電機輸出電壓及功率的調節[5]。

4 仿真模型和結果

4.1 仿真模型

仿真模型的參數分別從網絡側、機側和整機三個方面進行設置。在網側中，算法實現方式“調用．c”；仿真步為1μs 開關頻率、采樣頻率和控制算法執行頻率均為3kHz。在機側中，算法實現方式“調用．c”；仿真步長為1μs；開關頻率、采樣頻率和控制算法執行頻率均為2kHz。

4.2 仿真結果

由圖1 可以看出，當電網電壓中存在諧波時，基于SOGI 的鎖相環比比無SOGL 的更加穩定。在圖1a 中，基波分量遠大于諧波分量，為了顯示諧波含量細節，將基波設置為超出范圍。由圖2 可看出，當電網電壓出現三相不平衡時，基于SOGL 的鎖相環比比沒有SOGL 的更加穩定，并且d 軸分量更加準確。

圖2 電網電壓不平衡時鎖相結果和d 軸分量

在電網電壓諧波和鎖相結果的情況下，如果沒有諧波抑制控制，定子和轉子電流中將會出現擾動和諧波，加入諧波抑制后，對比結果無諧波抑制時定子電流諧波和有諧波抑制時定子電流諧波，無諧波抑制時定子電流諧波THD=7．47%，無諧波抑制時定子電流諧波THD=3．94%。

5 結語

風能是可以再生的潔凈能源，而且這一能源的運用已經基本實現，相關技術也相當成熟，目前已有不少國家均充分意識到這一能源在未來供給能源體系中的重要作用，并已經著手開展風能開發運用有關科技的研析和投入，風電早就步入商業規模實現的時期。雙饋風力發電系統中包含電力電子變流器，變流器濾波電容、電感與變流器控制環節交互作用容易引起諧振造成嚴重諧波放大問題。