基于简化模型的双馈发电机控制方法研究

李炜华,王红阳

（1.西安理工大学水利水电学院,西安 710048;2.河南省电力公司开封供电公司,河南开封 475000）

基于简化模型的双馈发电机控制方法研究

李炜华1,王红阳2

（1.西安理工大学水利水电学院,西安 710048;2.河南省电力公司开封供电公司,河南开封 475000）

0 引言

随着资源枯竭和环境恶化加剧，寻求可再生能源迫在眉睫，风力发电成为目前技术最成熟、最具规模的新能源发电方式。双馈发电机（DFIG）[1-2]因其良好的控制性能而被广泛应用于风电场入网。

传统的同步发电机采用直流励磁，转速严格固定为同步转速。发电机通过调节励磁电流来调节机端电压，转速则依赖于原动机的输入转矩，当系统突然遭受大扰动或者短路时，不平衡转矩会引起系统振荡甚至解列，此外当系统的负荷较低时过剩的无功会引起电力系统的工频过电压，从而可能危及设备和人身安全。双馈发电机如图1采用交流励磁方式，发电机的定子直接和电网连接，转子通过双PWM变频器接入电网，发电机通过调节转子电流的大小、方向以及频率来实现任意转速下输出恒频恒压的电能。由于发电机的转速可调，能够实现与电网的柔性连接从而提高了系统稳定性，发电机也可以运行于原动机的最佳工况下，减少磨损，延长寿命。此外发电机在发出有功的同时吸收无功解决电力系统的工频过电压问题[3-4]。因此双馈发电机得到越来越多的重视，且日益成为研究的热点。

图1 双馈风力发电系统

目前，双馈发电机的研究都以实现有功和无功的解耦控制为目标[5]，采用矢量控制策略[6]，大部分研究都是在系统的三相建模和发电机的并网控制上[7-9]。实际上双馈发电机都安装在较为偏远的地区，这些地方电网薄弱，抗干扰能力差，电网电压不稳定，因此研究发电机的电压控制方法有着积极的意义。

本文根据同步发电机直流励磁的模型建立了双馈发电机独立数学模型，分析了发电机定子侧并联电容对发电机电压和输出电能质量的影响。推导了发电机空载时简化的RL模型，搭建了通过转子电流的PI调节器来控制发电机电压的系统原理图，最后通过仿真研究，表明该方法能够有效地控制发电机输出电压，提高发电机输出的电能质量。

1 双馈发电机的等效电路图

双馈发电机的独立等效模型如图2所示，发电机转子电压为ur由变流装置提供，ωn表示转子的机械转速，定子电阻和转子电阻分别为Rs和Rr，定子电感和转子电感分别为Ls和Lr，发电机在转速和负荷恒定时可认为是线性化系统。定子回路中的电流调节器可看作额外负载，电路中的电流电压都归算到定子侧，发电机定子电压幅值|us|正比于转子电流幅值|ir|，即可用转子电流调节定子电压。

图2 双馈发电机的单相等效电路

发电机的漏感Lrs和定子绕组并联电容C组成发电机的滤波器，选择合适的电容值就可以滤除发电机输出的非工频电流，并联电容器不能过多补偿无功，这样才能维持发电机端电压稳定。

发电机在运行中需要测量电网频率和转子位置角来确定转子电流的频率,同步锁相装置PLL测得电网电压向量us*以及发电机定子电压向量us，通过计算得到发电机的转子电流ir的角速度ωr。当发电机处于低负荷或空载运行时，发电机的阻尼率较低、变流器中每个开关元件的电流最小，此时发电机处于最不稳定状态。当发电机运行于同步转速时，转子电流为直流电流，此时发电机和同步发电机相似，可用单相RL数学模型代替，如图3所示，其中电感Lm可以等效为励磁电感Leq，发电机的等效电感可以通过发电机定子输出的无功功率来计算，对于容量较大的双馈发电机的定子电阻Rs则可忽略不计，此时等效的无功功率Qeq和等效电感Leq满足下面关系：

其中Qs表示漏磁的无功功率，Qc表示电容C补偿的无功功率，us表示发电机定子电压，fs表示发电机输出的频率，发电机的等效电感Leq可表示为：

式中，fr表示转子电流的频率；fn表示转子的机械频率，且满足ωn＝2πfn，定子电感Ls＝Lm＋Lsσ。

图3 转子绕组的单相等效电路

空载状态时，简化RL模型和完整模型反映电流动态响应是近似的，验证如图4所示，RL模型下转子电流imod和完整模型下转子电流ira的波形几乎重合。

图4 简化模型和完整模型的转子电流曲线

2 双馈发电机的电压控制原理

由前文可知定子电压的幅值与转子电流的大小成正比，因此可以通过转子电流PI调节器来控制发电机端电压的幅值，定子电压的相位与参考坐标系的选取有关，可以通过它们在dq同步坐标系下的正交分量求出，而发电机的频率可以通过锁相环PLL检测同步坐标系中的向量计算得到。当发电机稳定运行时定子电压幅值和相位在同步坐标系下是相互独立的，因此改变定子电压幅值不会影响电压相位角，改变电压的相位角也不会影响电压幅值，所以控制器是独立的，即可用2个PI调节器来控制。

位置角调节器Rθ的输出信号ωr*确定了转子电流矢量ir的位置角θr*，在发电机并网时采用定子电压矢量和同步旋转坐标系来控制，可以有效控制xy坐标系（见图5）下的转子电流。这种方法和传统的调节同步坐标系下d轴分量和q轴分量相比，能更有效地控制发电机输送到电网的有功和无功。

图5 电压参考值Us*和定子电压Us的锁相原理图

发电机运行时，发电机转子电流矢量ir的位置角将随其参考值ir*变化，因此发电机定子电压矢量us将跟随电压参考值us*。当发电机转速变化时转子电流ir的位置角将会偏离坐标系βr角度，由于定子电压位置角控制器Rθ的调节作用，旋转坐标系将会从xy位置偏移到x′y′。定子电压位置角调节器所控制的定子电压位置角θs决定了转子电流矢量ir的初始位置以及xy坐标系的位置，转子电流PI调节器确定了转子电流矢量的初始相位。

转子电流的参考值ir*从极坐标到xy坐标系的变换方程为

由（4）式可知转子电流幅值|ir*|和0是ir在xy坐标轴上的投影值，转子三相电流irabc到αβ坐标系的变换方程为：

静止坐标系到xy坐标系的变换方方程为

要获得良好的控制效果，需采用两个PI调节器（PIrx和PIry）来控制转子电流。将转子电流的实际值经过坐标变换得irx和iry，将irx和iry分别与|ir*|和0作比较经过调节器得到转子电压在xy坐标系的分量urx*和ury*，再经过xy坐标系到abc坐标变换，可以得到转子电压信号urabc。xy坐标系到abc坐标变换如下：

3 仿真研究

本文采用PSCAD/EMTDC作为仿真平台，如图6所示搭建双馈发电机控制系统模型，发电机具体参数如下：

图6 双馈发电机控制原理图

额定功率0.25MW，额定电压0.38kV，额定频率50Hz，定子漏电抗Lls=0.012mH，转子漏电抗Llr=0.012mH，励磁电抗Lm=4.06mH，额定功率因数：cos φ=0.91。为了验证该简化模型的可行性，仿真系统中发电机在最不稳定的空载状态下运行，通过调节转子电流观察定子电压的幅值和相位。

图7分析：irOL表示简化RL模型下开环转子电流，irPI是经过PI调节器后的转子电流，urPI是经PI调节后的转子电压，irPI比irOL有更快的阶跃响应，上升至稳态的时间大为缩减，约为0.03s。

图7 开环转子电流和经PI调节器的转子电流的阶跃响应曲线

图8分析：iry*始终为零，转子电流参考值irx*在0.2s由50A阶跃至150A，发电机转子电流实际值irx，iry能快速跟踪各自参考值而变化，表明系统有良好的控制性能；定子电压Usd和Usq变化趋势分别与irx和iry相一致，Usd的增长倍数与irx*的增长倍数相同，即实现了有功和无功的解耦控制，调节转子电流控制了定子电压。

图8 转子电流参考值突变时电流实际值和电压的变化曲线

图9分析：在0.2s，发电机定子电压参考值|us|*由300V阶跃至600V，定子电压实际值|us|跟踪其变化并快速稳定，表明系统具有良好的控制性；转子电流参考值irx*和实际值irx快速响应，其幅值增大一倍，与电压幅值的增长倍数相同，iry*及其实际值iry保持在较小的波动后在0值稳定，整个系统阶跃响应时间和超调量都比较小，稳态运行时电压、电流波形平稳，发电机输出的电能质量比较理想。

图9 发电机定子电压参考值突变时，电压和电流变化曲线

4 结论

本文建立了双馈发电机的系统模型，阐述了发电机定子侧并联电容对发电机电压和输出电能质量的影响。推导了发电机空载时简化的RL模型，在该模型下建立控制系统原理图，最后通过仿真研究，结果表明该方法能够有效地控制发电机输出电压，提高发电机输出电能的质量。

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[6]吴国祥,陈国呈,蔚兰.变速恒频风力发电柔性并网及解列控制[J].华中科技大学学报:自然科学版,2009，37(3):2-6.

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Control Method of Doubly-Fed Induction Generator Based on Simplified Model

LI Wei-hua1,WANG Hong-yang2
(1.Institute of Water Resource and Hydro-Electricity，Xi’an University of Technology,Xi’an 710048,Shaanxi Province,China;2.Kaifeng Power Supply Company，Henan Electric Power Company,Kaifeng 475000,Henan Province,China)

This paper describes a doubly-fed induction generator system ofstandalone linear model and the RL simplified model,and analyzes the effect of the filtering capacitance on the stator voltage and power quality,and sets up system of using current to control the stator voltage.Simulation results show that this model can control the output voltage effectively and decoupling the amplitude and frequency of the stator voltage,and can improve the output power quality.

doubly-fed induction generator;simplified model;voltagecontrol

建立了双馈发电机的独立线性化系统模型以及简化RL模型，分析了定子侧滤波电容对发电机电压和输出电能质量的影响，搭建了通过电流来控制发电机电压的系统，最后通过仿真研究，其结果表明该模型能够有效地控制发电机输出电压，实现发电机幅值和频率的解耦控制，提高了发电机输出的电能质量。

双馈发电机；简化模型；电压控制

1674-3814（2010）08-0058-04

TM31

A

2010-09-16。

李炜华(1982—)，男，硕士研究生，研究方向为电力系统的测量与控制。

（编辑 李 沈）