变速恒频双馈风力发电转子侧控制技术的研究

郑学庆，郑益文，马立新

（1.陕西省商洛市镇安中学，陕西 商洛711500；2.上海理工大学电气工程系，上海200093）

0 引 言

近年来，能源危机不断加剧和环境保护意识不断增强，风力发电已经成为各国研究和开发的热点。其系统有独立型和并网型两种形式。并网型又分为恒速恒频风力发电系统和变速恒频风力发电系统两类［1］。恒速恒频风力发电系统虽然具有结构简单、成本低、过载能力强和运行可靠性高等优点。但是，风电机组直接与电网耦合，风电机组的特性将直接对电网产生影响；此外，异步发电机的运行需要无功电源的支持，加重了电网的无功负担，使电力系统的潮流分布更加复杂。随着风力发电规模的不断扩大，这些问题将更加突出。

然而随着电力电子技术的快速发展，变速恒频风力发电技术也不断成熟，特别是双馈感应发电机，其定子绕组直接接入电网，转子采用三相对称绕组，经背靠背双PWM变流器［2］与电网相连，给双馈发电机提供交流励磁［3］，励磁频率即发电机的转差频率。此系统不仅实现了发电机转速与电网频率的解耦，降低了风力发电与电网之间的相互影响，而且大大改善了风电机组的运行性能，降低了变流器的容量，已逐渐发展成主流风力发电设备，在风能发电中的应用越来越广。

鉴于此，本文针对双PWM变流器展开研究，设计了转子侧变流器采用定子电压定向矢量控制方案［4］，并构建了11 kW变速恒频双馈风力发电机系统控制系统，实现了有功、无功功率解耦控制和最大风能跟踪控制。本系统也是未来风力发电控制系统的发展方向，具有广阔应用前景和现实意义。

1 变速恒频双馈风力发电系统的基本概念

1.1 变速恒频双馈风力发电系统的原理［5］

由交流异步发电机的基本原理可知，DFIG的定子频率、转子频率、极对数和转速的关系如下：

式中，fs为定子电流频率，n为转子转速，p为电机极对数，fr为转子电流频率。当n＜n1时，处于亚同步运行状态，此时变流器向DFIG转子提供交流励磁，定子发出电能给电网，式（1）中fr取正号；当n＞n1时，处于超同步运行状态，此时DFIG的定子和转子同时发出电能给电网，式（1）中fr取负号；当n＝n1时，处于同步运行状态，此时DFIG作为同步电机运行，fr＝0，变流器向转子提供直流励磁。当DFIG转速n变化时，可控制转子供电频率fr相应变化，使fr保持恒定不变，与电网频率保持一致，就实现了变速恒频控制，这就是交流励磁双馈风力发电机变速恒频运行的基本原理。

1.2 交流励磁变流器

VSCF双馈风力发电机的控制是通过控制转子交流励磁变流器来实现的，为了满足变速恒频双馈风力发电的特殊要求，从变流器的成本、主电路拓扑结构、控制系统的复杂程度、电压传输比、动态响应能力和对电网故障的适应能力等方面来看，双PWM变流器是最佳方案，其结构与控制简单、成熟、可靠，成本低，控制性能好，是目前VSCF双馈风力发电机交流励磁电源的主流方案。

双PWM变流器由两个完全相同的两电平电压型三相PWM变流器通过直流母线连接而成，按位置分为网侧变流器和转子侧变流器（也称机侧变流器），如图1所示。本系统网侧变流器采用无电网电压传感器虚拟电网磁链定向矢量控制技术，主要任务是保证其有良好的输入特性和直流母线电压的稳定性，本文不做深入研究。

图1 两电平电压型双PWM变流器

1.3 变速恒频双馈风力发电系统结构

变速恒频双馈风力发电系统结构如图2所示。系统由风机、齿轮箱、DFIG、双PWM变流器、滤波器、变压器等构成。

图2 变速恒频双馈风力发电系统结构

2 DFIG在dq坐标系下的动态数学模型

在三相静止坐标系中的DFIG数学模型既是一个多输入多输出的高阶系统，又是一个非线性、强耦合的系统［6］，数学模型比较复杂，现通过3s/2s坐标变换和2s/2r坐标变换，将三相静止坐标系中定子和转子的电压、电流、磁链和转矩变换到两相旋转dq坐标系中，由于两相坐标轴相互垂直，则两相绕组之间没有磁的耦合，从而简化了数学模型。特别是当三相静止坐标系中的电压和电流是在电源频率下的交流正弦波时，变换到dq坐标系上就成为直流，十分有利于控制系统的设计与实现。

同步旋转坐标系下的磁链方程、电压方程、转矩方程和运动方程如下：

（1）磁链方程

（2）电压方程

（3）转矩方程

（4）运动方程

式中，ψsd、ψsq、ψrd、ψrq，usd、usq、urd、urq，isd、isq、ird、irq分别为定、转子电压和电流的d、q轴分量；Lm、Ls、Lr分别为dq坐标系下等效绕组间互感和等效绕组定、转子自感；ω1为同步角速度，ωs＝ω1－ω为dq坐标系相对于转子的电角速度，即转差的电角速度；Te为发电机的电磁转矩；np为电机的极对数；θr为转子的位置角；TL为风力机的拖动转矩；J为机组转动惯量；KD为与转速成正比的阻转矩阻尼系数；K为扭转弹性阻尼系数。

3 机侧变流器采用SVO的矢量控制策略

由式（2）～（4）可知，系统虽简化不少，但其非线性、多变量、强耦合的性质并没有改变。采用矢量控制策略［7］，即通过定子电压d轴定向矢量控制实现对DFIG有功和无功的解耦控制，进一步简化系统模型。

3.1 dq坐标系下DFIG的矢量模型

dq坐标系下DFIG电压方程和磁链方程的矢量形式分别为：

式中，us、ur，is、ir分别 为定、转子 端电压 和电流 矢量，且有：us＝usd＋jusq，ur＝urd＋jurq；is＝isd＋jisq，ir＝ird＋jirq；ψs，ψr分别为定、转子磁链矢量，且有ψs＝ψsd＋jψsq，ψr＝ψrd＋jψrq。由式（6）和（7）可得如图3所示DFIG矢量形式的T型等效电路。

图3 DFIG矢量形式的T型等效电路

由图3和式（6）可以看出向DFIG输入的定、转子总有功功率为：

设DFIG由风力机输入的机械功率为：

若不考虑磁场变化而从电网吸收的无功成份，则DFIG从电网吸收的无功功率为：

在研究DFIG风力发电系统自身的稳态运行特性时，通常假定电网电压恒定，且稳态时可以忽略定子绕组励磁电流的动态过程，定子电阻可以忽略。则式（6）简化成：

3.2 DFIG定子电压d轴定向矢量控制策略

在DFIG采用定子电压d轴定向的同步旋转坐标系中，设Us为定子电压矢量的幅值，由式（14）可得：

则DFIG通过定子向电网输入有功功率为：

DFIG通过定子向电网输入的无功功率为：

将转子电压矢量方程写成dq分量的形式：

转子磁链可由定子电压和转子电流表示：

由DFIG的最大风能跟踪原理可以得到定子输出有功功率指令为：

而DFIG定子输出无功功率与最大风能跟踪无关，其指令Q＊由电网的需要或DFIG优化运行的需要来给定。

在定子电压定向矢量控制中，由式（19）～（23）可得到如图4所示的DFIG的定子电压定向矢量控制框图，通过控制转子电流d轴分量就可以控制DFIG中的各个有功分量，控制转子电流的q轴分量就可以控制DFIG向电网发出的无功功率。从而实现最大风能跟踪和有功、无功解耦控制。

图4 DFIG定子电压d轴定向矢量控制框图

3.3 系统仿真研究

机侧变流器采用定子电压定向矢量控制策略，利用Matlab/Simulink建立VSCF双馈风力发电系统的仿真模型［8］，如图5所示。图中风力机仿真模块采用Matlab2010a中固有的风力机模块（wind turbine）。DFIG参数设置为：US＝380 V，np＝2，RS＝0.4310Ω，Rr＝2.390Ω，XS＝0.4294Ω，Xr＝0.5780Ω，P＝11 kW，f1＝50 Hz。在给定风速不断变化时，系统仿真结果见图6～图8。

从仿真结果可以看出，在风速不断变化的情况下，定子电压幅值、频率、相位基本与电网电压一致；当有功功率变化的时候，无功功率保持不变，从而实现了有功功率与无功功率解耦控制。

图5 11 kW变速恒频双馈风力发电系统的仿真模型

图6 给定风速V和DFIG转速n曲线

4 系统实验研究

根据上文介绍的机侧变流器采用定子电压定向矢量控制方案，采用15 kW的YPT180M－4的电动机和变频调速系统来模拟风力机、11 kW的YVPR180L－4双馈发电机、380 V隔离变压器，双PWM变流器和LT8503DSP开发板等硬件构建了一套11 kW变速恒频双馈风力发电实验系统，并进行了并网稳态实验研究，实验结果如图9所示。

图7 DFIG定子电压和电流波形

图9中给出了定子A相电压uA的波形和定子A相电流iA的波形，双馈电机根据给定有功电流向电网注入有功功率，此时定子电流与定子电压相位相反，无功功率为零，即实现了有功无功功率解耦控制，实验结果验证了该方案的可行性。

图8 DFIG输出的有功和无功功率曲线

图9 转子有功电流为15 A，无功电流为0

5 结 论

本文以变速恒频双馈风力发电系统转子侧控制技术为核心，研制了一套11 kW变速恒频双馈风力发电系统实验平台。如文中所述，基于定子电压定向的矢量控制方案可以很好地控制定子电压幅值、频率、相位与电网电压一致。从仿真和实验结果看，该矢量控制方案具有良好的可行性。

［1］ 王志新.现代风力发电技术及工程应用［M］.北京：电子工业出版社，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］ 刘其辉，贺益康，张建华.交流励磁变速恒频风力发电机的运行控制及建模仿真［J］.中国电机工程学报，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］ 陈伯时，陈敏逊.交流调速系统［M］.北京：机械工业出版社，2003.

［6］ 杨 耕，罗应立.电机与运动控制系统［M］.北京：清华大学出版社，2006.

［7］ 马志源.电力拖动控制系统［M］.北京：科学出版社，2004.

［8］ 贺益康.交流电机调速系统的计算机仿真［M］.杭州：浙江大学出版社，1993.