变速恒频双馈风力发电系统励磁控制策略研究

姜香菊，刘二林

JIANG Xiang-ju1, LIU Er-lin2

（1.兰州交通大学 自动化学院，兰州 730070；2.兰州交通大学 机电工程学院，兰州 730070）

0 引言

矢量控制主要分为按定子磁链定向控制、转子磁链定向控制和气隙磁场定向控制等几种[1]。变速恒频双馈风力发电系统如果使用转子磁链定向控制或者气隙磁场定向控制，定子绕组中会存在漏抗压降，其会在定子的端电压矢量和磁场定向控制参考轴之间产生相位偏差[2-4]。这将会使得定子侧有功功率和无功功率的解耦控制变得复杂，从而影响控制效果和精度。若使用定子磁链定向矢量控制，则需要对定子磁链进行观测，使得控制系统的结构设计复杂化。为了解决以上问题，论文对风力发电系统常采用的双PWM变流器进行了研究，建立了数学模型，并采用了电压定向矢量控制策略对其进行控制。

1 双PWM变流器结构分析

变速恒频双馈风力发电系统常用的是双PWM变流器（背靠背恒压源变流器），目前可用于交流励磁的变流器主要有交-交变流器和交-直-交变流器两种。交-交变流器是指无直流环节、直接将较高固定频率的电压变换为频率较低且频率可变的输出电压的变流器，由反并联的晶闸管相控整流电路组成[5,6]。该电路所需晶闸管元件数量较多，控制复杂；功率因数较低，特别在低速运行时，需要适当补偿；且输入、输出特性差，一般用在大型水利发电系统中。交-直-交变流器由于具有输入、输出特性好，能量双向流动，功率因数可调的特点，故其是变速恒频双馈风力发电系统的最佳供电设备。双PWM变流器主电路拓扑结构如图1所示。

图1中uga、ugb、ugc是三相电网电压通过变流器后的二次侧相电压，ura、urb、urc分别是转子三相绕组反电动势； L、R分别是交流进线电抗器电感和电阻；Lra、Rr分别是转子单相绕组漏感和电阻；C是直流侧电容。两个PWM变流器通过直流链相连接，直流侧母线电压的稳定靠滤波电容C来实现。

工作过程中，系统通过转子侧变流器向系统的转子绕组中输入励磁电流，通过控制该电流的频率来调节发电机转速；控制励磁电流幅值可以调节发电机的无功功率，控制励磁电流的相位时，转子电流产生的旋转磁场在气隙空间的位置有一个位移，从而改变了发电机电势与电网电压相量的相对位置，即改变了发电机的功率角，也就实现了控制有功功率的目的[7]。

2 变流器控制策略研究

2.1 网侧变流器控制策略研究

网侧变流器的控制目标是在保持直流母线电压稳定的前提下使交流侧输入电流正弦且相位即功率因数可控。根据对网侧变流器交流侧电流控制方式的不同，网侧变流器的控制策略分为电流开环控制即间接电流控制和电流闭环控制即直接电流控制两大类。本文采用基于电网电压定向的矢量控制策略，经过坐标变换和电网电压矢量定向，通过控制d轴电流分量igd的正负便可实现有功功率双向流动；控制q轴电流分量igq即可控制无功功率；便可实现d、q轴电流分量igd、igq分别控制网侧有功功率和无功功率的目的。

网侧变流器电压、电流双闭环控制框图如图2所示。图2中，ω、θ分别是电网电压角频率和电压矢量的相位。有功电流给定值igd*和无功电流给定值igq*以及θ。

图2所示控制框图中，采用双闭环控制策略，直流侧电压为外环，交流侧(电网)电流为内环。直流侧母线电压给定值udc*与采样值udc相比较，其误差经PI调节器后便可得到有功电流给定值igd*；根据系统的功率因数可算出系统总无功功率给定值Q*，若定子侧无功功率给定值Qs*已知，则转子侧无功功率给定值Qg*= Q*－Qs*=ugdigq*，据此可算出无功电流给定值

2.2 转子侧变流器控制策略研究

为了实现双馈风力发电机在同步旋转d-q坐标系中的解耦控制，本文采用基于定子电压定向的矢量控制方法。

图3是基于定子电压定向的双馈感应风力发电机矢量控制框图。

图3 基于定子电压定向的双馈风力发电机矢量控制框

在图3所示的系统中，采用双闭环控制策略。在功率闭环中，有功指令Ps*由风力机特性根据风力机最佳转速给出，无功指令Qs*根据电网需求设定。对转子坐标系下的转子电流进行坐标变换，可以得到在定子电压定向矢量坐标系下转子电流的d、q轴分量ird、irq，这两个分量作为实际电流反馈值分别与参考值ird*、irq*进行比较，其误差分别经PI调节器，产生解耦电压urd’、urq’。根据θ1-θr对urd*、urq*进行旋转变换，得到其变换到转子α-β坐标系中的urα*、urβ*值。再将其通过坐标变换，就得到三相坐标系中的ura*、urb*、urc*。然后用其进行PWM调制，产生频率、幅值、相位可变的三相交流励磁电压，输出PWM脉冲，从而实现通过转子侧变流器实现对定子侧输出功率解耦控制[9-11]。

3 变流器仿真分析

3.1 网侧变流器仿真分析

网侧变流器主要实现的功能是能量双向流动，功率因数可调等目的。当双馈感应风力发电系统处于亚同步速运行时，网侧变流器主要运行于整流状态；而当系统处于超同步速状态运行时，网侧变流器则运行在逆变状态，即双馈感应风力发电机组将开始向电网输送电能。现利用Matlab/Simulink仿真软件对本文所设计的网侧变流器电压、电流双闭环矢量控制策略进行仿真研究[14-16]。

仿真参数如下：输入电压E=220V，电网频率f=50Hz，进线电感 L=10mH，进线电阻R=0.05Ω，C=0.005F,负载电阻Rload=40Ω，开关频率fs=5kHz。网侧变流器的仿真模型如图4所示。

图4 网侧变流器仿真模型图

系统仿真图如图5～图8所示。

图5 亚同步速运行状态图

图6 超同步速运行状态图

图7 由整流状态转变为逆变状态图

图8 由逆变状态转变为整流状态

由图5和图6可见，当双馈感应风力发电机工作在亚同步速状态时，交流侧电网电压的相位和输入电流的相位相同，故网侧变流器工作在整流状态。当双馈感应风力发电机工作在超同步速工作状态时，交流侧电网电压的相位和输入电流的相位相反，所以网侧变流器工作在逆变状态。图7和图8分别为PWM整流器由整流状态转变为逆变状态和由逆变状态转变为整流状态的仿真图。

3.2 转子侧变流器仿真分析

系统仿真参数为：额定功率Pn=1.5MW，额定电压Un=690V，额定频率f=50Hz，定子绕组电阻Rs=0.01pu，转子绕组电阻Rr=0.009pu，定子绕组漏感Lsσ=0.171pu，转子绕组漏感Lrσ=0.156pu，互感Lm=2.9pu，极对数p=3。双馈风力发电系统仿真模型如图9所示。

图9 双馈感应风力发电系统仿真模型

1）有功功率独立调节

图10所示为定子侧有功功率调节变化过程。风力发电机组满足并网发电要求，稳定风速为10m/s，风电机组在t=0s并网开始向电网输送电能，定子有功功率给定值为0.6pu，无功功率给定值不变，而当机组运行到t=0.3s时，定子有功功率给定值变化到0.9pu，无功功率未发生变化。

图10 定子侧有功功率调节变化过程

2）无功功率独立调节

图11所示为定子侧无功功率调节变化过程，当双馈感应风力发电机的无功功率给定值在t=0.3s由0pu变为0.4pu时，定子有功功率几乎保持不变。

图11 定子侧无功功率调节变化过程

综上所述，所设计的基于定子电压定向的矢量控制策略可以实现双馈风力发电机定子侧输出有功功率和无功功率的独立解耦控制。

4 结论

论文依据双PWM变流器的拓扑结构，设计了基于电网电压定向的矢量控制策略，通过仿真验证了双PWM变流器可以实现能量双向流动，功率因数可调等特点。同时，针对转子侧变流器所要实现的功能，设计了基于定子电压定向的矢量控制策略，仿真结果表明所设计的控制策略能够实现定子侧有功功率和无功功率的解耦控制，验证了所设计控制策略的正确性。

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