东汽FD77双馈式变速恒频风力发电机的控制策略

张玉辉++陈琳琳

摘 要

在分析了东汽FD77双馈式变速恒频风力发电机控制方法的基础上，从而建立了交直交变流器网的测电压电路以及转而开始测定子序磁场定向的矢量方向的磁场。对系统的VSCF控制、并网控制技术进行了实验研究，结果表明，该系统能够，减小输出滤波电感的压降，提高了系统动态响应能力，输入输出有功、无功功率可以独立调节。

【关键词】电机 风力发电 交直交变流器 变速恒频

目前最常用的网侧控制策略是以坐标变换理论为基础的双闭环控制，来实现对有功无功功率的控制。由于谐波的幅值以及电压频率的快速变化，用作励磁电源时会在发电机定子侧产生大量空载谐波电压，极大程度上影响了电波输出的频率，甚至是导致了并网的困难。双馈风力发电系统变流器网侧采用PWM矢量控制，变流器转子侧则采用了定子磁场定向的去测量磁力。并且具有双向的功率移动，输入以及输出的功率可以自行进行调节，具有不明显的谐波和闪现，可以大范围的使用。

1 系统构成

双馈发电机交直交双PWM变流器则由一对三相整流/逆变器组成，二者之间由电容直流母线连接、双DSP控制器、并网保护装置以及虚拟变速风机等部分组成。在其中的功率器械利用的是IPM模块，这个变流器的一侧利用三厢的电杆接入电网，另一侧则通过滑环和电刷接入双馈发电机的转子绕组。并网保护装置包括转子接触器和定子接触器两个部分双馈发电机定子按星型连接，其结构示意图如图1。

2 双馈电机矢量控制

2.1 双馈电机矢量控制原理

交流电机转子电压含有基波和大量谐波的正、负序及零序分量。由于零序电压在电机中产生不了零序电流，但过气隙的磁通为零。忽略铁心的非线性饱和，将电磁曲线线性化处理，去除漏感的影响，仅仅是对电阻进行改正。这样就可以吧交直交变流器输出的基波和各次谐波电压看做成单独在电机等效电路的转子侧电源，根据这个来计算分流、转矩和他的功率以及使用的损耗。其电流传递函数如图2所示。

双馈发电机运动方程：

这个式子当中，Tm作为原动机的转矩值，Te作为电磁作用下的转矩，J作为系统的转动惯量，np为电机极的对数，ω为电机的电角速度。根据相关数据以及磁场的能量特点，可以将电磁转矩特点给分析出来：

电磁力的转向角度与方向相反就为正，转差率S按照小于同步的转速为正，参照异步电机的分析方法，双馈发电机的等效电路，如图3所示。

根据有关等效的电路图数据，可以得到双馈发电机的基本得数：

式中：

R1、X1分别为定子侧的电阻和漏抗；

R2、X2分别为转子折算到定子侧的电阻和漏抗；

Xm为激磁电抗；

分别为定子侧电压、感应电势和电流；

分别为转子侧感应电势，转子电流经过频率和绕组折算后折算到定子侧的值。

转子励磁电压经过绕组折算后的值，为再经过频率折算后的值。

2.2 并网控制

变速恒频双馈风力发电机通过控制转子电流频、相位及幅值实现软并网和软解列。在启动前，当风速达到切入风速并维持一段时间后，变流器通过控制转子励磁电流的幅值、相位和频率使转子励磁，控制定子绕组的空载端电压与电网电压一致，发电机处于并网等待状态。在进入了并网的运行阶段之后，根据实际情况的风的速度和电网要求的数据不时地调节输入输出数据。解列过程与并网过程相反。平时的解列过程可以通过调节桨的方法，将发电机的负载度降至最低，使得发电机差不多在不负载的情况下供电。

3 实验结果

为了验证东汽交直交双馈变速恒频系统在风力发电应用中的优势及采用的矢量控制策略的有效性，对于整个操作系统的输入输出功率的反馈、动态与静态性能展开了研究。图4给出了并网实验中发电机定子绕组端电压和定子电流的实测波形，从图中可以看出，并网瞬间冲击电流很小。该实验表明，东汽FD77发电机在采用电压控制的并网方法时，它的发电机的定子端的电压、相位和频率各个方面都具有相同的性能，条件严苛的满足了工作的条件，将发电机实现成软并网状态。发电机的定子侧和变流器网侧都可以运行在单位功率因数并且变流器的能量，业可以不是单向的流动，与此同时可以保证正弦输入输出电流，这个系统能够保持风力发电的充足性。

4 结论

本文针对东汽FD77变速恒频风力发电机的特点特别的研发了一套针对于控制电流的工作方案。结合该系统建立交直交变流器矢量控制系统模型，并在此基础上进行了实验研究。实验的最终现象表明，变速恒频双馈风力发电系统具有丰富的动态以及静态的稳固性能，并且能够切实可行的调解输入输出电压，并最终实现发动机的平滑工作性能，具有良好可靠性及稳定性。

参考文献

[1]Pollanen R，Tarkiainen A，Niemela M，et al.Control of zero-sequence current in parallel connected voltage source PWM rectifiers using converter-flux- ased control[C].Power Electronics and Applications European Conference，resden，Germany，2005.

[2]肖岚，刘爱忠，方天治，等.使用平均电流控制的逆变器并联系统[J]中国电机工程学报，2008，28（03）：77-82.

[3]杨轲.交流励磁发电机仿真研究[D].西安：西北工业大学，2006.

[4]宋耀东，刘宪林.交-交变频交流励磁发电机的建模与仿真[J].系统仿真学报，2007，19（24）：5837-5840.

[5]Kar N C，Jabr H M.A Novel PI Gain Scheduler for a Vector Controlled Doubly-Fed Wind Driven Induction Generator [J].IEEE Electric Machines and Power Systems，2005，2（09）：948-953.

[6]Seixas P F， Mendes M A S，Donoso-Garcia P，et al.An algebraic PWM method for three-level voltage source inverters[C].Industry Applications Conference，2000（04）：2177-2184.

作者简介

张玉辉（1979-），男，硕士研究生学历。现为河北大唐国际新能源股份有限公司工程师，主要从事风力发电运行及试验维护方面工作。

作者单位

1.河北大唐国际新能源股份有限公司 河北省承德市 067000

2.国网冀北丰南调控中心 河北省唐山市 063000