双馈异步风力发电交直交系统网侧变换器电压定向控制策略研究

曾文飞，陈静，林立，陈红专，万炳呈，陈鸿蔚

(1.邵阳学院 多电源地区电网运行与控制湖南省重点实验室，湖南 邵阳，422000；2.邵阳市电机厂有限公司，湖南 邵阳，422000；3.湖南耐为电控技术有限公司，湖南 长沙，410018；4.湘潭电机集团有限公司，湖南 湘潭，411100)

环境污染，能源危机，风电因清洁、高效受到各国广泛关注。双馈异步风电因低成本、高效率、高可靠性而备受学者青睐[1-3]。传统双馈异步风电的交流励磁系统采用交-交变换器，输入侧功率因数较大，输出侧谐波较多，并网难度较大[4-5]。可通过电压定向矢量控制策略实现柔性并网，为用户提供优质的电能[6-10]。首先，阐述了双馈式异步风力发电交直交系统的结构及工作原理；其次，在d-q坐标系下分析了网侧系统、机侧系统和直流母线恒压控制，采用电压定向及前馈控制策略，有效的消除耦合项，实现了转子与电网间无功功率与有功功率能量的双向流动；最后，在MATLAB/Simulink环境下建立了电压定向矢量控制系统的仿真模型，仿真结果表明了电压定向及前馈控制策略的有效性。

1 双馈异步风力发电机交直交系统结构及工作原理

1.1 双馈异步风力发电机交直交系统结构

双馈异步风电的交直交系统结构如图1所示，主要由网侧变换器、转子变换器、直流母线和滤波器等部分构成。网侧变换器与发电机组并联接入系统，转子侧变换器与转子绕组串联。网侧通过调节网侧dq轴电流控制励磁电压的幅值、频率、相位，维持直流母线电压稳定，实现有功与无功功率的解耦控制，能量双向流动。转子侧PWM变换器采用定子磁链定向矢量控制转子dq轴电流，调节发电机转矩，使发电机转速追踪不同风速下的最佳转速，使定、转子有功功率快速跟随风速变化，以实现风能捕捉和有功无功的解耦。

图1 双馈异步风力发电机交直交系统结构Fig.1 Structure of a doubly-fed asynchronous wind power generation system

1.2 网侧系统工作原理分析

网侧系统简化模型如图2所示，网侧和机侧为对称结构，主要由滤波器、开关信号与PWM变换器构成。网侧通过电网电压定向矢量控制和解耦控制策略对功率因数进行控制，采用双闭环PWM控制调制比和相位差的参数，使三相电流为幅值跟随风速变化的正弦波，实现转子电压及直流母线电压稳定供压和有功功率、无功功率的解耦。机侧通过调节转子dq轴电流改变电磁转矩，使发电机转速追踪不同风速下的最佳转速，使发电机功率快速跟随风速变化，维持功率因数恒定，实现能量双向流动。

图2 网侧简化模型Fig.2 The simplified model of a grid side

图中Vbus为直流母线电压。

若系统中的三相电压为理想三相对称交流电，可将三相系统等效为单相系统建立等效电路如图3所示，分析图3等效电路可建立三相输出电压的数学模型，通过网侧系统的控制作用调节输出电压的幅值、相位调节发电机输出有功功率和无功功率。

图3 单相等效电路Fig.3 Single phase equivalence circuit

若三相电压为理想电压，可建立单相等效电路如图3所示。由图3可得三相输出电压可表达为

vaf=Rfiag+Lfdiag/dt+vag
vbf=Rfibg+Lfdibg/dt+vbg
vcf=Rficg+Lfdicg/dt+vcg

(1)

式中：Lf、Rr为网侧系统中滤波器电感、电阻；vag、vbg、vcg是电网电压；vaf、vbf、vcf是网侧变换器三相输出电压等效为机侧系统三相电压Var、Vvr、Vcr。由此，可通过PI 控制不同风速下系统稳定运行并保证直流电压的稳定，并在变换器中采用DSP28335控制器产生脉冲信号输出网侧电压信号，电流信号由上式推算，实现能量的双向流动。

2 直流母线恒压控制与网侧电压定向控制策略

2.1 直流母线恒压控制

直流母线系统简化示意图如图4所示，变频器调节转子励磁电压的幅值、频率、相位控制需要提供稳定的直流电压，以调节双馈异步风力发电机无功功率和有功功率。若网侧系统和机侧系统能量双向流动且功率平衡，则直流母线中并联电容能量储存稳定进而维持电压稳定，供给机侧、网侧变换器稳定的直流电压。

由图4可得直流侧母线电压和电流可表达为

(2)

式中：ires为电阻支路电流；irdc为机侧流入直流母线的直流电流；igdc为直流母线流入网侧的直流电流，表达为

igdc=Sagiag+Sbgibg+Scgicg
irdc=-Sariar+Sbribr+Scricr

(3)

式中：Sag、Sbg、Scg、Sar、Sbr、Scr为来自网侧系统、机侧系统的开关信号。

图4 直流母线系统结构Fig.4 Structure of a DC busbar system

2.2 电压定向矢量控制策略

网侧电压定向矢量控制框图如图5所示，通过电压外环PI计算得到d轴电流的给定值，q轴采用零q轴电流控制，d-q轴电流给定值与经abc/d-q变换得到实际d-q轴电流相比较后，经电流环PI计算后得到d-q轴电压的调节参考值。采用电压前馈补偿其耦合项wsLfidg、wsLfiqg，与d-q轴电压调节参考值相叠加后得到系统的控制电压，经d-q/αβ变换后得到系统的驱动电压，经正弦脉宽调制后得到六路PWM脉冲信号，以实现对逆变器的控制，调节电流快速跟随风速变化，实现有功、无功的解耦控制，维持交直流侧电压稳定输出。

图5 网侧系统控制框图 Fig.5 The control block diagram of a grid side system

d-q坐标系下，网侧系统数学模型为

vdf=Rfidg+Lfdidg/dt+vdg-wsLfidg
vqf=Rfiqg+Lfdiqg/dt+vqg+wsLfiqg

(4)

(5)

通过式(5)可实现有功和无功功率的解耦控制，使电网电压稳定，有功功率随风速变化，无功功率接近于零。

3 系统建模及仿真

3.1 仿真模型

通过分析双PWM系统的结构原理及电网电网电压定向控制策略，在d-q坐标下建立双馈异步风力发电机的数学模型，得到定转子电压及磁链方程。

(6)

式中：RS、Rr为定转子电阻；Lm、Ls、Lr为励磁电感和定转子电感；vs、vr、is、ir为定转子电压和定转子电流；Ψs、Ψr为定转子磁链。

在d-q坐标系中采用电压定子定向控制策略，vqr=0，vqs=0，功率和转矩方程为

(7)

式中：PS、Pr、QS、Qr为d-q坐标系下定转子的有功功率和无功功率；Tem为d-q坐标系下电磁转矩；vds、vdr、vqs、vqr、ids、idr、iqs、iqr为d-q坐标系下分解后的定转子电压和电流；Ψds为d-q坐标系下的定子磁链。

根据上述数学模型，在MATLAB/Simulink中建立整个系统的仿真模型，如图6所示，仿真参数为电网电压380 V，电网频率50 Hz，直流侧电容1 μF,直流侧母线给定电压700 V。

图6 系统仿真模型Fig.6 System simulation model

3.2 仿真结果分析

系统的直流电压、三相电流与电压波形如图7～9所示，仿真结果表明，系统采用电网电压定向前馈控制可有效抑制直流母线电压波动，稳定在700 V，使三相电流在约0.05 s的短暂波动后幅值平稳可靠，功率因数可调，实现能量双向流动与柔性并网。

图7 直流母线电压波形Fig.7 Waveform of DC busbar voltage

图8 三相电流波形Fig.8 Waveform of three-phase current

图9 三相电压波形图Fig.9 Waveform of three-phase voltage

仿真实验结果表明，网侧系统采用电网电压定向前馈控制策略使母线电压恒定，有效遏制直流母线电压的变化，直流母线电压恒定使无功功率调节更灵活，整个风电系统性能稳定。交直交系统采用电网定向控制策略方法使三相电流稳定让系统具有良好的动态性能，系统的功率因数可调节，实现能量的双向流动，实现柔性并网。

4 结论

通过分析双馈异步风电交直交系统工作原理，采用网侧电压定向矢量控制策略，在MATLAB中建立仿真模型，仿真结果表明，网侧电压定向矢量及前馈控制是有效的：可实现有功功率、无功功率解耦，使功率因数可调，直流母线电压稳定输出，发电机处于次同步状态时，网侧处于整流状态，机侧处于逆变状态；发电机处于超同步状态时，网侧处于逆变状态，机侧处于整流状态，实现了能量的双向流动，系统表现出良好的动态响应和稳定性。