双馈风力发电机转子侧变流器控制技术研究

钟运鹏 强喜臣

东方电气风电有限公司 四川德阳 618000

随着我国对环境问题的重视程度越来越高，在能源系统中可再生能源所占比例也越来越重，作为微电网中重要的一部分，风力发电技术发展迅速，在发电系统中得到了广泛的应用。双馈风力发电系统因其励磁变流器容量小、造价低、可实现变速恒频运行等优点而成为风力发电系统中主流机型。双馈风力发电系统中包含大量电力电子变流器，变流器滤波电容、电感与变流器控制环节交互作用容易引起谐振，从而造成系统谐波污染严重，降低电网电能质量。

1 概述

双馈风力发电机在风力发电中应用广泛，目前针对其控制策略的研究主要集中在有功和无功的解耦控制、低电压穿越等。普遍采用的双馈变速恒频风电机组的建模及控制目标中，网侧换流器控制主要实现以下目标：

（1）维持直流侧电压Udc 稳定，不受转子侧功率的数值和方向的影响；

（2）保持交流侧电流的正弦波形；

（3）保持交流侧功率因数为1μs。机侧换流器设计目标是：DFIG 变速风电机组可以变速运行，也可以实现定子绕组的有功和无功解耦控制和机端电压控制[1]。

2 数学模型

在坐标系下发电机的磁链方程如下：

式中：Ψsd，Ψsq，Ψrd，Ψrq分别为定子与转子磁链d，q 轴分量；Ls为定子等效电感；Lr为转子等效电感；Lm心为定转子互感；isd，ird，isq，irq分别为定子与转子电流轴d，q 分量。

在d，q 坐标系下系统功率转矩方程如下：

式中：P 为有功功率；Q 为无功功率；Te为电磁转矩；usd，usq为定子电压d，q 轴分量；np 为极对数[2]。

在坐标系下发电机的电压方程如下：

式中：urd，urq为转子电压d，q 轴分量；Rs为定子阻抗；Rr为转子阻抗；ωs为定子磁链角速度；ωr为转子电磁角速度[3]。

3 基于矢量控制的转子侧变换器控制策略

双馈风力发电系统中控制其网侧PWM 变换器的主要任务是：

（1）使得母线（直流）上电压充分稳定，让电压响应（动态）速度达到较高水平；

（2）保证绝对值大小为1μs 的网侧功率输入因子的交流（正弦）电。因为网内电压维持在同一水平，而风速是时刻改变的，即转子转速非恒定。因而需要对转子磁场进行实时调节，转子侧功率变换器采用矢量控制算法，通过调控输入转子绕组的电流大小实现对转子侧所形成磁场大小的调控，对应的如果可以对转子侧上电流加以控制，也必然能够调控系统的能量流动[4]。倘若将系统内所用变换器（双PWM）导入的侧电压（转子），运用坐标变换手段处理电流，再用磁链（定子）定向实时调整两轴中分量电流di、qi，即可有效调控电网产出功率（包括有功、无功）。通过di 电流分量的方向即可实现对输出有功功率的双向控制，通过调节qi 电流分量则可以对无功功率进行有效的控制。由以上分析可以看出，对电机转子侧电流的矢量控制，可以实现对双馈发电机输出电压及功率的调节[5]。

4 仿真模型和结果

4.1 仿真模型

仿真模型的参数分别从网络侧、机侧和整机三个方面进行设置。在网侧中，算法实现方式“调用．c”；仿真步为1μs 开关频率、采样频率和控制算法执行频率均为3kHz。在机侧中，算法实现方式“调用．c”；仿真步长为1μs；开关频率、采样频率和控制算法执行频率均为2kHz。

4.2 仿真结果

由图1 可以看出，当电网电压中存在谐波时，基于SOGI 的锁相环比比无SOGL 的更加稳定。在图1a 中，基波分量远大于谐波分量，为了显示谐波含量细节，将基波设置为超出范围。由图2 可看出，当电网电压出现三相不平衡时，基于SOGL 的锁相环比比没有SOGL 的更加稳定，并且d 轴分量更加准确。

图2 电网电压不平衡时锁相结果和d 轴分量

在电网电压谐波和锁相结果的情况下，如果没有谐波抑制控制，定子和转子电流中将会出现扰动和谐波，加入谐波抑制后，对比结果无谐波抑制时定子电流谐波和有谐波抑制时定子电流谐波，无谐波抑制时定子电流谐波THD=7．47%，无谐波抑制时定子电流谐波THD=3．94%。

5 结语

风能是可以再生的洁净能源，而且这一能源的运用已经基本实现，相关技术也相当成熟，目前已有不少国家均充分意识到这一能源在未来供给能源体系中的重要作用，并已经着手开展风能开发运用有关科技的研析和投入，风电早就步入商业规模实现的时期。双馈风力发电系统中包含电力电子变流器，变流器滤波电容、电感与变流器控制环节交互作用容易引起谐振造成严重谐波放大问题。