變速恒頻雙饋風電機組轉子側勵磁變流器控制技術研究*

柴 熠， 李長樂

(上海電器科學研究所(集團)有限公司，上海 200063)

0 引言

風力發電是目前可再生能源中技術最成熟、最具規模開發條件和商業化發展前景的發電方式之一，具有占地少、無污染、建設周期短、裝機規模靈活等優點，因此受到了世界各國的重視。目前變速恒頻雙饋式風力發電機組逐步成為風力發電機組的主流機型，其功率變換系統是風力發電電控部分中的核心部件，主要控制風電機組輸出電能的變換，風電機組的并網和解列，調節并穩定電能的輸出。

本文以雙饋發電機轉子側(以下簡稱:機側)變流器為核心，研制了一套小功率風電變流器系統，采用了基于定子磁場定向的矢量控制策略，通過仿真研究和試驗結果表明:雙饋風力發電機并網后定子的功率因數可調，有功功率和無功功率實現了解耦，并且具有并網電流諧波含量小、向電網供電穩定的特點，符合雙饋風力發電機組并網運行的要求。

1 轉子側變流器控制策略

機側變流器的控制對象是雙饋風力發電機。為了實現有效控制，必須對雙饋風力發電機充分了解，以此為基礎建立控制分析的理論基礎。鑒于同步旋轉坐標系下矢量形式的雙饋風力發電機模型有利于雙饋發電機的分析和控制系統的設計，將以此為工具對雙饋風力發電機的矢量控制進行設計和分析。

1.1 雙饋風力發電機的數學模型

為了便于分析，作如下假定:(1)忽略定、轉子電流高次諧波和定、轉子磁動勢高次諧波分量;(2)忽略電機鐵心磁滯、渦流損耗及磁路飽和的影響;(3)轉子量均折算到定子側;(4)各物理量正方向按照電動機慣例選取。設d-q坐標系以同步旋轉速度旋轉，則電機電壓和磁鏈方程為

式中:Rs、Rr——定、轉子繞組等效電阻;

Ls、Lr、Lm——d、q 軸定、轉子繞組自感及互感;

ids、iqs，idr、iqr——d、q 軸定、轉子電流;

uds、uqs，udr、uqr——d、q 軸定、轉子電壓;

Ψds、Ψqs，Ψdr、Ψqr——d、q 軸定、轉子磁鏈;

w1、ws——同步轉速和滑差角速度;

D——微分算子。

忽略電機定子繞組電阻，發電機的定子總磁鏈與定子端電壓矢量的相位正好相差90°。因此，采用發電機定子磁鏈定向，矢量控制系統可以大為簡化。將定子磁鏈定向在d軸上，且忽略定子繞組壓降，此時磁鏈方程為將磁鏈方程代入電機的電壓方程有:

轉矩方程為

1.2 矢量控制

根據us=Rsis+jω1Ψs可知，在忽略定子電阻的情況下，定子電壓矢量與定子磁鏈矢量之間存在如下的近似關系:us=Rsis+jω1Ψs≈jω1Ψs。當同步旋轉坐標系的d軸定向于定子磁場矢量Ψs時，有:

式中:Us——定子電壓矢量的幅值;

ims——勵磁電流矢量。

定子電壓和轉子電流表示的定子輸入的電磁功率、轉子輸入的電磁功率和輸入雙饋風力發電機總電磁功率為

雙饋風力發電機通過定子向電網輸出的有功功率為

由此可得雙饋風力發電機通過定子向電網輸出的無功功率為

可以看出，在采取定子磁場定向并忽略定子電阻的情況下，雙饋風力發電機的有功功率和無功功率也是近似被解耦了，對轉子電流的q軸分量進行控制即可控制雙饋風力發電機中的各個有功分量，對轉子電流的d軸分量進行控制就可以控制雙饋風力發電機向電網發出的無功功率。只要對轉子電流的d，q軸分量進行有效控制，就可以實現對雙饋風力發電機輸出功率的有效控制。因此，變速恒頻雙饋風力發電機組的控制主要是機側變流器的矢量變換控制。

雙饋風力發電機轉子電流閉環控制器可以根據下式進行設計，寫成d，q分量的形式，有:

其中，轉子磁鏈可以由定子電壓和轉子電流表示為

2 仿真研究

基于MATLAB 2007/Simulink環境，建立了變速恒頻風力發電機組機側變流器的仿真模型，進行了獨立運行、并網、有功、無功獨立調節、最大風能捕獲等仿真研究。

仿真參數如下:額定功率10 kW;額定電壓380 V;額定頻率50 Hz;定子電阻0.007 06(p.u.);定子漏感 0.171(p.u.);轉子電阻 0.005(p.u.);轉子漏感 0.156(p.u.);互感 2.9(p.u.);慣性時間常數5.04 s;極對數3;變流器載波頻率4 kHz。p.u.為標幺值。

采用基于定子磁場定向的矢量控制。PI調節器采用功率外環、電流內環的雙閉環控制雙饋風力發電機的雙閉環并網控制結構圖如圖1所示。

電流內環采用Ⅱ型系統設計方法，具體參數進行了微調。其比例參數Kp=1.0，積分時間參數Ki=1.0。由于功率外環和內環之間存在比例關系，在現代控制理論中為相關量，為方便控制，可將其和內環電流進行比例處理，即無功功率和內環的轉子電流無功分量存在線性關系，有功功率和內環的轉子電流有功分量存在線性關系，從而可以將功率外環打開，方便了整個系統的設計。

整個過程的仿真時間為 7 s，在3.5 s之前是獨立運行的系統，負載為5 kW，仿真結果如圖2所示。從圖中可以看出輸出電壓滿足電壓幅值、頻率、相位和電網電壓一致;3.5 s并網操作，并網沒有出現明顯的電流沖擊，實現了軟并網;4 s有功功率給定變化，從 5～8 kW，在 4.5 s回到5 kW，可以看出實際功率跟蹤了給定功率，轉子電流有功分量跟蹤了給定值，而無功分量沒有變化;在5 s無功功率給定變化，從0～5 kvar，在5.5 s回到0 var，可以看出實際的無功功率跟蹤了給定值，同樣的，轉子電流的無功分量跟蹤了給定值，而在這期間的有功分量沒有變化。從以上兩個時間段的仿真可以說明，系統通過矢量控制將有功、無功功率進行了解耦，從而可以單獨控制，即根據相應的風速輸出所對應的有功功率，跟蹤功率－轉速曲線上的最大功率點(最大風能捕獲);根據電網的需要向電網輸出可以控制的無功功率。

圖2表示了轉子側PWM變流器7 s動、穩態的運行情況，其中在3.5 s之前是獨立運行的系統，3.5 s時并網。如圖 2(a)、(b)、(c)所示，并網時，圖2(b)發電機定子輸出電壓滿足電壓幅值、頻率、相位和圖2(a)的電網電壓一致，并網時發電機定子電壓、電流輸出沒有變化。

在4 s時有功功率給定變化，在4.5 s時回到原給定的有功功率;在5 s時無功功率給定變化，在5.5 s時回到原給定的有功功率。如圖2(d)、(e)所示，在有功功率和無功功率變化時，系統一直保持并網狀態，定子輸出電壓與電網電壓一致，定子輸出電流由于功率的變化而相應變化。圖2(g)、(h)顯示在有功功率和無功功率變化時，不會互相影響，實現了有功功率、無功功率解耦。

圖2 轉子側PWM變流器穩態、動態情況

3 試驗系統

如圖3所示，試驗系統采用一臺籠型異步電機(M)拖動雙饋發電機，采用通用變頻器對原動機供電，模擬風力機的轉動。

如圖4所示，電機根據給定無功電流向電網注入無功，定子電流超前電網相電壓相位角90°(電流方向取輸出為正);如圖5所示，電機根據給定有功電流向電網注入有功，定子電流與電網相電壓相位角相反(電流方向取輸入為正)，可以看出:經過矢量控制，有功、無功已解耦。

圖3 雙饋式風力發電系統試驗平臺原理結構圖

圖4 定子有功為0，無功為3 A時的波形

4 結語

圖5 定子有功為5 A，無功為0時的波形

本文以雙饋風力發電機轉子側(機側)變流器為核心，研制了一套小功率的雙饋風電機組模擬裝置。如文中所述，基于定子磁場定向的矢量控制策略可以很好地控制定子電壓、幅值、頻率與電網達成一致，并網時刻對電網沖擊小，并網之后實現了有功、無功解耦，電流諧波含量小，仿真和試驗研究證明了該控制策略的可行性和有效性。

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