變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電轉(zhuǎn)子側(cè)控制技術(shù)的研究

鄭學(xué)慶，鄭益文，馬立新

（1.陜西省商洛市鎮(zhèn)安中學(xué)，陜西 商洛711500；2.上海理工大學(xué)電氣工程系，上海200093）

0 引 言

近年來(lái)，能源危機(jī)不斷加劇和環(huán)境保護(hù)意識(shí)不斷增強(qiáng)，風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)成為各國(guó)研究和開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。其系統(tǒng)有獨(dú)立型和并網(wǎng)型兩種形式。并網(wǎng)型又分為恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)兩類(lèi)［1］。恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)雖然具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、過(guò)載能力強(qiáng)和運(yùn)行可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。但是，風(fēng)電機(jī)組直接與電網(wǎng)耦合，風(fēng)電機(jī)組的特性將直接對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生影響；此外，異步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行需要無(wú)功電源的支持，加重了電網(wǎng)的無(wú)功負(fù)擔(dān)，使電力系統(tǒng)的潮流分布更加復(fù)雜。隨著風(fēng)力發(fā)電規(guī)模的不斷擴(kuò)大，這些問(wèn)題將更加突出。

然而隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也不斷成熟，特別是雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)，其定子繞組直接接入電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子采用三相對(duì)稱(chēng)繞組，經(jīng)背靠背雙PWM變流器［2］與電網(wǎng)相連，給雙饋發(fā)電機(jī)提供交流勵(lì)磁［3］，勵(lì)磁頻率即發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率。此系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率的解耦，降低了風(fēng)力發(fā)電與電網(wǎng)之間的相互影響，而且大大改善了風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行性能，降低了變流器的容量，已逐漸發(fā)展成主流風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，在風(fēng)能發(fā)電中的應(yīng)用越來(lái)越廣。

鑒于此，本文針對(duì)雙PWM變流器展開(kāi)研究，設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)子側(cè)變流器采用定子電壓定向矢量控制方案［4］，并構(gòu)建了11 kW變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了有功、無(wú)功功率解耦控制和最大風(fēng)能跟蹤控制。本系統(tǒng)也是未來(lái)風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的發(fā)展方向，具有廣闊應(yīng)用前景和現(xiàn)實(shí)意義。

1 變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本概念

1.1 變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的原理［5］

由交流異步發(fā)電機(jī)的基本原理可知，DFIG的定子頻率、轉(zhuǎn)子頻率、極對(duì)數(shù)和轉(zhuǎn)速的關(guān)系如下：

式中，fs為定子電流頻率，n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，p為電機(jī)極對(duì)數(shù)，fr為轉(zhuǎn)子電流頻率。當(dāng)n＜n1時(shí)，處于亞同步運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)變流器向DFIG轉(zhuǎn)子提供交流勵(lì)磁，定子發(fā)出電能給電網(wǎng)，式（1）中fr取正號(hào)；當(dāng)n＞n1時(shí)，處于超同步運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)DFIG的定子和轉(zhuǎn)子同時(shí)發(fā)出電能給電網(wǎng)，式（1）中fr取負(fù)號(hào)；當(dāng)n＝n1時(shí)，處于同步運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)DFIG作為同步電機(jī)運(yùn)行，fr＝0，變流器向轉(zhuǎn)子提供直流勵(lì)磁。當(dāng)DFIG轉(zhuǎn)速n變化時(shí)，可控制轉(zhuǎn)子供電頻率fr相應(yīng)變化，使fr保持恒定不變，與電網(wǎng)頻率保持一致，就實(shí)現(xiàn)了變速恒頻控制，這就是交流勵(lì)磁雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)變速恒頻運(yùn)行的基本原理。

1.2 交流勵(lì)磁變流器

VSCF雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制是通過(guò)控制轉(zhuǎn)子交流勵(lì)磁變流器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，為了滿(mǎn)足變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電的特殊要求，從變流器的成本、主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度、電壓傳輸比、動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力和對(duì)電網(wǎng)故障的適應(yīng)能力等方面來(lái)看，雙PWM變流器是最佳方案，其結(jié)構(gòu)與控制簡(jiǎn)單、成熟、可靠，成本低，控制性能好，是目前VSCF雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)交流勵(lì)磁電源的主流方案。

雙PWM變流器由兩個(gè)完全相同的兩電平電壓型三相PWM變流器通過(guò)直流母線(xiàn)連接而成，按位置分為網(wǎng)側(cè)變流器和轉(zhuǎn)子側(cè)變流器（也稱(chēng)機(jī)側(cè)變流器），如圖1所示。本系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)變流器采用無(wú)電網(wǎng)電壓傳感器虛擬電網(wǎng)磁鏈定向矢量控制技術(shù)，主要任務(wù)是保證其有良好的輸入特性和直流母線(xiàn)電壓的穩(wěn)定性，本文不做深入研究。

圖1 兩電平電壓型雙PWM變流器

1.3 變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)由風(fēng)機(jī)、齒輪箱、DFIG、雙PWM變流器、濾波器、變壓器等構(gòu)成。

圖2 變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 DFIG在dq坐標(biāo)系下的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型

在三相靜止坐標(biāo)系中的DFIG數(shù)學(xué)模型既是一個(gè)多輸入多輸出的高階系統(tǒng)，又是一個(gè)非線(xiàn)性、強(qiáng)耦合的系統(tǒng)［6］，數(shù)學(xué)模型比較復(fù)雜，現(xiàn)通過(guò)3s/2s坐標(biāo)變換和2s/2r坐標(biāo)變換，將三相靜止坐標(biāo)系中定子和轉(zhuǎn)子的電壓、電流、磁鏈和轉(zhuǎn)矩變換到兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系中，由于兩相坐標(biāo)軸相互垂直，則兩相繞組之間沒(méi)有磁的耦合，從而簡(jiǎn)化了數(shù)學(xué)模型。特別是當(dāng)三相靜止坐標(biāo)系中的電壓和電流是在電源頻率下的交流正弦波時(shí)，變換到dq坐標(biāo)系上就成為直流，十分有利于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的磁鏈方程、電壓方程、轉(zhuǎn)矩方程和運(yùn)動(dòng)方程如下：

（1）磁鏈方程

（2）電壓方程

（3）轉(zhuǎn)矩方程

（4）運(yùn)動(dòng)方程

式中，ψsd、ψsq、ψrd、ψrq，usd、usq、urd、urq，isd、isq、ird、irq分別為定、轉(zhuǎn)子電壓和電流的d、q軸分量；Lm、Ls、Lr分別為dq坐標(biāo)系下等效繞組間互感和等效繞組定、轉(zhuǎn)子自感；ω1為同步角速度，ωs＝ω1－ω為dq坐標(biāo)系相對(duì)于轉(zhuǎn)子的電角速度，即轉(zhuǎn)差的電角速度；Te為發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩；np為電機(jī)的極對(duì)數(shù)；θr為轉(zhuǎn)子的位置角；TL為風(fēng)力機(jī)的拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩；J為機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；KD為與轉(zhuǎn)速成正比的阻轉(zhuǎn)矩阻尼系數(shù)；K為扭轉(zhuǎn)彈性阻尼系數(shù)。

3 機(jī)側(cè)變流器采用SVO的矢量控制策略

由式（2）～（4）可知，系統(tǒng)雖簡(jiǎn)化不少，但其非線(xiàn)性、多變量、強(qiáng)耦合的性質(zhì)并沒(méi)有改變。采用矢量控制策略［7］，即通過(guò)定子電壓d軸定向矢量控制實(shí)現(xiàn)對(duì)DFIG有功和無(wú)功的解耦控制，進(jìn)一步簡(jiǎn)化系統(tǒng)模型。

3.1 dq坐標(biāo)系下DFIG的矢量模型

dq坐標(biāo)系下DFIG電壓方程和磁鏈方程的矢量形式分別為：

式中，us、ur，is、ir分別 為定、轉(zhuǎn)子 端電壓 和電流 矢量，且有：us＝usd＋jusq，ur＝urd＋jurq；is＝isd＋jisq，ir＝ird＋jirq；ψs，ψr分別為定、轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶浚矣笑譻＝ψsd＋jψsq，ψr＝ψrd＋jψrq。由式（6）和（7）可得如圖3所示DFIG矢量形式的T型等效電路。

圖3 DFIG矢量形式的T型等效電路

由圖3和式（6）可以看出向DFIG輸入的定、轉(zhuǎn)子總有功功率為：

設(shè)DFIG由風(fēng)力機(jī)輸入的機(jī)械功率為：

若不考慮磁場(chǎng)變化而從電網(wǎng)吸收的無(wú)功成份，則DFIG從電網(wǎng)吸收的無(wú)功功率為：

在研究DFIG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)自身的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性時(shí)，通常假定電網(wǎng)電壓恒定，且穩(wěn)態(tài)時(shí)可以忽略定子繞組勵(lì)磁電流的動(dòng)態(tài)過(guò)程，定子電阻可以忽略。則式（6）簡(jiǎn)化成：

3.2 DFIG定子電壓d軸定向矢量控制策略

在DFIG采用定子電壓d軸定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，設(shè)Us為定子電壓矢量的幅值，由式（14）可得：

則DFIG通過(guò)定子向電網(wǎng)輸入有功功率為：

DFIG通過(guò)定子向電網(wǎng)輸入的無(wú)功功率為：

將轉(zhuǎn)子電壓矢量方程寫(xiě)成dq分量的形式：

轉(zhuǎn)子磁鏈可由定子電壓和轉(zhuǎn)子電流表示：

由DFIG的最大風(fēng)能跟蹤原理可以得到定子輸出有功功率指令為：

而DFIG定子輸出無(wú)功功率與最大風(fēng)能跟蹤無(wú)關(guān)，其指令Q＊由電網(wǎng)的需要或DFIG優(yōu)化運(yùn)行的需要來(lái)給定。

在定子電壓定向矢量控制中，由式（19）～（23）可得到如圖4所示的DFIG的定子電壓定向矢量控制框圖，通過(guò)控制轉(zhuǎn)子電流d軸分量就可以控制DFIG中的各個(gè)有功分量，控制轉(zhuǎn)子電流的q軸分量就可以控制DFIG向電網(wǎng)發(fā)出的無(wú)功功率。從而實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤和有功、無(wú)功解耦控制。

圖4 DFIG定子電壓d軸定向矢量控制框圖

3.3 系統(tǒng)仿真研究

機(jī)側(cè)變流器采用定子電壓定向矢量控制策略，利用Matlab/Simulink建立VSCF雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型［8］，如圖5所示。圖中風(fēng)力機(jī)仿真模塊采用Matlab2010a中固有的風(fēng)力機(jī)模塊（wind turbine）。DFIG參數(shù)設(shè)置為：US＝380 V，np＝2，RS＝0.4310Ω，Rr＝2.390Ω，XS＝0.4294Ω，Xr＝0.5780Ω，P＝11 kW，f1＝50 Hz。在給定風(fēng)速不斷變化時(shí)，系統(tǒng)仿真結(jié)果見(jiàn)圖6～圖8。

從仿真結(jié)果可以看出，在風(fēng)速不斷變化的情況下，定子電壓幅值、頻率、相位基本與電網(wǎng)電壓一致；當(dāng)有功功率變化的時(shí)候，無(wú)功功率保持不變，從而實(shí)現(xiàn)了有功功率與無(wú)功功率解耦控制。

圖5 11 kW變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型

圖6 給定風(fēng)速V和DFIG轉(zhuǎn)速n曲線(xiàn)

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究

根據(jù)上文介紹的機(jī)側(cè)變流器采用定子電壓定向矢量控制方案，采用15 kW的YPT180M－4的電動(dòng)機(jī)和變頻調(diào)速系統(tǒng)來(lái)模擬風(fēng)力機(jī)、11 kW的YVPR180L－4雙饋發(fā)電機(jī)、380 V隔離變壓器，雙PWM變流器和LT8503DSP開(kāi)發(fā)板等硬件構(gòu)建了一套11 kW變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并進(jìn)行了并網(wǎng)穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖7 DFIG定子電壓和電流波形

圖9中給出了定子A相電壓uA的波形和定子A相電流iA的波形，雙饋電機(jī)根據(jù)給定有功電流向電網(wǎng)注入有功功率，此時(shí)定子電流與定子電壓相位相反，無(wú)功功率為零，即實(shí)現(xiàn)了有功無(wú)功功率解耦控制，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方案的可行性。

圖8 DFIG輸出的有功和無(wú)功功率曲線(xiàn)

圖9 轉(zhuǎn)子有功電流為15 A，無(wú)功電流為0

5 結(jié) 論

本文以變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)子側(cè)控制技術(shù)為核心，研制了一套11 kW變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。如文中所述，基于定子電壓定向的矢量控制方案可以很好地控制定子電壓幅值、頻率、相位與電網(wǎng)電壓一致。從仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，該矢量控制方案具有良好的可行性。

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