雙饋風力發電系統轉子側PWM變換器及其對雙饋感應發電機的運行控制

沈 陽，阮 毅， 趙梅花，鐘沁宏

(上海大學機電工程與自動化學院，上海 200072)

0 引言

變速恒頻發電技術因具有易實現最大風能跟蹤、四象限有功和無功功率調節及柔性并網等優點而受到了廣泛關注，它越來越多地被應用到大型風力發電系統中［1］。在變速恒頻風力發電方案中通常選用雙饋感應發電機(Doubly-Fed Induction Generator，DFIG)來實現系統變速恒頻運行［2］，采用雙PWM變換器的變速恒頻DFIG風力發電系統，其結構如圖1所示。

在雙PWM變換器中，網側PWM變換器的作用是控制直流母線電壓的穩定和獲得良好的輸入性能，不直接參與對DFIG乃至整個風力發電系統的控制。DFIG整個風力發電系統的控制是通過轉子側PWM變換器來實現的。轉子側PWM變換器的主要任務是實現對DFIG轉速或有功功率、無功功率的控制，這是通過轉子側PWM變換器對DFIG轉子電流的有效控制來實現的。因此，對轉子側PWM變換器控制的研究與整個變速恒頻雙饋風力發電系統運行控制緊密相連。

近年來，對于轉子側PWM變換器，不同的控制策略被提出，主要有矢量控制［3］和直接功率控制［4］。文獻［3］給出了DFIG定子磁鏈定向矢量控制策略，在該控制系統中，由于要觀測定子磁鏈，增加了控制系統的復雜性。本文給出了DFIG定子電壓定向矢量控制策略，搭建了基于英飛凌XC2785的雙饋風力發電系統試驗平臺，通過試驗驗證了該方案的可行性和正確性。

首先根據同步旋轉dq坐標系下DFIG完整的數學模型，導出其在電網電壓恒定時的簡化形式，并采用同步旋轉坐標系下矢量形式的DFIG數學模型來進行DFIG的分析與控制系統的設計，對DFIG中有功、無功功率之間的關系進行分析，以期找出最大風能跟蹤的DFIG有功、無功功率之間的關系，實現控制系統的有效設計。

圖1 DFIG風力發電系統結構圖原理

1 DFIG的數學模型

推導DFIG數學模型時，定、轉子繞組均采用電動機慣例。

DFIG在三相靜止ABC坐標系下是一個多變量、強耦合、非線性高階系統。將DFIG在三相靜止坐標系下的數學模型經等功率3s/2 r變換后，可得同步旋轉dq坐標系下矢量形式的DFIG電壓方程和磁鏈方程分別如下:

式中:us、ur——分別為定、轉子電壓矢量;

is、ir——分別為定、轉子電流矢量;

ψs、ψr——分別為定、轉子磁鏈矢量。

式中:Lms，Lls，Llr——分別為定子互感、定子漏感和轉子漏感。

令定子磁鏈滿足:

則有:

ims——定子勵磁電流。

將式(3)、式(5)代人式(1)得

當變速恒頻雙饋風力發電系統穩態并網運行時，us為恒定的電網電壓，其幅值、頻率、相位皆不變，ψs也是穩定的，則有dims/dt≈0。則式(6)可簡化為

將式(7)、式(2)寫為dq分量的形式，則有

式中:usd，usq，urd，urq——分別為定、轉子電壓的d、q分量;

isd，isq，ird，irq——分別為定、轉子電流的d、q分量;

ωs——旋轉坐標系相對于轉子的電角速度，

式中:ψsd，ψsq，ψrd，ψrq——分別為定、轉子磁鏈的d、q分量。

對于變速恒頻風力發電運行中DFIG的控制來說，可控量是轉子電壓，直接被控的對象是轉子電流，而式(7)恰好給出了轉子電壓與轉子電流之間的關系，所以式(7)是傳統矢量控制中電流閉環控制器設計的依據。按照不同的矢量定向就得到不同的矢量控制方案。

2 DFIG定子電壓定向矢量控制策略

本方案采用DFIG電網電壓定向的矢量控制系統。由式(7)可知，在忽略定子電阻Rs的情況下，定子電壓矢量與定子磁鏈矢量之間存在如下近似關系:

并網運行后，定子電壓等于電網電壓，當同步旋轉坐標系的d軸定向于定子電壓矢量us時，由式(2)和式(10)可得

由此可得出定子磁鏈和定子電流的dq分量:

將定子電流的dq軸分量代入轉子磁鏈方程可得

將式(14)代入式(7)得

式中:us——定子電壓矢量的幅值。

同時可推導出用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DFIG總電功率為

式中:Ps——穩態時定子側從電網吸收的總的有功功率。

DFIG通過定子向電網輸出的無功功率為

DFIG通過定子向電網輸出地有功功率為

由式(16)～式(20)可看出，在采用d軸定子電壓定向并忽略定子電阻的情況下，DFIG的有功功率和無功功率近似實現了解耦，對轉子電流的d軸分量進行控制就可以控制DFIG中的有功分量，對轉子電流的q軸分量進行控制就可以控制DFIG中的無功分量。只要對轉子電流的d、q分量進行控制就可以實現對DFIG功率的控制。

將式(15)寫成d、q分量的形式可得

式(21)是雙饋風力發電系統電流內環控制器的設計依據。根據此式可以得到如圖2所示的基于定子電壓定向的轉速、轉子電流雙閉環矢量控制框圖。

3 試驗及分析

為驗證該控制方案，搭建了雙饋風力發電系統試驗平臺。試驗參數如下:用繞線式異步電機-直流電機組代替雙饋風力發電機組，DFIG額定功率3 kW，定子額定電壓380 V/50 Hz，同步轉速n1=1 500 r/min;直流電機額定功率3 kW，額定轉速為1 500 r/min，額定電壓220 V，額定電流17.5 A，勵磁電壓220 V，勵磁電流0.65 A;雙PWM變換器中的網側PWM變換器和轉子側PWM變換器分別采用兩個基于英飛凌XC2785的控制器控制。網側PWM進線電感為3mH，直流母線電壓為200 V，開關頻率網側 PWM為10 kHz，機側PWM為5 kHz。

圖2 DFIG定子電壓定向矢量控制結構框圖

試驗時，先將雙饋電機定子側接380 V電源，在電動狀態下空載起動，待穩定運行時，通過調壓器增加直流電機電樞電壓，將雙饋電機由電動狀態拖入發電狀態。不同狀態下的試驗波形如圖3所示。

圖3(a)、3(b)分別為轉速n=1 000 r/min，Isq=-5.49 A(Irq=0 A)的亞同步發電狀態下，定子相電流、轉子相電流波形，定子相電壓、相電流波形;圖4(a)為轉速n=1 500 r/min，Isq=-5.49 A(Irq=0 A)的同步發電狀態下，定子相電流、轉子相電流波形;圖4(b)為Isq=0 A(功率因數為1)時，定子相電壓、相電流波形。

圖5(a)為轉速n=1 800 r/min，Isq=-5.49 A(Irq=0 A)的同步發電狀態下，定子相電壓、轉子相電流波形;圖5(b)為Isq=3 A(容性)時定子相電壓、相電流波形。

圖3 轉速為1 000 r/min(亞同步運行)時的試驗波形

比較圖3(a)、4(a)、5(a)可看出，隨著轉速的變化，轉子電流的頻率相應地變化，以確保輸出定子電壓(電流)的頻率恒為50 Hz，其中同步速時轉子電流為恒定直流，雙PWM型變換器可以根據DFIG轉速的變化，自動調整輸出勵磁電流的頻率，實現DFIG變速恒頻運行，體現了交流勵磁變速恒頻特性。正是采用了交流勵磁，DFIG定子電壓的頻率不依賴于轉速的變化，保持恒壓恒頻。比較圖3(b)、4(b)、5(b)又可以看出DFIG定子可發出有功功率，還可以發出感性和容性的無功功率，驗證了DFIG有按電網的需求進行無功調節的能力，從而驗證了該控制方案的正確性和可行性。

圖4 轉速為1 500 r/min(同步運行)時的試驗波形

圖5 轉速為1 800 r/min(超同步運行)時的試驗波形

4 結語

根據三相靜止坐標系和同步旋轉dq坐標系下DFIG的數學模型，導出其在電網電壓恒定時的簡化形式，并采用同步旋轉坐標系下矢量形式的DFIG數學模型，對DFIG運行性能進行了分析，給出了基于定子電壓定向的轉速、電流雙閉環轉子側PWM控制策略，并用試驗驗證了該控制方案的可行性和正確性。

［1］MULLER S，DEICKEM，DEDCONCKER R W.Doubly fed induction generator systems for wind turbines ［J］.IEEE Industry Applications Magazine，2002，8(3):245-252.

［2］GALLARDO S，CARRASCO J，GALWAN M，et al.DSP-based doubly fed induction generator test bench using a back-to-back PWM converter［J］.IEEE on Industrial Electronics Society，2004(2):1411-1416.

［3］趙仁德.變速恒頻雙饋風力發電機交流勵磁電源研究［D］.杭州:浙江大學，2005.

［4］DAWEI，LIE X.Direct power control of DFIG with constant switching frequency and improved transient performance［J］.IEEE Transactions on Energy Conversion，2007，22(1):110-118.

［5］俞俊杰，崔開涌.變速恒頻雙饋風力發電系統的勵磁電源［J］.上海大學學報(自然科學版)，2009，15(5):512-516.

［6］吳國祥.變速恒頻風力發電機的若干關鍵技術研究［D］.上海:上海大學，2009.