變速恒頻雙饋風力發電系統勵磁控制策略研究

姜香菊，劉二林

JIANG Xiang-ju1, LIU Er-lin2

（1.蘭州交通大學 自動化學院，蘭州 730070；2.蘭州交通大學 機電工程學院，蘭州 730070）

0 引言

矢量控制主要分為按定子磁鏈定向控制、轉子磁鏈定向控制和氣隙磁場定向控制等幾種[1]。變速恒頻雙饋風力發電系統如果使用轉子磁鏈定向控制或者氣隙磁場定向控制，定子繞組中會存在漏抗壓降，其會在定子的端電壓矢量和磁場定向控制參考軸之間產生相位偏差[2-4]。這將會使得定子側有功功率和無功功率的解耦控制變得復雜，從而影響控制效果和精度。若使用定子磁鏈定向矢量控制，則需要對定子磁鏈進行觀測，使得控制系統的結構設計復雜化。為了解決以上問題，論文對風力發電系統常采用的雙PWM變流器進行了研究，建立了數學模型，并采用了電壓定向矢量控制策略對其進行控制。

1 雙PWM變流器結構分析

變速恒頻雙饋風力發電系統常用的是雙PWM變流器（背靠背恒壓源變流器），目前可用于交流勵磁的變流器主要有交-交變流器和交-直-交變流器兩種。交-交變流器是指無直流環節、直接將較高固定頻率的電壓變換為頻率較低且頻率可變的輸出電壓的變流器，由反并聯的晶閘管相控整流電路組成[5,6]。該電路所需晶閘管元件數量較多，控制復雜；功率因數較低，特別在低速運行時，需要適當補償；且輸入、輸出特性差，一般用在大型水利發電系統中。交-直-交變流器由于具有輸入、輸出特性好，能量雙向流動，功率因數可調的特點，故其是變速恒頻雙饋風力發電系統的最佳供電設備。雙PWM變流器主電路拓撲結構如圖1所示。

圖1中uga、ugb、ugc是三相電網電壓通過變流器后的二次側相電壓，ura、urb、urc分別是轉子三相繞組反電動勢； L、R分別是交流進線電抗器電感和電阻；Lra、Rr分別是轉子單相繞組漏感和電阻；C是直流側電容。兩個PWM變流器通過直流鏈相連接，直流側母線電壓的穩定靠濾波電容C來實現。

工作過程中，系統通過轉子側變流器向系統的轉子繞組中輸入勵磁電流，通過控制該電流的頻率來調節發電機轉速；控制勵磁電流幅值可以調節發電機的無功功率，控制勵磁電流的相位時，轉子電流產生的旋轉磁場在氣隙空間的位置有一個位移，從而改變了發電機電勢與電網電壓相量的相對位置，即改變了發電機的功率角，也就實現了控制有功功率的目的[7]。

2 變流器控制策略研究

2.1 網側變流器控制策略研究

網側變流器的控制目標是在保持直流母線電壓穩定的前提下使交流側輸入電流正弦且相位即功率因數可控。根據對網側變流器交流側電流控制方式的不同，網側變流器的控制策略分為電流開環控制即間接電流控制和電流閉環控制即直接電流控制兩大類。本文采用基于電網電壓定向的矢量控制策略，經過坐標變換和電網電壓矢量定向，通過控制d軸電流分量igd的正負便可實現有功功率雙向流動；控制q軸電流分量igq即可控制無功功率；便可實現d、q軸電流分量igd、igq分別控制網側有功功率和無功功率的目的。

網側變流器電壓、電流雙閉環控制框圖如圖2所示。圖2中，ω、θ分別是電網電壓角頻率和電壓矢量的相位。有功電流給定值igd*和無功電流給定值igq*以及θ。

圖2所示控制框圖中，采用雙閉環控制策略，直流側電壓為外環，交流側(電網)電流為內環。直流側母線電壓給定值udc*與采樣值udc相比較，其誤差經PI調節器后便可得到有功電流給定值igd*；根據系統的功率因數可算出系統總無功功率給定值Q*，若定子側無功功率給定值Qs*已知，則轉子側無功功率給定值Qg*= Q*－Qs*=ugdigq*，據此可算出無功電流給定值

2.2 轉子側變流器控制策略研究

為了實現雙饋風力發電機在同步旋轉d-q坐標系中的解耦控制，本文采用基于定子電壓定向的矢量控制方法。

圖3是基于定子電壓定向的雙饋感應風力發電機矢量控制框圖。

圖3 基于定子電壓定向的雙饋風力發電機矢量控制框

在圖3所示的系統中，采用雙閉環控制策略。在功率閉環中，有功指令Ps*由風力機特性根據風力機最佳轉速給出，無功指令Qs*根據電網需求設定。對轉子坐標系下的轉子電流進行坐標變換，可以得到在定子電壓定向矢量坐標系下轉子電流的d、q軸分量ird、irq，這兩個分量作為實際電流反饋值分別與參考值ird*、irq*進行比較，其誤差分別經PI調節器，產生解耦電壓urd’、urq’。根據θ1-θr對urd*、urq*進行旋轉變換，得到其變換到轉子α-β坐標系中的urα*、urβ*值。再將其通過坐標變換，就得到三相坐標系中的ura*、urb*、urc*。然后用其進行PWM調制，產生頻率、幅值、相位可變的三相交流勵磁電壓，輸出PWM脈沖，從而實現通過轉子側變流器實現對定子側輸出功率解耦控制[9-11]。

3 變流器仿真分析

3.1 網側變流器仿真分析

網側變流器主要實現的功能是能量雙向流動，功率因數可調等目的。當雙饋感應風力發電系統處于亞同步速運行時，網側變流器主要運行于整流狀態；而當系統處于超同步速狀態運行時，網側變流器則運行在逆變狀態，即雙饋感應風力發電機組將開始向電網輸送電能。現利用Matlab/Simulink仿真軟件對本文所設計的網側變流器電壓、電流雙閉環矢量控制策略進行仿真研究[14-16]。

仿真參數如下：輸入電壓E=220V，電網頻率f=50Hz，進線電感 L=10mH，進線電阻R=0.05Ω，C=0.005F,負載電阻Rload=40Ω，開關頻率fs=5kHz。網側變流器的仿真模型如圖4所示。

圖4 網側變流器仿真模型圖

系統仿真圖如圖5～圖8所示。

圖5 亞同步速運行狀態圖

圖6 超同步速運行狀態圖

圖7 由整流狀態轉變為逆變狀態圖

圖8 由逆變狀態轉變為整流狀態

由圖5和圖6可見，當雙饋感應風力發電機工作在亞同步速狀態時，交流側電網電壓的相位和輸入電流的相位相同，故網側變流器工作在整流狀態。當雙饋感應風力發電機工作在超同步速工作狀態時，交流側電網電壓的相位和輸入電流的相位相反，所以網側變流器工作在逆變狀態。圖7和圖8分別為PWM整流器由整流狀態轉變為逆變狀態和由逆變狀態轉變為整流狀態的仿真圖。

3.2 轉子側變流器仿真分析

系統仿真參數為：額定功率Pn=1.5MW，額定電壓Un=690V，額定頻率f=50Hz，定子繞組電阻Rs=0.01pu，轉子繞組電阻Rr=0.009pu，定子繞組漏感Lsσ=0.171pu，轉子繞組漏感Lrσ=0.156pu，互感Lm=2.9pu，極對數p=3。雙饋風力發電系統仿真模型如圖9所示。

圖9 雙饋感應風力發電系統仿真模型

1）有功功率獨立調節

圖10所示為定子側有功功率調節變化過程。風力發電機組滿足并網發電要求，穩定風速為10m/s，風電機組在t=0s并網開始向電網輸送電能，定子有功功率給定值為0.6pu，無功功率給定值不變，而當機組運行到t=0.3s時，定子有功功率給定值變化到0.9pu，無功功率未發生變化。

圖10 定子側有功功率調節變化過程

2）無功功率獨立調節

圖11所示為定子側無功功率調節變化過程，當雙饋感應風力發電機的無功功率給定值在t=0.3s由0pu變為0.4pu時，定子有功功率幾乎保持不變。

圖11 定子側無功功率調節變化過程

綜上所述，所設計的基于定子電壓定向的矢量控制策略可以實現雙饋風力發電機定子側輸出有功功率和無功功率的獨立解耦控制。

4 結論

論文依據雙PWM變流器的拓撲結構，設計了基于電網電壓定向的矢量控制策略，通過仿真驗證了雙PWM變流器可以實現能量雙向流動，功率因數可調等特點。同時，針對轉子側變流器所要實現的功能，設計了基于定子電壓定向的矢量控制策略，仿真結果表明所設計的控制策略能夠實現定子側有功功率和無功功率的解耦控制，驗證了所設計控制策略的正確性。

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