雙饋風電系統控制策略及測試研究

海櫻，崔巖梅，寧丙辰

(中航工業北京長城計量測試技術研究所，北京100095)

0 引言

風能作為一種可再生綠色能源，越來越多地受到人們的重視，而隨著單機容量的不斷增大，雙饋風力發電及其控制技術成為研究熱點。雙饋風電系統由兩個背靠背連接的電壓型脈寬調制(PWM)變換器構成，靠近電網一側的網側變換器是一個功率因數可控的三相PWM 整流器，為電機側變換器提供恒定的直流電壓;而靠近轉子的電機側變換器是一個三相電壓源型逆變器，為電機轉子提供交流勵磁，通過改變轉子電流實現對雙饋發電機的控制。

雙PWM 變換器的控制技術是雙饋電機變速恒頻風力發電技術的核心，本文以雙饋風電系統為研究對象，分別對雙饋電機側及網側變換器的控制算法進行研究，并通過實驗測試，證明控制算法的有效性。

1 變速恒頻原理

交流勵磁雙饋電機變速恒頻風力發電系統中，發電機定子繞組直接接入電網，定子電流形成的旋轉磁場的頻率為電網工頻f1;轉子繞組由頻率、幅值、相位可調的電源供給三相低頻勵磁電流，轉子電流形成的旋轉磁場對于轉子而言的供電頻率為f2。為實現機電能量轉換，定子和轉子旋轉磁場應保持相對靜止［1］，因此，f1，f2和對應轉子轉速的頻率fm三者之間應該保持如下關系:

式中:fm決定于發電機轉子的轉速n，即fm=n/60 ;p為電機的極對數。

當發電機的轉速n 變化時，即pfm變化時，通過控制f2，可使f1始終與電網頻率保持一致，從而實現了雙饋電機的變速恒頻運行。

2 電機側變換器的控制策略

電機側變換器通過改變轉子繞組電壓和電流的頻率、幅值、相位，實現對雙饋電機的變速恒頻控制。在并網過程中，控制器需要根據實際風速和電網要求，對發電機輸出功率進行動態調節，因此，電機側變換器將定子側功率作為被控對象，并且根據GB/T25388《風力發電機組雙饋式變流器》的要求，要實現雙饋電機有功功率和無功功率的解耦控制。

由于雙饋電機具有非線性、時變性、強耦合的特點，分析和求解比較困難，本文采用矢量控制方法，通過引入坐標變換，把三相坐標系下的各交流量轉換成兩相同步旋轉坐標系下的直流量［2］。雙饋電機在(d，q)同步旋轉坐標系下的電壓方程式為

磁鏈方程式為

定子功率方程式為［3］

式中:usd，usq，isd，isq，ψsd，ψsq分別是定子電壓us、電流is和磁鏈ψs的d，q 軸分量;urd，urq，ird，irq，ψrd，ψrq分別是轉子電壓ur、電流ir和磁鏈ψr的d，q 軸分量;Ps，Qs分別為定子有功和無功功率;Lm為激磁電感;Rs，Ls分別為定子的電阻和自感;Rr，Lr分別為轉子的電阻和自感;ω1，ω2分別為同步角速度和轉差角速度;微分算子用p 表示。

為了簡化控制，將同步旋轉坐標系的d 軸按電網電壓空間矢量定向，即采用電網電壓定向矢量控制策略，電網電壓在兩相同步坐標系中的d，q 分量分別為

式中:Us為電網電壓峰值。

在穩態下，由式(2)，(6)，(7)可以導出定子側功率與轉子電流的關系，有

由式(8)可以看出，定子側的有功、無功功率是互相解耦的，且可以得出功率控制器為

式中:Psref，Qsref分別為定子有功和無功功率給定值;irdref，irqref為功率環控制器輸出參考電流;Kpp，Kpi分別為功率環控制器的比例和積分系數;s 是復變量。

將式(4)代入式(3)并忽略定子電流的動態過程，得到轉子電壓與電流的關系:

根據式(10)，可以得出轉子電流環控制器為

式中:urdref，urqref為電流環控制器輸出參考電壓;Kip，Kii分別為電流環控制器的比例和積分系數。

電機側變流器采用定子功率為外環、轉子電流為內環的雙閉環控制策略，系統控制框圖如圖1所示。其控制過程為:發電機的定子電壓us和電流is經過坐標變換得到兩相同步旋轉坐標系下電壓usd，usq和電流isd，isq，其經過功率計算模塊后得到實際功率Ps，Qs，并分別與給定功率Psref，Qsref進行比較，其偏差通過功率環調節器后得到轉子電流的參考量irdref，irqref。發電機轉子電流ir經過坐標變換得到的旋轉坐標系下電流ird，irq作為電流環反饋量，定子功率環輸出的電流量irdref，irqref作為參考量，其偏差值經過轉子電流環調節器得到轉子電壓的參考量urdref，urqref，經過坐標變換和空間矢量調制得到空間矢量脈寬調制(SVPWM)信號驅動三相六路絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)，從而實現發電機的運動控制。

圖1 電機側系統控制框圖

3 網側變換器的控制策略

為推導網側變換器的數學模型，通常假設［4］:交流側輸入為三相三線制平衡系統;交流側進線電感L為線性，不考慮飽和現象;功率器件為理想開關。網側變換器主電路如圖2所示。

圖2 網側變換器主電路

網側變換器在同步旋轉(d，q)坐標系中的數學模型為［5］:

式中:ed，eq分別為電網電壓e 的d，q 軸分量;ud，uq分別為網側變換器交流側電壓u 的d，q 軸分量;id，iq分別為網側變換器交流側電流i 的d，q 軸分量;Udc為直流側母線電壓;iL為負載電流;C 為直流母線電容;L 為進線電感;R 為線路總等效電阻;sd，sq為開關函數。

圖3 雙閉環控制系統結構框圖

根據GB/T25388《風力發電機組雙饋式變流器》的要求，網側變換器主要實現變流器直流環節電壓控制和網側功率因數控制，因此，網側變換器將直流側電壓Udc和交流側電流i 作為被控對象。雙閉環控制系統結構框圖如圖3所示。控制系統采用雙閉環控制，電壓外環主要控制直流側電壓Udc，使其穩定在指定值Udcref，電流內環按照電壓外環輸出的電流指令idref，iqref對有功、無功電流id，iq進行控制，產生的參考電壓udref，uqref被轉換到兩相靜止坐標系中，并利用SVPWM技術控制變換器。

對式(12)進行拉普拉斯變換，整理得

可以看出變換器交流側電流的d，q 分量存在著相互耦合，給控制器設計造成一定困難。為此，采用前饋解耦控制策略，由式(13)可知，當電流調節器采用PI調節器時，變換器輸出端的電壓給定值udref，uqref為

式中:Kgp，Kgi分別為網側電流環控制器的比例和積分系數。

PI 調節器的輸出補償了交流側電感上的電壓降，控制器采用電流d，q 分量的解耦項抵消了實際系統中兩個分量的交叉耦合項。此時的被控對象簡化為交流側電感，控制量為流過電感的電流，可以采用線性控制理論對其進行設計。

4 實驗測試研究

雙饋風力發電系統變流器有如下要求［6］:為了追蹤最大風能，需要發電機在同步速上、下運行，要求變流器具有能量雙向流動的能力;為了確保發電質量，變流器要有優良的輸出特性;為了防止變流器對電網的諧波污染，要求變流器有良好的輸入特性。

為了測試雙饋風電控制系統是否滿足上述要求，實驗室搭建了一套雙饋發電機控制系統試驗平臺，其實驗裝置結構如圖4所示。該平臺主要由雙饋發電機組，背靠背型雙PWM 功率變換器、上位機監控系統、控制系統和風力機模擬系統組成。其中，控制系統是基本核心，由雙定點數字信號處理器(DSP)組成，將雙饋電機側和網側變換器的控制算法分別編寫到DSP1 和DSP2 后，可以實現電機側變換器和網側變換器的實時控制。

圖4 雙饋風電系統試驗平臺結構圖

實驗測試中采用的雙饋電機參數為:定子額定電壓380 V，定子額定電流35 A，轉子額定電壓214 V，轉子額定電流46 A，發電機額定轉速921 r/min，發電機轉動慣量為0.39 kgm。電機的定子電阻Rs=0.33 Ω，轉子電阻Rr=0.24 Ω，定子自感Ls=41.335 mH，轉子自感Lr=41.38 4 mH，激磁電感Lm=39.97 mH。在測試實驗中，發電機側的并網電壓為200 V，定子側有功功率Psref為3 kW，網側進線電壓為160 V，母線電壓給定Udcref為420 V。

控制算法中的變量usd和usq，isd和isq，ird和irq，ud和uq，id和iq分別為定子電壓us、定子電流is、轉子電流ir、網側變換器交流側電壓u、網側變換器交流側電流i 在兩相旋轉坐標系下的分量，試驗中，對這些變量及母線電壓Udc在三相坐標系下的波形進行測試。首先，對該系統進行了能量雙向流動測試，進行發電機由亞同步速向超同步速過渡的動態試驗，波形如圖5所示。從波形中可以看出，定子側的電壓us和電流is呈正弦曲線，且始終反相，頻率保持為50 Hz，系統始終處于工頻發電狀態，由于實驗中雙饋電機定子漏感較大，因此定子電流波形較光滑，輸出電能質量良好。轉子電流的頻率隨發電機轉速的變化而變化，當雙饋電機達到同步轉速時，轉子電流變為直流。發電機由亞同步速向超同步速過渡過程中，網側變換器由單位功率因數整流狀態過渡到單位功率因數逆變狀態，實現了能量的雙向流動。在過渡過程中，母線電壓Udc稍有變化，又很快穩定在給定值，其超調量不超過3%。

圖5 亞同步速向超同步速過渡實驗波形

其次，在風電機組運行過程中，輸出功率也是一個變化量，這里進行了雙饋發電機定子側輸出功率變化的動態測試，驗證其功率跟蹤特性。圖6 為超同步速下的實驗波形，此時電機轉速為1200 r/min，定子有功功率給定Psref由3 kW 到5 kW 階躍變化。從實驗波形中可以看出，系統可以跟蹤給定功率變化，在較短時間內重新達到穩定，且電流基本沒有超調，定子側始終保持單位功率因數運行，向電網輸送電能。當定子功率變大，機轉速不變時，轉差功率相應變大，轉子電流幅值電也隨之增大，而其頻率保持不變。

圖6 超同步速下功率變化實驗波形

5 結論

本文對雙饋風電系統電機側和網側變換器的控制算法進行了研究，并在實驗室模擬平臺上進行了能量雙向流動測試、定子側輸出功率變化動態測試，測試結果表明，雙饋變流器可實現能量的雙向流動，且定子側輸出功率變化的動態性能良好，滿足了雙饋變流器的要求，證明了系統控制策略的有效性。

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