雙饋風力發電機的控制策略分析

黃曉華，曹輝

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雙饋風力發電機的控制策略分析

黃曉華，曹輝

（大連海事大學輪機工程學院，遼寧大連 116026）

本文研究了現如今應用較多的變速恒頻雙饋電機發電系統，介紹了其原理，分析了數學模型，研究了控制策略；采用電網電壓定向的矢量控制策略對電網側PWM變換器進行控制；采用定子電壓定向矢量控制策略，對轉子側變換器進行控制，實現了雙饋電機有功、無功功率的解耦控制。最后搭建仿真模型，仿真結果證明了理論分析的正確性，為實踐研究提供理論依據。

風力發電 變速恒頻 雙饋電機

0 引言

能源是人類經濟社會生活的命脈，隨著人類社會的前進和發展，全球能源的需求量必然繼續增加。能源安全則是國家經濟安全的基本支撐。能源短缺，尤其優質能源短缺，始終困擾著中國經濟的高速發展，越來越成為制約我國經濟發展的瓶頸。從能源發展戰略來看，必須尋求一條可持續發展的能源道路。在目前眾多可再生能源與新能源技術開發中，最成熟、最具規模化開發條件、潛力最大的就是風力發電。其在技術上、經濟上都已經具有了同燃煤、核電等發電技術相競爭的能力。千瓦、兆瓦級風力機的普及，要求人們必需加深對風力機動態性能的了解，以便設計出低成本、高效的新型風力發電系統及精確性更高的控制系統。

1 變速恒頻風力發電系統原理

變速恒頻風力發電系統主要由風機、齒輪箱、雙饋發電機、變頻器、和控制系統組成。定子側直接接工頻電網，轉子側外接三相變頻器實現交流勵磁，轉子側變換器實現定子側恒頻恒壓的輸出。設雙饋電機的極對數為，對定子施以頻率為f的三相對稱電壓時，電機氣隙中形成一個旋轉的磁場，轉速為同步轉速n。根據旋轉磁場理論：

同理當轉子上施加頻率為f的三相對稱電流時，產生的旋轉磁場相對于轉子本身旋轉速度為：

雙饋電機的轉差率為：

則電機轉子側通入的電流頻率應為：

由此可知，當電機轉子轉速變化時，只要控制轉子電流頻率f，就可保證定子側電流頻率f不變，實現變速恒頻的電力輸出。

2 雙饋電機數學模型

電壓方程：

磁鏈方程：

轉矩方程：

運動方程：

功率方程：

3 雙PWM變換器控制策略

3.1 轉子側變換器的控制

將矢量控制技術應用于雙饋發電機，可以實現輸出有功功率、無功功率的解耦控制。

常用的控制方式有基于定子磁鏈定向的矢量控制和基于定子電壓定向的矢量控制，本文采用后一種控制方法。基于定子電壓定向的矢量控制可以避免測定子磁鏈，并與電網側變換器的定子電壓定向的矢量控制有相似之處，設計簡便可行。同步旋轉坐標系軸與定子電壓U相重合，則有：

并網后忽略定子電阻影響，可得定子磁鏈方程

由此可得電流方程

帶入轉子磁鏈模型可得：

則轉子電壓方程為：

可以寫為：

其中: 17、(18)式可分別設計，軸的電流PI調節器，此控制方法保證了控制精度和動態響應速度。

雙饋電機功率功率表達式如下：

這表明此時雙饋電機的有功、無功功率只與定子電流在軸分量成比例，又因為定轉子電流有線性關系，所以可通過調節轉子電流來實現對有功、無功功率的解耦控制。通過以上分析，得出雙饋發電機轉子側控制的框圖，如圖。

3.2 網測變換器控制

網測變換器由6個開關器件組成，可按空間矢量脈寬調制（SVPWM）技術進行控制。

根據結構圖和相應的坐標變換，可得變換器在坐標系下的數學模型如下：

將兩相同步旋轉坐標系軸定向于電網電壓空間矢量上，則

運用網側變換器在兩相同步旋轉坐標系下的數學模型，則輸入電流要滿足：

其中

4 仿真模型的搭建及仿真波形

在matlab中搭建仿真模型如圖4所示，仿真時間共為10 s，在0～5 s期間，，雙饋電機次同步運行；在5～10 s期間，，雙饋電機超同步運行。

部分仿真波形如圖5～圖8。

5 結束語

本文針對應用較多的變速恒頻雙饋電機發電系統，介紹了其原理，分析了數學模型，研究了控制策略；采用電網電壓定向的矢量控制策略對電網側PWM變換器進行控制；采用定子電壓定向矢量控制策略，對轉子側變換器進行控制，實現了雙饋電機有功、無功功率的解耦控制。并根據控制策略，搭建仿真模型，仿真結果證明了理論分析的正確性，為實踐研究提供理論依據。

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Control Strategy of Doubly-fed Wind Power Generator

Huang Xiaohua, Cao Hui

（Marine Engineering College of Dalian Maritime University, Dalian 116026, Liaoning, China）

TP273

A

1003-4862（2014）07-0006-04

2013-11-02

黃曉華(1987)，男，碩士研究生。研究方向：輪機自動化與智能化。