基于d—q變化的雙饋風力發電系統損耗功率研究與控制優化

祁磊

摘 要：基于d-q變化的定子磁場定向矢量控制廣泛應用于變速恒頻雙饋風力發電中，但大部分研究的熱點集中變頻器的控制策略上。文章從研究降低雙饋發電機損耗功率入手，發現通過控制發電機磁鏈可以有效降低銅耗、鐵耗、機械損耗和雜散損耗。重新搭建了損耗功率模型，解耦電磁轉矩、有功和無功功率的與定轉子電流及轉子角速度的關系，并在此基礎上提出一種新的最大功率點跟蹤控制策略（MPPT）。

關鍵詞：d-q變化；損耗功率；磁鏈；最大功率點跟蹤

中圖分類號：TM614 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）28-0013-02

Abstract： Stator field-oriented vector control based on d-q transformation is widely used in wind generation with doubly fed induction generator （DFIG）， but most of the research focuses on the control strategy of frequency converter. According to the research of reducing the loss power of doubly fed induction generator， it is found that the copper consumption， iron loss， mechanical loss and stray loss can be effectively reduced by controlling the generator flux linkage. The loss power model is re-established to decouple the relationship between the electromagnetic torque， active power， reactive power and the stator/rotor current and rotor angular velocity. Based on this， a new maximum power point tracking （MPPT） control strategy is proposed.

Keywords： d-q transformation； loss power； flux linkage； maximum power point tracking （MPPT）

引言

目前，世界各國都在加大對風力發電的投資，其中雙饋風力發電機由于有功和無功的可調節、變頻器容量小等優點，成為風力發電的主流機型。目前，大量的雙饋機組接入電網，對電網的影響越來越大，電網對機組的要求也越來越高。

變流器通過控制轉子的勵磁電流頻率來改變轉子磁場的旋轉頻率，使發電機的輸出電壓頻率和電網保持一致。通過改變轉子勵磁電流的頻率、幅值、和相位可以實現發電機頻率、有功、無功的調節。

由于定子和電網直接連接，雙饋發電機的磁鏈幾乎恒定，因此降低磁鏈不能減少發電機的鐵耗，只能通過控制變頻器“網側”降低發電機的銅耗。為了降低發電機的損耗功率，提高機組發電量，必須降低發電機磁鏈。針對此問題，本文結合鼠籠型風力發電機組和雙饋發電機的技術特點，提出了一種全新的降低損耗功率的最大風能跟蹤控制策略。

1 風能和雙饋機組功率損耗模型

1.1 最大風能跟蹤

2 基于d-q變化的優化控制策略原理和電路結構

2.1 控制策略

控制邏輯：

第一階段：風速小于風機切入風速，此時boost變換器使轉子三項短路，定子側變頻器動作，晶閘管關斷，雙饋發電機變成鼠籠電機運行。

第二階段：風速逐漸增大，大于切入風速，風機進入發電模式，如果轉速小于MPPT模式設定的轉速，則風機按照此轉速穩定運行。

第三階段：如果系統檢測到轉速大于MPPT模式設定的轉速，則boost變頻器開始運行，風機按照MPPT模式運行。

第四階段：如果風速持續大于MPPT模式設定的轉速并且不停增加，系統開始檢測定子側變頻器輸出的頻率是否大于電網頻率和轉差頻率之和。如果前者大于后者之和，定子變頻器和boost轉化器關斷，定子側電流由晶閘管控制直接流入電網。

4 結束語

本文通過分析雙饋風力機的電機損耗功率，從降低發電機損耗入手，提出了在一種即降低損耗功率又能實現最大風能跟蹤的控制策略。和傳統的雙饋機組結構比較，轉子側的四象限背靠背變頻器變成了成本更低，效率更高的DC/DC boost整流器。容量更低的四象限背靠背變頻器連接在定子上，因為其僅在低風速下運行；高風速時，定子側變流器斷開，定子直接通過晶閘管整流器和電網連接。通過Matlab/Simulink中搭建的樣機仿真，驗證了策略的有效性，特變對于在山區丘陵地帶豎立的風機，對于減少風機頻繁偏航，提高風機效率，有風場重要的現實意義。

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