劉大貴 王維慶 王海云，2 張新燕，2 趙海嶺

（1.新疆大學電氣工程學院，新疆烏魯木齊 830047;2.西安交通大學電氣工程學院，陜西西安 710049）

0 引言

最近二十年間，風力發(fā)電技術發(fā)展迅速，兆瓦級變速恒頻雙饋風力發(fā)電機組在風力發(fā)電中得到了廣泛的應用，目前已經成為世界各國風力發(fā)電場的主流機型[1]。將電力電子變流技術、矢量變換控制技術和微機信息處理技術移植于雙饋風力發(fā)電機組之中，獲得了一種全新的、高質量的電能。因此，本文研究對雙饋風力發(fā)電機組實現最大風能捕獲，以及采用定子磁鏈定向矢量控制策略對發(fā)電機的有功、無功功率進行獨立調節(jié)，并進行了仿真驗證，為實現實際的控制策略提供理論指導意義。

1 雙饋風力發(fā)電機組的基本原理

圖1 雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)結構框圖

雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)結構框圖如圖（1）所示。由風速模型、風力機、齒輪箱、雙PWM變頻器、雙饋異步發(fā)電機、濾波器和控制系統(tǒng)等幾部分構成。

當風力機轉速 ωr變化時，為了保證發(fā)電機輸出的定子電壓頻率 ω1不變，應按式（1）調節(jié)交流勵磁電源的頻率 ω2

即當發(fā)電機的轉速小于定子旋轉磁場的轉速時，電機處于亞同步運行狀態(tài)，變頻器向發(fā)電機轉子供電，定子輸出電能至電網，式（1）取正號;當電機處于超同步運行狀態(tài)時，發(fā)電機定子和轉子同時輸出電能至電網，變頻器能量反向流動，式（1）取負號。

圖中雙PWM變頻器能夠滿足交流勵磁雙饋風力發(fā)電機的運行要求，實現轉差功率在發(fā)電機轉子與電網之間的雙向流動。從式（1）中可以看出，若要使得定子電壓頻率 ω1不變，保持與電網頻率一致，需要采取控制策略調節(jié)交流勵磁電源的頻率 ω2發(fā)生相應的變化，這就是變速恒頻雙饋風力發(fā)電機組運行的基本原理。

雙饋風力發(fā)電機組輸出功率與風速的3次方成正比:

圖2 在槳矩角為0°的功率特性曲線

式中，ρ為空氣密度;v為風速;A為風力機掃掠面積;CP為風力機的輸出功率系數。由于風力機的輸出功率系數CP在某一確定的尖速比 λ（葉輪尖的線速度與風速之比）下可達最大值，因此，當風速在一定范圍變化時，變速恒頻雙饋風力發(fā)電機組由于風力機轉速可變，通過控制可使其尖速比等于或接近最佳值，從而可最大限度地利用風能。顯然恒速恒頻運行不可能使得CP保持為最大值，風能得不到充分利用。圖（2）為本文中研究機組在槳矩角為0°的功率特性曲線。在轉速 ωr達到1.2pu，風速12m/s時，功率特性曲線在C點處，輸出功率P取得最大值0.73pu。

2 風速模型

為了模擬作用在風力機上風速隨時間變化的特征，風速變化的時空模型原則上可由四部分組成:

1）基本風

基本風在風力機正常運行過程中一直存在，它決定了風力發(fā)電機向系統(tǒng)輸送額定功率的大小，基本上反映了風電場平均風速的變化。它可以由風電場測風所得的威布爾分布參數近似確定:

2）陣風

在風速變化的過程中，描述風速突然變化的特性，一般用陣風來表示。

式中VWG、TG、maxG分別為陣風風速 （m/s）、陣風作用時間（s）、陣風啟動時間（s）和陣風最大值（m/s）。

3）漸變風

對風速的漸變特性可以用漸變風成分來模擬。

式中VWR、T1R、T2R、TR、maxR分別為漸變風風速（m/s）、漸變風起始時間（s）、漸變風終止時間（s）、漸變風保持時間（s）和漸變風最大值（m/s）。

4）隨機噪聲風速

為反映風速變化的隨機特性，在風速模擬中可以用隨機噪聲風速成分來表示。

式中，N為統(tǒng)計風速總數，一般取50;Δω為風速頻率間距，一般取 0.5～2.0rad/s; φi為 0－2 π 之間均勻分布的隨機變量;KN為地表粗糙系數，一般取0.004;F為擾動范圍尺度（m），μ為相對高度的平均風速（m/s）。

綜上述四種風速成分，模擬實際作用在風力機上的風速為:

3 雙饋風力發(fā)電機組的矢量控制策略

為了最大限度地捕獲風能，在變速恒頻雙饋風力發(fā)電機組中，采用定子磁通定向的矢量變換控制策略，通過調節(jié)定子電流經坐標變換后的有功電流分量iqs和無功功率電流分量ids，實現對發(fā)電機輸出的有功功率P和無功功率的獨立調節(jié)。

雙饋異步電機從本質上講是一個非線性、強耦合、多變量的系統(tǒng)。由于雙饋電機定子三相對稱繞組在空間的相對位置是固定的，以A相軸線為參考軸，轉子三相對稱繞組軸線以角速度 ωr逆時針旋轉，轉子a軸和定子A軸之間的夾角 θr是一個空間角，隨時間變化而變化。因此，需要進行坐標變換和去耦處理，由電壓方程、磁鏈方程、轉矩方程和運動方程組成的雙饋電機經過3s/2r坐標變換到二相旋轉d－q坐標系下的電機模型基本方程如下:

式中:usd，usq——分別為定子電壓的d，q軸分量;urd，urq——分別為轉子電壓的d，q軸分量;isd，isq——分別為定子電流的d，q軸分量;ird，irq——分別為轉子電流的d，q軸分量;Ψsd，Ψsq，Ψrd，Ψrq——分別為定、轉子磁鏈d，q軸分量;Rs，Ls——分別為定子繞組的電阻和自感;Rr，Lr——分別為轉子繞組的電阻和自感;Lm——定、轉子間的互感;Ps，Qs——定子有功、無功功率;ωs——同步旋轉角速度;ωr——轉子角速度;p——微分算子。

采用定子磁鏈定向的矢量控制，有約束條件:

略去定子繞組電阻后，定子電壓方程為

整理得:pΨs=0Us= ωsΨs

將（13）代入轉子磁鏈方程整理可得:

將（14）代入轉子電壓方程，進一步整理可得:

式中:為實現轉子電壓、電流解耦控制的解耦項;Δurd，Δurq為消除d，q軸轉子電壓、電流分量間交叉耦合的補償項。

基于定子磁場定向的矢量控制策略簡圖如圖（3）所示。將轉子電壓分解為解耦項和補償項后，既簡化了控制，又能保證控制的精度。

4 仿真分析

利用Matlab/Simulink進行仿真，仿真參數如下:三相繞線式異步電機，額定功率為1.5WM，定子額定電壓為575V，額定頻率為 60Hz，轉動慣量為 5.04kg.m2，極對數為 3，定子電阻為 0.00706（pu），定子電感為 0.171（pu），轉子電阻為 0.005（pu），轉子電感為0.156（pu）（已折算到定子側），互感為 2.9（pu）。

設基本風8m/s，在20s時受到陣風的干擾，風速上升到最大值14m/s，30s后陣風消失。在此種仿真情況下，雙饋風力發(fā)電機組風速的變化后，得出相應的轉軸轉速的變化和有功、無功功率的變化，仿真結果如圖（4）所示。定子電流經坐標變換后有功電流分量iqs和無功功率電流分量ids的變化波形，仿真結果如圖（5）所示。

圖4 風速變化時風力發(fā)電機組參數變化曲線

圖3 基于定子磁場定向的矢量控制策略簡圖

圖5 風速變化時相應的定子電流有功電流分量 iqs和無功功率電流分量 ids的變化波形

在20s－30s范圍內，隨著風速的變化，風力發(fā)電機組轉子轉速，以及發(fā)電機組有功功率P和無功功率Q保持了較平穩(wěn)的變化。因此，在風速出現較大變化時，雙饋風力發(fā)電機組的輸出有功、無功功率都能自動跟隨風速變化進行調節(jié)，特別是有功功率的調節(jié)在額定風速15m/s以下，可以實現風速變化時最大風能捕獲，以提高風能轉化率。仿真結果與圖（2）中的功率特性相吻合。對圖（4）、（5）對比分析，圖（5）中風速變化時相應的定子電流有功電流分量iqs和無功功率電流分量ids的變化波形與圖 （4）中發(fā)電機有功功率P和無功功率Q的變化波形相一致，也就是說采用的控制策略可實現有功功率P和無功功率Q的獨立調節(jié)。

5 結論

本文通過仿真對風速15m/s以下的風速進行了研究，實現雙饋風力發(fā)電機組的最大功率捕獲，并采用了定子磁鏈定向的矢量控制策略得到了有功、無功獨立調節(jié)，為實際的控制策略提供理論指導意義。

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