范立新，向張飏

(1.江蘇方天電力技術有限公司，江蘇南京211102；2.東南大學電氣工程學院，江蘇南京210096)

隨著能源危機的不斷惡化，以風能為代表的新能源利用技術受到越來越多的關注[1]。雙饋變速恒頻風力發(fā)電機作為目前風力發(fā)電系統(tǒng)使用的主要機型，其并網(wǎng)運行的控制策略研究是風力發(fā)電系統(tǒng)能夠廣泛應用的基礎。雙饋風力發(fā)電機多采用雙PWM變換器為轉(zhuǎn)子提供勵磁電流，網(wǎng)側(cè)變換器主要負責穩(wěn)定直流側(cè)電壓和實現(xiàn)單位功率因數(shù)控制，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器則通過控制勵磁電壓達到功率解耦控制和最大風能追蹤的效果[2]。本文在分析雙饋電機數(shù)學模型的基礎上對其控制策略進行了研究，之后在Matlab/simulink軟件中建立了相應模型，通過仿真計算驗證控制策略的控制效果。

1 雙饋變速恒頻發(fā)電機數(shù)學模型

1.1 dq坐標系下數(shù)學模型

建立數(shù)學模型時規(guī)定定子、轉(zhuǎn)子側(cè)電流采用發(fā)電機慣例，將雙饋電機三相旋轉(zhuǎn)坐標系下的數(shù)學模型轉(zhuǎn)化為dq坐標系下數(shù)學模型，變換時采用恒功率變換。數(shù)學模型表達式如下[3]。

電壓方程：

磁鏈方程：

運動方程：

式（1—3）中：下標s為定子側(cè)參數(shù)，下標r為轉(zhuǎn)子側(cè)參數(shù)。

1.2 簡化模型

在同步旋轉(zhuǎn)坐標系下DFIG的數(shù)學模型是一個5階模型，在一些場合下需要更進一步地簡化，比如在研究DFIG風力發(fā)電系統(tǒng)對整個電力系統(tǒng)的影響時，或者研究DFIG風力發(fā)電系統(tǒng)自身的穩(wěn)態(tài)運行特性時，通常假定電網(wǎng)電壓恒定，而且穩(wěn)態(tài)時DFIG的定子磁鏈也可認為是恒定的，這樣可以忽略定子繞組勵磁電流的動態(tài)過程，于是式（1）變?yōu)椋?/p>

由式（4）可見，DFIG的電壓方程由4階變?yōu)?階，整個DFIG的數(shù)學模型也變?yōu)?階，這可以大大降低DFIG模型的復雜程度，有利于并網(wǎng)控制策略的設計。

2 雙饋電機控制策略

2.1 網(wǎng)側(cè)PWM變換器控制策略

PWM整流器的主要優(yōu)點有：（1）功率可以雙向流動。（2）輸入電流正弦而且諧波含量少。（3）功率因數(shù)可調(diào)，可運行在單位功率因數(shù)下。（4）在輸入電網(wǎng)電壓固定的情況下直流母線電壓可以調(diào)節(jié)，且直流母線電壓抗負載擾動的穩(wěn)定性好。網(wǎng)側(cè)變換器可用以下數(shù)學模型表示：

式（5）中：L，R為進線電感和電阻；ur為控制電壓；u為網(wǎng)側(cè)電壓。為了實現(xiàn)解耦控制，可對式（5）進行改寫，且為：

根據(jù)式（6）可以確立網(wǎng)側(cè)變換器控制策略，通過調(diào)節(jié)變換器輸出電壓達到調(diào)節(jié)電流的目的，控制框圖如圖1所示。

2.2 轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變換器控制策略

根據(jù)式（4）給出的簡化模型，在忽略定子電阻的情況下，將同步旋轉(zhuǎn)坐標系的d軸定向于定子電壓矢量us時，有：

轉(zhuǎn)子電壓方程可改寫為：

風力發(fā)電系統(tǒng)定槳距運行時的最大風能追蹤與風力機的轉(zhuǎn)速密切相關。由于DFIG的轉(zhuǎn)速氣是風力機轉(zhuǎn)速心的N倍倒為齒輪箱的變比，故也就與DFIG的轉(zhuǎn)速密切相關。只要有效地控制DFIG的轉(zhuǎn)速，就可以使得風力機運行于某一風速所對應的最佳的轉(zhuǎn)速點上，對應著最大的輸出功率和最佳的葉尖速比。隨著風速的變化，最佳轉(zhuǎn)速與最大功率在坐標系中所對應的點就成為一條最佳功率曲線。最佳功率與風力機轉(zhuǎn)速和DFIG轉(zhuǎn)速有如下關系[5]：

由于風速難以準確測量，故電角速度參考值的計算精度不能得到保證。因此，采用有功功率信號參考值進行最大風能追蹤，在不計機械損耗的情況下，DFIG定子發(fā)出功率的指令為：

轉(zhuǎn)子電流內(nèi)環(huán)解耦控制中d軸為有功分量，q軸為無功分量，一般來說q軸功率給定值由風電場控制給出，這里取iq*=0。d軸功率給定值則由式（10）給出，與實際定子輸出功率相減后送入PI調(diào)節(jié)器給出d軸電流給定值id*。結(jié)合式（8）可以得到如圖2所示的基于定子電壓定向矢量控制的轉(zhuǎn)子電流閉環(huán)控制的框圖。這種控制方式在電網(wǎng)電壓恒定的情況下能獲得較好的性能，具有良好的動靜態(tài)特性。

2.3 槳距角控制

當雙饋發(fā)電機的轉(zhuǎn)速或功率接近限額時需要對原動機槳距角進行控制，以保證風力發(fā)電機安全運行[6]。槳距角控制同樣采用PI調(diào)節(jié)器實現(xiàn)，將功率與轉(zhuǎn)速值與給定值比較之后經(jīng)PI調(diào)節(jié)器送出槳距角給定值，再通過槳距角伺服系統(tǒng)對槳距角進行調(diào)節(jié)，從而壓抑原動機出力達到控制功率和轉(zhuǎn)速的目的，其控制框圖如圖3所示。

3 仿真分析

采用雙PWM變換器實現(xiàn)交流勵磁的變速恒頻雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構圖如圖4所示，仿真在Matlab/simulink中建立了器件和控制系統(tǒng)模型，對雙饋電機運行特性進行了模擬。

3.1 網(wǎng)側(cè)變換器仿真結(jié)果

網(wǎng)側(cè)變換器主要實現(xiàn)功率的雙向流動和對直流環(huán)節(jié)電容電壓的控制。取三相電網(wǎng)電壓的相電壓為220V，直流環(huán)節(jié)的電壓參考值Vdc*為600V，進線電感為5m H，進線電阻為0.2Ω，直流環(huán)節(jié)電容為2000μF。為了驗證PWM變換器的功率雙向流動功能，令負載電流在0.5s時由10 A躍變?yōu)?10 A（以流入負載為正方向）。直流環(huán)節(jié)電壓的變化波形如圖5所示?？梢钥吹诫妷涸?.5s時有一個上升。這是由于0.5s時負載電流從流出電容變?yōu)榱魅腚娙荩瑢е码娙蓦妷荷?。電容電壓?jīng)過0.2s后又恢復到給定值600V，說明電容積累的電能通過網(wǎng)側(cè)PWM變換器輸送給了電網(wǎng)，驗證了控制策略穩(wěn)定直流環(huán)節(jié)電容電壓的能力。

3.2 轉(zhuǎn)子側(cè)變換器仿真結(jié)果

變速恒頻雙饋電機參數(shù)為：定子電阻Rs=0.287Ω，轉(zhuǎn)子電阻Rr=0.228Ω，定子繞組漏感Lls=0.8mH，轉(zhuǎn)子繞組漏感Llr=0.8mH，定轉(zhuǎn)子繞組互感Lm=0.8mH。極對數(shù)np=2，轉(zhuǎn)動慣量J=0.09 （為了使DFIG快速達到穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)，轉(zhuǎn)動慣量取得較?。?。風力機參數(shù)為：齒輪傳動比N=8，葉片半徑R=4 m。仿真系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時風速為7m/s，直流環(huán)節(jié)電壓給定為600V，此時風力發(fā)電系統(tǒng)處于亞同步狀態(tài)運行。定子側(cè)相電壓為220V。發(fā)電機電角速度波形如圖6所示。定子A相電壓、電流波形如圖7所示。

由圖6可以看出變速恒頻雙饋風力發(fā)電機進入穩(wěn)態(tài)運行后電角速度穩(wěn)定在270rad/s左右，此時發(fā)電機處于亞同步運行狀態(tài)。由圖7可以看出定子電流隨角速度的增大而增大，最終也進入穩(wěn)態(tài)，且電壓和電流同相位（圖中電流是以流入定子為正方向，故與電壓反相），只發(fā)出有功功率。

3.3 雙饋電機發(fā)電系統(tǒng)仿真結(jié)果

變換器和DFIG參數(shù)與前兩小節(jié)保持一致，穩(wěn)態(tài)運行0.5s時風速發(fā)生7～12m/s的躍變，這樣可以觀測到風力發(fā)電機由亞同步轉(zhuǎn)為超同步運行的變化過程以及最大風能追蹤的效果，此時雙饋發(fā)電機運行于變速恒頻區(qū)，為了觀察控制效果未考慮槳距角控制動作的因素。轉(zhuǎn)子電流的波形如圖8所示。可以看出轉(zhuǎn)速從次同步轉(zhuǎn)為超同步的過程中轉(zhuǎn)子電流有一段近似直流的過程，說明電機轉(zhuǎn)速正在超越同步速。雙饋電機輸出功率波形如圖9所示。轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變換器采取用功率信號作為反饋的最大風能追蹤策略，在槳距角不發(fā)生變化的情況下，定子輸出的有功功率應和角速度的立方成正比。從圖9可以看出雙饋電機的輸出功率與理論計算的最佳轉(zhuǎn)速和輸出功率基本吻合，驗證了控制策略的正確性。

當發(fā)電機輸出功率或轉(zhuǎn)速增大到一定程度時需要啟動槳距角控制對其進行限制，以保護發(fā)電機器件安全，取定子側(cè)輸出功率作為反饋信號，仿真中取圖10 給出了風速0.1s發(fā)生7～12m/s躍變時雙饋電機定子輸出功率波形。從波形中可以看出槳距角控制起到了較好效果，將定子輸出功率限制在給定值20kW左右。

4 結(jié)束語

通過對雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)建模和控制策略研究，得到了如下結(jié)論：

（1）網(wǎng)側(cè)PWM變換器仿真驗證了控制策略可以實現(xiàn)單位功率因數(shù)控制，實現(xiàn)功率雙向流動，此外通過指定q軸電流的給定值可以為電網(wǎng)提供一定的無功支持。

（2）轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變換器仿真驗證了控制策略可以實現(xiàn)功率的d，q解耦控制，達到變速恒頻運行和無功控制的目的。此外通過對d軸電流給定值的公式推導，可以實現(xiàn)最大風能追蹤，確保最大限度利用風能資源。

（3）槳距角控制仿真驗證了槳距角調(diào)節(jié)對抑制雙饋電機定子輸出功率的作用，達到了保護雙饋發(fā)電機的目的。

[1] PENA R, CLARE J C, ASHER G M. A Doubly Fed Induction Generator Using Back to Back PWM Converters Supplying an Isolated Load from a Variable Speed Wind Turbine [J]. IEEEProc.-Electr Power Appl, 1996，143（5）：380-387.

[2] PENA R, CLARE J C, ASHER G M. Doubly Fed Induction Generator Using Back-to-Back PWM Converters and its Applicationto Variable-Speed Wind-Energy Generation [J]. IEEEProc.-Electr. Power Appl, 1996，143（3）：231-241.

[3] 趙仁德.變速恒頻雙饋風力發(fā)電機交流勵磁電源研究[D].杭州：浙江大學，2005 .

[4] 楊淑英.雙饋型風力發(fā)電變流器及其控制[D].合肥：合肥工業(yè)大學，2007 .

[5] 葉杭冶.風力發(fā)電機組的控制技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006 .

[6] 葉杭冶.風力發(fā)電系統(tǒng)的設計、運行與維護[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010 .