姜香菊，劉二林

JIANG Xiang-ju1, LIU Er-lin2

（1.蘭州交通大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，蘭州 730070；2.蘭州交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，蘭州 730070）

0 引言

矢量控制主要分為按定子磁鏈定向控制、轉(zhuǎn)子磁鏈定向控制和氣隙磁場(chǎng)定向控制等幾種[1]。變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)如果使用轉(zhuǎn)子磁鏈定向控制或者氣隙磁場(chǎng)定向控制，定子繞組中會(huì)存在漏抗壓降，其會(huì)在定子的端電壓矢量和磁場(chǎng)定向控制參考軸之間產(chǎn)生相位偏差[2-4]。這將會(huì)使得定子側(cè)有功功率和無(wú)功功率的解耦控制變得復(fù)雜，從而影響控制效果和精度。若使用定子磁鏈定向矢量控制，則需要對(duì)定子磁鏈進(jìn)行觀測(cè)，使得控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜化。為了解決以上問(wèn)題，論文對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)常采用的雙PWM變流器進(jìn)行了研究，建立了數(shù)學(xué)模型，并采用了電壓定向矢量控制策略對(duì)其進(jìn)行控制。

1 雙PWM變流器結(jié)構(gòu)分析

變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)常用的是雙PWM變流器（背靠背恒壓源變流器），目前可用于交流勵(lì)磁的變流器主要有交-交變流器和交-直-交變流器兩種。交-交變流器是指無(wú)直流環(huán)節(jié)、直接將較高固定頻率的電壓變換為頻率較低且頻率可變的輸出電壓的變流器，由反并聯(lián)的晶閘管相控整流電路組成[5,6]。該電路所需晶閘管元件數(shù)量較多，控制復(fù)雜；功率因數(shù)較低，特別在低速運(yùn)行時(shí)，需要適當(dāng)補(bǔ)償；且輸入、輸出特性差，一般用在大型水利發(fā)電系統(tǒng)中。交-直-交變流器由于具有輸入、輸出特性好，能量雙向流動(dòng)，功率因數(shù)可調(diào)的特點(diǎn)，故其是變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的最佳供電設(shè)備。雙PWM變流器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中uga、ugb、ugc是三相電網(wǎng)電壓通過(guò)變流器后的二次側(cè)相電壓，ura、urb、urc分別是轉(zhuǎn)子三相繞組反電動(dòng)勢(shì)； L、R分別是交流進(jìn)線電抗器電感和電阻；Lra、Rr分別是轉(zhuǎn)子單相繞組漏感和電阻；C是直流側(cè)電容。兩個(gè)PWM變流器通過(guò)直流鏈相連接，直流側(cè)母線電壓的穩(wěn)定靠濾波電容C來(lái)實(shí)現(xiàn)。

工作過(guò)程中，系統(tǒng)通過(guò)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子繞組中輸入勵(lì)磁電流，通過(guò)控制該電流的頻率來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速；控制勵(lì)磁電流幅值可以調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的無(wú)功功率，控制勵(lì)磁電流的相位時(shí)，轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在氣隙空間的位置有一個(gè)位移，從而改變了發(fā)電機(jī)電勢(shì)與電網(wǎng)電壓相量的相對(duì)位置，即改變了發(fā)電機(jī)的功率角，也就實(shí)現(xiàn)了控制有功功率的目的[7]。

2 變流器控制策略研究

2.1 網(wǎng)側(cè)變流器控制策略研究

網(wǎng)側(cè)變流器的控制目標(biāo)是在保持直流母線電壓穩(wěn)定的前提下使交流側(cè)輸入電流正弦且相位即功率因數(shù)可控。根據(jù)對(duì)網(wǎng)側(cè)變流器交流側(cè)電流控制方式的不同，網(wǎng)側(cè)變流器的控制策略分為電流開(kāi)環(huán)控制即間接電流控制和電流閉環(huán)控制即直接電流控制兩大類。本文采用基于電網(wǎng)電壓定向的矢量控制策略，經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換和電網(wǎng)電壓矢量定向，通過(guò)控制d軸電流分量igd的正負(fù)便可實(shí)現(xiàn)有功功率雙向流動(dòng)；控制q軸電流分量igq即可控制無(wú)功功率；便可實(shí)現(xiàn)d、q軸電流分量igd、igq分別控制網(wǎng)側(cè)有功功率和無(wú)功功率的目的。

網(wǎng)側(cè)變流器電壓、電流雙閉環(huán)控制框圖如圖2所示。圖2中，ω、θ分別是電網(wǎng)電壓角頻率和電壓矢量的相位。有功電流給定值igd*和無(wú)功電流給定值igq*以及θ。

圖2所示控制框圖中，采用雙閉環(huán)控制策略，直流側(cè)電壓為外環(huán)，交流側(cè)(電網(wǎng))電流為內(nèi)環(huán)。直流側(cè)母線電壓給定值udc*與采樣值udc相比較，其誤差經(jīng)PI調(diào)節(jié)器后便可得到有功電流給定值igd*；根據(jù)系統(tǒng)的功率因數(shù)可算出系統(tǒng)總無(wú)功功率給定值Q*，若定子側(cè)無(wú)功功率給定值Qs*已知，則轉(zhuǎn)子側(cè)無(wú)功功率給定值Qg*= Q*－Qs*=ugdigq*，據(jù)此可算出無(wú)功電流給定值

2.2 轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制策略研究

為了實(shí)現(xiàn)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)在同步旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)系中的解耦控制，本文采用基于定子電壓定向的矢量控制方法。

圖3是基于定子電壓定向的雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)矢量控制框圖。

圖3 基于定子電壓定向的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)矢量控制框

在圖3所示的系統(tǒng)中，采用雙閉環(huán)控制策略。在功率閉環(huán)中，有功指令Ps*由風(fēng)力機(jī)特性根據(jù)風(fēng)力機(jī)最佳轉(zhuǎn)速給出，無(wú)功指令Qs*根據(jù)電網(wǎng)需求設(shè)定。對(duì)轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子電流進(jìn)行坐標(biāo)變換，可以得到在定子電壓定向矢量坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子電流的d、q軸分量ird、irq，這兩個(gè)分量作為實(shí)際電流反饋值分別與參考值ird*、irq*進(jìn)行比較，其誤差分別經(jīng)PI調(diào)節(jié)器，產(chǎn)生解耦電壓urd’、urq’。根據(jù)θ1-θr對(duì)urd*、urq*進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變換，得到其變換到轉(zhuǎn)子α-β坐標(biāo)系中的urα*、urβ*值。再將其通過(guò)坐標(biāo)變換，就得到三相坐標(biāo)系中的ura*、urb*、urc*。然后用其進(jìn)行PWM調(diào)制，產(chǎn)生頻率、幅值、相位可變的三相交流勵(lì)磁電壓，輸出PWM脈沖，從而實(shí)現(xiàn)通過(guò)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器實(shí)現(xiàn)對(duì)定子側(cè)輸出功率解耦控制[9-11]。

3 變流器仿真分析

3.1 網(wǎng)側(cè)變流器仿真分析

網(wǎng)側(cè)變流器主要實(shí)現(xiàn)的功能是能量雙向流動(dòng)，功率因數(shù)可調(diào)等目的。當(dāng)雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)處于亞同步速運(yùn)行時(shí)，網(wǎng)側(cè)變流器主要運(yùn)行于整流狀態(tài)；而當(dāng)系統(tǒng)處于超同步速狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，網(wǎng)側(cè)變流器則運(yùn)行在逆變狀態(tài)，即雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組將開(kāi)始向電網(wǎng)輸送電能?，F(xiàn)利用Matlab/Simulink仿真軟件對(duì)本文所設(shè)計(jì)的網(wǎng)側(cè)變流器電壓、電流雙閉環(huán)矢量控制策略進(jìn)行仿真研究[14-16]。

仿真參數(shù)如下：輸入電壓E=220V，電網(wǎng)頻率f=50Hz，進(jìn)線電感 L=10mH，進(jìn)線電阻R=0.05Ω，C=0.005F,負(fù)載電阻Rload=40Ω，開(kāi)關(guān)頻率fs=5kHz。網(wǎng)側(cè)變流器的仿真模型如圖4所示。

圖4 網(wǎng)側(cè)變流器仿真模型圖

系統(tǒng)仿真圖如圖5～圖8所示。

圖5 亞同步速運(yùn)行狀態(tài)圖

圖6 超同步速運(yùn)行狀態(tài)圖

圖7 由整流狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槟孀儬顟B(tài)圖

圖8 由逆變狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎鳡顟B(tài)

由圖5和圖6可見(jiàn)，當(dāng)雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作在亞同步速狀態(tài)時(shí)，交流側(cè)電網(wǎng)電壓的相位和輸入電流的相位相同，故網(wǎng)側(cè)變流器工作在整流狀態(tài)。當(dāng)雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作在超同步速工作狀態(tài)時(shí)，交流側(cè)電網(wǎng)電壓的相位和輸入電流的相位相反，所以網(wǎng)側(cè)變流器工作在逆變狀態(tài)。圖7和圖8分別為PWM整流器由整流狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槟孀儬顟B(tài)和由逆變狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎鳡顟B(tài)的仿真圖。

3.2 轉(zhuǎn)子側(cè)變流器仿真分析

系統(tǒng)仿真參數(shù)為：額定功率Pn=1.5MW，額定電壓Un=690V，額定頻率f=50Hz，定子繞組電阻Rs=0.01pu，轉(zhuǎn)子繞組電阻Rr=0.009pu，定子繞組漏感Lsσ=0.171pu，轉(zhuǎn)子繞組漏感Lrσ=0.156pu，互感Lm=2.9pu，極對(duì)數(shù)p=3。雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真模型如圖9所示。

圖9 雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真模型

1）有功功率獨(dú)立調(diào)節(jié)

圖10所示為定子側(cè)有功功率調(diào)節(jié)變化過(guò)程。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組滿足并網(wǎng)發(fā)電要求，穩(wěn)定風(fēng)速為10m/s，風(fēng)電機(jī)組在t=0s并網(wǎng)開(kāi)始向電網(wǎng)輸送電能，定子有功功率給定值為0.6pu，無(wú)功功率給定值不變，而當(dāng)機(jī)組運(yùn)行到t=0.3s時(shí)，定子有功功率給定值變化到0.9pu，無(wú)功功率未發(fā)生變化。

圖10 定子側(cè)有功功率調(diào)節(jié)變化過(guò)程

2）無(wú)功功率獨(dú)立調(diào)節(jié)

圖11所示為定子側(cè)無(wú)功功率調(diào)節(jié)變化過(guò)程，當(dāng)雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的無(wú)功功率給定值在t=0.3s由0pu變?yōu)?.4pu時(shí)，定子有功功率幾乎保持不變。

圖11 定子側(cè)無(wú)功功率調(diào)節(jié)變化過(guò)程

綜上所述，所設(shè)計(jì)的基于定子電壓定向的矢量控制策略可以實(shí)現(xiàn)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子側(cè)輸出有功功率和無(wú)功功率的獨(dú)立解耦控制。

4 結(jié)論

論文依據(jù)雙PWM變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了基于電網(wǎng)電壓定向的矢量控制策略，通過(guò)仿真驗(yàn)證了雙PWM變流器可以實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)，功率因數(shù)可調(diào)等特點(diǎn)。同時(shí)，針對(duì)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器所要實(shí)現(xiàn)的功能，設(shè)計(jì)了基于定子電壓定向的矢量控制策略，仿真結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)定子側(cè)有功功率和無(wú)功功率的解耦控制，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)控制策略的正確性。

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