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（南車株洲電力機車研究所有限公司，湖南株洲 412001）

1 引言

隨著風力發(fā)電技術的快速發(fā)展，風力發(fā)電已從最初的恒速恒頻發(fā)電向更加高效利用風能的變速恒頻發(fā)電轉變［1-2］，變速恒頻風電機組已成為風電發(fā)展的主流機型，風力發(fā)電中的變流控制技術則是最為核心的技術。

目前，雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)控制策略的研究還局限在控制算法的原理和實現上［3-5］，對變流器的實際應用安全的提高研究很少。由于風力發(fā)電機組經常安裝在高海拔等惡劣環(huán)境下，對變流器的絕緣水平要求就更高。

本文通過降低變流器直流母線電壓的方法，提高了風電機組抗電網波動能力和環(huán)境適應能力，降低了變流器核心器件IGBT的疲勞損傷，對變流器的運行穩(wěn)定性、故障率和使用壽命都有很大益處。利用PSIM7.1軟件搭建了1.65 MW雙饋發(fā)電機及變流器仿真模型，并進行了仿真研究，在1.65 MW風電機組全功率試驗臺上進行了實驗驗證。仿真和實驗結果都證明當電網電壓和轉子電壓變化時，中間直流母線電壓能夠按所述控制策略變化，因此驗證了這種控制方式的有效性和可行性，對DFIG風電機組實際運行具有相當重要的實際應用價值。

2 變流器的基本理論模型

2.1 網側變流器的數學模型

在同步旋轉dq坐標系下，網側PWM變換器的數學模型可表示為［6］

式中：Ud，Uq分別為電網電壓的d軸和q軸分量；id，iq分別為輸入電流d軸和q軸分量；Sd，Sq分別為開關函數的d軸和q軸分量。

當坐標系的d軸定向于電網電壓矢量時，網側PWM從電網吸收的有功功率和無功功率分別為

式（2）、式（3）表明，當Pg大于零時網側PWM變換器工作于整流狀態(tài)，從電網吸收能量；Pg小于零時網側PWM變換器處于逆變狀態(tài)，能量從直流側回饋到電網。Qg大于零時網側PWM變換器呈容性，從電網吸收超前的無功；Qg小于零時網側PWM變換器呈感性，從電網吸收滯后的無功。所以電流矢量的d，q軸分量id和iq實際上分別代表了網側變換器的有功電流分量和無功電流分量。

2.2 機側變流器的數學模型

為了研究DFIG系統(tǒng)的控制方法，首先要在同步旋轉坐標系下建立DFIG系統(tǒng)的數學模型。按電動機慣例，同步旋轉坐標系下DFIG的電壓方程為

磁鏈方程為

式中：Us，Ur分別為定、轉子電壓矢量；Is，Ir分別為定、轉子電流矢量；Ψs，Ψr分別為定、轉子磁鏈矢量；Rs，Rr分別為定、轉子電阻；Ls，Lr分別為定、轉子繞組全自感，Ls=Lsσ+Lm，Lr=Lrσ+Lm，Lsσ，Lrσ，Lm分別為定子漏感、轉子漏感和定、轉子間的互感；ωl為同步電角速度；ωs為滑差角速度，ωs=ωl-ωr，ωr為轉子旋轉電角速度。

在d-q坐標系下其電壓方程為

3 網側和機側變流器的控制原理

3.1 網側變流器控制原理

在雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)中，網側變流器的控制目標主要有以下幾點［7］：1）保證直流側電壓的恒定且具有良好的動態(tài)響應能力；2）確保并網時網側的輸入量為正弦，功率因數接近1，即實現單位功率因數整流和單位功率因數逆變。

基于上述控制目標，同時滿足雙饋發(fā)電機無功功率的要求，把網側的電壓、電流經過坐標變換后，對電壓進行矢量定向，使2個軸上的電流分量id，iq分別控制網側的有功功率和無功功率，只需要控制id的正負即可實現有功功率的雙向流動，控制iq可以控制無功功率，就能達到上述要求。dq軸電流分量id，iq就是變流器有功電流、無功電流的分量，調節(jié)id，iq就能夠做到分別控制網側PWM變流器吸收的有功功率和無功功率，從而達到有功和無功的解耦目的。對直流母線電壓控制可以使用電壓調節(jié)器的輸出d軸分量電流的給定值，它反映網側變流器輸入有功電流的大小，同時根據功率因數和d軸分量電流的給定值，得到q軸電流的給定值。

3.2 機側變流器控制原理

雙饋感應發(fā)電機作為機電轉換元件，按照給定控制目標實現定子側有功和無功的解耦控制：

1）其有功功率的控制目標是通過調節(jié)發(fā)電機的輸出功率，利用電磁轉矩與機械轉矩的不平衡來調節(jié)轉子轉速也就是風力機轉速，使風力機能夠按照設計曲線運行；

2）目前雙饋感應風電機組的無功功率控制模式主要有恒功率因數控制模式和恒電壓控制模式。恒功率因數控制模式是指控制風電機組的無功功率，使風電機組按規(guī)定的功率因數運行。恒電壓控制模式是指根據系統(tǒng)無功功率的需要，調節(jié)風電機組的無功功率，使系統(tǒng)電壓穩(wěn)定在設定值。由于風能豐富的地方，地理位置往往比較偏遠，電網架構比較薄弱。因此雙饋感應發(fā)電機通常采用恒功率因數控制模式。

4 針對直流母線電壓提出的控制方案

4.1 影響雙饋風電變流器直流母線電壓的因素及規(guī)律

1）電網電壓對直流母線電壓的影響。由于網側變流器為4象限整流器，具有升壓變流器的特點，其中間直流電壓Udc必須高于或等于電網三相線電壓的峰值即

2）發(fā)電機轉子電壓變化規(guī)律及對直流母線電壓的影響。由于發(fā)電機轉子電壓與堵轉電壓和轉差率有關，因此需考慮在極端工況下的最大轉子線電壓Urllmax，轉子的最大線電壓Urllmax=最大的堵轉電壓×最大網壓UNET×最大轉差率Smax。由于轉子側du/dt濾波器電感量很小，其上的基波壓降可忽略，在考慮不超調的情況下直流母線電壓

4.2 控制方案比較

由于現在大多數控制策略對直流母線的控制方法是使直流母線電壓恒定，不隨網壓的變化而變化。由于這種控制方法所需的直流母線電壓值包括了在極限工況下所需的直流母線電壓值。因為該額定值較大，加大了變流器正常運行時的疲勞損傷，并且不利于變流器發(fā)生故障情況下留有足夠的保護裕量（方案0）。為了保證變流器的正常運行，本文提出了一種改進的直流母線的控制方案（方案1），這種控制方案能夠跟隨網壓的變化而變化，與方案0相比在大多數工況下能夠有效地降低直流母線電壓，改善功率器件的工作條件。

4.3 具體實現

直流母線電壓額定值的確定需要考慮以下因素：1）三相電網電壓的實時值，網側變流器為4象限整流器，具有升壓變流器的特點，其中間直流電壓必須高于或等于電網三相線電壓的峰值；2）網側電抗器上的壓降；3）變流器對輸出脈沖寬度的限制；4）變流器死區(qū)時間的大小，變流器死區(qū)時間的存在會相應減小IGBT上下管開通的時間，死區(qū)時間越長，影響則越大；5）變流器模擬量檢測誤差，變流器對電網電壓和中間直流電壓等模擬量的檢測存在一定誤差。根據硬件設計指標，分別考慮1%的誤差，則當電網電壓檢測為－1%，而中間直流電壓檢測為+1%時，則誤差最大，但是考慮同時達到誤差最大值時出現的概率小，因此，需中間電壓額定值保留1.4%的裕量；6）發(fā)電機轉子反電勢分別在額定工況和特速工況下的最大值，由于雙饋變流器接在雙饋發(fā)電機轉子上，其輸出（輸入）電壓受發(fā)電機轉子電壓的影響，因此，需考慮額定工況和特速工況下發(fā)電機轉子電壓是否超過了變流器中間直流電壓實際值，造成機側變流器超調，輸出波形畸變。當發(fā)電機在同步轉速以下運行時，在最小運行轉速下，功率越大，感性無功越大，則發(fā)電機轉子電壓越高；當發(fā)電機在同步轉速以上運行時，在最大運行轉速下，功率越小，容性無功越大，則發(fā)電機轉子電壓越高；7）低電壓穿越特殊工況，考慮低電壓穿越時間短，網壓濾波系數大，可以視為不變。

再考慮，網側電抗器上的壓降、參數的分散性，線路阻抗的存在，中間電壓指令值再加上一個2 V的偏置值。其計算公式為

式中：UABPK,UBCPK,UCAPK分別為網壓的峰值。

2種方案在不同網壓下指令值的對比見圖1。

圖1 2種方案不同網壓下指令值的對比圖Fig.1 Comparisonoftwoschemesofdifferentvoltagecommandvalue

由圖1可見，方案1相比方案0在絕大多數電網電壓工況下，在不影響變流器控制性能的前提下都能顯著降低變流器中間直流電壓指令值，提高變流器系統(tǒng)運行的可靠性。

5 仿真分析及實驗結果

為了驗證本文中提出的對直流母線電壓的控制方法能夠在電網電壓變化時對轉子電流進行有效控制。本文采用PSIM仿真軟件進行仿真驗證并且在1.65 MW風機功率試驗臺上進行試驗。在PSIM仿真軟件中搭建的1.65 MW雙饋風力發(fā)電機模型，系統(tǒng)仿真參數為：額定電壓UN=620V，額定功率PN=1.65MW，額定頻率f=50Hz，定子繞組電阻Rs=0.007 84 Ω，轉子繞組電阻Rr=0.005 9 Ω，定子繞組漏感Lsσ=0.053mH，轉子繞組漏感Lrσ=0.062mH，互感Lm=3.71mH，極對數p=2，選取Crowbar=0.2 Ω。當網壓由620 V變化到690 V的仿真圖如圖2所示。

圖2 仿真波形Fig.2 Simulation graphics

從圖2中可以看出，當網壓由620 V變到690 V時直流母線電壓隨網壓的變化而升高，當網壓由690 V變化到620 V時直流母線電壓也隨網壓的變化而降低。

在網壓分別為552 V，735 V不同網壓的條件下，在1.65 MW風機功率試驗臺上采用改進的方案進行功率試驗。在網壓為552 V的條件下進行滿功率試驗如圖3所示。在圖3中通道1、通道2為網壓，通道3為轉子單相電流，通道4為中間電壓。

在網壓為735 V的條件下進行滿功率試驗如圖4所示。在圖4中通道1，通道2為網壓，通道3為轉子單相電流，通道4為中間電壓。

圖3 網壓為552 V的額定功率條件下的直流母線電壓波形Fig.3 DC bus voltage graphics with the grid voltage of 552 V operating at rated power

從仿真圖2和實驗圖3、圖4中可以看出，在采用本文所提出的針對直流母線電壓的控制方案后，當網壓變化時直流母線電壓能夠實時跟隨網壓的變化而變化，能夠有效地降低直流母線電壓值，提高變流器的質量，減少變流器的疲勞損傷，能夠使在變流器發(fā)生故障時保留更大的裕量，使整機系統(tǒng)的可靠性得到提高。

圖4 網壓為735 V的額定功率條件下的直流母線電壓波形Fig.4 DC bus voltage graphics with the grid voltage of 735 V operating at rated power

6 結論

針對雙饋風力發(fā)電機變流器直流母線電壓控制方案，本文提出了一種跟隨電網電壓變化而變化的控制方案。在網壓變化時直流母線電壓能夠實時地按照控制方案而變化。本文提出的控制方法能夠在網壓變化時有效地降低直流母線電壓，降低變流器的疲勞損傷，避免變流器功率器件長期工作在極限工況條件下，改善功率器件的工況，對整個雙饋風力發(fā)電機變流器的質量提升都有明顯可取之處。因此在實際的DFIG風電機組運行中具有相當實用的工程應用價值。

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