鐘運鵬 強喜臣

東方電氣風(fēng)電有限公司 四川德陽 618000

隨著我國對環(huán)境問題的重視程度越來越高，在能源系統(tǒng)中可再生能源所占比例也越來越重，作為微電網(wǎng)中重要的一部分，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展迅速，在發(fā)電系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)因其勵磁變流器容量小、造價低、可實現(xiàn)變速恒頻運行等優(yōu)點而成為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中主流機型。雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中包含大量電力電子變流器，變流器濾波電容、電感與變流器控制環(huán)節(jié)交互作用容易引起諧振，從而造成系統(tǒng)諧波污染嚴(yán)重，降低電網(wǎng)電能質(zhì)量。

1 概述

雙饋風(fēng)力發(fā)電機在風(fēng)力發(fā)電中應(yīng)用廣泛，目前針對其控制策略的研究主要集中在有功和無功的解耦控制、低電壓穿越等。普遍采用的雙饋變速恒頻風(fēng)電機組的建模及控制目標(biāo)中，網(wǎng)側(cè)換流器控制主要實現(xiàn)以下目標(biāo)：

（1）維持直流側(cè)電壓Udc 穩(wěn)定，不受轉(zhuǎn)子側(cè)功率的數(shù)值和方向的影響；

（2）保持交流側(cè)電流的正弦波形；

（3）保持交流側(cè)功率因數(shù)為1μs。機側(cè)換流器設(shè)計目標(biāo)是：DFIG 變速風(fēng)電機組可以變速運行，也可以實現(xiàn)定子繞組的有功和無功解耦控制和機端電壓控制[1]。

2 數(shù)學(xué)模型

在坐標(biāo)系下發(fā)電機的磁鏈方程如下：

式中：Ψsd，Ψsq，Ψrd，Ψrq分別為定子與轉(zhuǎn)子磁鏈d，q 軸分量；Ls為定子等效電感；Lr為轉(zhuǎn)子等效電感；Lm心為定轉(zhuǎn)子互感；isd，ird，isq，irq分別為定子與轉(zhuǎn)子電流軸d，q 分量。

在d，q 坐標(biāo)系下系統(tǒng)功率轉(zhuǎn)矩方程如下：

式中：P 為有功功率；Q 為無功功率；Te為電磁轉(zhuǎn)矩；usd，usq為定子電壓d，q 軸分量；np 為極對數(shù)[2]。

在坐標(biāo)系下發(fā)電機的電壓方程如下：

式中：urd，urq為轉(zhuǎn)子電壓d，q 軸分量；Rs為定子阻抗；Rr為轉(zhuǎn)子阻抗；ωs為定子磁鏈角速度；ωr為轉(zhuǎn)子電磁角速度[3]。

3 基于矢量控制的轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制策略

雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中控制其網(wǎng)側(cè)PWM 變換器的主要任務(wù)是：

（1）使得母線（直流）上電壓充分穩(wěn)定，讓電壓響應(yīng)（動態(tài)）速度達到較高水平；

（2）保證絕對值大小為1μs 的網(wǎng)側(cè)功率輸入因子的交流（正弦）電。因為網(wǎng)內(nèi)電壓維持在同一水平，而風(fēng)速是時刻改變的，即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速非恒定。因而需要對轉(zhuǎn)子磁場進行實時調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)子側(cè)功率變換器采用矢量控制算法，通過調(diào)控輸入轉(zhuǎn)子繞組的電流大小實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子側(cè)所形成磁場大小的調(diào)控，對應(yīng)的如果可以對轉(zhuǎn)子側(cè)上電流加以控制，也必然能夠調(diào)控系統(tǒng)的能量流動[4]。倘若將系統(tǒng)內(nèi)所用變換器（雙PWM）導(dǎo)入的側(cè)電壓（轉(zhuǎn)子），運用坐標(biāo)變換手段處理電流，再用磁鏈（定子）定向?qū)崟r調(diào)整兩軸中分量電流di、qi，即可有效調(diào)控電網(wǎng)產(chǎn)出功率（包括有功、無功）。通過di 電流分量的方向即可實現(xiàn)對輸出有功功率的雙向控制，通過調(diào)節(jié)qi 電流分量則可以對無功功率進行有效的控制。由以上分析可以看出，對電機轉(zhuǎn)子側(cè)電流的矢量控制，可以實現(xiàn)對雙饋發(fā)電機輸出電壓及功率的調(diào)節(jié)[5]。

4 仿真模型和結(jié)果

4.1 仿真模型

仿真模型的參數(shù)分別從網(wǎng)絡(luò)側(cè)、機側(cè)和整機三個方面進行設(shè)置。在網(wǎng)側(cè)中，算法實現(xiàn)方式“調(diào)用．c”；仿真步為1μs 開關(guān)頻率、采樣頻率和控制算法執(zhí)行頻率均為3kHz。在機側(cè)中，算法實現(xiàn)方式“調(diào)用．c”；仿真步長為1μs；開關(guān)頻率、采樣頻率和控制算法執(zhí)行頻率均為2kHz。

4.2 仿真結(jié)果

由圖1 可以看出，當(dāng)電網(wǎng)電壓中存在諧波時，基于SOGI 的鎖相環(huán)比比無SOGL 的更加穩(wěn)定。在圖1a 中，基波分量遠大于諧波分量，為了顯示諧波含量細節(jié)，將基波設(shè)置為超出范圍。由圖2 可看出，當(dāng)電網(wǎng)電壓出現(xiàn)三相不平衡時，基于SOGL 的鎖相環(huán)比比沒有SOGL 的更加穩(wěn)定，并且d 軸分量更加準(zhǔn)確。

圖2 電網(wǎng)電壓不平衡時鎖相結(jié)果和d 軸分量

在電網(wǎng)電壓諧波和鎖相結(jié)果的情況下，如果沒有諧波抑制控制，定子和轉(zhuǎn)子電流中將會出現(xiàn)擾動和諧波，加入諧波抑制后，對比結(jié)果無諧波抑制時定子電流諧波和有諧波抑制時定子電流諧波，無諧波抑制時定子電流諧波THD=7．47%，無諧波抑制時定子電流諧波THD=3．94%。

5 結(jié)語

風(fēng)能是可以再生的潔凈能源，而且這一能源的運用已經(jīng)基本實現(xiàn)，相關(guān)技術(shù)也相當(dāng)成熟，目前已有不少國家均充分意識到這一能源在未來供給能源體系中的重要作用，并已經(jīng)著手開展風(fēng)能開發(fā)運用有關(guān)科技的研析和投入，風(fēng)電早就步入商業(yè)規(guī)模實現(xiàn)的時期。雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中包含電力電子變流器，變流器濾波電容、電感與變流器控制環(huán)節(jié)交互作用容易引起諧振造成嚴(yán)重諧波放大問題。