双馈风力发电机功率解耦控制的研究

双馈风力发电机功率解耦控制的研究（精选8篇）

双馈风力发电机功率解耦控制的研究 第1篇

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双馈风力发电机功率解耦控制的研究

作者：齐向东 史岩鹏

来源：《现代电子技术》2012年第18期

摘要：介绍双馈风力发电机的基本原理，利用矢量控制并结合定子磁场定向的矢量控制，建立基于Matlab的双闭环控制系统仿真模型。为了更为准确地实现定子磁场定向并考虑到定子绕组电阻对磁场定向的影响，采用改进型的定子磁链观测模型。通过仿真验证了采用改进型定子磁场定向的双馈风力发电控制系统，实现了有功功率和无功功率解耦。

关键词：矢量控制；磁场定向；双馈风力发电机；双闭环控制系统

中图分类号：TN911—34文献标识码：A文章编号：1004—373X（2012）18—0185—03引言

风能作为一种清洁可再生能源，在资源消耗日益增长的今天，其发展前景相当可观。而采用双馈风力发电机作为风力发电设备有着显著的发展优势，风力发电的发展将大规模减少常规能源的消耗，有效地改善我国的能源结构。

变速恒频风力发电控制技术[1—2]是目前最优的控制方式。交流励磁变频器只需提供转差功率就能大大减小变频器的容量，它可以通过调节电机转子励磁电压频率，实现定子电压恒频输出，通过磁场定向调节转子电流的转矩分量和励磁分量[3—4]，实现功率的独立调节，进而实现风力发电机的最大风能跟踪。

双馈风力发电机功率解耦控制的研究 第2篇

摘要：本文综合了几种常用风力发电机的并网控制技术，分析比较了它们各自应用于风力发电上的优缺点，并指出风力发电技术今后的发展趋势为：无刷双馈发电机将在变速恒频风力发电系统中得到广泛应用，最后对在鄱阳湖风力发电机组中应用无刷双馈发电机的具体案例进行了分析。

关键词：风力发电并网技术无刷双馈电机

一．引言

近年来，全球化能源危机日趋严重，资源短缺和环境恶化，使各国开始重视开发和利用可再生、无污染的能源。风能，是当今可再生的、资源丰富的清洁能源。由于电力电子技术的飞速发展和广泛应用，使许多新的风力发电系统技术不断提出，如异步发电机、同步发电机、磁阻电机等，但由于这些系统成本比较高，在增加风能捕获能力的同时，要求系统增加更多成本，是的额外的捕获风能变得意义不大。目前，交流励磁变速恒频发电技术在理论上是最优化的一种调节技术。此方法通过在双馈发机转自侧施加三相交流电进行励磁，来调节励磁电流的幅值、频率和相位，使定子侧输出恒频恒压。这样不但可以大大提高能量转换效率，还能实现有功和无功功率的解耦控制，提高电力系统的调节能力和稳定性。因此，运用该技术进行风力发电系统的并网控制，具有非常重要的意义。

二．风力发电机组的并网控制技术

1.同步发电机组的并网

在并网发电系统中普遍应用的是同步发电机。它在运行中，既能输出有功功率，又能提供无功功率，输出的电能质量高，已被电力系统广泛应用。不过，把它移植到风力发电机组使用时，效果却不够理想，这是因为风速随机变化，作用在转子上的转矩很不稳定，使得并网时其调速性能达不到期望的精度，使得并网比较难。图1为其常见的原理图。

图1 同步发电机并网结构图

2.异步发电机的并网

异步发电机投入运行时，由于靠转差率来调整负荷，因此对机组的调速精度要求不高，只要转速接近同步转速就可并网，而且并网后不会产生震荡和失步，运行非常稳定。同时也存在一些问题，如直接并网时产生的过大冲击电流造成电压大幅度下降，对系统安全运行构成威胁；它本身不发无功功率，需要无功补偿等。图2为其总体发电结构图。

图2 异步电机并网结构图

3.无刷双馈发电机的并网

无刷双馈电机（BDFM）作为一种新型电机，结构与运行机理异于传统电机。它的定子上有两套级数不同的绕组。一个为功率绕组，直接接电网；另一个为控制绕组，通过双向变频器接电网。其转子结构为笼型结构，无需电刷和滑环，但流过定子励磁绕组的功率仅为无刷双馈电机总功率的一小部分。采用无刷双馈发电机的控制方案后，不仅可实现变速恒频控制，降低变频器的容量，还可在矢量控制策略下实现有功和无功的灵活控制，起到无功补偿的作用。无刷双馈发电机取消了电刷和滑环，结构简单，坚固可靠，适用于风力发电的工作环境，保障了并网后风力发电机组的安全运行。输出侧直接接电网而不经过变频器，使得并网后的电能质量更好。图

3为无刷双馈电机风力发电系统的原理图。

图3无刷双馈电机风力发电系统的原理图

如上图所示，无刷双馈发电机的变速恒频控制，就是根据风力机转速的变化相应的控制转子励磁电流的频率，使无刷双馈发电机输出的电压频率与电网保持一致。传统的风力发电机组多采用异步发电机，并网时对电网的冲击大，而无刷双馈发电机可通过对转子励磁电流的控制，实现软并网，避免并网时发生电流冲击和电压波动。在并网前用电压传感器分别检测出电网和发电机功率绕组的频率、幅值、相位和相序，并通过双向变流器调节控制绕组的励磁电流，使功率绕组输出的电压与电网相应电压频率、幅值和相位一致，这就满足了自动并网运行。

三．无刷双馈发电机在鄱阳湖风力发电机组中的应用

1.无刷双馈发电机的发电系统原理图

图4无刷双馈发电机的发电系统原理图

由图4可知，整个发电系统由风机、齿轮箱、无刷双馈发电机、变换器及其控制构成。其中无刷双馈发电机和变换器是发电系统的主要部分。

2.变换器电路的结构

图5为变换器的结构图。

图5变换器电路拓扑结构

3.发电系统的网侧变换器

图6为网侧变换器的结构图。

图6 变换器的结构图

由图可知，变流器结构包括6个电力电子开关器件组成的逆变环节、输出滤波器和其它辅助控制环节。

4.无刷双馈电机调速系统的仿真

（1）仿真模型的建立

图7为假想的鄱阳湖风力发电机组调速系统的仿真模型。由该图可知，本系统是双闭环串级调速系统，它由速度调节器、电流调节器、触发电路、速度变换等部分组成，其中整流器和逆变器是主要电能转换部分。

图7 无刷双馈电机的调速系统仿真模型

其中子系统为变流器和电机部分的仿真图。结构如图8所示。

图8变流器及电机的仿真模型

（2）仿真结果

参数设置：假定给定转速n=1500r/min,转矩T=15N*m,电压u=220v交流电。仿真结果如图9所示。从上到下为转速n和转子电流i的波形。由图可知，在1s时进行了调速，使转速n下降，转子电流i基本保持不变。

图9 仿真结果

四．结论

双馈风力发电机功率解耦控制的研究 第3篇

双馈风力发电变速恒频系统在风力发电系统中得到广泛应用,基于定子磁链矢量控制简化电机模型,由于要观测定子磁链,增加了控制系统的复杂性,本文采用基于定子电压定向的矢量控制,省去了定子磁链观测器[1]。

模糊逻辑控制是一种新颖的控制策略,无论是在非线性还是多变量系统中,特别是当数学模型未知或不确定时,都能产生令人满意的效果[2]。而由于空气动力学的不确定性和电力电子模型的复杂性以及其他诸如老化和大气条件等因素都会引起电机参数的变化,导致传统PI控制策略性能变差。本文在采用基于定子电压定向的矢量控制简化双馈发电机数学模型的基础上,将模糊控制技术引入双馈风力发电系统有功功率和无功功率解耦控制中,不仅实现了最大风能捕获,而且提高了风力发电系统的运行性能。

2 双馈风力发电机模型[1,3,4,5]

规定定、转子绕组均采用电动机惯例,即向绕组方向看时,电压降的正方向与绕组电流的正方向一致,电流与磁链符合右手螺旋法则。采用定子电压定向下d-q坐标系下双馈发电机磁链和电压模型分别为

$\{\begin{array}{l}\Psi {}_{d\text{s}}=L{}_{\text{s}}i{}_{d\text{s}}+L{}_{\text{m}}i{}_{d\text{r}}\\ \Psi {}_{q\text{s}}=L{}_{\text{s}}i{}_{q\text{s}}+L{}_{\text{m}}i{}_{q\text{r}}\\ \Psi {}_{d\text{r}}=L{}_{\text{r}}i{}_{d\text{r}}+L{}_{\text{m}}i{}_{d\text{s}}\\ \Psi {}_{q\text{r}}=L{}_{\text{r}}i{}_{q\text{r}}+L{}_{\text{m}}i{}_{q\text{s}}\end{array}(1)$

$\{\begin{array}{l}u{}_{d\text{s}}=R{}_{\text{s}}i{}_{d\text{s}}+p\Psi {}_{d\text{s}}-\omega {}_1\Psi {}_{q\text{s}}=U{}_{\text{s}}\\ u{}_{q\text{s}}=R{}_{\text{s}}i{}_{q\text{s}}+p\Psi {}_{q\text{s}}+\omega {}_1\Psi {}_{d\text{s}}=0\\ u{}_{d\text{r}}=R{}_{\text{r}}i{}_{d\text{r}}+p\Psi {}_{d\text{r}}-\omega {}_{\text{s}}\Psi {}_{q\text{r}}\\ u{}_{q\text{r}}=R{}_{\text{r}}i{}_{q\text{r}}+p\Psi {}_{q\text{r}}+\omega {}_{\text{s}}\Psi {}_{d\text{r}}\end{array}(2)$

式中:u,i,Ψ分别为电压、电流、磁链; R,L分别为电阻和自感;下标的d,q为d-q轴分量;下标s,r为定转子分量;Lm为互感;ω1为同步电角速度;ωs为d,q坐标系相对于转子的电角速度,即为转差的电角速度,ωs=ω1-ωr,ωr为转子电角速度。

在忽略定子电阻后,根据式(1)和式(2)将双馈发电机磁链和电压数学模型可分别简化为

$\{\begin{array}{l}\Psi {}_{d\text{s}}\approx 0\\ \Psi {}_{q\text{s}}=\Psi {}_{\text{s}}\approx -(U{}_{\text{s}}/\omega {}_1)\\ \Psi {}_{d\text{r}}=\sigma L{}_{\text{r}}i{}_{d\text{r}}\\ \Psi {}_{q\text{r}}=\sigma L{}_{\text{r}}i{}_{q\text{r}}-[L{}_{\text{m}}U{}_{\text{s}}/(L{}_{\text{s}}\omega {}_1)]\end{array}(3)$

其中

$\{\begin{array}{l}u{}_{d\text{s}}=U{}_{\text{s}}\approx -\omega {}_1\Psi {}_{q\text{s}}\\ u{}_{q\text{s}}=0\\ u{}_{d\text{r}}=R{}_{\text{r}}i{}_{d\text{r}}+\sigma L{}_{\text{r}}pi{}_{d\text{r}}+\omega {}_{\text{s}}\frac{L{}_{\text{m}}U{}_{\text{s}}}{L{}_{\text{s}}\omega {}_1}-\sigma \omega {}_{\text{s}}L{}_{\text{r}}i{}_{q\text{r}}\\ u{}_{q\text{r}}=R{}_{\text{r}}i{}_{q\text{r}}+\sigma L{}_{\text{r}}pi{}_{q\text{r}}+\sigma \omega {}_{\text{s}}L{}_{\text{r}}i{}_{d\text{r}}\end{array}(4)$

定子有功功率和无功功率方程为

$\{\begin{array}{l}{\rm P}{}_{\text{s}}=\frac{3}{2}U{}_{\text{s}}i{}_{d\text{s}}\\ Q{}_{\text{s}}=-\frac{3}{2}U{}_{\text{s}}i{}_{q\text{s}}\end{array}(5)$

从式(5)中可知,因为定子直接连接电网,所以Us为恒定值,有功和无功与定子电流的q轴和d轴分量线性关系。有功无功的控制可以解耦为定子电流的d轴和q轴的控制。控制的实现是采用控制转子电压来实现的。

3 DFIG最大风能捕获控制[6,7,8,9,10,11]根据贝兹理论,风力机产生的机械功率为

Pm=0.5ρπR2Cp(λ,β)v3 (6)

式中:ρ为空气密度;R为风力机风轮半径;Cp为风能转换系数;λ为叶尖速比;β为桨叶节距角;v为风速。

其中叶尖速比λ是叶尖线速度与风速之比的函数,如下:

λ=ωmR/v (7)

式中:ωm为风轮旋转的机械角速度,rad/s。

在β一定时,典型的Cp与λ之间的关系曲线示意图如图1所示。

由图1可知,在任何风速下,只要调节风力机转速,使其叶尖线速度与风速之比λ保持不变,且都满足λ=λopt,就可维持风力机在Cpmax运行。根据式(6)和式(7),可得风力机输出机械功率和机械角速度的关系曲线,如图2所示。

由图2可以得到风力机输出机械功率的最佳曲线Pm opt,要使风力机运行在这条曲线上,必须在风速变化时及时调节转速,保证最佳叶尖速比,风力机将会获得最大风能捕获,有最大机械功率输出:

${\rm P}{}_{\text{m}\text{o}\text{p}\text{t}}=\frac{0.5\text{π}R{}^{5}C{}_{\text{p}\text{m}\text{a}\text{x}}}{\lambda {}_{\text{o}\text{p}\text{t}}^3}\omega {}_{\text{m}}^3(8)$

额定风速以下,双馈发电机次同步运行,有以下功率关系:

$\{\begin{array}{l}{\rm P}{}_{\text{s}}={\rm P}{}_{\text{e}}-{\rm P}{}_{\text{s}\text{l}\text{o}\text{s}\text{s}}\\ {\rm P}{}_{\text{e}}={\rm P}{}_{\text{m}}/(1-s)\\ {\rm P}{}_{\text{e}}=({\rm P}{}_{\text{r}}-{\rm P}{}_{\text{r}\text{l}\text{o}\text{s}\text{s}})/s\end{array}(9)$

式中:Pe为电磁功率;Ps loss为定子铜耗及电机铁耗;Pr为转子吸收的有功功率;Pr loss为转子铜耗;s为转差率。

由式(8)和式(9)得有功功率指令P*s为

P*s=[Pm opt/(1-s)]-Ps loss (10)

4 功率解耦模糊控制器的设计

本文采用参数自整定模糊PI控制器。为了满足对PI控制器参数自整定的要求,利用模糊控制规则在线对PI的比例和积分进行修改。其模糊PI控制器系统框图如图3所示。

参数自整定的基本思想[12]是:当偏差或偏差变化率ec较大时,进行“粗调”,即放大KP,KI;当偏差e或偏差变化率ec较小时,进行“细调”,即缩小KP,KI;放大倍数的语言变量N为下列词集:N={AB,AM,AS,OK,CS,CM,CB}。

这里AB,AM,AS,OK,CS,CM,CB 分别表示高放,中放,低放,不变,小缩,中缩,大缩的模糊子集,N的论域规定:{0.125,0.25,0.5,1.0,2.0,4.0,8.0}。

在一控制周期内的参数自整定模糊PI控制器系统流程如图4所示。

系统整体控制框图如图5所示。对于功率解耦控制,首先检测电网三相电压uabcs、三相定子电流iabcs和三相转子电流iabcr,用锁相环(PLL)获得电网电压矢量相位θ1和同步转速ω1。利用光电编码求得转子角速度ωr,从而求得转子位置角θr。根据式(5)求得定子有功功率Ps和无功功率Qs,定子有功功率给定P*s由式(10)可计算得出,定子无功功率给定设置为0,实现单功率因数,分别作为模糊PI控制器的输入,得到转子电流的d轴分量给定i*dr和q轴分量给定i*qr,并通过模糊PI控制器和式(4)得到转子电压的q轴分量u*qr和d轴分量u*dr,经旋转变换生成SVPWM,实现对双馈电机的转子侧变换器的控制,最终实现双馈电机的功率解耦控制。

5 仿真结果

本文采用Matlab/Simulink为实验平台,根据各个部分数学模型公式,建立了各部分数学模型并进行仿真,系统仿真模型如图6所示。电机参数为:额定电压380V,额定功率20kW,定子电阻Rs=3.74Ω,定子漏感Ls=0.3042H,转子电阻Rr=3.184Ω;转子漏感Lr=0.3107H,互感Lm=0.2920H,极对数p=2,转动惯量J=0.1kg·m2。

1)当风速为12m/s,无功功率给定为0,且电机参数恒定时对系统进行仿真,波形如图7所示。

由图7a可得,与PI控制相比,模糊PI控制能够更快地调节定子侧有功功率获得最优功率。将无功功率给定设置为0,由图7b可得,与PI控制相比,模糊PI控制能够更快地调节定子侧无功功率为0,获得单位功率因数。

2)当风速在1s由12m/s变化为14m/s,无功功率给定为0,且电机参数恒定时对系统进行仿真,波形如图8所示。

由图8a可得,当风速改变时,与PI控制相比,模糊PI控制能够更快地调节定子侧有功功率,根据风速的变化相应地改变到对应的最佳功率。将无功功率给定设置为0,由图8b可得,当风速变化时,与PI控制相比,模糊PI控制能够更快地调节定子侧无功功率为0,获得单位功率因数。

3)当风速不变时,无功功率给定为3800var,在0.5s时电机转子电阻变为原来的1.5倍,对系统进行仿真,波形如图9所示。

由图9a可得,当电机参数变化时,与PI控制相比,模糊PI控制能够更快地调节定子侧有功功率获得对应的最佳功率;由图9b可得,与将无功功率给定设置为3800var,当电机参数变化时,与PI控制相比,模糊PI控制能够更快地调节定子侧无功功率到给定值。

6 结论

本文对通过变速恒频风力发电系统进行分析,在采用基于定子电压定向的矢量控制简化双馈发电机数学模型的基础上,将模糊控制技术引入双馈风力发电系统有功功率和无功功率解耦控制中,不仅实现了最大风能捕获,而且提高了风力发电系统的运行性能。仿真结果验证了自适应模糊PI控制器与PI控制器相比,依靠模糊控制器的自调整能力能够实时在线地按照系统的偏差对控制器参数进行调整,大大减弱了对电机参数准确性的依赖程度,从而提高了控制器的自适应能力和鲁棒性。

摘要：对于变速恒频风力发电系统,采用基于定子电压定向的矢量控制简化双馈发电机模型,并在此基础上确定了最大风能捕获的控制策略。为了提高系统的鲁棒性和动态响应速度,将模糊控制技术引入双馈风力发电系统有功功率和无功功率解耦控制中。将功率控制系统分解为有功功率子系统和无功功率子系统,从而建立了风力发电机组完整的功率控制模型。采用Matlab/Simulink建立了各单元模型并进行仿真,仿真结果表明:所设计的模糊控制器成功实现了有功功率和无功功率的解耦控制,不仅能够实现最大风能捕获,使系统中具有很强的鲁棒性和适用性,而且设计方法简单,控制器容易实现。

关键词：双馈发电机,变速恒频,矢量控制,最大风能捕获,模糊控制,鲁棒性

参考文献

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双馈风力发电机功率解耦控制的研究 第4篇

摘要：在电网电压稳定和降落时，要求双馈风力发电系统能够根据系统的需求及时的调整功率的输出.分析了双馈风力发电机的数学模型，在电网电压稳定时采用传统基于电网电压定向的矢量控制，在电压降落时采用计及定子电压波动的改进控制策略.利用Matlab/Simulink搭建系统仿真模型，仿真结果表明：在电网电压稳定和电网电压降落时有效实现有功功率和无功功率的解耦.电网电压降落时，双馈风力发电机能够实现无功调压.采用PI控制器，系统响应快、超调小，验证了控制策略的准确定性，

关键词：双馈风力发电系统；电网电压降落；功率控制；无功调压

DOI：10.15938/j.jhust.2015.05.004

中图分类号：TM273

文献标志码：A

文章编号：1007-2683（2015）05-0020-05

0 引言

双馈风力发电系统的功率控制技术是研究风力发电系统的关键技术之一.双馈风力发电机（DFIG）转子侧主要控制发电机向电网输送有功功率和无功功率.有功功率通过最大风能追踪控制策略实现有功功率的输出；无功功率根据电网的需求来调节功率因数.主要有矢量控制策略和直接功率控制技术和自适应控制等技术.

在电网稳定运行时，传统的控制策略都忽略了定子电压的动态变化量和磁链的动态变化量，使控制模型得以简化，便于模型的搭建.但从系统的运行来看，由于电网负荷的增减等因素都造成电网电压的波动，而电网不可能一直保持稳定运行状态，因此研究在电网电压波动时，使双馈风力发电机的能够良好的适应电网的波动，对提高双馈风力发电系统的鲁棒性具有重要意义.

本文考虑到电网电压降落和风速变化两个因素对双馈发电机及其控制策略的影响，在理想电网基础上，提出改进基于电网电压定向的矢量控制策略，通过Matlab/Simulink搭建系统仿真模型，在理想电网和电网电压降落情况下，系统实现了有功功率与无功功率独立控制以及无功调压.

1 双馈风力发电系统数学模型

双馈发电机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统.其系统结构如图1所示.

1.1 双馈风力发电机的数学模型

以同步旋转dq为坐标系，定子、转子均采用电动机惯例，双馈发电机的数学模型如下：

定、转子电压方程可表示为（略写零序分量）：式中：u_ds、u_qs、u_dr、u_qr分别为定子、转子电压的d、q轴分量；i_ds、i_qs、i_dr、i_qr分别为定子、转子电流的d、q轴分量；ψ_ds、ψ_qs、ψ_dr、ψ_qr分别为定子、转子磁链的d、q轴分量；r_s、r_r分别为定、转子的电阻；L_s、L_r、L_m分别为定、转子的白感和互感；ω₁、ω_r分别为同步转速和实际转速.

1.2 改进转子侧控制侧略

在双馈风力发电机模型基础之上，推导出定子电流、转子磁链方程如下：

由式（6）或（7）中看出，传统的控制策略中，只考虑到了电压的稳态分量和稳态电压补偿项，忽略了电压的动态分量.在电网稳定运行时，忽略动态分量对于系统没有影响，但当电网电压发生波动时，该控制策略就具有一定的局限性，因此改进的控制策略中，考虑到定子电压的波动对于系统的影响，将电压的动态分量加入到定子电压中，使系统更好的适应电网电压的波动，提高控制模型的准确性，

采用基于电网电压定向的改进矢量控制策略，其坐标表示如图2所示.u_ds=u_s，u_qs=0，ψ_ds=O，u_s为电网电压的幅值，忽略了定子电阻，则q轴的磁链可近似为： .将其代人到式（6）中，转子电压方程为：

定子输出的有功无功功率为

由上式可以看出，分别调节转子d轴电流i_dr和q轴电流i_qr可实现对有功功率和无功功率的解耦控制，当电网电压降落时，控制系统保持有功功率基本不变，使其仍很好的跟随最大风能追踪，而通过增加无功功率，可以补偿电网电压的降落，从而实现了无功参与调节电网电压，

传统的基于定子电压定向的矢量控制策略，忽略了电网电压的波动对系统的影响，使控制系统得以简化，但其只能运行在理想电网条件下，具有一定的局限性，改进的控制策略考虑到定子电压、电流、磁链的动态变化，重新推导转子电压方程，将电网电压的动态变化量加入到转子侧的电压中.与传统的控制策略相比较，在电网电压波动时，转子侧电压能及时跟随电网电压的变化而实时调整，提高了控制的准确性和系统的鲁棒性并实现电网降落时无功调压.

1.3 改进基于电网电压定向的矢量控制系统

网侧控制策略参考文献，本文不再赘述.发电机励磁系统采用双闭环的PI控制结构.外环为功率控制环，内环为电流控制环.相比于电流外环和转速内环闭环控制，通过给定功率参考值，将定子输出功率与转子电流和电压建立直接关系，提高了系统控制的准确性.本文采用基于功率给定的MPPT控制策略，将风机输出功率作为系统的参考功率，无功功率参考值则根据系统的需求给出，采用PI控制器，在传统的控制策略基础之上增加了动态补偿项，经坐标变换，作为SVPWM的控制信号.改进的控制策略系统与传统控制策略系统相比较，增加了电网电压的动态分量，增加模型的利用范围，提高了整个系统的鲁棒性.其控制结构如图3所示.

2 P-Q解耦控制方案仿真分析

利用Madab/Simulink为平台，搭建双馈风力发电系统模型.设置系统仿真参数如表1所示.

2.1 电网电压稳定下的仿真

仿真从稳态开始.设定风速变化范围为：风速从

3 s开始阶跃变化，由5m/s变为6m/s；在5s时第二次发生阶跃变化，由6m/s变为7m/s，在7s时风速7m/s变为6.5m/s，并保持恒定.其仿真波形如图4所示.

图4（a）中，随着风速的增加，有功功率增加，而风速减小，则有功功率减小，表明DFIG很好的跟随了风机的输出功率，验证了基于功率给定的最大风能追踪控制策略的准确性.同时，在3s、5s、7s时，有功功率变化，无功功功率保持不变，在4s时无功功率参考值由0变为IOkvar，6s时变为8kvar，有功功率保持不变，验证了改进的基于电网电压定向的控制策略能够有效的实现有功、无功功率解耦.同时，在风速变化时，有功功率响应速度快，超调小，表明PI控制器能够快速准确的满足系统的响应.图4（b）中，电流有功分量i_dr、无功分量i_qr也实现解耦，因此分别调节i_dr、i_qr可以实现有功、无功功率的解耦.图4（c）中，采用给定功率的MPPT控制策略，将风机输出有功功率作为DFIG的功率参考值.图为参考功率与实际功率的误差值，其误差值几乎为0，可以看出，实际有功功率能很好的跟随参考值的变化，表明系统控制策略的准确性.

2.2 电网电压降落时的仿真

在电网频率恒定的条件下，电网在1.5s时，电网电压骤降为365V，在4s时恢复到初始值380V.风速在Ss时由5m/s变为6m/s.采用改进控制策略，其仿真结果如图5所示，

在电网电压波动时，图5（a）中，电网电压在1.5～4s时降落15V，图5（b）中，有功功率随着电压降低而降低，但变化范围不大，电机仍能正常发出有功功率.无功功率的给定值设为0var，在1.5s时电压骤降，1.5～4s内无功功率负向增大，由于双馈电机采用电动机惯例，Q

3 结语

双馈风力发电系统的有功功率和无功功率的解耦是其控制的关键技术之一.本文给出了DFIG数学模型，重新推导了转子侧电压公式，提出了改进的基于电网电压定向的控制策略.与传统控制策略相比，增加了电网电压的动态分量，克服了传统控制策略只运行在理想电网条件下的局限性，增加了系统控制的准确性和鲁棒性.实验结果表明，在两种电网条件下，都可以很好的实现有功功率和无功功率的解耦控制.在电网电压降落时，DFIG能够根据系统的需求，增加无功功率的输出，从而实现了DFIG的无功功率的调整，进而实现电压的调整.整个系统响应速度快，超调小，具有一定的工程应用意义，

双馈风力发电机功率解耦控制的研究 第5篇

近年来,变速恒频双馈风力发电系统以其独特的优势逐渐在风力发电中得到广泛应用[1]。然而,由于风能存在随机性,且风力发电系统存在机械及电气响应延迟的问题,当风速快速变化时,必然造成风力发电系统输出有功功率在一定范围内的波动,有可能对电网电能质量产生重大影响。因此,控制双馈风力发电机定子输出平滑的有功功率具有非常重要的意义。

变桨是控制系统输出有功功率平滑的有效手段之一。由于风力发电机的非线性以及大惯性,仅仅依靠调节桨距角很难达到发电机输出有功功率平滑的目的。当前有效的输出功率平滑控制策略是在全风速范围内同时采用变桨和变速控制来调整发电机输出有功功率。参考文献[2]提出了一种在全风速范围内同时采用变桨和变速控制来调整发电机输出有功功率的控制策略,采用模糊变桨距控制方式限制发电机的转速运行范围,采用发电机转矩动态滑模控制方式实现发电机输出平滑的有功功率。当风速快速变化时,该控制策略中2种有功功率参考的快速切换会引起功率的波动。参考文献[3]基于风力发电机的非线性模型设计了一种桨距角鲁棒控制器,通过控制变桨装置的频繁动作维持输出有功功率的平滑,这样加剧了桨距角调节装置的机械疲劳,同时由于风力发电机与桨距角调节装置具有较大的惯性,当风速快速变化时,整个发电系统响应延迟,无法达到理想的控制效果。参考文献[4]利用电力电子技术和储能元件抑制风力发电机组输出功率的波动,然而该控制方法需要增加新的硬件装置,提高了系统成本和控制难度。

本文提出一种新的控制方法即在全风速范围内采用变桨与变速协调控制策略,并在其基础上增加一个有功功率误差控制环节,使发电机输出的有功功率更加平滑,获得比较理想的控制效果。通过计算机仿真研究,验证了所提出的控制策略对抑制发电机输出有功功率波动的有效性。

1 模糊变桨控制器设计

通常风力发电机捕获的风能为

式中:ρ为空气密度;A为风轮扫风面积;Cp为风能利用系数;v为风速。

由式(1)可知,当风速变化时,风力发电机捕获的风能随着风速的变化而波动,通过调整Cp抑制功率的波动。Cp、桨距角β、叶尖速比λ的关系如式(2)所示:

通过调节桨距角可以改变风能利用系数Cp。鉴于风力发电机和变桨装置的非线性,无法建立其精确的数学模型[5],本文建立了基于模糊理论的风力发电机桨距角模糊控制器[6],以即时转速ω(k)与额定转速ωrate的差值Δω及差值的变化量Δωc(k)作为输入,其输出为桨距角的增量值Δβ,将控制器的输出Δβ与实际桨距角β之和βref作为桨距角的给定。其结构如图1所示,其中Δω=ω(k)-ωrate,Δωc(k)=Δω(k)-Δω(k-1),Δω(k)为当前时刻k发电机转子实际转速与额定转速的差值。

模糊控制器采用Mamdani原则,每个输入变量被离散化为7档,共建立49条模糊控制规则。模糊控制规则如表1所示。

2 有功功率控制策略

2.1 有功功率参考值选取

忽略所有损耗,可以得到双馈风力发电机的能量流动关系:

其中:P1为发电机定子输出有功功率;P为发电机输出功率;P2为转子励磁输入的电功率。

由式(1)、式(3)可知,当风速快速变化时,双馈风力发电系统输出有功功率随着风速的变化而波动。显然,式(1)作为发电机输出功率的参考值不能满足输出功率平滑的要求。因此,以风速的平均值v与标准偏差vσ的差值来代替即时风速v[7],如式(4)～(6)所示:

式中:t为当前时刻;T为积分时间间隔。

将式(6)作为发电机输出有功功率的参考值,可满足功率平滑的要求。

2.2 发电机定子磁链定向有功、无功解耦控制

同步旋转d-q坐标系下的双馈风力发电机数学模型为

定子电压方程:

转子电压方程:

定子磁链方程:

转子磁链方程:

电磁转矩方程:

式中:u、i、Χ、R、L、Te分别为电压、电流、磁链、电阻、电感和电磁转矩;下标s、r、d、q分别表示定、转子量和d、q轴分量;Lm为互感;p为发电机极对数;ω1为电网角频率;ωs为转差角频率。

取定子磁链矢量方向为同步坐标系d轴,则定子电压矢量将落在超前d轴90°的q轴负半轴上,如图2所示,其中α、β为两相静止坐标系下的α、β轴,下标s、r代表定子与转子,Um为两相旋转坐标系下定子电压合成矢量。

忽略发电机定子绕组,则定子磁链在d、q轴上的分量为

由于定子接于恒定的电网上,电压综合向量为常数,保持不变。在d-q坐标系中,相电压综合向量的模仍为三相系统的相电压幅值um。所以有

将式(12)、式(13)代入式(7),得

两相坐标系下瞬时有功功率P、无功功率Q为

根据式(9)可得

将式(16)代入式(15),得

再由式(10)得

将式(18)代入式(8)得

式中:u′dr、u′qr为实现转子电压、电流解耦控制的解耦项;Δudr、Δuqr为消除转子电压、电流交叉耦合的补偿项。

通过在前馈环节引入补偿量Δudr、Δuqr后,d、q轴电流就真正实现了解耦[8,9,10,11,12]。将所得的udr、uqr变换成三相坐标系下的转子电压量,将其作为产生SPWM波所需的指令信号,用于控制逆变主电路开关管的通断,产生所需频率、大小、相位的三相交流励磁电源。

控制系统采用双闭环结构,外环为功率控制环,内环为电流控制环。当外界风速变化时,变桨模糊控制器调节变桨装置,抑制系统输出功率的波动。另外,以式(5)作为功率参考值,与即时功率的反馈值进行比较,差值经PI控制器调节,最终实现发电机输出有功功率的平滑控制。

双馈风力发电机定子磁链定向有功、无功解耦控制方法实现了变桨与变速的协调控制,可有效抑制发电机输出有功功率的波动。但发电机输出有功功率在一定范围内还是存在波动,尤其在风速快速变化时波动更为明显。因此,需要一种辅助控制策略进一步抑制输出有功功率波动,以达到理想的控制效果。

2.3 有功功率误差控制

经过变桨与变速协调控制之后,风力发电系统输出有功功率仍然存在波动。通过检测可得风力发电机定子侧输出有功功率在一个采样周期内的波动为ΔP(k)=P(k+1)-P(k)(k表示第k次采样)。已知发电机定子输出有功功率与转子电压有关[13],根据有功功率的变化量推导出转子电压控制量,通过控制转子励磁电压来抑制发电机输出有功功率的波动[14]。

在d-q同步旋转参考坐标系下,采用定子磁链定向,定子输出有功功率为

式中:kσ=1.5Lm/(LsLr-Lm2)。

由式(21)可得

根据式(8)可得

对式(23)两边同时积分,可得

由于Ts很小,根据式(24)可得

由式(25)可推导出

忽略转子电阻,可以得到

式(27)包括2项:第一项确保转子磁链与定子磁链以相同的角速度旋转[15],第二项则产生有功功率的变化。

可见,在一个采样周期内,根据风力发电机定子输出有功功率的变化量可以得到一个转子电压量(式(27)中的第二项),将该电压量作为风力发电机转子电压附加控制指令,与之前变桨与变速协调控制环节中得到的转子电压控制指令相加,得到一个新的转子电压控制指令控制脉冲电路产生

波,实现变速恒频以及抑制有功功率的波动。功率误差控制中转子电压辅助控制原理如图3所示。

综合变桨与变速协调控制和功率误差控制,在功率环中,有功功率指令P*(由式(6)给出)、无功功率指令Q*(可根据控制需要选取,本文令Q*=0)与功率反馈值P、Q进行比较,差值经PI型功率调节器运算输出定子电流无功分量指令i*ds及有功分量指令i*qs,经计算得到转子电流的无功分量指令i*dr和有功分量指令i*qr;i*dr、i*qr和转子电流反馈量比较后的差值送入PI型电流调节器,调节后输出电压分量u′dr、u′qr,加上电压补偿分量后就可获得转子电压指令u*dr、u*qr,将得到的转子电压指令u*qr与转子辅助控制电压指令U′qr相加,得到u*qr+U′qr,将u*dr与u*qr+U′qr旋转变化,得到发电机转子三相电压控制指令u*ar、u*br、u*cr,将它们作为调制波与三角载波比较以产生SPWM脉冲去控制主电路开关管IGBT的通断,最终在有功、无功解耦控制的基础上,实现发电机输出有功功率的平滑控制。整个系统控制原理框图如图4所示。

3 仿真实验

在Matlab/Simulink环境下对风力发电机有功功率平滑控制策略进行仿真。仿真参数设置:风力发电机参数:叶片半径R=2.5 m,空气密度ρ=1.25 kg/m2;发电机参数:四极对,额定功率为10 kW,额定电压为220 V,额定频率为50 Hz,定子绕组电阻Rs=0.294 3Ψ,转子绕组电阻Rr=0.144 2Ψ,定子自感Ls=0.054 1 H,转子自感Lr=0.053 3 H,定转子互感Lm=0.052 8 H,转动惯J=0.471 8 kg·m2,齿轮箱传速比N=5.289,无功功率给定Q*=0 var。

假设风速变化如图5所示。此时模糊控制器根据发电机转速的变化控制桨距角的大小,抑制风力发电机捕获风能的波动

图6为桨距角变化曲线。以式(6)作为发电机输出有功功率的参考值,其变化曲线如图7所示,仿真结果如图8、图9所示。可见,在传统的有功功率控制策略下,发电机输出有功功率随着风速的变化存在一定程度的波动;而提出的有功功率平滑控制策略能有效地抑制发电机输出有功功率波动。

4 结语

仿真结果表明,提出的双馈风力发电输出有功功率平滑控制策略具有优良的控制效果。在变桨与变速协调控制的基础上检测功率的变化量,由此推导出转子电压辅助控制指令值,并将其作为一个反馈量加入原来的转子电压控制指令值,通过控制SPWM脉冲发生器有效地抑制了风力发电机定子输出有功功率的波动,提高了双馈风力发电系统输出的电能质量增强了电网运行的安全性

摘要：针对由于风能的不确定性、风力发电机的大惯性以及风力发电系统的响应延迟性等造成的风力发电机输出有功功率在一定范围内有波动的问题,提出了一种新型双馈风力发电机有功功率平滑控制策略。该控制策略在全风速范围内采用变浆与变速协调控制策略,并在其基础上增加了一个有功功率误差控制环节,将转子电压辅助控制指令值作为反馈量加入原来的转子电压控制指令值,通过控制SPWM脉冲发生器来实现风力发电机定子输出有功功率的平滑控制。Matlab/Simulink仿真结果表明,与传统有功功率控制策略相比,该新型有功功率平滑控制策略有效抑制了双馈风力发电机输出有功功率的波动。

双馈风力发电机功率解耦控制的研究 第6篇

关键词：风力发电 双馈型发电机 控制 铜耗最小化

中图分类号：TM614 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）07（a）-0221-02

近些年来，能源匮乏的问题受到了世界各国的关注，创造新能源来发电的技术是应对能源危机的最好途径之一，风力发电就是新能源利用的主要形式之一。其中，双馈型风力发电靠它出众的控制性能，成为了风力发电领域里被重点研究的对象。这些年来，已经有过一些文献研究了最大风能的捕获，比如：TSR和PSF等等。但由于控制TSR需要实时并且精确的测量风速，所以在实际的操作中会非常困难；而PSF虽然可以在不需直接测量分素的情况下捕获最大风能，但是它的精准度受到定子功率的影响和控制。虽然一些参考文献都想过用智能方法改进以上的问题，但顾此失彼，改进原来问题的时候却又忽略了双馈型发电机自身的工作效率问题。因此，该文在这些问题的基础上，提出了一种新控制策略——就是将发电机上的铜耗最小化的运行的发电系统，再输出最大的功率。

1 风力机的特性

根据贝兹理论我们可以得出风力机捕获的机械功率是：

公式中，Cp为功率；A为风力机扫略的面积；ρ为空气的密度；υ为风速。从式中就可以看出来，在风速确定的情况下，风力机得到的功率要看功率系数的多少。而Cp为λ和β所得的函数，关系式为：

，

其中为尖速比，可表示为：λ。

公式中，ωt为风力机风轮的角速度；Rt为叶片的半径。

根据计算出的结果，我们可以看出来，当β渐渐增加时，Cp的程度明显下降，从而得到最大风能，β经常被设置成一个非常小得数值；而β在固定状态下，Cp的曲线在λ的变化下最的得到一个最大的数值——Cpmmx。和β=0°时的特性。

2 双馈型发电机的最优化模型

2.1 钢耗最小化的数学建模

如果双馈型发电机连接到无限极大的系统是，它的定子方和电压电流也按照发电机、转子方电压电流等惯例，我们假设定子的电压相量和d轴发生重合，可以得到发电机在d-p同步轴系条件下稳定的运行时电压和电流的方程式：

公式中，Ra、Rr为定子、转子电阻；Xm为定子、转子互相对抗；Xa、Xr为定子、转子全电抗；s为转差率；Umd、Umq、Und、Unq、Imd、Imq、Ind、Inq分别为电压、电流、下面标注d、q的就为d轴和q轴；下面标注s的为定子方的值；下面标注r的为转子方的值。

2.2 捕获最大风能的模型

下面是双馈型发电机的定子，在有功率和没有功率时候的表现形式：

如果不考虑定子铁耗和转子的变频器损坏程度的话，那么双馈型发电机的功率关系是：

公式中，Pa为定子输出的有效功率；Pe为电磁的功率；Pcm为定子的铜耗量；Pm为发电机吸收的纯功率值；Pautgrid为发电机输给电网的功率；Pr为转子的有效功率。

为了能追踪控制最大风能，在上上个公式中的Pm应该等同于风力机输出的Ptnex。所以，我们可以根据风力机的最佳功率来给双馈型发电机的定子功率定成是：

3 如何控制双馈型发电机的励磁

控制双馈型发电机的励磁主要是为了实现其转子电流达到要求的变化，更为了保证系统能得到最大的风能捕获和最小铜耗运行。

在双馈型发动机的定子和转子以及电压电流都合前面选择一样的化，那么它的方程式是这样的：

式中，Lm为定子和转子的互感；Lr为转子全自感；p为的是微分算子。

我们把前几个公式中定子和转子按照一定的方法带入的时候，为简单操作，抛去定子电阻不谈，那双馈型发电机的转子电压的解耦项还有补偿项为：

公式中得U′rd、U′rq分别为和转子的电流具有一阶微分的关系和转子电压解耦时的分量值；Ird、Irq又分别为转子电流的分量；△urd、urq分别为消除转子的电压和电流交叠耦合时的电压补偿分量值；其中d=Lr-Lm2/Ls；e=Lm/Ls。这样做的好处就是：不但让控制简单化了，而且还确保了控制时的精确度和动态响应时的迅速特点。

用前面得出的一些公式再加上公式得出的励磁控制模板，我们就可以计算出双馈型发电机在最大风能捕获以及转化时的控制图。

根绝得出的结果可以看出，双馈型发电机运用的是转子电流关闭的方式。一方面运用以上公式得到捕获最大风能时的转子电流；另一方面，又得到了铜耗在最小化运行时转子的电流的d轴分量值的给一个定值——Irqopt。

和以往传统在采用功率控制策略的方法比较的话，现如今这个控制方法省掉了有功功率、无功功率的控制环节，控制的方法相对来说并不复杂。与此同时，这种方法不仅达到了最大风能的捕获，还讲电机铜耗最小化运行纳入考虑范围，有效地提高了风电系统的运行效率。

4 双馈型风力发电机运行性能的仿真

若要验证以上的控制策略正确与否，最好的办法就是对其进行仿真。详细请见表1和表2。

双馈型发电机的转速在实验之初时，风速是9 m/s，然后在第6秒时突然变成为12 m/s，继而又在第10秒时又突然变成10 m/s，在第14秒的时候又突然回到9 m/s。

通过以上实验，可以看出，在控制发电机的铜耗得到最小化时，系统输出的电网功率高于其他。由此，得出结论：双馈型风力发电机在铜耗最小化和捕获最大风能时的控制，能有效的利用风能，提升发电体统的运行效率。

5 结语

笔者在双馈型风力发电机的特点和数学建模的基础上。又提出了一种方法来捕获最大风能、最小电机铜耗。也通过大量的理论和实践、包括查找资料等等试验，达到了能使双馈型发电机的变速恒频最有效利用风能的方法。传统的方法需要实时的测量风速，而现在这种办法省去了这一操作，顺带也省略了控制功率的环节，包括结构的控制也相对要简单的多。

参考文献

[1]李辉，何蓓.双馈风力发电系统的最大风

能控制策略[J].太阳能学报，2008，29 （7）：797-803.

[2]王宇.双馈风力发电系统控制技术研究[D].天津大学，2009.

双馈风力发电机功率解耦控制的研究 第7篇

1 双馈发电机直接转矩控制的基本原理

在风力发电系统中将双馈电机定子接到工频电网上, 转子接到四象限变频上, 使定转子同时馈电, 所以是双馈发电机。对于双馈发电机来说, 它是靠控制施加转子的电压矢量进行控制的, 这就提出了一个关于转子磁链控制的问题。转子逆变器设置两个调节器:一是磁链调节器, 调节转子磁链的幅值;另一个是转矩调节器, 调节转子磁链的角度。

2 直接转矩控制技术主要有以下的几个特点

(1) 直接转矩控制是直接在定子坐标系下, 利用空间矢量的概念来分析电机的数学模型, 控制电机的磁链和转矩。因此省掉了矢量控制中坐标变换等复杂的运算, 信号处理工作简单, 易于实现实时控制。

(2) 直接转矩控制磁场定向采用的是定子磁链, 而定子磁链的观测模型要比转子磁链的观测模型简单得多, 而且受电机参数变化的影响较小。

(3) 直接转矩控制强调的是转矩的直接控制效果, 它包含直接控制转矩和转矩的直接控制两层意思。直接转矩控制不是象矢量控制那样, 通过控制定子电流、磁链等量来间接控制转矩, 而是采用转矩闭环把转矩直接作为被控量, 直接控制转矩。所以, 它并非极力获得圆形磁链轨迹和正弦波电流, 只追求转矩控制的快速性和准确性。

(4) 直接转矩控制技术的控制方式是“直接自控式”。即以转矩为中心来进行磁链、转矩的综合控制, 通过转矩两点式调节器把转矩检测值与转矩给定值进行滞环比较, 并根据所得差值实现磁链和转矩的直接控制。

概括地说, 直接转矩控制就是利用空间矢量的分析方法, 直接在定子坐标系下计算和控制交流电动机的转矩, 采用定子磁场定向, 借助于离散的两点式调节 (Bang-Bang控制) 产生PWM信号, 直接对逆变器的开关状态进行最佳控制, 以获得高动态性能的转矩响应。

3 DTC控制的实现

双馈发电机直接转矩控制仿真模型图如图1所示, 包括转子磁链与转矩计算模型, 磁链滞环调节器、转矩调节器、转矩滞环调节器、磁链区间选择模型、开关电压矢量选择模型、PWM逆变器模型, 双馈发电机模型和风力机模型。

图1中电压矢量选择模型的开关状态是事先确定好的, 当系统采样时间越小, 开关状态切换的频率就越高, 所得到的转子磁链平均旋转速度越均匀因而电磁转矩的脉动也越小。当然这样对功率器件的要求较高, 开关损耗也会增加。

由图1可知, 所测得信号电压电流信号分别经过坐标变换, 得到udr、uqr、idr、iqr, 并通过磁链转矩计算模块计算出电磁转矩Te, 转子磁链的幅值/ψr/, d轴分量ψdr, q轴分量ψqr。磁链区间判断模块利用磁链的两个分量信号判断出转子磁链所在区间信号θ, 同时实际转矩T与反馈转矩T*进行比较后得到转矩开关信号τ, 实际磁链ψr*与反馈转矩ψr进行比较, 经过处理后得到磁链滞环比较输出u, 三个变量共同作为开关电压矢量选择模块的输入量, 由该模块实现正确的电压选择, 输出量即为逆变器输入端需要的空间电压矢量, 从而对双馈发电机进行最有效的控制。

仿真双馈发电机参数如下:额定功率1500k W, 额定电压690V, 同步转速1500rpm, 额定频率50Hz, 电机极对数2, 转动惯量59kg.m2, 定子电阻0.0018Ω, 定子电抗0.0227Ω, 折算到定子侧的转子电阻0.00206Ω, 转子电抗0.0368Ω;风力机参数为:风轮直径70.5m, 叶尖速比6.15, 齿轮传动比90。仿真结果以标幺值表示, 与此相关的各参考量的基准值表示如下, Ibase=1.77k A, fbase=50Hz, Tbase=7.92k N.m。

双馈风力发电机功率解耦控制的研究 第8篇

风力发电机组类型中, 永磁直驱式和双馈异步式占据市场的份额越来越大, 新增的大型风电机组中, 绝大部分为双馈异步式。但由于双馈异步风力发电机励磁变换器容量小, 对整个双馈风力发电机组的控制能力弱, 故其变换器的稳定性控制策略占据着至关重要的地位, 目前来说以矢量控制和直接转矩控制的研究较多[1]。

DFIG的矢量控制技术在国内外已经相当成熟, 而直接转矩控制技术在国内仍处于试验研究阶段。本文以某厂家1.5 MW双馈风力发电机为基础, 在Simulink环境下搭建变换器的矢量控制模型和直接转矩控制模型, 对两个控制模型进行仿真研究比较, 验证两种控制方法的对系统稳定控制的优缺点。

1 双馈风力发电机的数学模型

1.1 三相静止坐标系下的数学模型

在三相绕组对称, 忽略空间谐波、铁心损耗, 其三相静止坐标系下的数学描述[2]方程组如下。

1) 定转子电压方程

2) 定转子磁链方程

usa、usb、usc为定子三相电压;ura、urb、urc为转子三相电压;

isa、isb、isc为定子三相电压;ira、irb、irc为转子三相电压;

Ψsa、Ψsb、Ψsc分别为定子A、B、C相总磁链。

Lms为定子自感;θr为定转子相间夹角;

Ψa、Ψb、Ψc分别为转子A、B、C相自感磁链;

Ψra、Ψrb、Ψrc分别为转子A、B、C相总磁链。

1.2 两相同步坐标系下的数学模型

其同步速旋转d-q坐标系下的数学描述[2]可表示为

1) 定转子电压方程

2) 定转子磁链方程

式中, 定子电压Us=uds+juqs, 转子电压Ur=udr+juqr;

定子电流is=ids+jiqs, 转子电流ir=idr+jiqr;

定子磁链ψs=ψds+jψqs, 转子磁链

转差角速度ωslip=ω1-ωr。

2 双馈风力发电机的控制及建模

由于两电平型双PWM变换器研究成熟优势, 目前DFIG的交流励磁电源大多采用两电平电压型PWM变换器。双PWM变换器分为网侧变换器和转子侧变换器, 其网侧变换器主要保持直流母线电压稳定等, 并不直接参与对DFIG的控制, 其转子侧变换器主要实现定子输出有功、无功的控制, 直接影响这DFIG系统的运行性能, 本文中主要对转子侧两种控制策略的研究。

2.1 矢量控制原理[2]

据 (6) 式中可记

式中, Ims为定子等效电流矢量, 则

故带入 (5) 可得定转子电压方程为

并网时DFIG定子直接挂电网, 理想条件下, 两相同步旋转坐标系下d、q轴电流分量为直流, 故而定子磁链矢量Ψs也为恒定值, 故由 (7) 知dims/dt≈0。故 (10) 可简化为

DFIG矢量控制中需选取定向矢量, 发电机变量可定向的矢量很多, 包括定子磁链矢量、气隙磁链矢量、电网虚拟磁链矢量及定子电压矢量等, 但最常用的定向方式是定子磁链矢量定向和定子电压矢量定向[1]。定子磁链定向中, 对定子磁链的观测增加了控制的复杂性, 因此, 本文中采用定子电压矢量定向, 定子直接挂电网, 故定子电压定向又称电网电压定向。

将同步旋转坐标的d轴定向到电网电压矢量上, 即可得定子电压和磁链方程为

代入方程 (6) 中转子磁链方程可得

带入 (11) 转子电压方程可得

利用 (15) 可得到定子电压矢量控制的转子电流闭环控制框图

2.2 直接转矩控制原理

1) 直接转矩控制思想[3], 基本思想是不需要解耦。其将转子电流分解为励磁电流和转矩电流, 利用电压型逆变器开关选择的特点, 利用容差控制, 通过计算发电机瞬时的电磁转矩和磁链, 根据计算值和给定参考值之间的差值, 来确定需要的空间电压矢量, 从而调节逆变器开关状态, 保持定转子磁链之间电磁转矩与机械转矩平衡, 从而实现其变流器转子侧的控制, 即实现DFIG的有功和无功控制。

2) 空间电压矢量选择原理, 空间电压与逆变器输出电压的表达式[2]

其中逆变器输出的三相电压与逆变器开关和直流电压关系为

由 (16) (17) 可知, 根据逆变器开关状态 (Sa、Sb、Sc) 能形成8个电压矢量V0~V7。

而直接转矩控制目标是, 控制逆变器的开关状态, 来选择合理的空间电压矢量。其电磁转矩可以表达为如下:

式中, ψs为定子磁链, ψr为转子磁链, δ为定转子之间的磁通角。因定子直接挂电网, 故定子磁链保持不变, 为控制电磁转矩, 必须同时控制转子磁链和磁通角, 而磁通角的控制是利用施加的空间电压矢量控制转子磁链的旋转速度, 从而控制磁通角, 达到控制转矩跟随。

因此, 直接转矩控制是通过转子磁链和电磁转矩的计算值与参考差值, 及转子磁链所处的扇区, 来选择空间电压矢量, 达到其控制目标。其相关对应关系如表1, 表2。

根据空间电压选择原理可得其控制框图2。

3 仿真结果及讨论

以某厂家1.5 MW的DFIG为基础, 对文中如下三种情形进行仿真。其中主要仿真参数如下:

切入风速:3 m/s, 切出风速:25 m/s, 额定风速:10.83 m/s, 额定转速 (pu) :1.2, 额定有功功率 (pu) :1.5。

1) 风速上升条件下 (风速从7 m/s在2秒内上升至15 m/s) 的矢量控制与直接转矩控制比较:

从图3中看出风速上升中直接转矩控制与矢量控制相比, 有功 (转矩) 出现较大超调量, 因为直接转矩控制是对转矩的直接控制, 其控制速度较快, 风速上升, 有功 (转矩) 及时响应;无功出现波动, 说明无功、有功之间没有无安全解耦;转速超调量减小, 因为采用“功率-转速”跟踪曲线, 有功变化较快, 转速变化较慢, 在有功上升过程中转速来不及升至最大有功就下降, 由于其跟踪曲线, 转速上升减缓, 从而超调量减小;磁链效果相同, 说明风速上升时两种控制方法对磁链控制基本没有影响。

2) 风速下降条件下 (风速从15 m/s在2秒内下降至7 m/s) 的矢量控制与直接转矩控制比较

图4中看出风速下降时直接转矩控制和矢量控制相比, 有功 (转矩) 、转速、磁链的变化基本一致, 而无功在风速下降过程中出现下降, 说明无功和有功之间没有完全解耦。

3) 电网电压发生故障情况下 (三相电网电压均跌落至0.8 pu) 的矢量控制与直接转矩控制比较:

从图5可以看出在电网发生三相平衡跌落时, 直接转矩控制与矢量控制相比, 有功 (转矩) 、转速恢复较快。但由于直接转矩控制没有解耦, 其无功会随着电流变化, 跟随有功波动作相应的变化, 且磁链波动较大, 恢复较慢。

4 结束语

本文通过对矢量控制和直接转矩控制两种控制方法的原理分析, 搭建了两种控制方法对双馈风力发电机变流器控制的仿真模型, 仿真研究结果表明直接转矩控制对系统的稳定速度较快, 在电网电压跌落时恢复能力较好, 而矢量控制对无功控制效果较好。

摘要：在对双馈风力发电机建模基础上, 为了优化双馈风力发电机的控制策略, 在Simulink环境下搭建变流器的矢量控制和直接转矩控制的仿真模型, 研究两种控制方法对双馈风力发电机系统稳定性的影响。仿真结果表明矢量控制由于其通过解耦控制有功、无功, 其对无功的控制效果较好, 而直接转矩控制是对转矩的直接控制, 其控制速度较快, 故障情况下恢复能力较好。

关键词：风力发电,双馈风力发电机,仿真,直接转矩控制,矢量控制

参考文献

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