双馈风力发电系统双PWM控制策略研究

双馈风力发电系统双PWM控制策略研究

1严玲玲2胡翰文

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摘要：交流励磁双馈风力发电系统双PWM控制策略，它分为对发电机侧变换器的控制和对电网侧变换器的控制。转子侧采用的是基于定子磁场定向的矢量控制策略，电网侧采用的是电压外环、电流内环的矢量控制系统。通过一些列的分析证明了理论推导和仿真模型的正确性。

关键词：风力发电；双馈发电机；双PWM变换器；矢量控制

引言

随着电力电子和控制技术的发展，采用双PWM变换器的双馈风力发电技术成为当前风力发电技术的主流，其控制部分作为风力发电系统的核心构成，它所采用的控制方法的好坏直接与系统的发电效率和动静态性能密切相关，因此设计一种优良的控制策略对风电系统来说是很重要的，同时对推动风电事业的发展有着积极的意义。

1风力机的特性及双馈发电机（DFIG）的基本理论

1.1风力机的组成及主要性能参数

风电机组主要由风力机和发电机两大核心部件构成，完成的是风能到电能的转化，转化的过程可用图1表示，可描述为：风以一定的速度作用在风轮上时是具有动能的，这个动能将带动风轮旋转产生机械能，此时传动装置会将能量传递到发电机的转子上，发电机工作输出电能。

风力机主要是由风轮、传动系统、变桨距机构、偏航系统、刹车系统、制动系统、控制系统、安全系统、机舱、塔架等组成。

1.2DFIG的主要特点和运行原理

双馈发电机既可以向电网输送电能又可以从电网输入电能，它通过调节控制转子的励磁来实现定子侧恒定的输出。其原理结构图如图1。

图1双馈发电机原理图

图中n1为同步转速，n2是转子磁场相对于转子的速度，nr为转子的机械速度。当处于稳态时，定子侧和转子侧所产生的旋转磁场是相对静止的，此时满足下面的条件：n1=nr±n2

1.3DFIG的能量传递分析

风速和转子转速之间的大小关系决定了双馈电机的运行状态，而运行状态又直接关系着有功功率的传递方向。下面将对发电机工作时的能量流动进行分析，首先定义三个有功量：P1为定子输出有功，Pmec为转子轴上的输入机械功率，Ps为转子的转差功率。

1）超同步运行。此时，n1=nr-n2，nr与n2的方向是相反的，根据转差率的公式s=（n1-n2）/n1可知，s<0。此时，能量是由转子注入电网，有Pmec=P1+Ps，并且此时电磁转矩Te与n1是反向的，有制动作用。

2）亚同步运行。此时，n1=nr+n2，nr与n2的方向是相同的，有s>0，转子从电网吸收能量，有P1=Pmec+Ps，此时电磁转矩Te与n1也是反向的起制动作用。

3）同步运行。此时转差率s=0，发电机的转子与电网之间无能量传递。

2转子侧PWM变换器控制策略

2.1基于定子磁场定向的矢量控制策略

双馈风力发电系统结构复杂，其内部电磁量之间的关系更是极其繁杂，它不仅是一个多变量的非线性系统，电磁量之间还具有很强的耦合性。举个很简单的例子，对于双馈电机，转子绕组中电流产生的磁场会影响定子电流，同样的，定子绕组中电流产生的磁场也会影响转子电流，其幅值和相位都会发生变化，电磁矢量之间的相互制约和耦合性可见一斑。因此，要想对这样一个系统实施控制，就必须要简化电机内部复杂的电磁关系，一些常规的控制方法是做不到的，而如果采用矢量控制的方法，则可以达到理想的效果。

双馈发电机的控制方式主要有两种，第一种是速度控制方式，它控制的主要是电机的转速，并设定一个转速的指令值，调节励磁电压让发电机的实际转速与等于转速指令值，这种方式的有功和无功是变化的。第二种就是功率控制方式，它控制的主要是定子的有功和无功，分别设定了有功功率指令值和无功功率指令值，调节励磁电压让其功率实际值分别与指令值相等，运用这种方式时电机的转速是变化的。文章选用的是第二种方法，根据双馈电机的电磁方程，可以推导出励磁电压与转子两个电流分量之间的关系，而由于转子电流与定子电流也存在一些内在的电磁关系，因此调节励磁电压就可以控制定子电流，也就可以控制有功与无功功率的输出。

3网侧PWM变换器的控制策略

网侧和转子侧的这两个PWM变换器的拓扑结构是完全一样，都是采用IGBT作为开关器件，不同的就是各自的控制方法。直流电容的存在使得网侧和转子侧的变换器相对独立，对于转子侧变换器，直流环节的电压是恒定的，控制的对象是转子侧未知的物理量；而对于网侧变频器，电网的各个量是已知的，控制的对象是直流侧未知的物理量。

网侧变换器在整个风电系统中有着举足轻重的地位，这是由于它在保证能量的双向流动时，还要实现其他的一些控制目标。网侧变换器要保持直流环节的电压恒定，要保证电网侧输入的电流为正弦电流，还要保证交流侧的功率因数为1。而直流电压的稳定主要是调节交流侧输入的有功也就是对有输入电流有功分量的控制，网侧输入正弦电流主要是看电流所采取的控制方式，功率因数的调控是取决于输入电流无功分量。因此，总结起来，对网侧PWM变换器的控制归根到底主要是对输入电流的控制。文中选用的是dq坐标系电流内环、电压外环的双闭环控制方式，优点是只要限定了电流指令的幅值，变换器就会工作于恒流状态，很好地保护了开关管。

4系统仿真模型及仿真结果分析

根据所建立的网侧变换器的数学模型，结合SVPWM控制算法，将文中所提到的网侧矢量控制策略模型化，对其进行仿真验证。根据主电路参数的选取原则综合考虑，设置的仿真参数如下：

交流侧相电压的幅值为100V，频率为50HZ，电网侧的电阻为0.01Ω，电感选为3HZ，直流电容为2.2μF，直流参考电压为200V。而将发电机和转子侧的控制器看成电阻为10Ω的反电动势。通过控制反电动势的大小，可以使网侧变换器运行于整流或逆变状态。

1）运行于整流状态

当反电势的值小于直流电压给定值时，变换器作整流器运行，此时能量是从电网流向直流电容的。仿真结果如下：

2）运行于逆变状态

此时，只需要将反电动势的值设置成大于直流电压参考值即可，得到的仿真结果如下：

1）有功和无功实现独立调节

在t=1.5s时，风速从6m/s阶跃到8m/s，idr*保持0不变。此时，理论上有功功率应该会发生变化，无功电流分量恒定，则无功功率不变，仿真波形为：

在t=1.5s时，idr*从0阶跃到4，而风速保持6m/s不变。理论上有功功率不会发生变化，而无功功率会发生突变。

5总结与展望

本文对双馈风力发电系统双PWM控制策略进行了研究，在建立了数学模型的基础上搭建了系统各个模块的仿真模型，并对其进行仿真论证，仿真结果表明网侧控制器可以实现直流环节电压恒定，转子侧控制器可以使有功与无功功率解耦，这与实际理论相一致，证明了理论的正确性。在仿真中认为电网是稳定的，但实际中电网内部也可能会发生波动，因此下一步可考虑加入对风电系统低电压穿越的研究。

参考文献：

[1]陈国呈.PWM逆变技术及其应用[M].北京：中国电力出版社，2007.

[2]郭家虎.变速恒频双馈风力发电系统控制技术的研究[D].上海：上海大学博士论文，2008.

[3]叶杭冶风力发电机组的控制技术（第二版）[M].北京：机械工业出版社，2006.