基于定子電壓定向的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率控制

劉思佳，莊圣賢，舒鑫東

(西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，成都 610031)

1 引言

隨著風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)容量不斷增加。由于雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)只需控制轉(zhuǎn)子側(cè)的轉(zhuǎn)差功率就可實(shí)現(xiàn)變速時(shí)功率恒頻輸出，相應(yīng)的功率電子設(shè)備的成本得到了降低，因此大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組多采用雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)變速恒頻發(fā)電。

大功率雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)多采用雙 PWM 型變流器來(lái)對(duì)其進(jìn)行控制（圖1）。這種變流器可實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子功率的雙向流動(dòng)，保證了雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)在欠同步和超同步兩種工作狀態(tài)下有效運(yùn)行。網(wǎng)側(cè) PWM 變流器的作用是維持變流器中間部分的直流母線電壓恒定，控制方法多采用網(wǎng)側(cè)電壓定向的電流矢量控制方法[1]。轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變流器主要目的是控制發(fā)電機(jī)對(duì)電網(wǎng)輸出的有功、無(wú)功功率，有功部分需要跟隨輸入發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率實(shí)現(xiàn)有功功率的輸出，無(wú)功部分則需根據(jù)電網(wǎng)的需求來(lái)調(diào)節(jié)輸出功率的功率因數(shù)，其實(shí)現(xiàn)方法主要有兩種：直接功率控制[2，3]和轉(zhuǎn)子電流矢量控制[4，5]，兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流矢量控制多采用定子磁鏈定向的控制方法[4，5]。

由于雙饋發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后定子電壓即是電網(wǎng)電壓，其幅值、頻率可看作是恒定的，故雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以采用定子（電網(wǎng)）電壓定向的矢量控制方式。相比定子磁鏈定向，定子電壓定向的方法無(wú)需定子磁鏈的測(cè)量，減少了可能出現(xiàn)的誤差，而且與網(wǎng)側(cè) PWM 變流器的電網(wǎng)電壓定向矢量控制方法[1]有很多相似之處，可以簡(jiǎn)化雙PWM變流器整體控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

圖1 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

2 雙饋發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)在定子同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 d-q下的數(shù)學(xué)模型為：

式中，usd，usq，urd，urq分別為定子、轉(zhuǎn)子電壓的d、q軸分量；Ψsd，Ψsq，Ψrd，Ψrq分別為定子、轉(zhuǎn)子磁鏈的 d、q軸分量；isd，isq，ird，irq分別為定子、轉(zhuǎn)子電流的d、q軸分量；Rs，Rr分別為定子、轉(zhuǎn)子的繞組阻值；Ls，Lr，Lm，分別為定子自感、轉(zhuǎn)子自感及互感；ωs，ωr，△ω 分別為定子同步角速度、轉(zhuǎn)子角速度及轉(zhuǎn)差角速度。

雙饋發(fā)電機(jī)定子側(cè)有功、無(wú)功功率為：

當(dāng)雙饋發(fā)電機(jī)的定子接上電網(wǎng)后，定子電壓的幅值、頻率可看作都是恒定的，即定子三相電壓在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓矢量US是恒定的；此時(shí)在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下亦可以認(rèn)為定子磁鏈?zhǔn)遣蛔兊摹Ｍ瑫r(shí)發(fā)電機(jī)定子繞組的電阻壓降相對(duì)于電網(wǎng)而言，是可以忽略不計(jì)的，故

當(dāng)采用矢量控制將定子電壓矢量定向在d軸時(shí)，

將式（2）、（4）、（5）代入式（1），定子電流為：

將式（3）、（8）代入式（2），則轉(zhuǎn)子電壓為：

將式（8）代入式（7），則定子功率為：

當(dāng)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后，由圖1可知，發(fā)電機(jī)輸出功率的絕對(duì)值等于定子端的功率，故發(fā)電機(jī)輸出有功、無(wú)功功率為：

由式（11）可以看出，在以定子電壓定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸d-q下，通過(guò)對(duì)雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流ird、irq的控制，可以有效地實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)輸出有功、無(wú)功的獨(dú)立解耦控制。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

網(wǎng)側(cè) PWM 變流器采用電網(wǎng)電壓定向的矢量控制策略，實(shí)現(xiàn)直流母線電壓的恒定?？刂破鳛橹绷麟妷和猸h(huán)、變流器電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)[1]對(duì)這一方法的設(shè)計(jì)有詳細(xì)的介紹，這里不再累述。

轉(zhuǎn)子側(cè) PWM 變流器采用定子（電網(wǎng)）電壓定向的矢量控制策略時(shí)，根據(jù)式（9）、（10）控制器可設(shè)計(jì)為功率外環(huán)、轉(zhuǎn)子電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)，內(nèi)外環(huán)均采用PI調(diào)節(jié)器。電流內(nèi)環(huán)的解耦算式為：

式中，KiP、KiI分別為 PI調(diào)節(jié)器的比例增益和積分增益。

所得的u*rd、u*rq經(jīng)過(guò)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)反變換，即得到所需的PWM調(diào)制信號(hào)電壓u*ra、u*rb、u*rc，再通過(guò)PWM 控制器對(duì)變流器開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)定子側(cè)功率的解耦控制。

圖2為基于定子（電網(wǎng)）電壓定向的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)雙 PWM 變流器控制系統(tǒng)框圖。圖中有功功率參考量P*跟隨雙饋發(fā)電機(jī)的輸入機(jī)械功率來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的最大有功功率輸出，無(wú)功功率參考量Q*根據(jù)電網(wǎng)的需求進(jìn)行調(diào)節(jié)，一般情況下設(shè)為0。

4 仿真分析

使用Matlab/Simulink軟件對(duì)圖2所示的控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真參數(shù)為：

電網(wǎng)額定電壓 690V，頻率 50Hz；網(wǎng)側(cè)變流器電感0.5mH，直流母線電壓為1200V。

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)參數(shù)：額定功率1.5MW，定子額定電壓690V，頻率50Hz，定子電阻5.5m?，定子電感0.156mH，轉(zhuǎn)子電阻6.21m?，轉(zhuǎn)子電感0.226mH，勵(lì)磁電感11.01mH，極對(duì)數(shù)2。

發(fā)電機(jī)輸出有功功率參考量P*的初始值為0.5p.u.，輸出無(wú)功功率參考量Q*的初始值為0p.u.（標(biāo)幺值，基值為1.5MW）。

仿真時(shí)序如下：

當(dāng)t=1.2s時(shí)，P*由0.5p.u.變?yōu)?.9p.u.，t=1.7s時(shí)，變回 0.5p.u.，此過(guò)程中Q*維持 0p.u.不變。當(dāng)t=2.2s時(shí)，Q*由0p.u.變?yōu)?.3p.u.，t=2.7s時(shí)，變回0p.u.，此過(guò)程中P*維持0.5p.u.不變。仿真結(jié)果如圖3所示。

圖2 雙PWM變流器控制系統(tǒng)框圖

圖3 改變有功、無(wú)功的仿真結(jié)果

當(dāng)t=3.2s時(shí)，電網(wǎng)電壓出現(xiàn)降落，幅值降至0.8p.u.，t=3.7s時(shí)，Q*由 0p.u.變?yōu)?0.5p.u.，此過(guò)程中P*維持0.5p.u.不變。仿真結(jié)果如圖4所示。

由圖3可知，通過(guò)改變輸出有功、無(wú)功功率指令值，可有效控制雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)際輸出有功、無(wú)功功率，并且控制過(guò)程中不會(huì)對(duì)網(wǎng)側(cè)變流器控制的直流母線電壓產(chǎn)生不良影響，實(shí)現(xiàn)了輸出有功功率、無(wú)功功率的獨(dú)立控制。

由于風(fēng)電是一種波動(dòng)性、間歇性電源，大規(guī)模并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)會(huì)對(duì)局部電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成一定影響，較常出現(xiàn)的是電網(wǎng)電壓降落。由圖4可知，當(dāng)電網(wǎng)電壓出現(xiàn)一定的降落時(shí)，控制系統(tǒng)的控制量會(huì)出現(xiàn)擾動(dòng)，但仍可正常運(yùn)行，同時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的無(wú)功輸出，可及時(shí)有效地恢復(fù)電網(wǎng)電壓。

圖4 電網(wǎng)出現(xiàn)電壓降落時(shí)的仿真結(jié)果

5 結(jié)論

本文根據(jù)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)出一種基于定子電壓定向矢量控制的發(fā)電機(jī)輸出功率控制策略，并根據(jù)此控制策略，利用Matlab/Simulink軟件構(gòu)建了一個(gè)雙 PWM 變流器控制系統(tǒng)，進(jìn)行了仿真分析。經(jīng)過(guò)仿真驗(yàn)證，此控制系統(tǒng)可快速穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)大功率雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出有功、無(wú)功功率的獨(dú)立解耦控制，可在電網(wǎng)電壓出現(xiàn)一定降落的情況下正常運(yùn)行，并對(duì)電網(wǎng)恢復(fù)提供有效的幫助。

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