雙饋風(fēng)力發(fā)電轉(zhuǎn)子側(cè)控制技術(shù)的研究

馬立新，鄭益文，殷苗苗

(上海理工大學(xué)，上海200093)

轉(zhuǎn)子磁鏈可由定子電壓和轉(zhuǎn)子電流表示:

0 引 言

近年來，能源危機(jī)不斷加劇和環(huán)境保護(hù)意識不斷增強，風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)成為各國研究和開發(fā)的熱點。其系統(tǒng)有獨立型和并網(wǎng)型兩種形式。并網(wǎng)型又分為兩類，一類是恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，另一類是變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)［1］。雖然，恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制簡單、成本小、運行可靠性高、過載能力比較強，但是，風(fēng)電機(jī)組直接與電網(wǎng)耦合，風(fēng)電機(jī)組的特性將直接對電網(wǎng)產(chǎn)生影響;此外，由于交流異步發(fā)電機(jī)的運行需要電源提供無功，使得電網(wǎng)的無功負(fù)擔(dān)加重，從而電力系統(tǒng)的潮流分布也變得更加復(fù)雜。尤其是隨著風(fēng)力發(fā)電規(guī)模的不斷擴(kuò)大，這些問題將更加突出。

然而隨著大容量電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也日趨成熟。尤其是雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(以下簡稱DFIG)的應(yīng)用，其定子繞組直接與電網(wǎng)連接，轉(zhuǎn)子采用三相對稱繞組，經(jīng)過背靠背的雙PWM變流器［2］接入電網(wǎng)，給雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)提供交流勵磁［3］，其勵磁頻率就是發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率，此系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了電網(wǎng)頻率與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的解耦控制，降低了電網(wǎng)與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組之間的相互影響，而且大大減少了變流器容量，改善了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運行性能，并逐漸發(fā)展成主流的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，在風(fēng)能發(fā)電中的應(yīng)用越來越廣。

鑒于此，本文針對雙PWM變流器展開研究，設(shè)計了轉(zhuǎn)子側(cè)變流器采用定子電壓定向矢量控制方案［4］，并構(gòu)建了11 kW變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了有功、無功功率解耦控制和最大風(fēng)能跟蹤控制。本系統(tǒng)也是未來風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的發(fā)展方向，具有廣闊應(yīng)用前景和現(xiàn)實意義。

1 變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本概念

1.1 變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的原理［5］

由交流異步發(fā)電機(jī)的基本原理可知，DFIG的定子頻率、轉(zhuǎn)子頻率、極對數(shù)和轉(zhuǎn)速的關(guān)系如下:

式中:fs為定子電流頻率;n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速;p為電機(jī)極對數(shù);fr為轉(zhuǎn)子電流頻率。當(dāng)n＜n1時，處于亞同步運行狀態(tài)，此時變流器向DFIG轉(zhuǎn)子提供交流勵磁，定子發(fā)出電能給電網(wǎng)，式(1)中fr取正號;當(dāng)n＞n1時，處于超同步運行狀態(tài)，此時DFIG的定子和轉(zhuǎn)子同時發(fā)出電能給電網(wǎng)，式(1)中fr取負(fù)號;當(dāng)n=n1時，處于同步運行狀態(tài)，此時DFIG作為同步電機(jī)運行，fr=0，變流器向轉(zhuǎn)子提供直流勵磁。當(dāng)DFIG轉(zhuǎn)速n變化時，可控制轉(zhuǎn)子供電頻率fr相應(yīng)變化，使fs保持恒定不變，與電網(wǎng)頻率保持一致，就實現(xiàn)了變速恒頻控制，這就是交流勵磁雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)變速恒頻運行的基本原理。

1.2 交流勵磁變流器

VSCF雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制是通過控制轉(zhuǎn)子交流勵磁變流器來實現(xiàn)的。為了滿足變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電的特殊要求，從變流器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、運行性能和控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度等方面來看，雙PWM變流器是最佳方案，其結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)簡單、可靠，運行性能好，成本低，是目前VSCF雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)交流勵磁電源最具優(yōu)勢的一種方案。

雙PWM變流器由兩個完全相同的兩電平電壓型三相PWM變流器通過直流母線連接而成，按位置分為網(wǎng)側(cè)變流器和轉(zhuǎn)子側(cè)變流器(也稱機(jī)側(cè)變流器)，如圖1所示。本系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)變流器采用無電網(wǎng)電壓傳感器虛擬電網(wǎng)磁鏈定向矢量控制技術(shù)，主要任務(wù)是保證其有良好的輸入特性和直流母線電壓的穩(wěn)定性，本文不做深入研究。

圖1 兩電平電壓型雙PWM變流器

1.3 變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由風(fēng)機(jī)、齒輪箱、DFIG、雙PWM變流器、濾波器、變壓器等構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 交流勵磁變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 DFIG在dq坐標(biāo)系下的動態(tài)數(shù)學(xué)模型

在三相靜止坐標(biāo)系中的DFIG數(shù)學(xué)模型既是一個多輸入多輸出的高階系統(tǒng)，又是一個非線性、強耦合的系統(tǒng)［6］，數(shù)學(xué)模型比較復(fù)雜，現(xiàn)通過3s/2s坐標(biāo)變換和2s/2r坐標(biāo)變換，將三相靜止坐標(biāo)系中定子和轉(zhuǎn)子的電壓、電流、磁鏈和轉(zhuǎn)矩變換到兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系中，由于兩相坐標(biāo)軸相互垂直，則兩相繞組之間沒有磁的耦合，從而簡化了數(shù)學(xué)模型。特別是當(dāng)三相靜止坐標(biāo)系中的電壓和電流是在電源頻率下的交流正弦波時，通過坐標(biāo)變換后，在dq坐標(biāo)系上，這些量就成為直流，對控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)非常有利。

因此，同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下的磁鏈方程、電壓方程、轉(zhuǎn)矩方程和運動方程如下。

磁鏈方程:

電壓方程:

轉(zhuǎn)矩方程:

運動方程:

以上各式中，ψsd、ψsq、ψrd、ψrq，usd、usq、urd、urq，isd、isq、ird、irq分別為定、轉(zhuǎn)子磁鏈、電壓和電流的 d、q軸分量;Lm、Ls、Lr分別為dq坐標(biāo)系下等效繞組間互感和等效繞組定、轉(zhuǎn)子自感;ω1為同步角速度;ωs=ω1－ω為dq坐標(biāo)系相對于轉(zhuǎn)子的電角速度，即轉(zhuǎn)差的電角速度;Te為發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩;TL為風(fēng)力機(jī)拖動轉(zhuǎn)矩;p為電機(jī)極對數(shù);J為機(jī)組的轉(zhuǎn)動慣量;θr為轉(zhuǎn)子位置角;K為機(jī)組扭轉(zhuǎn)彈性阻尼系數(shù);KD為機(jī)組阻轉(zhuǎn)矩阻尼系數(shù)。

3 機(jī)側(cè)變流器采用SVO的矢量控制策略

由式(2)～式(4)可知，系統(tǒng)雖簡化不少，但其非線性、多變量、強耦合的性質(zhì)并沒有改變。采用矢量控制策略［7］，即通過定子電壓 軸定向矢量控制實現(xiàn)對DFIG有功和無功的解耦控制，進(jìn)一步簡化系統(tǒng)模型。

3.1 dq坐標(biāo)系下DFIG的矢量模型

dq坐標(biāo)系下DFIG電壓方程和磁鏈方程的矢量形式分別:

式中:us、ur、is、ir分別為定、轉(zhuǎn)子端電壓和電流矢量，且有:us=usd+jusq，ur=urd+jurq;is=isd+jisq，ir=ird+jirq;ψs、ψr分別為定、轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶浚矣笑譻=ψsd+jψsq，ψr= ψrd+jψrq。由式(6)和式(7)可得DFIG矢量形式的T型等效電路，如圖3所示。

圖3 DFIG矢量形式的T型等效電路

由圖3和式(6)可以看出，向DFIG輸入的定、轉(zhuǎn)子總有功功率:

設(shè)DFIG由風(fēng)力機(jī)輸入的機(jī)械功率為:

若不考慮DFIG磁場變化從電網(wǎng)吸收的無功，那么電網(wǎng)向DFIG輸入的無功功率:

在研究DFIG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運行特性時，一般都假定電網(wǎng)電壓恒定，忽略定子電阻，并且穩(wěn)態(tài)時定子繞組勵磁電流的動態(tài)過程可以忽略。則式(6)簡化成:

3.2 DFIG定子電壓d軸定向矢量控制策略

在DFIG采用定子電壓d軸定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，設(shè)Us為定子電壓矢量的幅值，由式(14)可得:

則:

則DFIG通過定子向電網(wǎng)輸入有功功率:

DFIG通過定子向電網(wǎng)輸入的無功功率:

將轉(zhuǎn)子電壓矢量方程寫成分量的形式:

轉(zhuǎn)子磁鏈可由定子電壓和轉(zhuǎn)子電流表示:

由DFIG的最大風(fēng)能跟蹤原理可以得到定子輸出有功功率指令:

然而雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)定子輸出的無功功率與最大風(fēng)能跟蹤無關(guān)，其指令Q*一般是根據(jù)DFIG優(yōu)化運行的需要，或是電網(wǎng)的需要來給定。

由式(19)～式(23)可得到如圖4所示的DFIG的定子電壓定向矢量控制框圖。通過控制轉(zhuǎn)子電流d軸分量就可以控制DFIG中的各個有功分量，控制轉(zhuǎn)子電流的q軸分量就可以控制DFIG向電網(wǎng)發(fā)出的無功分量，從而實現(xiàn)有功、無功功率的解耦控制和最大風(fēng)能跟蹤控制。

圖4 DFIG定子電壓d軸定向矢量控制框圖

3.3 系統(tǒng)仿真研究

機(jī)側(cè)變流器采用定子電壓定向矢量控制策略，利用MATLAB/Simulink建立VSCF雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型［8］，如圖5所示。圖中風(fēng)力機(jī)仿真模塊采用MATLAB2010a中固有的風(fēng)力機(jī)模塊。DFIG參數(shù)設(shè)置為:US=380 V，p=2，RS=0.431 0 Ω，Rr=2.390 Ω，XS=0.429 4 Ω，Xr=0.578 0 Ω，P=11 kW，f1=50 Hz。在給定風(fēng)速不斷變化時，系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖6～圖8所示。

圖5 11 kW變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型

圖6 給定風(fēng)速v和DFIG轉(zhuǎn)速n曲線

圖7 DFIG定子電壓和電流波形

圖8 DFIG輸出的有功和無功功率曲線

4 結(jié) 語

從仿真結(jié)果可以看出，在風(fēng)速不斷變化的情況下，定子電壓幅值、頻率、相位保持恒定，基本與電網(wǎng)電壓一致;當(dāng)有功功率變化時，無功功率保持不變，從而實現(xiàn)了有功功率與無功功率解耦控制。仿真結(jié)果驗證了本控制策略和技術(shù)的可行性，本系統(tǒng)的研究為11 kW雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)實驗平臺的建立提供了理論依據(jù)。

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