雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變換器及其對(duì)雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行控制

沈 陽(yáng)，阮 毅， 趙梅花，鐘沁宏

(上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200072)

0 引言

變速恒頻發(fā)電技術(shù)因具有易實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤、四象限有功和無(wú)功功率調(diào)節(jié)及柔性并網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)而受到了廣泛關(guān)注，它越來(lái)越多地被應(yīng)用到大型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中［1］。在變速恒頻風(fēng)力發(fā)電方案中通常選用雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(Doubly-Fed Induction Generator，DFIG)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)變速恒頻運(yùn)行［2］，采用雙PWM變換器的變速恒頻DFIG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在雙PWM變換器中，網(wǎng)側(cè)PWM變換器的作用是控制直流母線電壓的穩(wěn)定和獲得良好的輸入性能，不直接參與對(duì)DFIG乃至整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制。DFIG整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制是通過(guò)轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變換器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變換器的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)對(duì)DFIG轉(zhuǎn)速或有功功率、無(wú)功功率的控制，這是通過(guò)轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變換器對(duì)DFIG轉(zhuǎn)子電流的有效控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此，對(duì)轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變換器控制的研究與整個(gè)變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行控制緊密相連。

近年來(lái)，對(duì)于轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變換器，不同的控制策略被提出，主要有矢量控制［3］和直接功率控制［4］。文獻(xiàn)［3］給出了DFIG定子磁鏈定向矢量控制策略，在該控制系統(tǒng)中，由于要觀測(cè)定子磁鏈，增加了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。本文給出了DFIG定子電壓定向矢量控制策略，搭建了基于英飛凌XC2785的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該方案的可行性和正確性。

首先根據(jù)同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下DFIG完整的數(shù)學(xué)模型，導(dǎo)出其在電網(wǎng)電壓恒定時(shí)的簡(jiǎn)化形式，并采用同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下矢量形式的DFIG數(shù)學(xué)模型來(lái)進(jìn)行DFIG的分析與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)DFIG中有功、無(wú)功功率之間的關(guān)系進(jìn)行分析，以期找出最大風(fēng)能跟蹤的DFIG有功、無(wú)功功率之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的有效設(shè)計(jì)。

圖1 DFIG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖原理

1 DFIG的數(shù)學(xué)模型

推導(dǎo)DFIG數(shù)學(xué)模型時(shí)，定、轉(zhuǎn)子繞組均采用電動(dòng)機(jī)慣例。

DFIG在三相靜止ABC坐標(biāo)系下是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合、非線性高階系統(tǒng)。將DFIG在三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型經(jīng)等功率3s/2 r變換后，可得同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下矢量形式的DFIG電壓方程和磁鏈方程分別如下:

式中:us、ur——分別為定、轉(zhuǎn)子電壓矢量;

is、ir——分別為定、轉(zhuǎn)子電流矢量;

ψs、ψr——分別為定、轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶俊?/p>

式中:Lms，Lls，Llr——分別為定子互感、定子漏感和轉(zhuǎn)子漏感。

令定子磁鏈滿足:

則有:

ims——定子勵(lì)磁電流。

將式(3)、式(5)代人式(1)得

當(dāng)變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，us為恒定的電網(wǎng)電壓，其幅值、頻率、相位皆不變，ψs也是穩(wěn)定的，則有dims/dt≈0。則式(6)可簡(jiǎn)化為

將式(7)、式(2)寫為dq分量的形式，則有

式中:usd，usq，urd，urq——分別為定、轉(zhuǎn)子電壓的d、q分量;

isd，isq，ird，irq——分別為定、轉(zhuǎn)子電流的d、q分量;

ωs——旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系相對(duì)于轉(zhuǎn)子的電角速度，

式中:ψsd，ψsq，ψrd，ψrq——分別為定、轉(zhuǎn)子磁鏈的d、q分量。

對(duì)于變速恒頻風(fēng)力發(fā)電運(yùn)行中DFIG的控制來(lái)說(shuō)，可控量是轉(zhuǎn)子電壓，直接被控的對(duì)象是轉(zhuǎn)子電流，而式(7)恰好給出了轉(zhuǎn)子電壓與轉(zhuǎn)子電流之間的關(guān)系，所以式(7)是傳統(tǒng)矢量控制中電流閉環(huán)控制器設(shè)計(jì)的依據(jù)。按照不同的矢量定向就得到不同的矢量控制方案。

2 DFIG定子電壓定向矢量控制策略

本方案采用DFIG電網(wǎng)電壓定向的矢量控制系統(tǒng)。由式(7)可知，在忽略定子電阻Rs的情況下，定子電壓矢量與定子磁鏈?zhǔn)噶恐g存在如下近似關(guān)系:

并網(wǎng)運(yùn)行后，定子電壓等于電網(wǎng)電壓，當(dāng)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸定向于定子電壓矢量us時(shí)，由式(2)和式(10)可得

由此可得出定子磁鏈和定子電流的dq分量:

將定子電流的dq軸分量代入轉(zhuǎn)子磁鏈方程可得

將式(14)代入式(7)得

式中:us——定子電壓矢量的幅值。

同時(shí)可推導(dǎo)出用定子電壓和轉(zhuǎn)子電流表示的定子輸入的電磁功率、轉(zhuǎn)子輸入的電磁功率和輸入DFIG總電功率為

式中:Ps——穩(wěn)態(tài)時(shí)定子側(cè)從電網(wǎng)吸收的總的有功功率。

DFIG通過(guò)定子向電網(wǎng)輸出的無(wú)功功率為

DFIG通過(guò)定子向電網(wǎng)輸出地有功功率為

由式(16)～式(20)可看出，在采用d軸定子電壓定向并忽略定子電阻的情況下，DFIG的有功功率和無(wú)功功率近似實(shí)現(xiàn)了解耦，對(duì)轉(zhuǎn)子電流的d軸分量進(jìn)行控制就可以控制DFIG中的有功分量，對(duì)轉(zhuǎn)子電流的q軸分量進(jìn)行控制就可以控制DFIG中的無(wú)功分量。只要對(duì)轉(zhuǎn)子電流的d、q分量進(jìn)行控制就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)DFIG功率的控制。

將式(15)寫成d、q分量的形式可得

式(21)是雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電流內(nèi)環(huán)控制器的設(shè)計(jì)依據(jù)。根據(jù)此式可以得到如圖2所示的基于定子電壓定向的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子電流雙閉環(huán)矢量控制框圖。

3 試驗(yàn)及分析

為驗(yàn)證該控制方案，搭建了雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)。試驗(yàn)參數(shù)如下:用繞線式異步電機(jī)-直流電機(jī)組代替雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，DFIG額定功率3 kW，定子額定電壓380 V/50 Hz，同步轉(zhuǎn)速n1=1 500 r/min;直流電機(jī)額定功率3 kW，額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，額定電壓220 V，額定電流17.5 A，勵(lì)磁電壓220 V，勵(lì)磁電流0.65 A;雙PWM變換器中的網(wǎng)側(cè)PWM變換器和轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變換器分別采用兩個(gè)基于英飛凌XC2785的控制器控制。網(wǎng)側(cè)PWM進(jìn)線電感為3mH，直流母線電壓為200 V，開(kāi)關(guān)頻率網(wǎng)側(cè) PWM為10 kHz，機(jī)側(cè)PWM為5 kHz。

圖2 DFIG定子電壓定向矢量控制結(jié)構(gòu)框圖

試驗(yàn)時(shí)，先將雙饋電機(jī)定子側(cè)接380 V電源，在電動(dòng)狀態(tài)下空載起動(dòng)，待穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，通過(guò)調(diào)壓器增加直流電機(jī)電樞電壓，將雙饋電機(jī)由電動(dòng)狀態(tài)拖入發(fā)電狀態(tài)。不同狀態(tài)下的試驗(yàn)波形如圖3所示。

圖3(a)、3(b)分別為轉(zhuǎn)速n=1 000 r/min，Isq=-5.49 A(Irq=0 A)的亞同步發(fā)電狀態(tài)下，定子相電流、轉(zhuǎn)子相電流波形，定子相電壓、相電流波形;圖4(a)為轉(zhuǎn)速n=1 500 r/min，Isq=-5.49 A(Irq=0 A)的同步發(fā)電狀態(tài)下，定子相電流、轉(zhuǎn)子相電流波形;圖4(b)為Isq=0 A(功率因數(shù)為1)時(shí)，定子相電壓、相電流波形。

圖5(a)為轉(zhuǎn)速n=1 800 r/min，Isq=-5.49 A(Irq=0 A)的同步發(fā)電狀態(tài)下，定子相電壓、轉(zhuǎn)子相電流波形;圖5(b)為Isq=3 A(容性)時(shí)定子相電壓、相電流波形。

圖3 轉(zhuǎn)速為1 000 r/min(亞同步運(yùn)行)時(shí)的試驗(yàn)波形

比較圖3(a)、4(a)、5(a)可看出，隨著轉(zhuǎn)速的變化，轉(zhuǎn)子電流的頻率相應(yīng)地變化，以確保輸出定子電壓(電流)的頻率恒為50 Hz，其中同步速時(shí)轉(zhuǎn)子電流為恒定直流，雙PWM型變換器可以根據(jù)DFIG轉(zhuǎn)速的變化，自動(dòng)調(diào)整輸出勵(lì)磁電流的頻率，實(shí)現(xiàn)DFIG變速恒頻運(yùn)行，體現(xiàn)了交流勵(lì)磁變速恒頻特性。正是采用了交流勵(lì)磁，DFIG定子電壓的頻率不依賴于轉(zhuǎn)速的變化，保持恒壓恒頻。比較圖3(b)、4(b)、5(b)又可以看出DFIG定子可發(fā)出有功功率，還可以發(fā)出感性和容性的無(wú)功功率，驗(yàn)證了DFIG有按電網(wǎng)的需求進(jìn)行無(wú)功調(diào)節(jié)的能力，從而驗(yàn)證了該控制方案的正確性和可行性。

圖4 轉(zhuǎn)速為1 500 r/min(同步運(yùn)行)時(shí)的試驗(yàn)波形

圖5 轉(zhuǎn)速為1 800 r/min(超同步運(yùn)行)時(shí)的試驗(yàn)波形

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)三相靜止坐標(biāo)系和同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下DFIG的數(shù)學(xué)模型，導(dǎo)出其在電網(wǎng)電壓恒定時(shí)的簡(jiǎn)化形式，并采用同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下矢量形式的DFIG數(shù)學(xué)模型，對(duì)DFIG運(yùn)行性能進(jìn)行了分析，給出了基于定子電壓定向的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)轉(zhuǎn)子側(cè)PWM控制策略，并用試驗(yàn)驗(yàn)證了該控制方案的可行性和正確性。

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