變速恒頻風(fēng)力發(fā)電用雙PWM變換器的協(xié)調(diào)控制

孟彥京，李林濤，張曉娟，陳景文

(陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，西安710021)

風(fēng)力發(fā)電是可再生能源中最廉價(jià)、最有希望的能源，并且是一種不污染環(huán)境的“綠色能源”［1］。而風(fēng)力發(fā)電中的變速恒頻控制技術(shù)和雙PWM(Pulse Width Modulation)變換技術(shù)是目前比較先進(jìn)的發(fā)電控制技術(shù)。雙饋發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電方案是通過(guò)在雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)施加三相交流電進(jìn)行勵(lì)磁，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的幅值、頻率和相位，實(shí)現(xiàn)定子側(cè)輸出恒頻恒壓;由于采用了矢量控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了有功、無(wú)功功率的獨(dú)立調(diào)節(jié)，從而改善風(fēng)電機(jī)組和所并電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性。

目前，國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)主要集中研究并網(wǎng)后基于定子磁場(chǎng)定向雙饋電機(jī)有功功率和無(wú)功功率的解耦控制，而對(duì)并網(wǎng)前定子電壓控制的研究很少，因此研究并網(wǎng)前的雙PWM控制技術(shù)有著非常重要的意義。

本文分析了風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行特性及最大風(fēng)能捕獲運(yùn)行原理，建立了雙饋異步發(fā)電機(jī)和雙PWM變換器在不同坐標(biāo)下的模型。然后研究了雙PWM變換器的控制策略，控制采用定向矢量變換控制技術(shù)，對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)進(jìn)行交流勵(lì)磁，從而實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲的高效發(fā)電運(yùn)行，并綜合矢量控制技術(shù)對(duì)整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真。結(jié)果表明此策略實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變速恒頻運(yùn)行，另外在定子電流變化的同時(shí)，保持了恒定的功率因數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)雙饋感應(yīng)電機(jī)的有功功率和無(wú)功功率的獨(dú)立控制，控制效果良好。

1 雙饋發(fā)電機(jī)的原理及模型分析

1.1 雙饋發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及等效電路

交流勵(lì)磁雙饋發(fā)電機(jī)定子接入電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組由頻率、相位、幅值可調(diào)的電源供給三相低頻勵(lì)磁電流，在轉(zhuǎn)子中形成一個(gè)低速旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子的機(jī)械轉(zhuǎn)速相加等于定子磁場(chǎng)同步速，從而在發(fā)電機(jī)定子繞組中感應(yīng)出同步轉(zhuǎn)速的工頻電壓［2］。風(fēng)速變化時(shí)轉(zhuǎn)速隨之變化，以達(dá)到變速恒頻的目的。當(dāng)轉(zhuǎn)子處于亞同步時(shí)，Ps＞0，轉(zhuǎn)子從變頻電源輸入功率;當(dāng)轉(zhuǎn)子處于超同步時(shí)，Ps＜0，轉(zhuǎn)子向變頻電源輸出功率。無(wú)論哪種情況，輸入機(jī)械功率總要克服電磁轉(zhuǎn)矩做功，同時(shí)向定子傳遞功率［3］。其等效電路與時(shí)空矢量圖如圖1、圖2所示。

圖1 等效電路圖

圖2 相量圖

1.2 雙饋發(fā)電機(jī)的功率關(guān)系及數(shù)學(xué)模型

首先是風(fēng)力機(jī)吸收風(fēng)能產(chǎn)生機(jī)械轉(zhuǎn)矩，然后通過(guò)傳動(dòng)裝置帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，從而將機(jī)械功率傳遞給發(fā)電機(jī);轉(zhuǎn)子繞組本身接入勵(lì)磁電流建立磁場(chǎng)，由于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，在定子繞組中感應(yīng)出電流，功率就這樣通過(guò)磁場(chǎng)傳遞到定子側(cè)。

電磁功率Pem是由雙饋電機(jī)軸上輸入的凈機(jī)械功率Pem與轉(zhuǎn)子繞組輸入的有功功率P2一起，在扣除轉(zhuǎn)子銅耗Pcu2之后建立的，即:

式中，s為轉(zhuǎn)差率。

電磁功率Pem傳遞到定子側(cè)后，又有一部分消耗在定子繞組銅耗Pcu1，和電機(jī)鐵耗PFe上。雙饋發(fā)電機(jī)通過(guò)定子輸出的有功功率，也就是一般意義上的發(fā)電功率。即:

一般情況下，雙饋發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型由電壓方程、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程和運(yùn)動(dòng)方程組成。圖3所示為雙饋電機(jī)的物理模型［4］。定子三相繞組軸線A、B、C在空間是固定的，以A軸為參考坐標(biāo)軸，轉(zhuǎn)子繞組軸線a、b、c隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子a軸和定子A軸間的電角度θ為空間角位移變量。定子電壓、電流正方向按照發(fā)電機(jī)慣例標(biāo)示，轉(zhuǎn)子電壓、電流正方向按照電動(dòng)機(jī)慣例標(biāo)示，選定各相繞組軸線的正方向?yàn)楦飨嗬@組磁鏈的正方向。

圖3 雙饋電機(jī)的物理模型

定子側(cè)按發(fā)電機(jī)慣例，電流以流出為正;轉(zhuǎn)子側(cè)按電動(dòng)機(jī)慣例，電流以流入為正。為便于分析問(wèn)題，根據(jù)坐標(biāo)變換的思想，可以分別建立出雙饋電機(jī)在三相靜止坐標(biāo)系A(chǔ)BC、兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d-q、兩相靜止坐標(biāo)系αβ下的數(shù)學(xué)模型［5］。

2 雙PWM變流器及其運(yùn)行控制

三相電壓源型雙PWM變換器是由兩個(gè)完全相同的電壓型三相PWM變換器連接而成，由于在變速恒頻交流勵(lì)磁雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中，兩個(gè)PWM變換器的工作狀態(tài)經(jīng)常變換，通常不再以它們工作于整流或逆變的狀態(tài)來(lái)區(qū)分它們，而是按照它們的位置分別稱之為網(wǎng)側(cè)PWM變換器和轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變換器。三相電壓源型雙PWM變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示，圖中的全控器件采用IGBT。兩個(gè)三相電壓源型PWM全橋變換器采用直流鏈連接，靠中間的濾波電容C穩(wěn)定直流母線電壓［1］。

圖4 雙PWM變頻器主電路結(jié)構(gòu)圖

轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的作用:一是給DFIG的轉(zhuǎn)子提供勵(lì)磁分量的電流，從而可以調(diào)節(jié)DFIG定子側(cè)所發(fā)出的無(wú)功功率，二是通過(guò)控制DFIG轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩分量的電流控制DFIG的轉(zhuǎn)速或控制DFIG定子側(cè)所發(fā)出的有功功率，從而使DFIG運(yùn)行在風(fēng)力機(jī)的最佳功率曲線上，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能追蹤(捕獲)運(yùn)行［5］。

網(wǎng)側(cè)PWM變流器的任務(wù)主要有:一是實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng);二是保證其良好的輸入特性，即輸入電流的波形接近正弦，諧波含量少，功率因數(shù)符合要求;三是保證直流母線電壓的穩(wěn)定，直流母線電壓的穩(wěn)定是兩個(gè)PWM變流器正常工作的前提，是通過(guò)對(duì)輸入電流的有效控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的［5］。

3 雙PWM的控制策略及仿真

3.1 三相雙PWM變換器的常規(guī)控制策略

常規(guī)控制策略采用雙閉環(huán)PI調(diào)節(jié)控制策略，引入了負(fù)載電流iload前饋，與電壓PI調(diào)節(jié)器的輸出合成為d軸電流的給定。常規(guī)的負(fù)載電流前饋控制原理框圖如圖5所示。

圖5 常規(guī)的負(fù)載電流前饋控制原理框圖

3.2 三相雙PWM變換器的協(xié)調(diào)控制策略

常規(guī)控制策略的缺點(diǎn)是僅考慮了負(fù)載的功率(或電流)，而沒(méi)有考慮負(fù)載功率(或電流)的動(dòng)態(tài)特征(即其微分量)。另外，對(duì)負(fù)載電流iload的補(bǔ)償是在電流環(huán)之內(nèi)，需要經(jīng)過(guò)電流PI調(diào)節(jié)器作用后才能產(chǎn)生有效的控制電壓，所以其動(dòng)態(tài)性能受限于PI調(diào)節(jié)器自身的響應(yīng)延遲。針對(duì)其弊端，提出新型控制策略，其思路是直接在控制電壓處進(jìn)行補(bǔ)償控制，負(fù)載電流iload的補(bǔ)償項(xiàng)中含微分算子s，整合了電機(jī)動(dòng)態(tài)性能。補(bǔ)償項(xiàng)不經(jīng)過(guò)電流PI調(diào)節(jié)器，避免了與PI調(diào)節(jié)器相關(guān)的延遲，大大加快了其動(dòng)態(tài)響應(yīng)，其原理框圖如圖6所示。

圖6 三相PWM變換器新型協(xié)調(diào)控制策略原理框圖

3.3 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的仿真

分別建立了仿真中所用各個(gè)部件的仿真模型，即風(fēng)力機(jī)的仿真模型、雙饋異步發(fā)電機(jī)的仿真模型、雙PWM的仿真模型、dq-ABC和ABC-dq的坐標(biāo)變換模型。然后建立了轉(zhuǎn)子側(cè)和網(wǎng)側(cè)變換器的控制模塊。最后建立了總的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電用雙PWM變換器的協(xié)調(diào)控制仿真模型如圖7所示。

用三相可編程電源來(lái)模擬電網(wǎng)，電壓為120 kV，頻率為50 Hz，輸電線路用等效π型阻抗線路來(lái)簡(jiǎn)單等效。仿真主要參數(shù)有:風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪半徑R=4 m，最佳葉尖速比λm=0.9，最大風(fēng)能利用系數(shù)值Cpmax=0.4，齒輪傳動(dòng)比N=8，空氣密度ρ=1.25 kg/m3。雙饋發(fā)電機(jī)額定功率Pnom=2 000 kW，額定電壓Vnom=690 V，額定頻率Fnom=50 Hz。轉(zhuǎn)子繞組電阻r2=0.01 pu，定子繞組電阻r1=0.01 pu，轉(zhuǎn)子繞組漏感Llr=0.1 pu，定子繞組漏感Lls=0.1 pu，互感Lm=3.36 pu。PWM變換器開(kāi)關(guān)頻率f=40×Fnom。直流母線電壓Vdc_nom=1 200 V，電容C_DClink=0.01 F。電感環(huán)節(jié):電阻R_RL=0.003 pu，電感L_RL=0.3 pu。

圖7 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電仿真圖

圖8對(duì)比了采用常規(guī)控制策略和采用雙PWM變換器的協(xié)調(diào)控制策略情況下直流母線電壓，從圖中我們可以看出采用新型協(xié)調(diào)控制策略具有更好的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性。通過(guò)對(duì)比圖9的定子電壓、電流波形和圖10的有功功率、無(wú)功功率的波形，我們可以看出無(wú)論風(fēng)速是否變化，定子輸出的電壓、電流波形幅值、頻率都基本相同，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變速恒頻運(yùn)行，另外在定子電流變化的同時(shí)，保持了恒定的功率因數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)雙饋感應(yīng)電機(jī)的有功功率和無(wú)功功率的獨(dú)立控。

圖8 直流母線電壓對(duì)比波形

圖9 定子側(cè)輸出電壓、電流(v=10 m/s和v=20 m/s)

圖10 有功功率、無(wú)功功率波形(v=10 m/s和v=20 m/s)

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)比圖8、圖9的定子電壓、電流波形和圖10、圖11的有功功率、無(wú)功功率的波形我們可以看出無(wú)論風(fēng)速是否變化，定子輸出的電壓、電流波形幅值、頻率都基本相同，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變速恒頻運(yùn)行，另外在定子電流變化的同時(shí)，保持了恒定的功率因數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)雙饋感應(yīng)電機(jī)的有功功率和無(wú)功功率的獨(dú)立控制。

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