變速恒頻雙饋異步風力發(fā)電系統(tǒng)建模及仿真

林立，姚婻，袁旭龍，趙海燕

(邵陽學院 電氣工程系,湖南 邵陽,422000)

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變速恒頻雙饋異步風力發(fā)電系統(tǒng)建模及仿真

林立，姚婻，袁旭龍，趙海燕

(邵陽學院 電氣工程系,湖南 邵陽,422000)

為研究變速恒頻雙饋異步風力發(fā)電系統(tǒng)，建立了包含風速、風力機和風力機控制部分、雙饋發(fā)電機、雙PWM變換器及雙饋發(fā)電機機側(cè)和網(wǎng)側(cè)矢量控制變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型；在Matlab/Simulink環(huán)境下，以建立相應的風力發(fā)電系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學模型為基礎(chǔ)搭建了變速恒頻雙饋異步風力發(fā)電系統(tǒng)仿真模型，并對轉(zhuǎn)子側(cè)等功率因素策略及定子側(cè)功率解耦控制策略進行了仿真，仿真結(jié)果驗證了數(shù)學模型及控制策略的有效性，整個系統(tǒng)模型的建立，為開展風力發(fā)電并網(wǎng)、低電壓穿越及其他高性能控制策略研究打下基礎(chǔ)，對于研制高性能的風電裝置設(shè)備具有較好的參考價值．

風力發(fā)電；變速恒頻；動態(tài)模型；系統(tǒng)仿真

風力發(fā)電作為清潔能源，成為當今研究的熱點[1-5]．隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，恒速恒頻(Constant Speed Constant Frequency, CSCF)風力發(fā)電系統(tǒng)因發(fā)電效率低等缺點，被變速恒頻(Variable Speed Constant Frequency，VSCF)風力發(fā)電所替代[6]．目前，VSVF風力發(fā)電系統(tǒng)比較有發(fā)展前途的是雙饋異步發(fā)電機(Doubly Fed Induction Generator，DFIG)系統(tǒng)和直驅(qū)永磁同步機(Permanent Magnet Synchronous Generator，PMSG)系統(tǒng)兩種類型[7]；同時，風力發(fā)電風力機組也從定槳距型向變槳距型發(fā)展．為了深入研究變速恒頻異步風力發(fā)電系統(tǒng)高性能控制策略，進行半實物仿真、縮短研發(fā)周期，實現(xiàn)產(chǎn)品級代碼，研制高性能的風電控制裝備，建立風力發(fā)電系統(tǒng)仿真模型，具有重要的實際價值．為此，文獻[8-10]有效的開展了這方面的工作，為研究高性能的風電裝備打下了基礎(chǔ)，但存在整個系統(tǒng)各部分環(huán)節(jié)不明晰的缺點，影響進一步深入研究工作的開展．因此，本文以變速恒頻雙饋異步風力發(fā)電系統(tǒng)為研究對象，在分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理的基礎(chǔ)上，分環(huán)節(jié)建立相應的數(shù)學模型，該模型包括風速模型、風力機及傳動部分模型、雙饋發(fā)電機模型、變頻器模型、槳距角和轉(zhuǎn)子雙PWM控制器模型六部分．并在Matlab/Simulink環(huán)境下，建立風電機組及控制器系統(tǒng)仿真模型，并進行系統(tǒng)及控制策略的仿真，仿真結(jié)果驗證了系統(tǒng)模型及控制策略的有效性．變速恒頻異步風力發(fā)電系統(tǒng)仿真模型的建立，為研究空載并網(wǎng)、負載并網(wǎng)、最大功率點追蹤(Maximum Power Point Tracking，MPPT)，低電壓穿越及其他高性能控制策略的應用研究打下基礎(chǔ)，對研制高性能的風電裝置設(shè)備具有重要意義．

1 系統(tǒng)組成及工作原理

變速恒頻雙饋異步風力發(fā)電系統(tǒng)模型如圖1所示．系統(tǒng)模型由風速模型、風力機模型、雙饋異步發(fā)電機和變頻器模型、電網(wǎng)、并網(wǎng)處母線電壓、轉(zhuǎn)子雙PWM控制器和槳距角控制等部分組成．風速模型模擬風電場實況；風力機模型模擬變槳距風力機工況；雙饋發(fā)電機模擬異步發(fā)電機工作；變頻器模型模擬雙PWM背對背結(jié)構(gòu)工況；轉(zhuǎn)子雙PWM控制器基于DSP2812事件管理器產(chǎn)生的12路SVPWM控制，并實施磁場定向或直接轉(zhuǎn)矩控制等控制策略；槳距角控制模擬對風力機的控制，以實現(xiàn)MPPT；并網(wǎng)處母線電壓模擬并網(wǎng)、電壓穿越等控制實況．整個系統(tǒng)通過控制部分(槳距角控制與雙轉(zhuǎn)子PWM控制器)工作在發(fā)電運行或并網(wǎng)動作兩種狀態(tài)．其一，工作在發(fā)電狀態(tài)時，雙饋異步發(fā)電機工作在同步、超同步和亞同步三種狀態(tài)時，通過控制器控制轉(zhuǎn)子交流勵磁電流，從而實現(xiàn)對雙饋異步發(fā)電機所產(chǎn)生的定子電壓(電壓幅值、頻率和相位恒定)的有效控制，發(fā)出的交流電直接與電網(wǎng)相接，當DFIG工作在超同步狀態(tài)和亞同步轉(zhuǎn)態(tài)時，通過控制轉(zhuǎn)子雙PWM控制器控制背對背的12個電力電子開關(guān)，如IGBT ，轉(zhuǎn)子側(cè)實現(xiàn)能量在電網(wǎng)與轉(zhuǎn)子之間的雙向流動，再輔之以MPPT控制，實現(xiàn)整個系統(tǒng)能量的高效轉(zhuǎn)換；其二，當系統(tǒng)工作在并網(wǎng)狀態(tài)時，為實現(xiàn)并網(wǎng)條件(DFIG定子電壓與與電網(wǎng)電壓同幅、同頻、同相位)，通過控制器實現(xiàn)空載或負載并網(wǎng)，并網(wǎng)結(jié)束后切換到發(fā)電運行控制狀態(tài)．

圖1 變速恒頻雙饋異步風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structure diagram of variable speed constant frequency doubly fed induction wind power system

2 雙饋異步風力發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學模型

2.1 風速模型

風力發(fā)電系統(tǒng)以風能作為原動力，風速狀況直接決定了系統(tǒng)的動態(tài)特性．風速一般可用3種模型進行模擬：漸變風、隨機風和陣風，如圖2所示，這3種模型可用Matlab的Function函數(shù)編程實現(xiàn)．

圖2 風速模型簡圖Fig.2 Wind speed model

2.2 風力機及傳動部分模型

風力機的機械輸入轉(zhuǎn)矩TW與風速VW的關(guān)系可表示為：

(1)

式中ρ為空氣密度；R為風力機半徑；θ為槳葉的槳距角；γ為葉尖速比γ=RωW/VW，ωW為風力機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，VW為風速，CP為與槳距角θ和葉速比γ有關(guān)的功率系數(shù)．

風力機從風中捕獲的功率為：

PW=TWωW

(2)

風力發(fā)電傳動系統(tǒng)牛頓運動方程為：

(3)

式中：Jeq為機組的等效轉(zhuǎn)動慣量；Bm為轉(zhuǎn)動粘滯系數(shù)；Te為DFIG電磁轉(zhuǎn)矩；ωg為DFIG發(fā)電機轉(zhuǎn)子的機械角轉(zhuǎn)速，且ωg=ωw．根據(jù)式(1)-(3)可以利用積分、微分及Function函數(shù)編寫程序建模．

2.3 雙饋風力發(fā)電機模型

為便于實現(xiàn)對DFIG的有效控制，根據(jù)等功率及等磁鏈變換法則，通過Clarke變換(3/2變換)、Clarke逆變換(2/3 變換)、Park變換(旋轉(zhuǎn)變換)及其逆變換(Ipark變換)，DFIG在穩(wěn)態(tài)運行時的d-q軸數(shù)學模型為：

(4)

式中：Ls、Lr、Lm分別為定子自感、轉(zhuǎn)子自感和定轉(zhuǎn)子互感；usd、usq為定子電壓的d、q軸分量；urd、urq為轉(zhuǎn)子電壓的d、q軸分量；isd、isq為定子電流的d、q軸分量；ird、irq為轉(zhuǎn)子電流的d、q軸分量；ωe為d-q坐標系旋轉(zhuǎn)電角速度．

結(jié)合d-q軸坐標下的DFIG電磁轉(zhuǎn)矩方程、式(3)及式(4)，可以用Matlab/Simulink建立DFIG仿真模型，利用這一模型，可以方便引出需要的usd、usq、urd、urq、isd、isq、ird、irq及ωe等物理量，以便實施其他高性能控制策略．

2.4 雙PWM變換器模型

DFIG雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)子側(cè)一般采用背對背雙-PWM變換器，機側(cè)采用六個IGBT電力電子開關(guān)的PWM控制，網(wǎng)側(cè)也采用六個電力電子開關(guān)IGBT的PWM控制，雙PWM變換器模型如圖3所示．為建立整個系統(tǒng)的仿真模型，可分別建立電機側(cè)和電網(wǎng)側(cè)變流器數(shù)學模型．

圖3 雙PWM變換器模型Fig.3 Model of double PWM converter

2.4.1 電機側(cè)變流器數(shù)學模型

電機側(cè)變流器可以工作在整流或逆變兩種工作狀態(tài)，這兩種狀態(tài)均可以采用PWM控制．工作在逆變狀態(tài)時，電機側(cè)逆變器三相輸出電壓滿足：

(5)

DFIG逆變器直流側(cè)電流idc作為網(wǎng)側(cè)變換器直流側(cè)的負載電流，且滿足：

(6)

其中，Vdc為直流母線電壓，Sa，Sb，Sc為三相橋臂開關(guān)函數(shù)．Sk，ik分別為轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器三相橋臂開關(guān)函數(shù)和三相負載電流．DFIG的轉(zhuǎn)子作為逆變器的負載，ik即為雙饋電機轉(zhuǎn)子三相電流，據(jù)式(5)-(6)可得轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的Matlab/Simulink仿真模型，即典型三相電壓源型逆變器模型．

2.4.2 電網(wǎng)側(cè)變流器數(shù)學模型

對于三相電壓源型變流器，存在下述關(guān)系：

(7)

(8)

據(jù)式(7)-(8)可得網(wǎng)側(cè)變流器的仿真模型．其中，e1、e2、e3和i1、i2、i3分別是交流輸入側(cè)三相電壓Va、Vb、Vc和電流ia、ib、ic；S1、S2、S3為三相橋臂的開關(guān)函數(shù)；Lg、R為進線電感和等效電阻；C為直流側(cè)濾波電容，Vdc為輸出直流電壓．

2.5 雙PWM變換控制器模型

為實現(xiàn)對DFIG轉(zhuǎn)子的有效控制，一般進行矢量控制策略，整個系統(tǒng)的控制原理框圖如圖4所示．機側(cè)和網(wǎng)側(cè)均可進行雙PWM矢量控制．

圖4 雙PWM變換控制器原理框圖Fig.4 Schematic diagram of dual PWM transform controller

2.5.1 機側(cè)矢量控制器模型

結(jié)合圖4，機側(cè)矢量控制的系統(tǒng)原理圖見圖5所示．機側(cè)變流器矢量控制的基本原理是，通過電壓和電流傳感器檢測DFIG定子側(cè)電壓和電流，經(jīng)Clarke變換，得到定子兩相電流和電壓，進而計算出定子磁鏈位置，結(jié)合檢測到的轉(zhuǎn)子位置，計算出定子磁鏈與轉(zhuǎn)子位置的位置差，給定有功和無功與計算得到的有功及無功進行PI調(diào)節(jié)，分別得到dq軸轉(zhuǎn)子電壓參考值，該參考值分別與實際的dq軸電壓偏差值分別進行PI調(diào)節(jié)，經(jīng)Clarke逆變換及Park逆變換，分別得到PWM變換控制的調(diào)制波電壓參考值，進行實現(xiàn)SPWM控制，控制機側(cè)六個IGBT的通斷控制．

圖5 機側(cè)變流器矢量控制器模型Fig.5 Vector controller model of DFIG converter

2.5.2 網(wǎng)側(cè)矢量控制器模型

網(wǎng)側(cè)矢量控制原理如圖6所示，直流側(cè)給定電壓和q軸參考電流分別與直流側(cè)電壓及網(wǎng)側(cè)dq軸的q軸電流進行PI偏差調(diào)節(jié)控制，最后經(jīng)靜止及旋轉(zhuǎn)逆變換得到PWM控制的調(diào)制波電壓，進而實現(xiàn)對機側(cè)變流器的通斷控制．

圖6 網(wǎng)側(cè)變流器矢量控制器模型Fig.6 Vector controller model of grid converter

2.5.3 槳距角的控制

槳距角的控制設(shè)計采用變槳距風力發(fā)電典型的槳距控制系統(tǒng)，具體結(jié)構(gòu)如圖7所示．其中，β為槳距角；V為風速，m/s；τ為控制器伺服機構(gòu)時間常數(shù)，s；kw、kpi、kpp為控制器參數(shù)、Pe、Peref為風力發(fā)電機組輸出總有功功率和給定的參考有功功率．

圖7 槳距角控制模型Fig.7 Pitch angle control model

3 系統(tǒng)仿真及分析

依據(jù)前面的分析建模原理，在Matlab/Simulink仿真環(huán)境下建立整個系統(tǒng)的仿真模型．得到的仿真波形分別如圖8-10所示．圖8表明，定子電壓和電流同步，實現(xiàn)單位功率因數(shù)控制，并實現(xiàn)PWM整流，整流后效果較好．圖9表明，逆變運行時網(wǎng)側(cè)電壓和電流同步，也實現(xiàn)了單位功率因數(shù)控制；圖10表明，風速、發(fā)電機轉(zhuǎn)速、槳距角、定子輸出用功和無功較好的吻合前面的理論分析，表明系統(tǒng)仿真模型的正確性．

圖8 單位功率因數(shù)整流運行網(wǎng)側(cè)電壓電流和直流電壓波形Fig.8 Waveform of unit power factor rectifier operating network side voltage current and DC vottage

圖9 單位功率因素逆變運行網(wǎng)側(cè)電壓電流和直流電壓波形圖Fig.9 Waveform of unit power factor inverter operation network side voltage current and DC vottage

圖10 風速、發(fā)電機轉(zhuǎn)速、槳距角、定子輸出有功和無功波形圖Fig.10 Waveform of wind speed、rotational speed、pitch angle、stator active output

4 結(jié)論

本文分析了雙饋異步風力發(fā)電系統(tǒng)的組成及各部分的工作原理，并對常見的矢量雙PWM控制進行了系統(tǒng)建模仿真，仿真模型的建立可進行變速恒頻雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)若干關(guān)鍵技術(shù)的研究，如恒速恒頻、變速恒頻、定槳距、變槳距DFIG雙饋異步風力發(fā)電和直驅(qū)永磁同步發(fā)電、并網(wǎng)條件(電壓)、發(fā)電控制、并網(wǎng)控制(雙PWM控制)的對比研究，也可開展高性能控制策略，如矢量控制策略、非線性控制及準同步，次同步，超同步運行時的研究，所建系統(tǒng)模型有較好的參考價值．

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Modeling and simulation of variable speed constant frequency doubly-fed induction wind generator system

LIN Li，YAO Nan，YUAN Xulong，ZHAO Haiyan

(Department of Electrical Engineering，Shaoyang University，Shaoyang 422000，China)

In order to study variable speed constant frequency doubly-fed induction wind generator system，a whole model for variable speed constant frequency doubly-fed induction wind generator system is presented and the model includes wind speed、wind-turbine and pitch control、doubly-fed generator、double-PWM converts and electrical control of the generator. Based on the mathematic models，a simulation model is developed by using Matlab/simulink. Then power factor and power-decouple control strategy in the simulation platform are studied. The simulation results show that the model founded is correct. Using the simulation platform, the other control strategy can be researched in wind generator equipment.

wind power；variable speed constant frequency；dynamic model；system simulation

1672-7010(2016)02-0052-06

2016-01-05

湖南省科技廳重點研發(fā)計劃項目(2015GK3033)；湖南省2015年普通高等學校教學改革研究項目(湘教通〔2015〕291號)．湖南省2009 年教育廳科學研究項目(09C884)；湖南省科技計劃項目(2015GK2033)

林立(1972-)，男，湖南武岡人，博士，教授,碩士研究生導師，從事電力電子與電力傳動、新能源電動汽車及風力發(fā)電等方面的教學與科研工作

TM932

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