基于d—q變化的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)損耗功率研究與控制優(yōu)化

祁磊

摘 要：基于d-q變化的定子磁場定向矢量控制廣泛應(yīng)用于變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電中，但大部分研究的熱點集中變頻器的控制策略上。文章從研究降低雙饋發(fā)電機(jī)損耗功率入手，發(fā)現(xiàn)通過控制發(fā)電機(jī)磁鏈可以有效降低銅耗、鐵耗、機(jī)械損耗和雜散損耗。重新搭建了損耗功率模型，解耦電磁轉(zhuǎn)矩、有功和無功功率的與定轉(zhuǎn)子電流及轉(zhuǎn)子角速度的關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上提出一種新的最大功率點跟蹤控制策略（MPPT）。

關(guān)鍵詞：d-q變化；損耗功率；磁鏈；最大功率點跟蹤

中圖分類號：TM614 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）28-0013-02

Abstract： Stator field-oriented vector control based on d-q transformation is widely used in wind generation with doubly fed induction generator （DFIG）， but most of the research focuses on the control strategy of frequency converter. According to the research of reducing the loss power of doubly fed induction generator， it is found that the copper consumption， iron loss， mechanical loss and stray loss can be effectively reduced by controlling the generator flux linkage. The loss power model is re-established to decouple the relationship between the electromagnetic torque， active power， reactive power and the stator/rotor current and rotor angular velocity. Based on this， a new maximum power point tracking （MPPT） control strategy is proposed.

Keywords： d-q transformation； loss power； flux linkage； maximum power point tracking （MPPT）

引言

目前，世界各國都在加大對風(fēng)力發(fā)電的投資，其中雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)由于有功和無功的可調(diào)節(jié)、變頻器容量小等優(yōu)點，成為風(fēng)力發(fā)電的主流機(jī)型。目前，大量的雙饋機(jī)組接入電網(wǎng)，對電網(wǎng)的影響越來越大，電網(wǎng)對機(jī)組的要求也越來越高。

變流器通過控制轉(zhuǎn)子的勵磁電流頻率來改變轉(zhuǎn)子磁場的旋轉(zhuǎn)頻率，使發(fā)電機(jī)的輸出電壓頻率和電網(wǎng)保持一致。通過改變轉(zhuǎn)子勵磁電流的頻率、幅值、和相位可以實現(xiàn)發(fā)電機(jī)頻率、有功、無功的調(diào)節(jié)。

由于定子和電網(wǎng)直接連接，雙饋發(fā)電機(jī)的磁鏈幾乎恒定，因此降低磁鏈不能減少發(fā)電機(jī)的鐵耗，只能通過控制變頻器“網(wǎng)側(cè)”降低發(fā)電機(jī)的銅耗。為了降低發(fā)電機(jī)的損耗功率，提高機(jī)組發(fā)電量，必須降低發(fā)電機(jī)磁鏈。針對此問題，本文結(jié)合鼠籠型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和雙饋發(fā)電機(jī)的技術(shù)特點，提出了一種全新的降低損耗功率的最大風(fēng)能跟蹤控制策略。

1 風(fēng)能和雙饋機(jī)組功率損耗模型

1.1 最大風(fēng)能跟蹤

2 基于d-q變化的優(yōu)化控制策略原理和電路結(jié)構(gòu)

2.1 控制策略

控制邏輯：

第一階段：風(fēng)速小于風(fēng)機(jī)切入風(fēng)速，此時boost變換器使轉(zhuǎn)子三項短路，定子側(cè)變頻器動作，晶閘管關(guān)斷，雙饋發(fā)電機(jī)變成鼠籠電機(jī)運行。

第二階段：風(fēng)速逐漸增大，大于切入風(fēng)速，風(fēng)機(jī)進(jìn)入發(fā)電模式，如果轉(zhuǎn)速小于MPPT模式設(shè)定的轉(zhuǎn)速，則風(fēng)機(jī)按照此轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運行。

第三階段：如果系統(tǒng)檢測到轉(zhuǎn)速大于MPPT模式設(shè)定的轉(zhuǎn)速，則boost變頻器開始運行，風(fēng)機(jī)按照MPPT模式運行。

第四階段：如果風(fēng)速持續(xù)大于MPPT模式設(shè)定的轉(zhuǎn)速并且不停增加，系統(tǒng)開始檢測定子側(cè)變頻器輸出的頻率是否大于電網(wǎng)頻率和轉(zhuǎn)差頻率之和。如果前者大于后者之和，定子變頻器和boost轉(zhuǎn)化器關(guān)斷，定子側(cè)電流由晶閘管控制直接流入電網(wǎng)。

4 結(jié)束語

本文通過分析雙饋風(fēng)力機(jī)的電機(jī)損耗功率，從降低發(fā)電機(jī)損耗入手，提出了在一種即降低損耗功率又能實現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤的控制策略。和傳統(tǒng)的雙饋機(jī)組結(jié)構(gòu)比較，轉(zhuǎn)子側(cè)的四象限背靠背變頻器變成了成本更低，效率更高的DC/DC boost整流器。容量更低的四象限背靠背變頻器連接在定子上，因為其僅在低風(fēng)速下運行；高風(fēng)速時，定子側(cè)變流器斷開，定子直接通過晶閘管整流器和電網(wǎng)連接。通過Matlab/Simulink中搭建的樣機(jī)仿真，驗證了策略的有效性，特變對于在山區(qū)丘陵地帶豎立的風(fēng)機(jī)，對于減少風(fēng)機(jī)頻繁偏航，提高風(fēng)機(jī)效率，有風(fēng)場重要的現(xiàn)實意義。

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