雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的建模及其控制策略仿真研究

李本榮　趙旺　馬寧

【摘 要】風(fēng)力發(fā)電因其綠色環(huán)保特性，在國內(nèi)已得到推廣。目前風(fēng)力發(fā)電機組中雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)因其體積可控和成本較低，應(yīng)用較為廣泛。本文完成了雙饋異步風(fēng)力發(fā)電雙PWM變換器的建模，根據(jù)數(shù)學(xué)模型，設(shè)計網(wǎng)側(cè)變換器的電網(wǎng)電壓定向矢量控制策略和控制參數(shù)，設(shè)計了轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的定子電壓定向的矢量控制方法;通過在Simulink中搭建仿真模型，進行仿真，仿真結(jié)果證明了網(wǎng)側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)的控制策略能有效控制雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，實現(xiàn)恒頻發(fā)電。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)力發(fā)電;矢量控制;Simulink仿真

中圖分類號： TH7;TP21?文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）18-0046-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.18.023

1 雙饋風(fēng)力發(fā)電原理概述

風(fēng)力發(fā)電因其綠色環(huán)保特性，在國內(nèi)已得到推廣。目前風(fēng)力發(fā)電機組中雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)（DFIG）因其體積可控和成本較低，應(yīng)用較為廣泛。DFIG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，DFIG定子通過并網(wǎng)裝置與電網(wǎng)相連，轉(zhuǎn)子通過雙PWM勵磁變換器與電網(wǎng)相連，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示[1-3]。

根據(jù)電機學(xué)原理，要實現(xiàn)有效的機電能量轉(zhuǎn)換，發(fā)電機定子旋轉(zhuǎn)磁場n1和轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)磁場（轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場相對于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n2與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速nr之和）必須相對靜止，穩(wěn)定運行時有定子電流頻率f1=npn1/60，轉(zhuǎn)子電流頻率f2=npn2/60，則有npnr/60+f2=f1，當(dāng)nr發(fā)生改變時，可通過改變轉(zhuǎn)子勵磁電流頻率f2的大小，使定子輸出電流頻率f1保持恒定。

2 網(wǎng)側(cè)變換器電網(wǎng)電壓定向的矢量控制模型

2.1 網(wǎng)側(cè)變換器控制建模

勵磁變換器采用雙PWM變換器[4]，其中網(wǎng)側(cè)變換器由6個晶閘管構(gòu)成，將兩相同步旋轉(zhuǎn)速dq坐標系中的d軸與電網(wǎng)電壓的方向重合，可得網(wǎng)側(cè)變換器在dq坐標系中的數(shù)學(xué)模型如式（1）所示[5]。其中Lg為網(wǎng)側(cè)進線電感;Rg為網(wǎng)側(cè)進線電阻;C為直流母線電容;？棕1為dq坐標軸同步旋轉(zhuǎn)角速度。

2.2 網(wǎng)側(cè)變換器控制器參數(shù)設(shè)計

電流環(huán)igd和電流環(huán)igq相互對稱，其PI控制器的參數(shù)可設(shè)為一致，故在此處僅通過igd進行說明。將PWM調(diào)制響應(yīng)延遲考慮在內(nèi)，則可得到igd電流環(huán)傳遞函數(shù)式（2），令？子=L/R，可將其校正為典型Ⅰ型系統(tǒng)。

系統(tǒng)被校正為典型Ⅰ型系統(tǒng)，其參數(shù)可以按照式（3）計算[6-8]。

3 轉(zhuǎn)子側(cè)變換器定子電壓定向矢量控制

3.1 轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制建模

將雙饋風(fēng)力發(fā)電機dq模型中的d軸與定子電壓矢量取為同向，則有定子電壓q軸分量usq=0，定子電壓d軸分量usd=Us，Us為電網(wǎng)電壓幅值，定子電壓滯后定子磁鏈90°，故定子磁鏈的d軸分量=0，q軸分量等于定子磁鏈的幅值。將dq軸坐標系中的d軸定向于定子電壓矢量時，DFIG定子輸出的有功、無功功率實現(xiàn)了解耦。

轉(zhuǎn)子磁鏈的表達式能夠用定子電壓和轉(zhuǎn)子電流來描述，聯(lián)立DFIG數(shù)學(xué)模型電壓方程[10]可得式（4），其中：？滓為漏磁系數(shù)

參照表達式（4）中的基于定子電壓定向的控制框圖，可以在Simulink環(huán)境中建立轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制模塊的仿真模型。仿真模型如圖2所示。

4 仿真結(jié)果及分析

系統(tǒng)仿真中直流側(cè)電壓響應(yīng)如圖3所示。

從直流側(cè)電壓響應(yīng)圖中可以看出直流電壓在0.4s左右時維持在給定值600V，系統(tǒng)的超調(diào)量為13%，在0.072s時，直流電壓第一次到達給定值。直流側(cè)的電壓響應(yīng)較好，符合預(yù)期。電網(wǎng)電壓在系統(tǒng)穩(wěn)定之后，其相位和幅值均保持穩(wěn)定無大幅度波動，滿足電網(wǎng)要求。

定子輸出的有功功率在經(jīng)過一段時間波動后，穩(wěn)定在給定值5000左右。從圖4能夠得知，定子輸出的無功功率在經(jīng)過一段時間波動后，穩(wěn)定在給定值0左右。

5 結(jié)論

根據(jù)仿真結(jié)果可得知，網(wǎng)側(cè)變換器采用電網(wǎng)電壓定向的矢量控制，能夠?qū)崿F(xiàn)較好直流側(cè)的電壓響應(yīng)，符合預(yù)期;轉(zhuǎn)子側(cè)變換器采用定子電壓定向的矢量控制方法，能夠?qū)崿F(xiàn)功率解耦控制，能有效控制雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)子側(cè)勵磁電流。該仿真過程驗證了本文中采用的網(wǎng)側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)DFIG定子側(cè)恒頻、恒功率輸出。

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