雙饋異步風(fēng)力發(fā)電交直交系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)變換器電壓定向控制策略研究

曾文飛，陳靜，林立，陳紅專，萬(wàn)炳呈，陳鴻蔚

(1.邵陽(yáng)學(xué)院 多電源地區(qū)電網(wǎng)運(yùn)行與控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 邵陽(yáng)，422000；2.邵陽(yáng)市電機(jī)廠有限公司，湖南 邵陽(yáng)，422000；3.湖南耐為電控技術(shù)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙，410018；4.湘潭電機(jī)集團(tuán)有限公司，湖南 湘潭，411100)

環(huán)境污染，能源危機(jī)，風(fēng)電因清潔、高效受到各國(guó)廣泛關(guān)注。雙饋異步風(fēng)電因低成本、高效率、高可靠性而備受學(xué)者青睞[1-3]。傳統(tǒng)雙饋異步風(fēng)電的交流勵(lì)磁系統(tǒng)采用交-交變換器，輸入側(cè)功率因數(shù)較大，輸出側(cè)諧波較多，并網(wǎng)難度較大[4-5]?？赏ㄟ^(guò)電壓定向矢量控制策略實(shí)現(xiàn)柔性并網(wǎng)，為用戶提供優(yōu)質(zhì)的電能[6-10]。首先，闡述了雙饋式異步風(fēng)力發(fā)電交直交系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理；其次，在d-q坐標(biāo)系下分析了網(wǎng)側(cè)系統(tǒng)、機(jī)側(cè)系統(tǒng)和直流母線恒壓控制，采用電壓定向及前饋控制策略，有效的消除耦合項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子與電網(wǎng)間無(wú)功功率與有功功率能量的雙向流動(dòng)；最后，在MATLAB/Simulink環(huán)境下建立了電壓定向矢量控制系統(tǒng)的仿真模型，仿真結(jié)果表明了電壓定向及前饋控制策略的有效性。

1 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)交直交系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)交直交系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

雙饋異步風(fēng)電的交直交系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由網(wǎng)側(cè)變換器、轉(zhuǎn)子變換器、直流母線和濾波器等部分構(gòu)成。網(wǎng)側(cè)變換器與發(fā)電機(jī)組并聯(lián)接入系統(tǒng)，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器與轉(zhuǎn)子繞組串聯(lián)。網(wǎng)側(cè)通過(guò)調(diào)節(jié)網(wǎng)側(cè)dq軸電流控制勵(lì)磁電壓的幅值、頻率、相位，維持直流母線電壓穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)有功與無(wú)功功率的解耦控制，能量雙向流動(dòng)。轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變換器采用定子磁鏈定向矢量控制轉(zhuǎn)子dq軸電流，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩，使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速追蹤不同風(fēng)速下的最佳轉(zhuǎn)速，使定、轉(zhuǎn)子有功功率快速跟隨風(fēng)速變化，以實(shí)現(xiàn)風(fēng)能捕捉和有功無(wú)功的解耦。

圖1 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)交直交系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of a doubly-fed asynchronous wind power generation system

1.2 網(wǎng)側(cè)系統(tǒng)工作原理分析

網(wǎng)側(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型如圖2所示，網(wǎng)側(cè)和機(jī)側(cè)為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，主要由濾波器、開(kāi)關(guān)信號(hào)與PWM變換器構(gòu)成。網(wǎng)側(cè)通過(guò)電網(wǎng)電壓定向矢量控制和解耦控制策略對(duì)功率因數(shù)進(jìn)行控制，采用雙閉環(huán)PWM控制調(diào)制比和相位差的參數(shù)，使三相電流為幅值跟隨風(fēng)速變化的正弦波，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子電壓及直流母線電壓穩(wěn)定供壓和有功功率、無(wú)功功率的解耦。機(jī)側(cè)通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子dq軸電流改變電磁轉(zhuǎn)矩，使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速追蹤不同風(fēng)速下的最佳轉(zhuǎn)速，使發(fā)電機(jī)功率快速跟隨風(fēng)速變化，維持功率因數(shù)恒定，實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)。

圖2 網(wǎng)側(cè)簡(jiǎn)化模型Fig.2 The simplified model of a grid side

圖中Vbus為直流母線電壓。

若系統(tǒng)中的三相電壓為理想三相對(duì)稱交流電，可將三相系統(tǒng)等效為單相系統(tǒng)建立等效電路如圖3所示，分析圖3等效電路可建立三相輸出電壓的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)網(wǎng)側(cè)系統(tǒng)的控制作用調(diào)節(jié)輸出電壓的幅值、相位調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸出有功功率和無(wú)功功率。

圖3 單相等效電路Fig.3 Single phase equivalence circuit

若三相電壓為理想電壓，可建立單相等效電路如圖3所示。由圖3可得三相輸出電壓可表達(dá)為

vaf=Rfiag+Lfdiag/dt+vag
vbf=Rfibg+Lfdibg/dt+vbg
vcf=Rficg+Lfdicg/dt+vcg

(1)

式中：Lf、Rr為網(wǎng)側(cè)系統(tǒng)中濾波器電感、電阻；vag、vbg、vcg是電網(wǎng)電壓；vaf、vbf、vcf是網(wǎng)側(cè)變換器三相輸出電壓等效為機(jī)側(cè)系統(tǒng)三相電壓Var、Vvr、Vcr。由此，可通過(guò)PI 控制不同風(fēng)速下系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行并保證直流電壓的穩(wěn)定，并在變換器中采用DSP28335控制器產(chǎn)生脈沖信號(hào)輸出網(wǎng)側(cè)電壓信號(hào)，電流信號(hào)由上式推算，實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。

2 直流母線恒壓控制與網(wǎng)側(cè)電壓定向控制策略

2.1 直流母線恒壓控制

直流母線系統(tǒng)簡(jiǎn)化示意圖如圖4所示，變頻器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電壓的幅值、頻率、相位控制需要提供穩(wěn)定的直流電壓，以調(diào)節(jié)雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)無(wú)功功率和有功功率。若網(wǎng)側(cè)系統(tǒng)和機(jī)側(cè)系統(tǒng)能量雙向流動(dòng)且功率平衡，則直流母線中并聯(lián)電容能量?jī)?chǔ)存穩(wěn)定進(jìn)而維持電壓穩(wěn)定，供給機(jī)側(cè)、網(wǎng)側(cè)變換器穩(wěn)定的直流電壓。

由圖4可得直流側(cè)母線電壓和電流可表達(dá)為

(2)

式中：ires為電阻支路電流；irdc為機(jī)側(cè)流入直流母線的直流電流；igdc為直流母線流入網(wǎng)側(cè)的直流電流，表達(dá)為

igdc=Sagiag+Sbgibg+Scgicg
irdc=-Sariar+Sbribr+Scricr

(3)

式中：Sag、Sbg、Scg、Sar、Sbr、Scr為來(lái)自網(wǎng)側(cè)系統(tǒng)、機(jī)側(cè)系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)信號(hào)。

圖4 直流母線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of a DC busbar system

2.2 電壓定向矢量控制策略

網(wǎng)側(cè)電壓定向矢量控制框圖如圖5所示，通過(guò)電壓外環(huán)PI計(jì)算得到d軸電流的給定值，q軸采用零q軸電流控制，d-q軸電流給定值與經(jīng)abc/d-q變換得到實(shí)際d-q軸電流相比較后，經(jīng)電流環(huán)PI計(jì)算后得到d-q軸電壓的調(diào)節(jié)參考值。采用電壓前饋補(bǔ)償其耦合項(xiàng)wsLfidg、wsLfiqg，與d-q軸電壓調(diào)節(jié)參考值相疊加后得到系統(tǒng)的控制電壓，經(jīng)d-q/αβ變換后得到系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電壓，經(jīng)正弦脈寬調(diào)制后得到六路PWM脈沖信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器的控制，調(diào)節(jié)電流快速跟隨風(fēng)速變化，實(shí)現(xiàn)有功、無(wú)功的解耦控制，維持交直流側(cè)電壓穩(wěn)定輸出。

圖5 網(wǎng)側(cè)系統(tǒng)控制框圖 Fig.5 The control block diagram of a grid side system

d-q坐標(biāo)系下，網(wǎng)側(cè)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型為

vdf=Rfidg+Lfdidg/dt+vdg-wsLfidg
vqf=Rfiqg+Lfdiqg/dt+vqg+wsLfiqg

(4)

(5)

通過(guò)式(5)可實(shí)現(xiàn)有功和無(wú)功功率的解耦控制，使電網(wǎng)電壓穩(wěn)定，有功功率隨風(fēng)速變化，無(wú)功功率接近于零。

3 系統(tǒng)建模及仿真

3.1 仿真模型

通過(guò)分析雙PWM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理及電網(wǎng)電網(wǎng)電壓定向控制策略，在d-q坐標(biāo)下建立雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，得到定轉(zhuǎn)子電壓及磁鏈方程。

(6)

式中：RS、Rr為定轉(zhuǎn)子電阻；Lm、Ls、Lr為勵(lì)磁電感和定轉(zhuǎn)子電感；vs、vr、is、ir為定轉(zhuǎn)子電壓和定轉(zhuǎn)子電流；Ψs、Ψr為定轉(zhuǎn)子磁鏈。

在d-q坐標(biāo)系中采用電壓定子定向控制策略，vqr=0，vqs=0，功率和轉(zhuǎn)矩方程為

(7)

式中：PS、Pr、QS、Qr為d-q坐標(biāo)系下定轉(zhuǎn)子的有功功率和無(wú)功功率；Tem為d-q坐標(biāo)系下電磁轉(zhuǎn)矩；vds、vdr、vqs、vqr、ids、idr、iqs、iqr為d-q坐標(biāo)系下分解后的定轉(zhuǎn)子電壓和電流；Ψds為d-q坐標(biāo)系下的定子磁鏈。

根據(jù)上述數(shù)學(xué)模型，在MATLAB/Simulink中建立整個(gè)系統(tǒng)的仿真模型，如圖6所示，仿真參數(shù)為電網(wǎng)電壓380 V，電網(wǎng)頻率50 Hz，直流側(cè)電容1 μF,直流側(cè)母線給定電壓700 V。

圖6 系統(tǒng)仿真模型Fig.6 System simulation model

3.2 仿真結(jié)果分析

系統(tǒng)的直流電壓、三相電流與電壓波形如圖7～9所示，仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)采用電網(wǎng)電壓定向前饋控制可有效抑制直流母線電壓波動(dòng)，穩(wěn)定在700 V，使三相電流在約0.05 s的短暫波動(dòng)后幅值平穩(wěn)可靠，功率因數(shù)可調(diào)，實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)與柔性并網(wǎng)。

圖7 直流母線電壓波形Fig.7 Waveform of DC busbar voltage

圖8 三相電流波形Fig.8 Waveform of three-phase current

圖9 三相電壓波形圖Fig.9 Waveform of three-phase voltage

仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，網(wǎng)側(cè)系統(tǒng)采用電網(wǎng)電壓定向前饋控制策略使母線電壓恒定，有效遏制直流母線電壓的變化，直流母線電壓恒定使無(wú)功功率調(diào)節(jié)更靈活，整個(gè)風(fēng)電系統(tǒng)性能穩(wěn)定。交直交系統(tǒng)采用電網(wǎng)定向控制策略方法使三相電流穩(wěn)定讓系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能，系統(tǒng)的功率因數(shù)可調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)柔性并網(wǎng)。

4 結(jié)論

通過(guò)分析雙饋異步風(fēng)電交直交系統(tǒng)工作原理，采用網(wǎng)側(cè)電壓定向矢量控制策略，在MATLAB中建立仿真模型，仿真結(jié)果表明，網(wǎng)側(cè)電壓定向矢量及前饋控制是有效的：可實(shí)現(xiàn)有功功率、無(wú)功功率解耦，使功率因數(shù)可調(diào)，直流母線電壓穩(wěn)定輸出，發(fā)電機(jī)處于次同步狀態(tài)時(shí)，網(wǎng)側(cè)處于整流狀態(tài)，機(jī)側(cè)處于逆變狀態(tài)；發(fā)電機(jī)處于超同步狀態(tài)時(shí)，網(wǎng)側(cè)處于逆變狀態(tài)，機(jī)側(cè)處于整流狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了能量的雙向流動(dòng)，系統(tǒng)表現(xiàn)出良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性。