变速恒频双馈风力发电用交直交变流器控制策略的研究

谢震1，张兴1，曹仁贤2，黄学飞2，张崇巍1

(1合肥工业大学电气与自动化工程学院，合肥230009；2合肥阳光电源有限公司，合肥230011)

摘要：本文概述了变速恒频双馈风力发电用交直交变流器的工作原理，转子侧变流器采用基于最大功率点跟踪的并网发电解耦控制策略，网侧变流器采用基于固定开关频率与电网电动势前馈相结合的双闭环控制策略，构建了110KW变速恒频双馈风力发电模拟平台，经过实验结果分析验证了上述控制策略的有效性和可行性。

关键词：双馈发电机；最大功率点跟踪；解耦控制；交直交变流器

中图分类号：TM315文献标识码:A文章编号：

Study on the control strategy of AC-DC-AC convertor used in

variable speed constant frequency wind turbine system driven

by doubly fed induction generator

Xie Zhen1，Zhang Xing1，Cao Renxian2，Huang Xuefei2，Zhang Chongwei1

（1Hefei University of technology，Heifei230009，China；

2HeFei Sunlight Power Supply(SPS)Co.Ltd，Hefei230011，China）Abstract:The theor y of AC-DC-AC convertor for variable speed constant frequency wind turbine system driven by doubly fed induction generator is analyzed in this paper.the contr ol strategy of grid connected based on speed MPPT is used in the rotor convertor,the contr ol strategy with fixed switching frequency and grid voltage forward-fed is used in the grid convertor.110kw VSCF doubly fed induction generator wind power system is constructed in the laboratory,which realizes the decoupled control of the active power and reactive power for stator output,which pr oves validity and reliability of contr ol strategy by r esearch and analyse of resulation.

Keywords:Doubly fed induction generator;MPPT;decoupled control;AC-DC-AC convertor

0引言

在能源危机日益严重的今天，风能作为一种清洁的、经济可行的绿色可再生能源，受到人类的广泛关注。近年来风力发电相关技术得到了迅速发展，随着风力发电单机容量不断增加，尤其是兆瓦级风力发电机的出现，变速恒频双馈风力发电系统由于能够实现有功功率，无功功率的前馈解耦控制[1-4]，对电网可以起到无功补偿的作用,而且能够最大限度捕获风能[5-7]，提高发电效率，已成为目前风力发电系统的主流方向。

变速恒频双馈风力发电用的转子励磁电源是一个交直交变流装置，是两个变流器通过中间直流环节的连接。常规设计中这两个变流器分别采用二极管整流器和晶闸管有源逆变器，存在电流谐波比较大、动态响应慢、损耗大以及不能实现四象限运行等缺点。本系统中对两个变流环节均采用基于全控型器件的四象限运行的PWM变流器，提高系统的动态响应，减少损耗和冲击，实现电能的双向传输。转子侧变流器采用一种不依赖于风机参数和空气密度的最大功率点跟踪并网发电控制策略，网侧变流器采用基于固定开关频率与电网电动势前馈相结合的双闭环控制策略，实现了发电机定子侧有功、无功的前馈解耦控制和最大风能捕获控制，而且还实现了网侧变流器单位功率因数正弦波电流并网发电运行。

1交直交变流器工作原理

变速恒频双馈风力发电系统结构如图1所示，在变速恒频双馈风力发电系统中，双馈发电机定子绕组接入工频电网，转子绕组接入一个频率、幅值、相位都可以调节的三相交流电源，而这个三相交流电源通常采用背靠背交直交四象限变流器。这种系统的关键就是通过对转子馈电的控制实现定子侧恒压恒频的电力输出，当发电机处于亚同步状态时，交直交变流器向发电机转子侧提供正向励磁电流，输入有功功率；当发电机处于超同步状态时，交直交变流器向发电机转子侧提供负向励磁电流，抽取有功功率。实现了能量在网侧和转子侧的双向流动。在控制系统设计中采用两个DSP 分别对转子侧变流器和网侧变流器进行控制。交直交变流器具有以下特点：

1）配置的四象限交直交双向变流器的功率仅是系统额定容量的一部分，有利于减小变流器体积，降低系统成本和投资；

2）利用转子侧励磁电流控制定子侧的无功功率；利用转子侧电磁转矩电流控制定子侧的有功功率，实现定子侧有功功率和无功功率的的调节。

3）网侧变流器能够实现单位功率因数的正弦波控制。基于以上优点，交直交变流器已成为变速恒频双馈风力发电用变流器的主选方案之一。

图1变速恒频双馈风力发电系统结构图

Fig.1System structure for DFIG

2转子励磁变流器的控制策略

2.1定子并网发电的解耦控制策略

将定子侧取发电机的惯例，转子侧取电动机惯例，采用定子磁场定向，由于双馈发电机的定子总是接在工频50Hz 的大电网上，定子绕组的电阻比其电抗小很多，定子绕组上的压降可以忽略不计。定子磁链与定子电压矢量近似互相垂直，当把dq 坐标系的d 轴定向在定子磁链上时，定子磁链的q 轴分量为零，相电压矢量比磁链矢量滞后90˚，则和q 轴的负方向重合。如果定子磁链保持恒定，则由双馈发电机在同步作标系下的数学模型可得：

rq s rd rd r rd i b dt di b i R u ω-+=（1）

rd s s rq

rq r rq i b a dt di b i R u ωψω+-+=1（2）式中s m l l a =，)1(2r

s m r l l l l b -=rq

s rdc i b u ω-=（3）rd s s rqc i b a u ωψω+-=1（4）

s rq m n e l i l p T 123ψ=（5）

m

sd s rd l i l i /)(1+-=ψ（6）m sq s rq l i l i /=（7）

综上所述式（1）～（7）构成了双馈发电机并网后基于定子磁场定向矢量控制的数学模型。当定子磁链Ψ1保持恒定时，发电机的电磁转矩与转矩电流i rq 成正比，转子励磁由励磁电流i rd 决定。当定子侧被控制为单位功率因数时，发电机的励磁电流全部由转子提供。由式（1）～式（4）可以看出u rdc 、u rqc 为消除转子电压、电流交叉耦合的补偿项，在经过前馈补偿去除由反电动势引起的交叉耦合项后，可以通过调节转子电压的d 轴分量和q 轴分量分别控制发电机的转子磁链和电磁转矩。就可以实现发电机电磁转矩和转子励磁之间的完全解耦控制。双馈发电机并网发电的控制结构如图3所示，采用双闭环控制策略，内环为电流环，外环为速度环，在速度环中，转速给定是由最大风能捕获算法决定的，速度调节器的输出作为转子转矩电流调节器的给定，转子励磁电流调节器的给定是由无功补偿量决定，同时受到发电机额定容量的。

图2转子侧变流器控制结构图

Fig.2Schematic of the control for the rotor convertor

图3发电机功率与转速曲线

Fig3The relation curve of P m and n

3.2MPPT 算法工作原理

双馈发电机的最大风能捕获控制就是通过控制其转速，在风速变化时，使双馈发电机的转速跟随风速变化，保证风机的叶尖速比恒定，此时风机的输出功率最大。风机的最大输出功率还取决于风机的本身特性和空气的密度，由于这些参数的不确定性使得k 值不可能在任何状态下达到最优，因此会造成最大风能捕获曲线的轨迹偏移，输出功率将有损失，因此采用一种不依赖于风机参数和空气密度的最大风能捕获算法。当风速或转速发生变化都会引起系统输出功率的变化，设第k 次采样时，功率变化量为ΔP ，转速变化量为Δω，则转速调节器的指令信号变化方向如表1所示，指令信号的大小如式（8）所示。

P k i ∆⋅=∆ω（8）

当功率变化量ΔP 小于某一允许给定值时，近似认为系统达到当前风速下的最大功率点，即由图4可知在当前风速的最大功率点处0=ω

d dP ，此时速度外环维持当前转速不变。由图4可知k i 在低风速区值明显大于高风速区值，如果k i 值取得过大将会造成在高风速区发电机转矩的脉动，因此考虑到系统的快速性和最大功率点不发生漂移，k i 应取不同风速区间的最小值。即：

P ω

k ∆∆表1转速指令方向判断

Table1selection of the speed direction 判断条件()0

1k ω=-∆()01k ω>-∆()01k ω<-∆0P(k)>∆()0

k ω>∆()0k ω>∆()0k ω<∆0

P(k)<∆()0k ω<∆()0k ω<∆()0k ω>∆如图4所示假定在风速v 2下，系统最初工作在P 1点，如果风速阶跃变化到v 3，产生更高的动力矩使系统加速，速度调节器通过增加发电机的阻力矩提高功率输出，工作点转移到P 2点。根据上述算法转速指令将朝增加的方向变化，而为了能够加速系统，发电机阻力矩应该立即减小，使得系统加速。最后发电机阻力矩逐渐增加和风机输出转矩平衡，达到当前风速下的最大功率工作点P 3。如果功率采样和最大风能捕获算法的时间与速度调节器的周期相当，将会得到有关功率变化量ΔP 错误的信息，导致由于发电机转矩的波动而使系统在工作点发生震荡。因此功率采样和风能捕获算法的周期应该大于速度环的周期。本系统中功率采样和风能捕获算法的运行周期四倍于速度环调节周期。

3网侧变流器的控制策略[9-10]

网侧变流器采用的是PWM 固定开关频率的直接电流控制，具有输入电流为正弦波、功率因数可控、能向电网回馈电能等优点。当双馈发电机工作在亚同步状态时，网侧变流器从电网吸收能量，工作在整流状态；当双馈发电机工作在超同步状态时，能量从直流侧回馈到电网，网侧变流器工作在逆变状态。直流母线电压恒定并且具有良好的动态响应能力，网侧单位功率因数控制和输入电流为正弦波是网侧变流器的控制目标。其拓扑与控制结构如图4所示。

图4网侧变流器的拓扑与控制结构图

Fig.4The topology and control of the grid convertor

考虑到电网电动势为三相平稳的纯正弦波电动势，对称且稳定；网侧滤波电感L 是线性的不考虑饱和；用电阻R L 和直流电动势L e 串联表示直流侧负载；开关器件为理想开关。根据网侧变流器的工作原理和基尔霍夫电压电流定律，可得其基于开关函数的数学模型：

)3(,,∑=--=+c

b a k k d

c k dc k k k s V S V e R i dt di L （10）0

=++c b a i i i （11）0

=++c b a e e e （12）c c b b a a d dc s i s i s i i dt dV C ++-=（13）

其中⎩⎨⎧=）（上臂关断，下臂导通

）（上臂导通，下臂关断,0,1k S k =a,b,c 如图4所示，系统采用电流电压双闭环的控制结构，内环为电流环，控制的是交流侧电感的交流电流，为了保证系统的快速响应能力，电流内环采用比例调节器控制，同时为了克服电网电动势的扰动，需要加入电网电动势的前馈控制。以A 相为例，图5（a ）为电流内环的结构框图。01=-⨯+⨯e K Ts K e F pwm

,由于开关频率较高，系统工作在幅频特性的高频段，

同时由于变流装置的滞后时间常数T 同系统工作频带相对应的时间常数相比很小，不会对系统工作频带的性能产生显著影响，可忽略不计。所以可得前馈系数K F =1/K pwm 。

电压外环保证直流母线电压恒定，其控制的目的是为了稳定PWM 变流器直流侧电压，也是给转子侧变流器提供一个稳定的电压，从而实现能量的双向流动，为了消除系统静态误差，采用防积分饱和的PI 调节器。在对电流内环等效处理后，图5（b ）为电压外环的控制结构等效框图。由于系统含小惯性环节，对系统降阶处理后可得其闭环传递函数如式（14）所示，这是一个典型的二阶系统，按照调节器的模最佳整定原则设计。

d s d s d d s R K K s R K K K s CR K T s R K K 1122211)()()

1(+++++τττ（14）

图5(a)电网电动势前馈控制的电流内环结构框图

Fig.5(a)The current loop control frame with grid voltage forward-fed

图5(b)电压外环控制结构框图

Fig.5(b)The voltage loop control frame

4实验结果分析

为验证上述控制策略的实用性，在实验室构建了110KW的变速恒频双馈风力发电的模拟平台，双馈发电机参数：P N:110KW,U s=380V,I s=214A,U r=505V,I r=132A,n=990r/min, R s=0.032Ω,R r=0.028Ω,l s=0.21H,l r=0.32H,l m=2.13H。网侧变流器的额定功率为30KW，直流母线电压400V，直流侧平波电容6600uf，网侧电感0.7mH，额定电流90A。另外用变频器驱动一台三相鼠笼式异步电机在实验室条件下模拟风力机的特性。控制系统采用双DSP的控制结构分别控制转子侧变流器和网侧变流器。

图6(a)为模拟风速阶跃时，励磁电流i rd与电磁转矩电流i rq的波形，转子电流i rq阶跃变化时，转子电流i rd基本保持不变，也就是定子有功功率发生变化时，定子无功功率基本不受影响，图6(b)为发电机无功发生变化时，转子励磁电流i rd与电磁转矩电流i rq的波形，也就是定子无功功率发生变化时，定子有功功率基本不受影响，实现了定子有功、无功功率的前馈解耦控制；图7为单位功率因数下定子侧A相电压、电流波形，此时发电机励磁全部由转子提供，发电机向电网输出的全是有功功率，图8为风速阶跃时i rq反馈信号和指令信号，i rq反馈信号基本跟随指令信号，动态响应较快，即发电机能迅速达到当前风速下最大功率点所对应的的转速，较好的追踪最大风能捕获曲线。

图9(a)为双馈发电机亚同步运行时，网侧A相交流电压、电流波形，此时系统运行在正的单位功率因数下，网侧变流器运行在整流状态，能量从发电机定子侧馈入电网，图9(b)为双馈发电机超同步运行时，网侧A相交流电压、电流波形，此时系统运行在负的单位功率因数下，网侧变流器运行在逆变状态，能量分别从发电机转子侧和定子侧馈入电网。实现了网侧单位功率因数的正弦波控制。

5结束语

本文详细分析了变速恒频双馈风力发电用交直交变流器的工作原理，转子侧励磁变流器采用基于最大功率点跟踪的并网发电解耦控制策略，网侧变流器采用固定开关频率与电网电动势前馈相结合的双闭环控制策略，通过110KW变速恒频双馈风力发电模拟平台的结果分析表明，交直交变流器作为变速恒频双馈风力发电用励磁电源的有效性和可靠性，为兆瓦级的风力发电技术的研究提供了良好的平台。

图6(a)风速阶跃时i rd、i rq图6(b)风速阶跃时i rq、i rd Fig.6(a)the i rd and i rq with change of wind velocity Fig.6(b)the i rq and i rd with change of wind velocity

图7定子电压、电流波形图8风速阶跃时i rq、i rq* Fig.7the stator voltage and current Fig.8the i rq and i rq*with change of wind velocity

图9(a)亚同步网侧电压、电流波形图9(b)超同步网侧电压、电流波形Fig.9(a)The grid voltage and current in sub-synchronization Fig.9(b)The grid voltage and current in

sup-synchronization

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