变速恒频风力发电系统的仿真研究

Electric Power Science and Engineering

Jul.,2007

1

收稿日期：2007-04-12.

基金项目：内蒙古自治区科技攻关项目（20030502）.

作者简介：李亚林(1979－),男,内蒙古工业大学信息工程学院硕士研究生.

变速恒频风力发电系统的仿真研究

李亚林，李含善，任永峰，王

政

（内蒙古工业大学信息工程学院，内蒙古呼和浩特010051）

摘要：从交流励磁双馈发电机的数学模型出发，介绍了双馈发电机定子磁链定向矢量控制技术，推导了变速恒频双馈风力发电机空载并网的控制策略。在Matlab/Simulink 环境下建立了系统模型，进行了发电机空载并网、最大风能追踪、有功无功调节等情况的仿真研究，仿真结果验证了控制方案的可行性。关键词：风力发电；变速恒频；定子磁链定向；并网控制中图分类号：TM315

文献标识码：A

0引言变速恒频发电技术在原动机输出功率经常变化的场合，如水电，潮汐发电和风力发电等领域比恒速恒频发电技术更具有优势。在风力发电中，变速恒频风力发电技术由于可以提高风能转换效率，减少风力机机械磨损等优点，而得到广泛应用[1]。

交流励磁双馈风力发电系统是目前具有广泛应用前景的变速恒频风力发电技术[2]。由于励磁变频器只传递转差功率，降低了变频器的容量，从而降低了变频器成本，尤其适合MW 级风力发电应用。通过调节转子励磁电流的幅值、相位和频率，能够实现发电机同步转速上下较大范围内的变速恒频运行。在风速变化的情况下，实时调节风力机转速，使其始终运行在最佳转速上，实现了最大风能追踪控制；通过矢量变换控制，可以调节发电机输出的有功和无功功率，不仅能够补偿电网的无功需求，还能提高电力系统的动静态性能[3，4]。

本文在分析双馈发电机动态数学模型和定子磁链定向矢量控制原理的基础上，推导了空载并网控制策略，建立了发电机空载并网和发电运行仿真模型，并对仿真结果进行了分析。

1双馈发电机定子磁链定向矢量控制原理

双馈发电机基本结构与绕线式异步电动机相似，假定：(1)忽略定、转子电流高次谐波分量；(2)忽略电机铁心磁滞、涡流损耗及磁路饱和影响；(3)电机定子并入无穷大电网；(4)转子侧各量折算到定子侧；(5)各物理量按照电动机惯例选取。同步旋转dq 坐标系下双馈发电机的数学模型为[5,6]

定子电压方程：

＋

=

+

1

+

=

+

(2)

定子磁链方程：

=

+

=

+(3)

转子磁链方程：

=

++

(4)

转矩方程和运动方程：

ds

,

dr

,

电力科学与工程22007年

L s ,L r ,L m 为定转子绕组在dq 坐标系下的等效自感

和互感；m 为发电机

转速；

+

=

+

1

+

=

+

+

s

方向重合。此时，

s

，

（８）

将式(8)代入式(4)

：

（９）

式中

＝

（１０）

式中

=

(11)

式中

为转子电流交叉耦合电压项，引入前馈补偿以消除稳态跟随误差，提高了控制精度和动态响应的快速性。

根据以上推导，可以得到双馈发电机定子磁链定向矢量控制系统原理框图，如图2。

图1

定子磁链定向矢量控制坐标系

电压补偿计算

磁链计算

编码器

DFIG

PI PI

PI

SVPWM

*

+

*

+

*

*

+

1

d

d

李亚林，等变速恒频风力发电系统的仿真研究第3期3

外环为转速环：以根据当前风速计算出对应于风力机最佳叶尖速比的转速值作为给定，与电机转速反馈值的差送入PI 调节器，得到有功电流给定i qr *。无功电流给定i dr *根据电网对风电系统的无功要求计算得出，或者使i dr *对应电机最小铜耗。

内环为转子电流环：dq 轴电流误差经PI 调节器输出控制电压，加上前馈补偿后，得到dq 坐标系下转子电压给定u dr *,u qr *，经坐标变换得到转子电

压在两相静止坐标系２下的指令电压u r *

。

根据u r *

进行空间矢量PWM 调制，驱动励磁变换器产生所需励磁电压及电流。

定子磁链观测器采用简单实用的

u-s

=u s

/

u

，

=

+

=

+

=

=

(16)

根据以上推导，得到空载并网的原理框图，见图4。

由三相电网电压，得到电网电压的幅值u s 和

相角s

和相角

1

PLL

2

型定子磁链观测器

ｄ

＋

＊

＊

1/

1

图4空载并网原理框图

电力科学与工程42007年

3仿真研究

发电机并网前后控制策略不同，并网前实行空载电压控制；并网后切换到发电运行控制，根据当前风速，调节发电机转速，以跟踪最大风能。所以，仿真模型分为两部分：空载运行模型和发电运行模型。其中发电运行模型的初始运行条件需要由空载运行模型得来。

将式(13)

改写为状态方程形式，输入向量

=

,=

=

，

=

,

,

=

T

，状态

向量

，

＝

１

1

1

，L s =105.97mH ，R r

=0.816

m 2。

风力机：风机半径R=2.15m ，P N =2.3kW ，最佳风能系数C p ，max =0.48，最佳叶尖速比

=

opt

2

=

6.4×960

600W ，有功功率

保持不变，转速恒定。实现了有功无功功率的解耦

控制。

2000

/s

电压误差/V

50

/s

转子电流/A

2000

/s

转子电压/V

(a )定子电压与电网电压误差

(b )转子电流

(c )转子电压

图5发电机空载运行波形

220004/(r

1

)(a )转速

8121620

18001400

4结论

在分析交流励磁双馈发电机数学模型基础上，

将定子磁场定向的矢量变换控制技术应用在双馈型发电机的控制上，建立了变速恒频风力发电系统的模型，进行了空载电压控制，并网后最大风能跟踪运行，有功无功功率调节的仿真研究。仿真模型能较好的模拟实际工况，仿真结果证明了文中所用控制策略的可行性，对实验系统的建立提供了理论依据。

参考文献：

[1]Boldeal I,Tutelea L,Serban I.Variable speed electric

generators and their control:an emerging technology [J ].Journal of Electrical Engineering,2002,(3):20-28.

[2]Hansen L H,Blaabjerg F,Christensen H C et al.Generators

and power electronics technology for wind turbines [C ].

IEEE Proceedings of IECON ’01,2001.

[3]Tang Y ,Xu L.A flexible active and reactive power control

strategy for a variable speed constant frequency generating system [J ].IEEE Transactions on Power Electronics,1996,10(4):472-478.

[4]刘其辉,贺益康,卞松江.变速恒频风力发电机空载并

网控制[J ].中国电机工程学报,2004,24(3):6-11.[5]辜承林，韦忠朝，黄声华，等.对转子交流励磁电流实

行矢量控制的变速恒频发电机[J ].中国电机工程学报,

1996,16(2):119-124.

[6]Hopfensperger B,Atkinson D J,Lakin R A.Stator flux

oriented control of a doubly fed induction machine with and without position encoder [J ].Electric Power Applications,IEE Proceedings,2000,147(4):241-250.

[7]吴烽.风力发电并网技术综述[J ].风力发电，1992,(1):

5-8.

（责任编辑：马坤英）

04/A

(b )转子电流

8121620

/s

转子电压

４０

０

４０

０４

１０００

３０００１００００

４

/A

(e )定子电流

812

16

20