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（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102）

1 引言

交流勵(lì)磁變速恒頻（ACVSCF）風(fēng)力發(fā)電技術(shù)具備運(yùn)行效率高、電能質(zhì)量?jī)?yōu)、變流器容量小等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域中應(yīng)用較為廣泛的技術(shù)，它可以實(shí)現(xiàn)功率的解耦控制和最大風(fēng)能的跟蹤控制［1－2］。在該方案中，將雙饋異步發(fā)電機(jī)（DFIG）的定子接入電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子則由電力電子變流器提供勵(lì)磁電流，當(dāng)DFIG機(jī)械轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，實(shí)時(shí)控制變流器改變轉(zhuǎn)子電流的頻率、相位以及幅值實(shí)現(xiàn)“交流勵(lì)磁”，從而保證DFIG在不同工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都能正常運(yùn)行，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)輸出有功和無功功率的解耦。

雙饋型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是一個(gè)系統(tǒng)工程，涉及到電機(jī)控制、變流器的控制、無功補(bǔ)償控制以及電網(wǎng)低壓故障控制等。對(duì)變流器控制而言，目前一般采用矢量控制技術(shù)較為方便，本文在推導(dǎo)基于電動(dòng)機(jī)慣例下的雙饋異步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，研究其運(yùn)行控制原理，給出了基于定子磁鏈定向控制的矢量控制策略，同時(shí)對(duì)雙饋型風(fēng)力發(fā)電中的低電壓穿越（LVRT）問題也作了分析研究和探討，最后在搭建的樣機(jī)上做了上述理論分析及實(shí)驗(yàn)研究，并給出了相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)的原理

圖1 交流勵(lì)磁變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)Fig.1 ACVSCF wind power generation system

交流勵(lì)磁變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)見圖1，由背靠背的PWM變流器作為DFIG的勵(lì)磁源，DFIG定子直接接入電網(wǎng)，而其轉(zhuǎn)子則由PWM變流器提供勵(lì)磁電流，當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，通過控制變流器改變勵(lì)磁電流從而實(shí)現(xiàn)變速恒頻。

由電機(jī)學(xué)可知：

式中：f1，f2為 DFIG 定、轉(zhuǎn)子電流頻率；nr為DFIG機(jī)械轉(zhuǎn)速；p為DFIG極對(duì)數(shù)。

定義DFIG轉(zhuǎn)差率為

式中：np為DFIG額定轉(zhuǎn)速。

根據(jù)DFIG的原理可知：

式中：P1為DFIG定子有功功率；P2為DFIG轉(zhuǎn)子有功功率。

由式（3）可知，當(dāng)DFIG亞同步運(yùn)行時(shí)，P2＞0，DFIG轉(zhuǎn)子通過PWM變流器從電網(wǎng)吸收有功；當(dāng)DFIG超同步運(yùn)行時(shí)，P2＜0，DFIG轉(zhuǎn)子通過PWM變流器向電網(wǎng)回饋有功；當(dāng)DFIG同步速運(yùn)行時(shí)，P2＝0，DFIG轉(zhuǎn)子與電網(wǎng)無任何有功交換；DFIG的運(yùn)行特征要求勵(lì)磁變流器具備4象限功率運(yùn)行，而由IGBT組成的PWM變流器具備能量雙向流動(dòng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、開關(guān)頻率高等優(yōu)勢(shì)，可以為DFIG理想的勵(lì)磁源。

由圖1可以看出，網(wǎng)側(cè)變流器的控制目標(biāo)主要是穩(wěn)定直流電壓、功率因數(shù)控制以及低壓穿越時(shí)的無功補(bǔ)償（static var generate，SVG）控制；而機(jī)側(cè)變流器的控制目標(biāo)主要是對(duì)DFIG進(jìn)行勵(lì)磁控制實(shí)現(xiàn)變速恒頻以及功率解耦控制。

3 dq坐標(biāo)系下DFIG數(shù)學(xué)模型

為了推導(dǎo)DFIG的數(shù)學(xué)模型，將電機(jī)控制中的矢量控制技術(shù)引入變速恒頻風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)中，建立二相旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系統(tǒng)，同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中采取定子磁鏈定向［3－5］，將定子磁鏈Ψ1定向于d軸，d軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°為q軸方向。

圖2 DFIG矢量控制坐標(biāo)變化Fig.2 Coordinate transformation for DFIG vector control

圖2中α1，β1為兩相靜止坐標(biāo)系，α1軸為定子A相繞組軸線正方向。α2，β2為以轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度ω2為參考的兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，α2軸為轉(zhuǎn)子A相繞組軸線正方向。θr為α2軸與α1軸的夾角，其角度由光電編碼器給出。dq軸為兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，旋轉(zhuǎn)角速度ω1為電網(wǎng)電壓角頻率，uqs為電網(wǎng)電壓的q軸分量，d軸與α1軸的夾角為θs，其角度由控制系統(tǒng)軟件對(duì)電網(wǎng)電壓磁鏈的鎖相定位得到。

忽略雙饋電機(jī)定轉(zhuǎn)子電阻，在電動(dòng)機(jī)慣例下［5－6］，雙饋電機(jī)的定轉(zhuǎn)子磁鏈方程為

雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)子電壓方程為

雙饋電機(jī)定子有功功率和無功功率方程為

式中：Rs，Rr為定轉(zhuǎn)子繞組電阻；Ls，Lr，Lm為dq坐標(biāo)系下定、轉(zhuǎn)子等效自感和互感；uds，uqs，udr，uqr為定、轉(zhuǎn)子電壓的dq軸分量；ids，iqs，idr，iqr為定、轉(zhuǎn)子電流的dq軸分量；Ψds，Ψqs，Ψdr，Ψqr為定、轉(zhuǎn)子磁鏈的dq軸分量；ω1，ωsl分別為同步轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)差；σ為漏磁系數(shù)，

圖3給出了DFIG的矢量控制框圖。

圖3 交流勵(lì)磁變速恒頻發(fā)電機(jī)定子磁鏈定向矢量控制圖Fig.3 Block diagram of stator field oriented control for the AC excited VSCF generator

從圖3可以看出，DFIG外環(huán)控制可以設(shè)計(jì)為功率環(huán)，通過功率環(huán)控制給出定子電流dq軸指令，經(jīng)過運(yùn)算可以得到轉(zhuǎn)子電流dq軸指令，根據(jù)式（5）設(shè)計(jì)電流內(nèi)環(huán)，并計(jì)算相應(yīng)的轉(zhuǎn)子電壓dq軸補(bǔ)償分量，最后通過空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）控制轉(zhuǎn)子側(cè)變流器輸出勵(lì)磁電壓。

4 網(wǎng)側(cè)變流器數(shù)學(xué)模型和控制

網(wǎng)側(cè)變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示，va，vb，vc為電網(wǎng)電壓；va1，vb1，vc1為逆變器電壓；L和 R分別為網(wǎng)側(cè)變流器的電感和電阻；ia，ib，ic為網(wǎng)側(cè)電流，以流入變流器為正；C為直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能電容，Udc是直流環(huán)節(jié)電壓。網(wǎng)側(cè)變換器的控制目標(biāo)是保持交流側(cè)單位功率因數(shù)運(yùn)行和直流環(huán)節(jié)電壓穩(wěn)定，根據(jù)LVRT的要求還需要在發(fā)生電網(wǎng)電壓跌落故障情況下作SVG運(yùn)行以支撐電網(wǎng)電壓恢復(fù)。

圖4 三相PWM整流器電路模型Fig.4 The electrical model of three phase PWM rectifier

顯然采取矢量控制技術(shù)更加方便，同時(shí)也利于功率的解耦控制，為此將控制系統(tǒng)矢量d軸定向于電網(wǎng)電壓矢量位置，而q軸超前d軸90°，進(jìn)行等幅值dq坐標(biāo)變化，得到在以電網(wǎng)電壓矢量角度θs定向下的電壓方程如下［7－8］：

系統(tǒng)傳遞的有功和無功功率為

可以看出，通過電網(wǎng)電壓矢量定向控制可以方便地實(shí)現(xiàn)有功和無功的解耦控制。其中3／2是等幅值坐標(biāo)變化的系數(shù)，電網(wǎng)電壓角度θs可以通過軟件鎖相得到，由于電網(wǎng)電壓矢量被定向于d軸，因此可以認(rèn)為網(wǎng)側(cè)變流器的電壓矢量為vd，其大小即為相電壓幅值且恒定，而vq為0。由式（8）可見，變流器傳遞的有功與無功和id與iq成正比關(guān)系。同時(shí)可以得出，通過控制＞0則可以使PWM整流器運(yùn)行在SVG狀態(tài)。三相PWM整流器控制原理如圖5所示。

圖5 三相PWM整流器控制原理Fig.5 The control principle of three phase PWM rectifier

5 電網(wǎng)低電壓控制

DFIG風(fēng)電機(jī)組定子直接并網(wǎng)，通過勵(lì)磁變流器控制轉(zhuǎn)子電流頻率、幅值等來實(shí)現(xiàn)定子側(cè)電流的“變速恒頻”，這樣的結(jié)構(gòu)不能分離DFIG和電網(wǎng)的聯(lián)系，導(dǎo)致機(jī)組對(duì)電網(wǎng)故障非常敏感，當(dāng)發(fā)生電網(wǎng)電壓驟降故障時(shí)定子電流將急劇增大，轉(zhuǎn)子側(cè)也會(huì)發(fā)生明顯的過電流和過電壓現(xiàn)象，直流側(cè)電壓也將快速升高，同時(shí)風(fēng)電機(jī)組機(jī)械系統(tǒng)也會(huì)產(chǎn)生扭切力沖擊。隨著DFIG風(fēng)電機(jī)組在電力系統(tǒng)中所占容量的快速提高，發(fā)電機(jī)與局部電網(wǎng)之間的相互影響也越來越大。為此要求風(fēng)電機(jī)組在電網(wǎng)電壓跌落時(shí)能夠保持不脫網(wǎng)運(yùn)行，即要求DFIG風(fēng)電機(jī)組具備低電壓穿越能力［9－10］，具體要求如圖6所示。

圖6 風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越要求Fig.6 LVRT requirements of wind farm

在轉(zhuǎn)子側(cè)裝設(shè)Crowbar電路是一個(gè)行之有效的方法，如圖1所示，在發(fā)生電網(wǎng)電壓跌落后，通過開通Crowbar電路的IGBT促使電阻吸收轉(zhuǎn)子回路能量，從而抑制轉(zhuǎn)子過電流現(xiàn)象和直流母線電壓的快速上升，Crowbar電路的投入和退出邏輯由轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制。網(wǎng)側(cè)變流器負(fù)責(zé)在故障期間向電網(wǎng)提供無功功率以支撐電網(wǎng)電壓恢復(fù)。

6 實(shí)驗(yàn)研究

為驗(yàn)證所研究控制算法的正確性，搭建了30 kW變速恒頻風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，由異步電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)雙饋電機(jī)模擬變風(fēng)速運(yùn)行，DFIG的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁系統(tǒng)由背靠背的PWM變流器構(gòu)成。雙PWM變流器采用全控型器件IGBT，調(diào)制方式為SVPWM，其中雙變流器中的網(wǎng)側(cè)變流器控制為整流器運(yùn)行方式［10－15］，開關(guān)頻率3 000Hz。機(jī)側(cè)變流器控制為逆變器運(yùn)行方式，開關(guān)頻率2 000Hz，采取電動(dòng)機(jī)慣例。DSP控制板卡核心控制器為TI浮點(diǎn)控制器TMS28346。

DFIG的參數(shù)為：額定功率30kW，定子額定電壓380V，定子額定電流71A，轉(zhuǎn)子額定電流72A。極對(duì)數(shù)為2，同步轉(zhuǎn)速1 500r／min，轉(zhuǎn)子繞組電阻Rr＝0.103Ω，定子繞組電阻Rs＝0.097 Ω，轉(zhuǎn)子繞組電感Lr＝27.81mH，定子繞組電感Ls＝27.46mH，轉(zhuǎn)子開路電壓314V。背靠背變流器參數(shù)：輸入交流額定線電壓380V，額定線電流45.58A，考慮到DFIG轉(zhuǎn)子開路電壓過小，控制直流母線電壓為300V，直流側(cè)電容3 400μF，交流濾波電感2.5mH，功率器件為IGBT。

圖7給出了雙饋電機(jī)在轉(zhuǎn)速為1 400r／min亞同步時(shí)網(wǎng)側(cè)PWM變流器的電壓和電流波形以及雙饋定子側(cè)電壓和電流波形。圖8給出了雙饋電機(jī)在轉(zhuǎn)速為1 780r／min超同步時(shí)網(wǎng)側(cè)PWM變流器的電壓和電流波形以及雙饋定子側(cè)電壓和電流波形。對(duì)比圖7和圖8可以看出，當(dāng)電機(jī)處于亞同步運(yùn)行時(shí)，網(wǎng)側(cè)變流器運(yùn)行在整流狀態(tài)，表明從電網(wǎng)吸收有功后注入DFIG轉(zhuǎn)子回路。而當(dāng)電機(jī)處于超同步運(yùn)行時(shí)，網(wǎng)側(cè)變流器運(yùn)行在逆變狀態(tài)，表明DFIG轉(zhuǎn)子通過網(wǎng)側(cè)變流器向電網(wǎng)回饋有功。圖9給出了DFIG在跨越同步轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)子電流波形，此時(shí)轉(zhuǎn)子電流勵(lì)磁相序由ABC轉(zhuǎn)變成ACB，從而實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)側(cè)變流器的能量雙向流通，而在整個(gè)過程中，雙饋電機(jī)定子電壓和電流波形相位始終一致，表示DFIG定子始終向電網(wǎng)傳輸有功功率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合DFIG的運(yùn)行特征。

圖7 亞同步狀態(tài)，P＝10kW，Q＝0kvar時(shí)勵(lì)磁變流器波形Fig.7 The excitation converter waveforms at sub－synchronizing operation with P＝10kW，Q＝0kvar

圖8 超同步狀態(tài)，P＝20kW，Q＝0kvar時(shí)勵(lì)磁變流器波形Fig.8 The excitation converter waveforms at super－synchronizing operation with P＝20kW，Q＝0kvar

圖9 跨越同步轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流波形Fig.9 Rotator excitation current waveforms at synchronizing operation

根據(jù)交流勵(lì)磁變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特征，在電網(wǎng)發(fā)生低電壓故障時(shí)，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器負(fù)責(zé)Crowbar投入與退出控制，而網(wǎng)側(cè)變流器則需要按照要求作SVG運(yùn)行。本實(shí)驗(yàn)在動(dòng)態(tài)模擬仿真實(shí)驗(yàn)室中通過在高壓側(cè)模擬三相短路故障的方式模擬電網(wǎng)電壓跌落，通過改變短路點(diǎn)，設(shè)置電壓跌落度為0.4，故障持續(xù)時(shí)間700ms，待故障恢復(fù)后切換至正常運(yùn)行模式，圖10給出了LVRT實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖10 電壓跌落故障波形Fig.10 Waveforms of voltage drop fault

從圖10的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)發(fā)生電壓跌落時(shí)，網(wǎng)側(cè)變流器迅速發(fā)出3.2kvar無功功率，從圖10a中可以看出，在電壓跌落至0.6標(biāo)幺值后能上升至0.67標(biāo)幺值，證明了網(wǎng)側(cè)SVG控制有利于支撐電網(wǎng)電壓。而在發(fā)生LVRT的過程中，由于Crowbar電路的保護(hù)，直流側(cè)電容電壓的波動(dòng)得到抑制，雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子電流的過電流現(xiàn)象同時(shí)得到抑制。在故障消失后恢復(fù)至正常運(yùn)行控制模式，系統(tǒng)運(yùn)行正常，實(shí)驗(yàn)論證了本文提出方案的可行性。

7 結(jié)論

隨著風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量的擴(kuò)大，風(fēng)力發(fā)電作為新能源產(chǎn)業(yè)的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)逐步體現(xiàn)出來，而雙饋型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有變流器容量小，輸入輸出特性好等獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，對(duì)雙饋型風(fēng)力發(fā)電的勵(lì)磁控制系統(tǒng)而言，主要是針對(duì)背靠背PWM變流器的控制研究，包括以下主要技術(shù)：1）轉(zhuǎn)子勵(lì)磁變流器的矢量控制；2）網(wǎng)側(cè)變流器的4象限運(yùn)行和控制；3）有功和無功功率的解耦控制；4）電網(wǎng)低電壓故障時(shí)的雙變流器控制和SVG運(yùn)行控制處理。本文對(duì)以上技術(shù)進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，論證了技術(shù)的正確性和可行性，為兆瓦級(jí)大型雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工程化實(shí)現(xiàn)提供了一定的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

［1］ Twining Erika，Holmes Donald Grahame.Grid Current Regulation of a Three－phase Voltage Source Inverter with an LCL Input Filter［J］.IEEE Transactions on Power Electron.，2003，18（3）：888－895.

［2］Pena R，Clare J C，Asher G M.Doubly Fed Induction Generator Using Back－to－back PWM Converters and Its Application to Variable－speed Wind－energy Generation［J］.IEE Proceedings：Electric Power Application，1996，143（3）：231－241.

［3］Chris S Brune Spee，Alan K Wallacev.Experimental Evaluation of Variable－speed Wind－power Generation System［J］.IEEE Trans.Industry Applications，1994，30（3）：648－655.

［4］李晶，宋家驊，王偉勝.大型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組建模與仿真［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2004，24（6）：100－105.

［5］林成武，王鳳翔，姚興佳.變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制技術(shù)研究［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2003，23（11）：122－125.

［6］楊淑英，張興，張崇巍，等.基于自適應(yīng)諧振調(diào)節(jié)器的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電雙饋驅(qū)動(dòng)研究［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，27（14）：96－101.

［7］方太勛，吳小丹，楊浩，等.三相PWM整流器控制系統(tǒng)研究［J］.電力電子技術(shù)，2010，44（7）：68－70.

［8］WANG Xu，HUANG Kaizheng，WANG Wanwei.Modeling and Simulation Research for Three－phase Voltage Source PWM Rectifier［J］.Journal of System Simulation，2008，20（19）：5204－5207.

［9］胡家兵，孫丹，賀益康.電網(wǎng)電壓驟降故障下雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)建模與控制［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2006，30（8）：21－26.

［10］ Ranen S S，Arkkio J.Ride－through Analysis of Doubly Fed Induction Wind－power Generator Under Unsymmetrical Network Disturbance Power System［J］.IEEE Trans.on Power System，2006，21（4）：1782－1789.