高揚(yáng)，于會(huì)群，張浩，彭道剛

（上海電力學(xué)院自動(dòng)化工程學(xué)院上海市電站自動(dòng)化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200090）

基于定子磁鏈定向的雙饋風(fēng)力發(fā)電解耦控制研究

高揚(yáng)，于會(huì)群，張浩，彭道剛

（上海電力學(xué)院自動(dòng)化工程學(xué)院上海市電站自動(dòng)化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200090）

首先介紹了變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)，構(gòu)建了實(shí)際風(fēng)速的數(shù)學(xué)模型，研究了基于定子磁鏈定向的變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的控制，最后仿真實(shí)現(xiàn)了雙饋電機(jī)有功功率和無(wú)功功率的獨(dú)立解耦控制，并在發(fā)電機(jī)定子側(cè)輸出單位功率因數(shù)的情況下，調(diào)節(jié)直流母線電壓快速達(dá)到了給定參考值，維持了直流母線電壓的穩(wěn)定。

雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)；風(fēng)速數(shù)學(xué)模型；定子磁鏈定向；有功無(wú)功解耦

1 引言

過(guò)去世界各地使用的風(fēng)機(jī)，大多采用定速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)。定速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)通常采用常見(jiàn)的感應(yīng)發(fā)電機(jī)，風(fēng)速改變時(shí)，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速基本不變，運(yùn)行在超同步情況下，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差率s是負(fù)的，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。但是，由于其轉(zhuǎn)速恒定，不能跟蹤最大風(fēng)能，發(fā)電效率較低。風(fēng)速改變時(shí)，發(fā)電機(jī)的功率波動(dòng)也較大。當(dāng)風(fēng)速大于額定風(fēng)速時(shí)，將會(huì)給風(fēng)機(jī)的傳動(dòng)部分等造成很大的機(jī)械應(yīng)力，可能損壞風(fēng)機(jī)。電網(wǎng)電壓發(fā)生閃變或者無(wú)功功率波動(dòng)時(shí)，對(duì)發(fā)電機(jī)的電能質(zhì)量也會(huì)產(chǎn)生影響。正常運(yùn)行時(shí)不能改變電壓，不利于電壓恢復(fù)或者電力系統(tǒng)的穩(wěn)定［1-3］。

目前廣泛采用的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)，可以通過(guò)改變槳距角來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要通過(guò)繞線式轉(zhuǎn)子上的電力電子器件，調(diào)節(jié)輸出到電網(wǎng)上的有功功率和無(wú)功功率，根據(jù)風(fēng)速變化，快速跟蹤最大風(fēng)能，提高發(fā)電效率。當(dāng)電網(wǎng)電壓閃變或者電網(wǎng)頻率改變時(shí)，通過(guò)基于定子磁鏈定向的矢量控制技術(shù)對(duì)發(fā)電機(jī)定子輸出的有功和無(wú)功功率進(jìn)行解耦控制，調(diào)節(jié)電能質(zhì)量。

2 基于定子磁鏈定向的矢量控制

變速雙饋風(fēng)機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。風(fēng)力機(jī)機(jī)軸通過(guò)增速齒輪箱連接到繞線式感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上。電機(jī)定子直接連接到電網(wǎng)上，而轉(zhuǎn)子通過(guò)交-直-交變頻器連接到電網(wǎng)上。這些電力電子器件僅從電網(wǎng)上吸收約25%～30%的功率來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)的變速恒頻控制。

圖1 雙饋電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Double-fed induction generator system

由于變速恒頻雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的電路存在磁路上的耦合，為了實(shí)現(xiàn)有功功率和無(wú)功功率的解耦，采用了矢量控制，將三相靜止坐標(biāo)系下的定子三相電流進(jìn)行d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，分解為勵(lì)磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量。類似直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制，在調(diào)速過(guò)程中，保持勵(lì)磁電流分量不變，改變轉(zhuǎn)矩電流分量控制電磁轉(zhuǎn)矩，進(jìn)行調(diào)速。

設(shè)d-q軸以同步速度旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子和定子的電壓和磁鏈方程按電動(dòng)機(jī)慣例為

式中：uds，uqs，udr，uqr分別為定子和轉(zhuǎn)子電壓的d，q軸分量；Rs，Rr分別為定子和轉(zhuǎn)子的電阻；ids，iqs，idr，iqr分別為定子和轉(zhuǎn)子電流的d，q軸分量；p為微分算子；Ψds，Ψqs，Ψdr，Ψqr分別為定子和轉(zhuǎn)子磁鏈的d，q軸分量；ω1，ωs分別為同步速和轉(zhuǎn)差速度；Ls，Lr，Lm分別為定子和轉(zhuǎn)子的自感及互感［4-6］。

如果將發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈定向在同步坐標(biāo)系的d軸上，定子的有功功率和無(wú)功功率的計(jì)算就比較復(fù)雜，影響了控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)處理。為解決這個(gè)問(wèn)題，將發(fā)電機(jī)的定子磁鏈定向在d軸上。由于雙饋電機(jī)定子側(cè)電流頻率始終在50Hz左右，定子電阻的壓降遠(yuǎn)比電機(jī)的反電勢(shì)小，故可以忽略電機(jī)定子繞組的電阻，那么，定子電壓方程就可以化簡(jiǎn)為

轉(zhuǎn)矩方程為

定子側(cè)有功功率和無(wú)功功率分別為

由式（5）可以看出，雙饋發(fā)電機(jī)定子的有功功率與轉(zhuǎn)子電流的轉(zhuǎn)矩分量成線性關(guān)系。由式（6）可以看出，定子的無(wú)功功率與轉(zhuǎn)子電流的勵(lì)磁分量成線性關(guān)系。調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流的轉(zhuǎn)矩分量和勵(lì)磁分量，就可以分別控制定子的有功功率和無(wú)功功率，實(shí)現(xiàn)有功功率和無(wú)功功率的解耦控制［7-9］。

有功和無(wú)功解耦控制策略如圖2所示。

圖2 變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)有功、無(wú)功解耦Fig.2 Active and reactive power decoupling of VSCF doubly-fed wind power generator

定子磁鏈即d軸位置的觀測(cè)是矢量控制中旋轉(zhuǎn)變換的關(guān)鍵。在靜止坐標(biāo)系下，忽略定子電阻后定子電壓方程為

由式（7）可以看出，定子電壓矢量超前定子磁鏈?zhǔn)噶?0°，由觀測(cè)到的定子三相電壓經(jīng)過(guò)3/2變換，得到靜止坐標(biāo)系下定子電壓uα和uβ，然后計(jì)算出定子電壓矢量給定位置角θ，定子磁鏈?zhǔn)噶课恢脼棣?=θ-90°，這樣就可以得出坐標(biāo)系d軸的位置。

3 仿真研究

3.1 風(fēng)速數(shù)學(xué)模型

由于風(fēng)能具有隨機(jī)性和間歇性，通常將風(fēng)速分解為基本風(fēng)ν、陣風(fēng)vWG、漸變風(fēng)vWR和隨機(jī)風(fēng)vWN4個(gè)分量［10-12］。

基本風(fēng)風(fēng)速模型如下：

式中：A，K分別為Weibull分布的尺度和形狀參數(shù)；Γ(·)為伽馬函數(shù)。

基本風(fēng)隨時(shí)間t變化很?。?3-14］，可以設(shè)定其為常數(shù)。

陣風(fēng)風(fēng)速模型如下：

式中：vWG為陣風(fēng)風(fēng)速，m/s；T1G為陣風(fēng)啟動(dòng)時(shí)間，s；TG為陣風(fēng)周期，s；vmaxG為陣風(fēng)最大值，m/s；t為時(shí)間。

漸變風(fēng)風(fēng)速模型如下：

式中：vWR為漸變風(fēng)風(fēng)速，m/s；vWRmax為漸變風(fēng)風(fēng)速的最大值，m/s；T1R為漸變風(fēng)啟動(dòng)時(shí)間，s；T2R為漸變風(fēng)終止時(shí)間，s；TR為漸變風(fēng)保持時(shí)間，s。

隨機(jī)風(fēng)漸變風(fēng)風(fēng)速模型如下：

式中：vWN為隨機(jī)風(fēng)風(fēng)速，m/s；ωi為各個(gè)頻率段的頻率,，Δω為隨機(jī)分量的離散間距；φi為0～2π之間均勻分布的隨機(jī)變量；KN為地表粗糙系數(shù)；F為擾動(dòng)范圍，m2；μ為相對(duì)高度的平均風(fēng)速，m/s；N為頻譜取樣點(diǎn)數(shù)。

綜合上述4種風(fēng)速成份，風(fēng)力機(jī)上的風(fēng)速可由4者來(lái)合成：

3.2 仿真參數(shù)設(shè)置

雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的仿真參數(shù)設(shè)置如下：發(fā)電機(jī)的額定功率1 500kW，額定電壓U=0.575kV額定頻率f=50Hz，定子電阻Rs和定子漏感L1s分別為0.023（標(biāo)幺值）和0.18（標(biāo)幺值）；轉(zhuǎn)子電阻Rr和轉(zhuǎn)子漏感L1r分別為0.016（標(biāo)幺值）和0.16（標(biāo)幺值）；激磁電感LM為2.9（標(biāo)幺值），雙饋電機(jī)的極對(duì)數(shù)為3，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.089kg·m2，風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪半徑R＝2.4 m，齒輪傳動(dòng)比N=8，直流母線電壓初始值為800V，開(kāi)關(guān)周期Ts=0.000 2 s，仿真時(shí)間8 s。平均風(fēng)速為8.5m/s時(shí)，最佳葉尖速比λopt=9，最大風(fēng)能利用系數(shù)Cpmax=0.48。

3.3 仿真結(jié)果及分析

圖3反映了風(fēng)速的變化。基本風(fēng)速為7.5m/s陣風(fēng)從0 s開(kāi)始，8 s結(jié)束，最大值為1m/s；漸變風(fēng)從0s開(kāi)始，4 s結(jié)束，最大值為1m/s，保持時(shí)間為4 s。圖4和圖5分別為定、轉(zhuǎn)子三相電流仿真結(jié)果。

圖3 風(fēng)速仿真結(jié)果Fig.3 Simulation results of wind speed

圖4 定子三相電流Fig.4 The three-phase current of stator

圖5 轉(zhuǎn)子三相電流Fig.5 The three-phase current of rotor

圖6為有功功率和無(wú)功功率的控制結(jié)果。從圖6可以看出，經(jīng)過(guò)短暫的調(diào)節(jié)過(guò)程之后，定子有功功率和無(wú)功功率很快就實(shí)現(xiàn)了解耦控制［15-16］隨著發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，定子有功功率雖然發(fā)生了改變，但能快速跟蹤轉(zhuǎn)速的變化，動(dòng)態(tài)響應(yīng)很快，而無(wú)功功率基本穩(wěn)定，維持在0附近。這說(shuō)明定子有功功率和無(wú)功功率實(shí)現(xiàn)了各自的獨(dú)立調(diào)節(jié)。

圖6 定子有功功率、無(wú)功功率Fig.6 Active power，reactive power output of the stator

圖7為直流母線電壓的仿真結(jié)果。隨著風(fēng)速波動(dòng)，直流母線電壓很快從初始電壓800 V達(dá)到給定電壓參考值1 150 V。

圖7 直流母線電壓Fig.7 Voltage of DC bus

4 結(jié)論

本文分析了風(fēng)力機(jī)最大跟蹤的控制方法，建立了包括基本風(fēng)、漸變風(fēng)、陣風(fēng)、隨機(jī)風(fēng)等在內(nèi)的真實(shí)情況下的風(fēng)速仿真模型，探討了雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)有功和無(wú)功的獨(dú)立解耦控制策略。

由于傳統(tǒng)的PID控制是針對(duì)一個(gè)特定固定頻率的線性化模型，而變速恒頻雙饋的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是非線性的，時(shí)變不確定的，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，因此，后續(xù)仍需對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中并網(wǎng)控制和變槳距控制中的PID控制器作進(jìn)一步的改進(jìn)。

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Research on the Decoupling Control of Doubly-fed Wind Power Generators Based on Stator Flux Oriention

GAO Yang，YU Hui-qun，ZHANG Hao，PENG Dao-gang
（College of Automation Engineering，Shanghai Key Laboratory of Power Station Technology，Shanghai University of Electric Power，Shanghai 200090，China）

Firstly introduced the features of VSCF（variable speed constant frequency）doubly fed wind power generation system.Then the rotor side converter control based on the stator flux orientation was studied，achieved active and reactive power decoupling in the simulation.Finally，the output power factor of the generator stator was set as one，and the DC bus voltage was quickly regulated to the given reference value，maintaining the stability of the DC bus voltage.

doubly fed induction wind power system；wind speed model；stator flux orientation；active and reactive power decoupling

TM614

A

2014-01-06

修改稿日期：2014-06-11

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（61034004）；上海市教育委員會(huì)科研創(chuàng)新項(xiàng)目（12YZ142）

高揚(yáng)（1990-），男，碩士研究生，Email：jjgyxky@126.com