變速恒頻雙饋風力發電系統仿真研究

　　1 引言

　　風力發電是利用風能的一種有效形式，受到了廣泛的關注。和常規風力發電系統相比，變速恒頻雙饋風力發電系統具有功率因數可調、效率高等優點，同時變換器連接在轉子回路，僅處理雙向流動的轉差功率，不僅具有變換器體積小、重量輕、成本低的特點，更可實現機電系統的柔性連接。

　　本文采用dfig功率控制來實現最大風能追蹤的實施方案。基于最大風能追蹤的需要，將磁場定向矢量控制技術應用到dfig運行控制上，形成了基于定子磁鏈定向的dfig有功、無功功率解耦控制策略;采用雙pwm型變換器作為轉子的勵磁電源，基于電網電壓定向矢量控制技術，實現了網側變換器交流側單位功率因數控制和直流環節電壓控制。

　　在建立雙饋風力發電系統仿真模型基礎上，對整個系統進行了仿真分析，驗證了該方案的正確性和可行性。

　　2 變速恒頻雙饋風力發電機的運行原理

　　雙饋型異步發電機(dfig)采用繞線轉子感應發電機，定子直接接電網，在轉子側施加交流勵磁來控制發電機的轉矩。由dfig實現的交流勵磁，可以通過調節勵磁電流的幅值、頻率和相位實現靈活的控制;改變轉子勵磁電流的頻率，dfig可以實現變速恒頻控制;改變轉子勵磁電流的相位，可以調節有功功率和無功功率。

　　本文采用雙pwm變換器作為dfig轉子勵磁電源系統，如圖1所示。兩個三相電壓源型pwm全橋變換器采用直流鏈連接，靠中間的濾波電容穩定直流母線電壓。轉子側變換器向dfig的轉子繞組饋入所需的勵磁電流，實現dfig的矢量控制及輸出解耦的有功功率和無功功率進而實現可逆運行。網側變換器在實現能量雙向流的同時，控制著直流母線電壓的穩定，以及對網側的功率因數進行調節。

　　3 雙饋異步發電機的數學模型

　　為了實現雙饋電機的高性能控制，采用磁鏈定向的矢量變換技術，通過坐標變換和磁鏈定向，將dfig定子電流分解成相互解耦的有功分量和無功分量分別控制，從而實現有功功率和無功功率的解耦控制。定子采用發電機慣例，轉子采用電動機慣例，建立了同步旋轉坐標系下的dfig的數學模型。

　　式中：ωs為dq坐標軸相對于轉子的角速度;ω1為定子頻率的同步角速度;usd、usq、urd、urq、isd、isq、ird、irq分別是定、轉子電壓和電流在dq軸的分量;ψsd、ψsq、ψrd、ψrq分別是定、轉子磁鏈的dq軸分量;np為電機極對數。

　　4 基于定子磁鏈定向的有功、無功解耦控制策略

　　dfig的控制對象為輸出有功功率和輸出無功功率。為了實現有功、無功功率的解耦控制策略，采用定子磁鏈定向的矢量控制系統，將dfig定子電流分解成為相互解耦的有功分量和無功分量，實現對定子側有功功率和無功功率的解耦控制。

　　如圖2所示整個控制系統采用雙閉環結構，外環為功率環，內環為電流環。在功率環中，p1*和q1*與功率反饋值p1、q1進行比較后經pi型功率調節器運算，輸出定子電流的有功、無功分量參考值。根據定轉子電流之間的關系計算得到轉子電流的i*rd、i*rq參考值，與轉子電流反饋值比較后，經pi型電流調節器輸出電壓分量u'rd、u'rq，加上補償分量δurd、δurq可以得到轉子電壓指令u*rd、u*rq。然后轉子電壓指令經坐標變換后輸出兩相靜止坐標系下的控制電壓u*α、u*β。結合svpwm控制轉子側變換器，實現有功、無功功率的解耦控制。

　　5 網側變換器控制

　　網側變換器主要實現交流側輸入單位功率因數控制和在各種狀態下保持直流環節電壓穩定，確保轉子側變換器和整個dfig勵磁系統可靠的工作。本文采用基于電網電壓定向的控制策略實現對網側變換器的控制。

　　如圖3所示，直流環節給定電壓和反饋電壓相比較后的誤差經pi調解器調節輸出i*d，對網側變換器進行單位功率因數控制，即i*q=0。電流的有功、無功分量給定和電流的反饋值比較后經pi調解器輸出u'rd、u'rq，然后與解耦項和補償項一起構成變換器給定參考電壓，然后將其變化到兩相靜止坐標系下的電壓控制相量，通過svpwm調制，產生網側變換器所需的觸發脈沖信號，進而進行網側變換器的整體控制。

　　6 系統仿真

　　基于matlab中的simulink仿真環境，對雙饋風力發電系統進行仿真分析(見圖4)，以獲得一定的指導性結論，并驗證前述理論的正確性及可行性。雙饋電機參數如下：定子額定功率pn=22kw，額定電壓un=220v，電機極對數p=2，額定電流in=6.9a，同步轉速n1=1500r/min，折算至定子繞組匝數后的繞組參數：rs=0.435ω，rr=0.816ω，ls=0.002h，lr=0.002h，lm=0.693h;直流環節電容為c=2000μf，直流環節電壓udc=540v，進線電抗器l=0.002h，開關頻率f=5khz。

　　輸入風速為v=7.4m/s時，電機工作在亞同步速條件下，定子側輸出有功、無功功率、相電壓和相電流波形如圖5~9所示：

　　dfig工作于亞同步發電狀態下，轉子勵磁系統提供直流勵磁，對應的輸出有功功率約為1500w，從有功功率曲線可見，仿真結果理論值相符合;無功功率基本為零，功率因數近似為1。圖7為dfig定子電壓ua與定子電流ia波形，ua與ia同相位，定子側相電壓和相電流的頻率均為50hz，說明了定子側無功功率幾乎為零。

　　由仿真波形可知，系統穩定時，整流器直流側電壓穩定在540v。亞同步速時，網側變換器工作在整流狀態下，能量流出電網，輸出電流波形為正弦且諧波分量很小，電網電壓電流波形同相位，整流器工作在單位功率因數情況下。

　　圖10為電機工作在超同步速條件下時，網側變換器交流側電網電壓和電流波形，網側變換器工作在逆變狀態下，電網電壓和電流反相位，能量流入電網。從而說明本文采用的雙pwm型變換器具有能量雙向流動的能力，并且變換器輸入、輸出特性較好。

　　7 結束語

　　在闡述了變速恒頻雙饋風力發電系統基本原理的基礎上，給出了基于定子磁鏈定向的矢量控制策略和基于電網電壓定向的網側變換器控制方法，結合雙pwm型變換器運用于變速恒頻雙饋風力發電系統，基于matlab/simulink軟件平臺，搭建了變速恒頻雙饋風力發電系統仿真模型，進行了驗證性實驗分析，仿真結果表明，采用所述控制策略能夠實現最大風能的追蹤和解耦控制，同時采用的雙pwm型變換器具有能量雙向流動、輸入和輸出特性好的特點。證明了所述控制策略的正確性和有效性，具有良好的工業應用前景。