變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真研究

　　1 引言

　　風(fēng)力發(fā)電是利用風(fēng)能的一種有效形式，受到了廣泛的關(guān)注。和常規(guī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)相比，變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有功率因數(shù)可調(diào)、效率高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)變換器連接在轉(zhuǎn)子回路，僅處理雙向流動(dòng)的轉(zhuǎn)差功率，不僅具有變換器體積小、重量輕、成本低的特點(diǎn)，更可實(shí)現(xiàn)機(jī)電系統(tǒng)的柔性連接。

　　本文采用dfig功率控制來(lái)實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能追蹤的實(shí)施方案?；谧畲箫L(fēng)能追蹤的需要，將磁場(chǎng)定向矢量控制技術(shù)應(yīng)用到dfig運(yùn)行控制上，形成了基于定子磁鏈定向的dfig有功、無(wú)功功率解耦控制策略;采用雙pwm型變換器作為轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁電源，基于電網(wǎng)電壓定向矢量控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)側(cè)變換器交流側(cè)單位功率因數(shù)控制和直流環(huán)節(jié)電壓控制。

　　在建立雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真模型基礎(chǔ)上，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析，驗(yàn)證了該方案的正確性和可行性。

　　2 變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理

　　雙饋型異步發(fā)電機(jī)(dfig)采用繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)發(fā)電機(jī)，定子直接接電網(wǎng)，在轉(zhuǎn)子側(cè)施加交流勵(lì)磁來(lái)控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。由dfig實(shí)現(xiàn)的交流勵(lì)磁，可以通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的幅值、頻率和相位實(shí)現(xiàn)靈活的控制;改變轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的頻率，dfig可以實(shí)現(xiàn)變速恒頻控制;改變轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的相位，可以調(diào)節(jié)有功功率和無(wú)功功率。

　　本文采用雙pwm變換器作為dfig轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電源系統(tǒng)，如圖1所示。兩個(gè)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(wěn)定直流母線電壓。轉(zhuǎn)子側(cè)變換器向dfig的轉(zhuǎn)子繞組饋入所需的勵(lì)磁電流，實(shí)現(xiàn)dfig的矢量控制及輸出解耦的有功功率和無(wú)功功率進(jìn)而實(shí)現(xiàn)可逆運(yùn)行。網(wǎng)側(cè)變換器在實(shí)現(xiàn)能量雙向流的同時(shí)，控制著直流母線電壓的穩(wěn)定，以及對(duì)網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

　　3 雙饋異步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

　　為了實(shí)現(xiàn)雙饋電機(jī)的高性能控制，采用磁鏈定向的矢量變換技術(shù)，通過(guò)坐標(biāo)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(wú)功分量分別控制，從而實(shí)現(xiàn)有功功率和無(wú)功功率的解耦控制。定子采用發(fā)電機(jī)慣例，轉(zhuǎn)子采用電動(dòng)機(jī)慣例，建立了同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的dfig的數(shù)學(xué)模型。

　　式中：ωs為dq坐標(biāo)軸相對(duì)于轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子電壓和電流在dq軸的分量;ψsd、ψsq、ψrd、ψrq分別是定、轉(zhuǎn)子磁鏈的dq軸分量;np為電機(jī)極對(duì)數(shù)。

　　4 基于定子磁鏈定向的有功、無(wú)功解耦控制策略

　　dfig的控制對(duì)象為輸出有功功率和輸出無(wú)功功率。為了實(shí)現(xiàn)有功、無(wú)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(tǒng)，將dfig定子電流分解成為相互解耦的有功分量和無(wú)功分量，實(shí)現(xiàn)對(duì)定子側(cè)有功功率和無(wú)功功率的解耦控制。

　　如圖2所示整個(gè)控制系統(tǒng)采用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，外環(huán)為功率環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)。在功率環(huán)中，p1*和q1*與功率反饋值p1、q1進(jìn)行比較后經(jīng)pi型功率調(diào)節(jié)器運(yùn)算，輸出定子電流的有功、無(wú)功分量參考值。根據(jù)定轉(zhuǎn)子電流之間的關(guān)系計(jì)算得到轉(zhuǎn)子電流的i*rd、i*rq參考值，與轉(zhuǎn)子電流反饋值比較后，經(jīng)pi型電流調(diào)節(jié)器輸出電壓分量u'rd、u'rq，加上補(bǔ)償分量δurd、δurq可以得到轉(zhuǎn)子電壓指令u*rd、u*rq。然后轉(zhuǎn)子電壓指令經(jīng)坐標(biāo)變換后輸出兩相靜止坐標(biāo)系下的控制電壓u*α、u*β。結(jié)合svpwm控制轉(zhuǎn)子側(cè)變換器，實(shí)現(xiàn)有功、無(wú)功功率的解耦控制。

　　5 網(wǎng)側(cè)變換器控制

　　網(wǎng)側(cè)變換器主要實(shí)現(xiàn)交流側(cè)輸入單位功率因數(shù)控制和在各種狀態(tài)下保持直流環(huán)節(jié)電壓穩(wěn)定，確保轉(zhuǎn)子側(cè)變換器和整個(gè)dfig勵(lì)磁系統(tǒng)可靠的工作。本文采用基于電網(wǎng)電壓定向的控制策略實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)側(cè)變換器的控制。

　　如圖3所示，直流環(huán)節(jié)給定電壓和反饋電壓相比較后的誤差經(jīng)pi調(diào)解器調(diào)節(jié)輸出i*d，對(duì)網(wǎng)側(cè)變換器進(jìn)行單位功率因數(shù)控制，即i*q=0。電流的有功、無(wú)功分量給定和電流的反饋值比較后經(jīng)pi調(diào)解器輸出u'rd、u'rq，然后與解耦項(xiàng)和補(bǔ)償項(xiàng)一起構(gòu)成變換器給定參考電壓，然后將其變化到兩相靜止坐標(biāo)系下的電壓控制相量，通過(guò)svpwm調(diào)制，產(chǎn)生網(wǎng)側(cè)變換器所需的觸發(fā)脈沖信號(hào)，進(jìn)而進(jìn)行網(wǎng)側(cè)變換器的整體控制。

　　6 系統(tǒng)仿真

　　基于matlab中的simulink仿真環(huán)境，對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析(見圖4)，以獲得一定的指導(dǎo)性結(jié)論，并驗(yàn)證前述理論的正確性及可行性。雙饋電機(jī)參數(shù)如下：定子額定功率pn=22kw，額定電壓un=220v，電機(jī)極對(duì)數(shù)p=2，額定電流in=6.9a，同步轉(zhuǎn)速n1=1500r/min，折算至定子繞組匝數(shù)后的繞組參數(shù)：rs=0.435ω，rr=0.816ω，ls=0.002h，lr=0.002h，lm=0.693h;直流環(huán)節(jié)電容為c=2000μf，直流環(huán)節(jié)電壓udc=540v，進(jìn)線電抗器l=0.002h，開關(guān)頻率f=5khz。

　　輸入風(fēng)速為v=7.4m/s時(shí)，電機(jī)工作在亞同步速條件下，定子側(cè)輸出有功、無(wú)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(fā)電狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁系統(tǒng)提供直流勵(lì)磁，對(duì)應(yīng)的輸出有功功率約為1500w，從有功功率曲線可見，仿真結(jié)果理論值相符合;無(wú)功功率基本為零，功率因數(shù)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(cè)相電壓和相電流的頻率均為50hz，說(shuō)明了定子側(cè)無(wú)功功率幾乎為零。

　　由仿真波形可知，系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，整流器直流側(cè)電壓穩(wěn)定在540v。亞同步速時(shí)，網(wǎng)側(cè)變換器工作在整流狀態(tài)下，能量流出電網(wǎng)，輸出電流波形為正弦且諧波分量很小，電網(wǎng)電壓電流波形同相位，整流器工作在單位功率因數(shù)情況下。

　　圖10為電機(jī)工作在超同步速條件下時(shí)，網(wǎng)側(cè)變換器交流側(cè)電網(wǎng)電壓和電流波形，網(wǎng)側(cè)變換器工作在逆變狀態(tài)下，電網(wǎng)電壓和電流反相位，能量流入電網(wǎng)。從而說(shuō)明本文采用的雙pwm型變換器具有能量雙向流動(dòng)的能力，并且變換器輸入、輸出特性較好。

　　7 結(jié)束語(yǔ)

　　在闡述了變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)基本原理的基礎(chǔ)上，給出了基于定子磁鏈定向的矢量控制策略和基于電網(wǎng)電壓定向的網(wǎng)側(cè)變換器控制方法，結(jié)合雙pwm型變換器運(yùn)用于變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，基于matlab/simulink軟件平臺(tái)，搭建了變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真模型，進(jìn)行了驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)分析，仿真結(jié)果表明，采用所述控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)最大風(fēng)能的追蹤和解耦控制，同時(shí)采用的雙pwm型變換器具有能量雙向流動(dòng)、輸入和輸出特性好的特點(diǎn)。證明了所述控制策略的正確性和有效性，具有良好的工業(yè)應(yīng)用前景。