第３期 王红君等．变速恒频风电系统优化控制策略研究 ３４９ 变速恒频风电系统优化控制策略研究 王红君。 戴伍祥 赵辉 岳有军。 （１．天津理工大学天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室，天津３００３８４； ２．天津农学院，天津３００３８４） 摘要 通过分析网侧变换器和定子侧变换器运行原理，提出变换器的数学模型和控制策略，利用定子 磁链定向矢量控制方法和电网电压定向的矢量控制方法，建立矢量控制方程式，采用双闭环控制策略实 现定子有功功率、无功功率的解耦控制，使得网侧保持功率因数运行和直流母线电压稳定。通过ＭＡＴ． ＬＡＢ／ＳＩＭＵＬＩＮＫ软件，构建了风电系统仿真模型，仿真结果验证了矢量控制的可行性。 关键词 风力发电 矢量控制 解耦控制 中图分类号ＴＨ８６２ ．３ 文献标识码 Ａ 文章编号 １０００－３９３２（２０１３）０３－０３４９－０４ 在能源紧缺的今天，风能作为一种可再生新 电网 能源受到越来越多的关注，变速恒频风力发电技 术是该领域的研究热点，它将自动控制、电力电子 等技术应用于双馈风电机组的控制上，可实现对 风能的最大捕获。 相对于一般发电机组，双馈感应发电机 （ＤＦＩＧ）在励磁电流的控制上更加灵活，机组运行 更加稳定，便于发电系统实现更安全、便捷的并 网¨。 。能量稳定的双向流动是保证风电系统稳 定运行的前提，笔者采用双ＰＷＭ变换器作为励 图１ 变速恒频风电系统原理图 磁电源，通过采用矢量控制策略，实现了有功功率 ２风电系统矢量控制策略 和无功功率的解耦控制，实现了在单位功率因数 ２．１ 转子侧定子矢量控制 下能量的双向流动。 转子侧定子磁链定向矢量控制ＤＦＩＧ系统是 １ 变速恒频双馈风电系统工作原理 一个高阶、非线性和强耦合的多变量系统。将 双馈电机在结构上跟绕线式异步感应电机相 ＤＦＩＧ在动态旋转坐标系ｄ．９轴上建立其数学模 似，可调节励磁电流的幅值、频率和相位。运行时 型¨ ，则其电压方程为： 电机的定子侧通过隔离变压器接人工频的三相电 Ｍ。ｄ＝Ｒ。ｉ ｄ ｐ 一Ｗｌ 。。 网，转子侧跟变频器相接，并从变频器中得到低频 ＝ 叩Ｂ ＋ｐ ＋ １ 阳 励磁电流。整个变速恒频风电系统的结构原理如 （１） Ｈ ｄ＝Ｒ ｉｒｄ＋ｐ ｒｄ一 ２ 。 图１所示。 “ｗ＝Ｒ ｉ ＋ｐ 一Ｗ２ ｒｄ 由图１可知 分别为ＤＦＩＧ定、转子电流 磁链方程为： 的频率；ｒ／，，、ｒｔ：分别为定、转子磁场的转速；ｒｔ 为 转子的转速，且有 ＝ｒｔＩ／６０， ＝／／＇＇２／６０。ＤＦＩＧ运 行稳定时有 ＝１１，，一ｎ：，则可知ｎｒ／６０＝ －Ａ。 当发电机转速发生变化时，可调节转子励磁电流 收稿日期：２０１２—１０．１９ 频率 ，使得定子输出频率 恒定不变，从而实现 基金项目：天津市自然科学基金项目（Ｏ９ＪｃｚＤＪＣ２３９００， 变速恒频调节。 １０ＪｃｚＤＪｃ２３１ＯＯ）；天津市科技支撑计划项目 （１ＯＺＣＥＣＪＤ４３０８０） ３５０ 化工自动化及仪表 第４０卷 ｄ＝Ｌ ｉ ＋Ｌｏｉ 势ｅ落后 ９０。，则定子电压空间矢量正好落ｑ在 ＝Ｌ ｉ，ａ＋Ｌｏｉ￣ （２） 轴的负方向上。则： ＝ 。，砂 ＝０，ｕ ＝０，“ ＝ ｒｄ＝Ｌ０ｉ。ｄ＋Ｌ ｉ 一 。式（１）～（３）可变为： ＝Ｌｏｉ ＋Ｌｉ ０＝ｐｑ，。 ｑ口ｒ有功功率和无功功率为： Ｍ ＝一Ｗｌ （４） ＝Ａｕ ＋ 』【 ｓＱ。＝Ｕ ｅ ｑｉ“一“ 。／￣ａｑ ｇａｑ （３） ｒｄｌ “ｑ＝Ａｕ ＋“ｗｌ 式中 ～ｉ，ｉ ｉ ｑ——定子电流、转子电流在ｄ－ｑ 轴上的分量； ｆＰｓ －ｕ￣ｉ，ｑ 【Ｑ ＝一“ ｐ——微分算子； ｕ ｄ，Ｍ ｓ口，Ｍｒｄ， ——定子电压、转子电压在ｄ＇ｑ 其中： 轴上的分量； （６） ——同步角速度； ｛Ａ△ｔ ｄ：＝ Ｗ：２ Ｏｔｉ ｒｑ一 ——ｄ—ｑ坐标系相对于转子的 角速度。 （７） ＤＦＩＧ定子绕组通过隔离变压器接在电网上， 其中， ＝ 一Ｌ２定子绕组的电阻比其电抗要小得多，因此可以忽 ｏ Ｌ，△“ △ｕ 为消除耦合的电 略定子绕组电阻。此时定子的磁链矢量相位与电 压磁链矢量相位正好相差９０。，发电机感应电动 压前馈补偿分量；ｕ 、 为转子电压的分量。 势ｅ可看做定子端电压ｕ 。为了简化控制，使定 根据以上模型可以得出转子侧矢量控制框图 子磁链矢量 位于ｄ轴上，因为发电机感应电动 如图２ 所示。 网侧 图２转子侧矢量控制框图 图２采用双闭环控制方案，内环控制有功功 电流变换，将定子电流给定值再转换成转子侧电 率，外环控制无功功率，Ｐ 为在最大风能捕获条 流给定值，与实际值比较后，经ＰＩ调节器后得到 件下有功功率的给定值，Ｑ 是无功功率给定值。 扰动电压项ｕ 、ｕ训，加上补偿分量后得到转子侧 Ｐ 、Ｑ 与实际有功功率Ｐ、无功功率Ｑ比较后， 的电压，经ＳＶＰＷＭ后产生所需要的励磁电压和 经ＰＩ调节器得到定子电流给定值ｉ 、ｉ ’，通过 电流。 第３期 王红君等．变速恒频风电系统优化控制策略研究 ３５１ ２．２ 网侧电压定向矢量控制 励磁变换器的作用是控制能量在转子侧和电 ｆ Ｒｉ “ 网之间的流动。励磁变换器的控制目标有两个： ｒ●●Ｊ、●Ｌ｛Ｉ Ｕｇｑｌ Ｒｉｑ Ｌ Ｔｔ 保持输出直流电压恒定且有良好的动态响应能 胛 式中 、 ——交流侧进线电感和等效电阻； ： Ｉｌ 力；确保交流侧的输入电流为正弦电流，功率因数 “ “ ——变换器交流侧电压的ｄ、ｑ轴分 为１。 ＋ ＋ △ 量； Ｕ △ Ｕ 励磁变换器在旋转坐标系ｄ－ｑ轴上建模，为 斡 ＋ △“ △Ｍ ——补偿分量； 了使控制简单，可使用电网电压矢量控制，即将同 Ｕ ｕ ，、“ ——电网扰动电压项。 步旋转坐标系的ｄ轴跟电网电压ｕ 同向，则 ＝ 根据以上分析可得到网侧矢量控制框图如图 ，ｕ。＝０。由此可得到： ３所示。 网侧变换器也采用双闭环控制，内环控制直 流侧电压 直流电压给定值跟反馈值进行比较 再经过电压控制得到电流ｉ ，其值决定有功功 其中： 率的大小，方向决定有功功率的流向；外环是电流 『Ａｕ ＝ ｌＬｉ口 环，ｉ。’值可ｔｔ行给定，为了实现单位功率因数整 ｛【Ａ ｕｇｇ＝ ｌＬｉｄ 流和逆变使ｉ ’＝０。引入电压耦合补偿项△“ △“ 与电网扰动电压项“ 、“刚实现解耦控制。 转子侧 图３ 网侧矢量控制框图 ３系统仿真分析 ８ｍ／ｓ。在上述描述的风速中风电系统各个重要 为了验证采用矢量控制方法控制双ＰＷＭ变 参量的仿真如图４所示。 换器的可行性，采用ＭＡＴＬＡＢ／ＳＩＭＵＬＩＮＫ软件对 由图５、６可知，在０．４ ｓ和０．７ ｓ时，转子转速 系统进行仿真。仿真所用风电系统的参数为：发 电机——额定功率为２．５，极对数为４，额定电压 为２００，定子电阻漏感分别为４３５、２ｍＱ，转子电阻 ∞ ● 漏感分别为８１６、２ｍＨ，互感为６９．３１ｍＨ，转动惯 皇 量为０．０８９ｋｇ·１１＂１ ；双ＰＷＭ变换器——进线电感 噻 为６ｍＨ，等效电阻为５００ｍ￣，滤波电容为 ２ ２００￣Ｆ；直流母线电压为１５０；电网电压、频率分 别为３８０、５０Ｈｚ。 为了分析矢量控制方案的可行性，设计风速 在０．４ｓ时从５ｍ／ｓ变为７ｍ／ｓ，在０．７ｓ时又变为 图４风速变化仿真结果 ３５２ 化工自动化及仪表 第４０卷 褂 器 之 幽 ２ ０．３ ｏ．４ ｏ．５ ０．６ ｏ．７ ｏ．８ ０．９ １．ｏ 时间，ｓ 图５ 定子侧有功功率、无功功率解耦 图７ 定子电压、电流仿真 ．曼 巨 ● 堪 瑙 ４ ３ ２● 时ｌ司／ｓ ∞∞∞∞Ｏ∞∞∞∞ｃ 图６ 转子转速变化仿真 图８ 转子侧三相电流仿真 和有功功率随着风速的增大而增大，无功功率始 终保持为零，从图５、６中可以看出有功功率和无 功功率实现了解耦控制。图７所示的是定子的一 析，并由此建立仿真模型。在不同风速情况下发 电机变速恒频运行，对定子进行有功功率、无功功 率解耦控制，网侧直流电压保持稳定，实现能量双 向流动。仿真结果表明笔者所提出的矢量控制策 略在风电系统中具有良好的应用前景。 参考 文 献 相电压和电流，当风速发生变化时，定子电压保持 不变，定子电流相位和频率保持不变只有幅值变 化，由此可以看出电机变速恒频运行；从亚同步运 行变为超同步运行转子电流的变化情况如图８所 示，从图中可知转子电流在变化时进行换向。 ４ 结束语 ［１］ 霍志红，郑源．风力发电机组控制技术［Ｍ］．北京： 中国水利水电出版社，２０１０． ［２］ 刘其辉，贺益康，赵仁德．变速恒频风力发电系统 最大风能追踪控制［Ｊ］．电力系统及其自动化， ２００３，２７（２Ｏ）：６２～６７． 笔者在采用双ＰＷＭ变换器作为励磁电源的 基础上，采用矢量控制，对ＤＦＩＧ风电系统进行分 Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ｖｅｃｔｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｔｒａｔｅｇｙ ｆｏｒ ＶＳＣＦ Ｗｉｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ＷＡＮＧ Ｈｏｎｇ—ｊｕｎ ，ＤＡＩ Ｗｕ—ｘｉａｎｇ ，ＺＨＡＯ Ｈｕｉ ，ＹＵＥ Ｙｏｕ—ｊｕｎ （１．Ｔｉａｎｊｉｎ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｆｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｉｎ Ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ Ｓｙｓｔｅｍ， Ｔｉａｎｉｆｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３００３８４，Ｃｈｉｎａ；２．Ｔｉａｎｊｉｎ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３００３８４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｂｙ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｎｅｔ ｓｉｄｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ａｎｄ ｓｔａｔｏｒ ｓｉｄｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，ｔｈｅ ｃｏｎｖｅ￣ｅｒ’ Ｓ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｗｅｒｅ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｓｔａｔｏｒ ｆｌｕｘ ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｎｅｔｗｏｒｋ ｖｏｌｔａｇｅ ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈ— ｏｄｓ ａｎｄ ａ ｄｏｕｂｌｅ—ｃｌｏｓｅｄ ｌｏｏｐ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｔｏ ｍａｋｅ ｔｈｅ ｒｏｔｏｒ ｓｔａｔｏｒ ａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｄｅ— ｃｏｕｐｌｉｎｇ ＳＯ ｔｈａｔ ｔｈｅ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ ｓｉｄｅ ｃａｎ ｋｅｅｐ ｐｏｗｅｒ ｆａｃｔｏｒ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ＤＣ ｂｕｓ ｖｏｌｔａｇｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ；ｔｈｅ Ｍａｔ－ ｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ－ａｓｓｉｓｔｅｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｖｅｒｉｆｉｅｓ ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏ１． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ，ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ
