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交流励磁变速恒频风力发电系统的运行与控制

2008年1月

第23卷第1期电工技术学报TRANSACTIONSOFCHINAELECTROTECHNICALSOCIETYVol.23No.1Jan.2008

交流励磁变速恒频风力发电系统的

运行与控制

刘其辉1贺益康2赵仁德2

（1.华北电力大学电气与电子工程学院北京102206

2.浙江大学电气工程学院杭州310027）

摘要合理的励磁控制是确保变速恒频风力发电机可靠、高效运行的关键。

分析了旋转坐标

系下双馈型异步发电机（DFIG）的数学模型，采用定子磁链定向方式推导了DFIG矢量控制策略，并通过DFIG功率控制实现最大风能追踪。

采用双PWM变换器作为DFIG的励磁电源，其中网侧

变换器通过电网电压定向矢量控制实现交流侧功率因数和直流母线电压控制。

在10kW机组上进

行了包括发电机稳、动态变速恒频运行，最大风能追踪以及网侧变换器控制等内容的实验研究，

实现了DFIG功率解耦、最大风能追踪以及相应的变换器工作状态的切换，验证了控制策略的正

确性。

关键词：

交流励磁变速恒频风力发电矢量控制双PWM变换器

中图分类号：

TM310

OperationandControlofAC-ExitedVariable-Speed

Constant-FrequencyWindPowerGenerationSystem

LiuQihui1HeYikang2ZhaoRende2

（1.NorthChinaElectricPowerUniversityBeijing102206China

2.ZhejiangUniversityHangzhou310027China）

AbstractReasonableexcitationcontroliscrucialforvariable-speedconstant-frequency（VSCF）

windpowergeneratortooperateefficientlyandreliably.Themathematicmodelofdoubly-fedinductiongenerator（DFIG）isfirstlyanalyzedintherotationalreferenceframe.Basedonstatorflux

orientation,vectorcontrolstrategyofDFIGisinvestigated,bywhichthemaximumwindpowercanbe

traced.Back-to-backPWMconvertersareconstructedastheexcitationsourceofDFIG,andtheACpowerfactorandDCbusvoltageofgrid-sideconverterareregulatedbygridvoltageorientationvector

control.Experimentalresearch,whichincludesstatic&dynamicVSCFoperation,themaximumwind

powertracing,grid-sideconvertercontrolandetc.,isconductedona10kWexperimentalrig.ThedecoupledcontrolofDFIGactivepowerandreactivepoweroutput,thetracingofmaximumwindpowerandthecorrespondingswitchofconvertersoperationstatusareachieved.Experimentalresultsconfirmthecorrectnessofcontrolstrategyproposedbythispaper.

Keywords：

AC-excitation,VSCF,windpowergeneration,vectorcontrol,back-to-backPWM

converter

国家863高技术基金项目（2001AA512023）。

收稿日期2006-03-13改稿日期2007-02-01

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电工技术学报2008年1月

1引言

交流励磁变速恒频（AC-ExitedVariable-SpeedConstant-Frequency，AEVSCF）发电技术是一种全首先，新、高效的发电方式，具有显著的优越性[1-4]：

机组可以根据实际工况变速运行，不但能提高能量转换效率，还能降低机组的机械应力；其次，可以实现有功、无功功率的解耦控制，提高电力系统的调节能力及稳定性[4]；再次，通过交流励磁可以实现发电机与电网的“柔性连接”，简化并网操作[1]；最后，在发电机转子侧励磁[5-6]，可减小励磁电源的容量。

AEVSCF发电技术适于绿色能源开发，尤其是风力发电中的应用。

AEVSCF风力发电系统是一个复杂的机电能量转换体系[7-8]，随着机组容量的不断增大，其运行经济性和可靠性成为关注的热点问题[9]。

本文对AEVSCF风力发电系统的运行及控制进行了研究，分别采用定子磁链定向和电网电压定向矢量变换技术，推导了双馈型异步发电机（Doubly-FedInductionGenerator，DFIG）及网侧变换器的控制策略。

最后设计了实验样机，对DFIG的稳、动态变速恒频运行、功率解耦特性、最大风能追踪、励磁变换器运行进行了较为全面的实验研究，验证了AEVSCF风力发电系统运行理论和控制方法的正确性。

超同步运行时，s2＜0、P2＜0，转子交流励磁相序与定子相反，转子向电网回馈能量；当发电机同步速运行时，s2=0，转子直流励磁，转子与电网间无能量交换。

图1交流励磁变速恒频风力发电系统Fig.1AEVSCFwindpowergenerationsystem

DFIG转子励磁变换器由两个背靠背的PWM变换器（双PWM变换器）构成，分别称之为机侧变换器和网侧变换器（见图1）。

变换器采用全控器件IGBT及SVPWM调制方式，输入、输出特性好，通过切换两个变换器的工作状态（整流或逆变）可改变能量流向，满足DFIG亚同步、超同步运行的需求。

双PWM变换器的功能如图1所示。

机侧变换器对DFIG进行励磁控制，实现功率解耦和风能追踪；网侧变换器实现直流环节电压和交流侧功率因数控制。

2交流励磁变速恒频的原理

AEVSCF风力发电系统如图1所示。

DFIG定子接电网，转子接励磁变换器，通过变换器改变转子励磁电流的频率、幅值和相位，实现“交流励磁”。

根据电机学知识，有

pnnm

+f2=f1

（1）60

3最大风能追踪控制

3.1DFIG有功、无功功率解耦控制

DFIG输出有功、无功功率的解耦是发电机运行的基本要求，也是实现最大风能追踪的前提。

本文采用定子磁链定向矢量控制技术实现DFIG功率的解耦控制。

为分析控制变量关系，按发电机惯例建立DFIG数学模型，所用坐标系如图2所示。

m、t为两相同

式中f1,f2——DFIG定、转子电流频率

nm——DFIG机械转速pn——DFIG极对数

由上式可知，当发电机转速变化时，调节转子励磁电流频率可保持定子输出电能频率恒定，这就是“变速恒频”的原理。

忽略损耗时，DFIG转子输入有功功率为

P2=sP1

（2）

式中P1——DFIG定子输出有功功率

s——转差率

DFIG亚同步运行时，s2＞0、P2＞0，转子交流励磁相序与定子相同，转子从电网吸收能量；DFIG

图2DFIG矢量控制坐标变换

Fig.2CoordinatetransformationforDFIGvectorcontrol

第23卷第1期

刘其辉等交流励磁变速恒频风力发电系统的运行与控制131

步速旋转坐标系，m轴定在定子磁链矢量ψ1的方向。

ψ1的m、t轴分量分别为ψm1=ψ（、ψt1=0。

1ψ1的幅值）工频条件下发电机定子电阻远小于定子绕组电抗，可以忽略，因而DFIG感应电动势矢量e1等于定子电压矢量u1。

因为e1落后于ψ190°，故e1和u1位、um1=0。

于t轴的负方向，从而有ut1=−u（1u1的幅值）上述情况下的DFIG电压和磁链方程为

[10-11]

⎧P1=−u1it1

（5）⎨

⎩Q1=−u1im1

可以看出，DFIG输出有功功率、无功功率分别与定子电流t、m轴分量成正比，调节转矩电流分量it1和励磁电流分量im1可分别独立地调节P1和Q1，实现功率解耦。

由DFIG的电压和磁链方程可以导出

′+∆um2⎧um2=um2

（6）⎨

′u=u+∆ut2t2⎩t2

′、ut2′是解耦项；∆um2、∆ut2为补偿项式中，um2

′=（R2+bp）im2⎧um2

（7）⎨

′u=（R+bp）i2t2⎩t2

⎧∆um2=−bωsit2

（8）⎨

∆u=aωψ+bωis1sm2⎩t2

u1⎧

ψ=1⎪ω1⎪⎪

（3）⎨pψ1=0

⎪u=Ri+pψ−ωψ

2m2m2st2⎪m2

⎪⎩ut2=R2it2+pψt2+ωsψm2

1⎧

=i⎪m2L（L1im1−ψ1）m⎪

⎪⎪i=L1i

（4）⎨t2Lt1

m⎪

⎪ψm2=−Lmim1+L2im2⎪⎪⎩ψt2=−Lmit1+L2it2

式中，a=−Lm/L1；b=L2−L2m/L1；p为微分算子，这样将转子电压分解为解耦项和补偿项，既简化了控制，又能保证控制精度和动态响应特性。

按式（3）～式（8）设计出DFIG矢量控制系统如图3所示。

其外环为功率环，内环为电流环，包括反馈功率计算、参考功率计算、磁链观测器、转子电压补偿计算、PI调节器、坐标变换、SVPWM调制等诸多环节。

参考功率计算关系到最大风能追踪，将在随后分析。

磁链观测器的精度决定着控制系统的性能，本文提出了一种实现简单、精度较高的u-ω型磁链观测器。

式中L1,L2,Lm——发电机定、转子等效自感和互

感

R2——转子绕组电阻

im1,it1,im2,it2——定、转子电流的m、t轴分量

ω1,ωs——同步角速度及转差角速度

p——微分算子

从式（3）可知，ψ1为常数，其值为u1与ω1之比。

考虑ut1=

−u1，um1=0的定子输出功率为

图3交流励磁变速恒频风力发电机矢量控制系统框图Fig.3VectorcontroldiagramoftheVSCFwind-powergenerator

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电工技术学报2008年1月

由于ψ1超前u190°空间角度，则ψ1相角θs与u1相角θu的关系为

根据风力机的知识、风能追踪机理和DFIG功率特性，DFIG参考有功功率P*的计算公式为

⎧*Popt

−∆P⎪P=1s−⎪

′Pm⎪

（10）⎨∆P=PCu1+PFe1+−1s⎪

⎪Popt=kωr3⎪⎩

θs=θu+90°（9）

根据式（3）与式（9）设计的u-ω型磁链观测器如图4所示。

式中PCu1,PFe1——发电机定子铜耗、铁耗

图4u-ω型定子磁链观测器Fig.4u-ωtypestatorfluxlinkageobserver

s——发电机转差率

′——风力机最佳功率、发电机机械Pout,Pm

损耗

k——与风力机有关的系数

本文最大风能追踪方案通过控制DFIG有功功率间接调节机组转速至最佳转速，无需风速检测，动态响应快，鲁棒性好。

3.2最大风能追踪控制机理

由风力机的知识可知，风速变化时应实时调节机组转速至最佳转速以追踪最大风能[4,12]。

图5为不同风速下定桨距风力机的功率特性，vi（i=1,2,3）为三种不同的风速，且v1＞v2＞v3。

图中Popt曲线为最佳功率曲线，运行在该曲线上，风力机就能捕获到最大风能。

控制DFIG的输出有功功率可调节机组的电磁阻转矩及转速，如果令发电机输入机械功率为风力机的最佳功率Popt，风力机会稳定运行于最佳功率曲线上，实现最大风能追踪，机理解释如下：

假设在风速v3下机组稳定运行于最佳功率曲线上的A点，此时风力机的输出功率和发电机的输入机械功率相平衡，风力机的稳定转速为ω1。

如果某时刻风速升至v2，风力机跳至B点运行，其输出功率由Pa突增至Pb。

由于惯性作用，发电机仍暂时运行在A点，风力机提供的功率大于发电机的输入功率，从而导致转速上升。

在转速上升的过程中，风力机和发电机分别沿着B→C曲线和A→C曲线增速运行。

到达C点时，功率再一次达到平衡，转速。

同理也可分析风速稳定为ω2（v2对应的最佳转速）从v1到v2变化的逆过程。

4网侧变换器的控制

双PWM变换器的主电路如图6所示。

其中ua、ub、uc为网侧变换器交流侧电网电压，ia、ib、ic为交流侧流入电流；R、L是进线电抗器的等效电阻和电感；C为直流环节的储能电容；udc是直流环节电压。

网侧变换器的控制目标是保持交流侧单位功率因数运行和直流环节电压稳定。

仍采用坐标变换进行分析，如图7所示。

图6双PWM变换器主电路结构Fig.6Structureofback-to-backPWMconverter

图5风力机的功率特性

Fig.5Thepowercharacteristicsofawindturbine

图7网侧变换器矢量控制坐标变换

Fig.7Coordinatetransformationofgrid-sideconverter

vectorcontrol

第23卷第1期

刘其辉等交流励磁变速恒频风力发电系统的运行与控制133

图中d、q为两相同步速旋转坐标系，us、ur

分别为电网电压矢量和网侧变换器交流侧电压矢量，i为交流侧输入电流矢量。

可以看出，控制ur可调节us与i的相位差，即交流侧的功率因数角。

d、q坐标系下网侧变换器的数学模型为[13]

⎧did

L=−Rid+ω1Liq+ud−udr⎪⎪dt

（11）⎨

id⎪Lq=−Ri−ωLi+u−u

q1dqqr⎪⎩dt

控制系统如图8所示。

式中ud,uq——us的d、q轴分量

udr,uqr——ur的d、q轴分量id,iq——i的d、q轴分量上式可写为

′+∆udr+ud⎧⎪udr=−udr

（12）⎨′uuuu=−−∆+qrqrq⎪⎩qr

′、uqr′是解耦项，∆udr、∆uqr为补偿项。

式中udr

did⎧

′=+RiduLdr⎪dt⎪

（13）⎨

id⎪u′=Lq+Ri

qrq⎪dt⎩

图8网侧变换器电网电压定向矢量控制策略Fig.8Thestrategyofgrid-voltageorientedvectorcontrol

ofgrid-sideconverter

5实验研究

AEVSCF风力发电实验系统如图9所示，采用直流电动机模拟风力机运行拖动DFIG[14-15]，两个DSP分别控制机侧、网侧变换器。

实验系统参数参见附录。

⎧⎪∆udr=ω1Liq

（14）⎨

∆=uωLi⎪qr1d⎩

采用电网电压定向矢量控制，将d轴定于us方向上（见图7），此时有

⎧⎪ud=us

（15）⎨=0u⎪q⎩

式中，us为us的幅值。

计及上式，式（12）化为

′+∆udr+us⎧⎪udr=−udr

（16）⎨′=−∆uuu⎪qrqr⎩qr

图9交流励磁变速恒频风力发电实验系统框图Fig.9SchematicdiagramofthelaboratoryAEVSCF

wind-powergenerationsystem

网侧变换器从电网吸收的有功及无功功率为

⎧⎪Pr=udid+uqiq=usid

（17）⎨

=−=−Quiuiui⎪qddqsq⎩r

5.1变速恒频发电稳、动态运行实验

图10、图11为AEVSCF风力发电系统变速恒频发电运行的稳态实验。

图10为DFIG四种输出情况下的定子电压和电流：

只输出有功功率、只输出感性无功功率、只输出容性无功功率和同时输出有功和感性无功功率。

各种输出情况下，DFIG定子电流正弦性好，电能质量较高。

图11为DFIG运行在亚同步速、同步速、超同步速下的定、转子电流及定子电流频谱。

当转速变化时定子电流频率保持

式中，Pr＞0表示网侧变换器从电网吸收能量，工作于整流状态；Pr＜0表示网侧变换器向电网回馈能量，工作于逆变状态。

Qr=0表示网侧变换器与电网没有无功功率的交换，工作于单位功率因数状态。

控制id、iq可以分别控制网侧变换器的直流环节电压和功率因数。

根据式（12）～式（16）设计出的网侧变换器

134

电工技术学报2008年1月

图13为变速恒频发电运行的动态实验。

图12表示了DFIG发生负荷突变时的定子电压、电流和转子电流的变化过程（箭头标示突变时刻，下同）。

图13表示了电网电压由0.7倍额定值恢复到额定值时的DFIG定、转子电流。

可以看出，电网电压的变化改变了DFIG的励磁功率，等效为DFIG的无功输出发生变化。

图10DFIG不同输出条件下的定子电压、电流Fig.10Statorvoltagesandcurrentsatthedifferentoutput

conditionsofDFIG

图12DFIG输出突变时的定子电压、定子

电流与转子电流

Fig.12Responseofstatorvoltage¤tandrotor

currenttothechangeofDFIGoutput

图13电网电压突变时DFIG定、转子电流Fig.13DFIGstatorcurrentandrotorcurrent

图11亚同步、同步速、超同步速下的定、转子电流及

定子电流频谱

Fig.11Statorcurrent,rotorcurrentandfrequencyspectrumofstatorcurrentatsub-synchronizingspeed,synchronizingspeedandsuper-synchronizingspeed

withsuddenchangeofgridvoltage

5.2最大风能追踪实验

图14表示了阶跃式风速变化下机组追踪最大风能的过程。

从图14a看出，当风速变化时，发电机的输出有功功率发生改变，机组的转速随之进行调节，最后稳定为最佳转速，实现最大风能追踪。

另外也看到，DFIG有功功率改变时无功功率不受其影响，功率实现解耦。

图14b为DFIG定、转子

恒定，实现了“变速恒频”；转子电流频率随着DFIG转速的变化而改变，同步速时演变为直流。

图12、

第23卷第1期

刘其辉等交流励磁变速恒频风力发电系统的运行与控制135

电流。

风能追踪过程中定子电流频率恒定，幅值变化，后者反映了DFIG输出功率的变化，而转子电流频率的变化体现了机组转速的改变。

6结论

通过对AEVSCF风力发电系统运行特性的分析，推导了基于定子磁链定向的DFIG矢量控制策略和基于电网电压定向的网侧变换器矢量控制策略。

实验研究表明：

DFIG不但具有良好的稳、动态变速恒频运行特性，而且其输出有功、无功功率可以独立调节，为实现基于发电机功率控制的最大风能追踪创造了条件；作为DFIG励磁电源的双PWM变换器不但输入、输出特性优良，而且其工作状态能随着DFIG运行条件的变化实现自然切换，满足AEVSCF风力发电的需求。

实验结果验证了本文理论分析及控制策略的正确性。

附录

1.DFIG实验参数额定功率：

10kW

定子额定电压：

380V/50Hz极对数：

pn=3

同步转速：

n1=1000r/minR1=0.379Ω、R2=0.314Ω

L1=0.0438H、L2=0.0449H、Lm=0.0427H2.双PWM变换器实验参数输入交流额定相电压：

un=44V输入交流额定相电流：

iN=2.5A直流环节电压：

udc=150V直流环节电容：

C=2200mF交流滤波电感：

L=5mH

功率开关器件IGBT（IPM模块PM100CVA060）

参考文献

[1]刘其辉,贺益康,卞松江.变速恒频风力发电机空

载并网控制研究[J].中国电机工程学报,2004,24（3）:

6-11.

LiuQihui,HeYikang,BianSongjiang.The

investigationofcutting-incontrolofvariable-speedconstant-frequencywind-powergeneraterwithno-load[J].ProceedingoftheCSEE,2004,24（3）:

6-11.

[2]IonB,LucianT,IoanS.Variablespeedelectric

generatorsandtheircontrol:

anemergingtechnology[J].JournalofElectricalEngineering,2002:

l.3:

20-28.[3]PenaR,ClareJC,AsherGM.Doublyfedinduction

generatorusingback-to-backPWMconvertersanditsapplicationtovariable-speedwind-energygeneration[J].

图14阶跃式风速变化时的最大风能追踪Fig.14Themaximumwindpowertracingprocesswith

thestepchangeofwindspeed

5.3网侧变换器控制实验

图15、图16为网侧变换器控制运行实验。

图15a、图15b分别表示了整流、逆变状态下网侧变换器的交流侧电网电压和输入电流。

整流时两者同相，网侧变换器从电网吸收能量；逆变时两者反相，网侧变换器向电网回馈能量[16]。

图16a、16b分别表示了网侧变换器运行状态切换时（从逆变到整流）的交流侧电网电压和交流侧输入电流、直流环节电压。

图15整流、逆变状态下网侧变换器交流侧

电网电压与输入电流

Fig.15GridvoltageandinputcurrentofACsidewhengrid-sideconverterworkingasrectifierandconverter

respectively

图16网侧变换器运行状态切换时电压、电流波形Fig.16Theswitchingofoperationstatusofgrid-side

converter

136

电工技术学报2008年1月

17

（2）:

34-39.

HuangShoudao,