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变速恒频双馈风力发电运行综合控制策略

第12卷　第4期2008

年7月　电　机　与　控　制　学　报

ELECTRIC　MACHINES　AND　CONTROL　Vol112No14

July2008

变速恒频双馈风力发电运行综合控制策略

吴国祥1,2,　黄建明,　陈国呈,　蔚兰,　1111

（1.上海大学机电工程与自动化学院,上海200072;2.南通大学,）

摘　要:

馈电机的并网发电上,,,简化了算法。

建立了变速,实现了宽范围变速条。

在变速恒频并网发电系统中,发电,仿真和实验结果证明了控制策略的正确性与有效性。

关键词:

变速恒频;电网电压定向;柔性并网;最大功率点跟踪;不脱网运行

中图分类号:

TM310文献标识码:

A文章编号:

1007-449X（2008）04-0435-07

AsyntheticcontrolstrategyforDFIGwindpowergeneration

WUGuo2xiang,　HUANGJian2ming,　CHENGuo2cheng,　YULan,　YUJun2jie

（1.SchoolofMechatronicsEngineeringAutomation,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China;

2.SchoolofElectronicsandInformation,NantongUniversity,Nantong226007,China）1,21111

Abstract:

AccordingtothecharacteristicofAC2excitedvariablespeedconstantfrequency（VSCF）windpowergeneration,vectorcontroltechniqueisappliedindoublyfedinductiongenerator（DFIG）.Asyn2theticcontrolstrategyispresentedbasedongridvoltageorientation,whichgetsthesameperformancesasstatorflux2linkageorientation,andthestatorfluxobservercanbeomittedtosimplifythecontrolstrategy.Themodesofflexiblegrid2connection,runninginreadystateandfaultridethroughwereestablished,cutting2ingridwithoutovershootcurrentwasrealizedinawidespeedrange,decouplingcontrolofactivepowerandreactivepowerwasobtainedandmaximumpowerpointwastracked.IntheVSCFwindpowergenerationsystem,themotorandthegridwereconnectedflexibly.Simulationandexperimentalresultsconfirmtheaccuracyandvalidityofthiscontrolstrategy.

Keywords:

variablespeedconstantfrequency;gridvoltageorientation;flexiblecutting2in;maximumpowerpointtracking;faultridethrough

1　引　言

近年来双馈变速恒频风力发电成为国际社会关注的热点,相关研究主要集中在基于定子磁链定向双馈电机有功功率和无功功率的解耦控制上,[3,4]对电网电压定向的并网及运行控制研究很少。

而[1,2]收稿日期:

2007-12-15

基金项目:

教育部博士点基金（20060280018）;上海市教委重点项目基金（06ZZ03）

作者简介:

吴国祥（1967-）,男,副教授,博士研究生,研究方向为电力电子变换及风力发电;

黄建明（1971-）,男,博士研究生,研究方向为多电平逆变器的拓扑与控制;

陈国呈（1944-）,男,教授,博士生导师,研究方向为电机驱动、电力电子变换、太阳能/风力发电电控技术;

蔚　兰（1980-）,女,讲师,博士研究生,研究方向为风力发电;

俞俊杰（1984-）,男,硕士研究生,研究方向为风力发电。

436电　机　与　控　制　学　报　　　　　　　　　　　　　第12卷　

式

（1）可以作为风力发电实现变速恒频的依

据,定子输出电压的恒压控制可以通过调节转子绕组电流的d2q轴分量并由其矢量方程来实现。

VSCF风力发电并网前实施并网控制,并网后切换到稳态运行控制和最大功率点跟踪控制。

211　柔性并网

此定向控制方式不需观测定子磁链,也可达到与定子

磁链定向相同的控制性能,因此有必要研究。

VSCF风力发电并网控制主要是调节转子的励磁电流,使并网前定子电压满足无冲击电流并网条件。

而并网后又分为三大运行区:

最大功率点跟踪区、转速恒定区和功率恒定区。

其中最大功率点跟踪区是主要的运行区,其目的是在风速变化运行时,保持最佳叶尖速比实现最大功率点跟踪,提高系统发电效率。

VSCF风力发电系统是一个多变量、时变合的非线性系统,,少,文献比较少文献[5]～7]分别分析了VSCF风力发电空载并网的优越性、不依赖于风力机转速的并网控制、双馈电机稳态运行时的功率解耦和最大风能追踪控制,但都没有将其作为一个系统来进行整体研究。

针对上述现状,本文从系统的角度对其各种不同运行状态进行了探讨,分别建立了柔性并网、稳态运行和电网波动情况下的不脱网运行控制模型,进行了系统的理论分析,并用一台3kW的绕线式异步电动机进行了柔性并网、稳态运行和最大功率点跟踪实验研究,对电网波动情况下的不脱网运行控制进行了仿真研究。

。

并网控制就,进而调节发电机输出电压的幅,以满足并网条件,因而可在宽范围变速条件下实现无冲击电流并网,并网前定子可以带载或空载。

[8]

根据双馈电机的数学模型,可得其柔性并网矢量形式等效电路如图2所示。

图中ug、us、ur分别为电网、定子和转子电压矢量;is、ir分别为定、转

ψr分别为定、子绕组的电流矢量;ψs、转子磁链矢

量;Lls、Llr、Lm分别为定、转子漏感和互感

。

图2　柔性并网矢量形式等效电路图

Fig.2　Equivalentcircuitdiagramofflexiblegrid2connec2

tion

2　VSCF风力发电运行综合控制

双馈电机风力发电系统框图如图1所示,转子

由双PWM变频器转子侧逆变器励磁,定子绕组直接与三相电网相连,双PWM变频器可以实现转子能量的双向流动。

当风速变化时,通过改变转子励磁电流的频率,可使定子频率稳定在电网频率上,即

ω1=pωm±ω2,

（1）

式中:

ω1为电网频率,ωm为转子的机械旋转角频率;p为极对数;ω2为转子励磁电流频率。

电机次同步运行时,式

（1）取正号,反之取负号

。

当负载RL为有限值时,相当于负载并网;当RL

→∞时,相当于空载并网。

因此,空载并网可以看作是负载并网的特例。

假设定转子均为电动机惯例,则其两相同步模型

及定转子的磁链方程分别为

ψs+ωus=Rsis+pj1ψs,ψr+ωur=Rrir+pjsψr,ψs=Lsis+Lmir,ψr=Lmis+Lrir[9]

（2）（3）

式中Ls、Lr分别为定、转子的电感,因为并网过程对定子侧动态性能要求不高,故可忽略其动态过程,只考虑静态模型,则由图2有

（RL+Rs）is+ωj1ψs=0。

（4）

在采用电网电压定向并网控制时有

usd=-RLisd,usq=0,

即

图1　双馈风力发电系统框图

Fig.1　DiagramoftheDFIGwindpowergeneration

isd=-

usdRL

isq=

0。

将is和ψs代入式（4）中可得

第4期

ird=-irq=-LLm

isd=

LLmRL

变速恒频双馈风力发电运行综合控制策略

us,

（5）

437

防止并网前发电机的能量失衡引起的转速失控,对风力机的调速能力要求相对较高。

而负载并网前is≠0,因此存在能量交换。

发电机吸收的机械功率,按照1:

s的比例分配给定、转子。

并网控制需同时监测电网和定子信息,发电机参与原动机的能量控制,,。

此时,ψs为稳定值,定转子电压矢量方程为us、

us=Rsis+ωj1ψs,ur=Rrir+σLr

（RL+Rs）us

ω1RLLm

。

式（5）为柔性并网前定子发出电压和电网电压

幅值、相位匹配的充要条件,而频率匹配则由2s/2r中的旋转角确定。

在电网电压定向和稳态运行时,转子电压方[10]程为

di6ur=Rrir+σLr+ωjsψr,

dt

Lm

r代入式中σ=1-ir、

rL

（6）可得

urd=Rrird+σLr

2

dird

-ωsLrirq,dt

2

dir

+ωjsψrdt

（8）

dirqLm

urq=Rrirq+σLr+ωLr-irddtL（7）

当采用电网电压定向忽略Rs的影响时有

usd=us=-ω1ψsq=-ω1（Lsisq+Lmirq）,

usq=ω1ψsd=ω1（Lsisd+Lmird）=0。

（9）式可得由（8）、

ur=Rrird+σLr

（9）

（5）、（7）共同构成了基于电网电压定式（4）、

向的变速恒频双馈风力发电柔性并网控制模型。

其

控制框图如图3所示。

当RL为有限值时,为负载并网模型;当RL→∞时,为空载并网模型。

diωLusd-ωsσLrirq+dtω1Ls

di+ωsσLrird。

dt

（10）

Rrirq+σLr

此式可以作为VSCF风力发电DFIG并网后稳态运行时电流内环控制器的设计依据。

可见这种基于电网电压定向的VSCF风力发电稳态运行控制策略在转子电压补偿的条件下实现了有功功率和无功功率的解耦控制,从而根据电机转速与输出功率之间的单峰曲线,进行最大功率点跟踪。

212　电网波动情况下的不脱网运

为了进一步研究双馈VSCF风力发电运行综合控制策略,必须对电网波动情况下的不脱网运行控制进行研究,从而提高系统运行的可靠性。

为此必须根据DFIG的精确模型,对上述矢量

图3　电网电压定向柔性并网控制框图

Fig.3　Diagramofflexiblegrid2connectionbasedongrid

voltageorientation

控制方案进行改进,增强转子侧PWM变频器对

DFIG转子电流的控制能力,提高双馈电机在电网电压波动情况下的不间断运行能力。

DFIG精确模型矢量形式

us=Rsis

+Lm

[11]

为

两种并网方式理论模型虽然可以统一,但物理意义各有不同。

空载并网前is=0,与is相关的量都会消去,算法相对简单。

并网前发电机不带负载,只从风力机吸收少量的机械功率以抵消摩擦损耗,交流励磁电源提供少量有功功率满足转子铜耗和少量的无功功率满足电感励磁的需要。

空载并网方式不参与能量和转速控制,完全依靠调节桨叶节距角来

dims

+ωj1ψs,dt

2

dirLmdims

ur=Rrir+σLr++ωjsψr,

dtLsdt

dims（us-Rsis-ωj1ψs）,dtLm

（11）

式中us和ψs不再恒定,由式（11）的第一个方程得

（12）

438电　机　与　控　制　学　报　　　　　　　　　　　　　第12卷　

分配关系可表示为

将其代入式（11）的第二个方程得

dird

urd=Rrird+σLr+ωrLmisq-dt

ωsLr-Lmω1Ls

2

irq+

LLs

（usd-Rsisd）,

（13）

图4　DFIGFig.4　flowisynchronousoperation

urq=Rrirq+σLr

2

di-ωrLmisd+dt

LmRs

ird-isq。

Ls

ωsLr-

Lmω1Ls

es:

Per:

-

的依据。

增加因定子励磁电流iL（u-Rj偿量s

:

:

1,1-s1-s

（17）

。

当风力机输入机械功率恒定时,向。

降低或提升转速时,定子输出功率-Ps、转子吸收功率Pr将增大或减小,其功率流向也会随次同步、同步和超同步状态的转换而改变。

DFIG最大功率点跟踪,就是要在风速变化情况

213　发电机的最大风能追踪控制方式有多种:

免测

风速的功率控制模式、检测风速的转速控制模式、矢量控制模式和标量控制模式。

目前,国内外的多数风力发电系统都工作在最大风能跟踪状态,而仿真和实验发现,此时风力发电系统向电网输送的电能并非最多。

采用电网电压定向矢量控制技术实现发电机的功率解耦控制,在此基础上完成了无风速检测的最大功率点跟踪控制。

方案的特点是在同一风速下,发电机向电网输送的电能最多,且动态响应快,鲁棒性好。

双馈电机由转子励磁电源和定子侧电网同时向电机供电,由式

（2）可得双馈电机输入总有功功率为

P=Ps+Pr=Re[usis+urir]=Rs|is|+Rr|ir|

+

33

3

2

2

[12]

下

保持输送到电网的净功率即图1所示的Po为最大,忽略变频器损耗时有

Po=-（Ps+Pr）=Pmech-（Pcus+Pcur）,

其Po-ωr为单峰特性,此时

dPo

=0。

dt

图5为最大风能与最大功率曲线。

由于Pmech

与Po之间的差值近似为Pcu,所以输入风能最大点

（图5中A点）与电网获取净能量的最大功率点（图

5中B点）并不重合。

从系统发电效率的角度考虑

应该工作在B点,此时风力发电系统向电网输送的电能才是最多。

ψsis+pψrir]+Re[ωRe[pj1ψsis+ωjsψrir]=

Pcu+Pf+Pe

（14）

图5　最大风能与最大功率曲线

Fig.5　Thecurvesofmaximumwindenergyandmaxi2

mumpower

333

式中:

Pcu为定转子铜耗;Pf为磁场变化而产生的功

率;Pe为电磁功率,由定子电磁功率Pes和转子电磁功率Per组成,将其展开为d-q轴形式,可得

Pe=Pes+Per=ωrLm（irdisq-irqisd）。

（15）

ψr恒定,Pf=0,忽略转轴上的稳态运行时,ψs、摩擦损耗,根据功率守恒有

Pmech=-（Pes+Per）=ωrLm（irqisd-irdisq）。

（16）

最大功率点跟踪方法如下:

测量系统进入追踪状态时发电机的输出功率,把转速给定增加或减少一个步长,并再次测量输出功率;然后计算输出功率ω）;确偏差符号sign（ΔP）和转速偏差符号sign（Δ定下一步的转速给定值为

ωref（n）=ωref（n-1）+sign（ΔP）sign（Δω）ωstep。

（18）

在次同步运行状态下,输入到DFIG定转子的

电磁功率可由图4表示;在同步状态下,Per=0,此时

Pr=Pcur;在超同步状态下,定转子皆输出功率,

Per、Pr改变功率流向,此时定转子的输出功率皆由

重复操作直到系统到达最大净功率输出点。

其控制框图如图6所示。

DFIG轴上风力机输入的机械功率来提供。

其功率

第4期变速恒频双馈风力发电运行综合控制策略439

向电网的电流,无冲击电流产生。

图9（c）为切去负载后的定子电压和电网电流,切换控制后,原先流向负载的电流会流向电网。

图10（a）为P=215kW,Q=0kvar时的定子电压与电流波形,其电压、电流几乎反相位,电机只向电网发出有功功率。

图10（b）为P=0kW,Q=215kvar图6　最大功率点跟踪控制结构框图

Fig.6　Diagramofmaximumtin流波形,、90°,电机向电

、无功功率并网及运行波形是在并网前转速n

r/min,直流母线电压Ed=250V,并网电压

3　,本文进行了仿真和

实验研究。

使用参数为:

双馈电机额定功率P=3kW,频率f=50Hz,定子连接方式Y接,电阻1195Ω,电感9104mH;转子连接方式Y接,电阻3154Ω,电感9104mH;励磁电阻9142Ω,励磁电感25815mH,参数均折算到定子侧。

图7为本系统

的实验框图,整个系统由TMS320LF2407A定点DSP控制。

其中,直流电动机模拟风机,完成VSCF风力发电运行综合控制的功能实验。

为200V的条件下测得的。

在不引起转子磁路饱和的条件下,改变并网条件时,在很宽的范围内均可实现柔性并网,且系统非常稳定。

图7　风力发电运行控制系统实验框图

Fig.7　Diagramofwindpowergenerationsystem

图8～图11、图13分别为基于电网电压定向的

系统运行综合控制实验波形,即空载并网、负载并网、稳态运行、改变风速运行和最大功率点跟踪时的实验波形。

图12和图14分别为转速线性变化和电网波动时的仿真波形。

图8（a）为空载并网前电网电压（上）与定子电压（下）波形,其频率、幅值、相位非常吻合。

图8（b）为并网时刻定子电压与定子电流波形,并网瞬间定子与电网之间电流几乎为0,是软并网。

图8（c）为并网后由空载并网状态向功率输出状态切换时的波形,切换前定子电流在0值附近波动,切换后定子电流与电压相位几乎相反,电机处于发电状态。

图9（a）为负载并网前电网电压与定子电压波形,其形状非常吻合。

图9（b）为并网时刻定子电压和流

图11（a）为转速给定由1300r/min突变到1200r/min时的转子电流动态调节过程,t1为给定

变化时刻,可见其过渡过程非常平稳。

图11（b）为转速给定由1000r/min突变到900r/min时的定子电流动态调节过程,t2为给定变化时刻。

可见系统动态调节迅速,改变转速时,其输出电流只是改变幅值,而相位不变,再次验证了输出功率的解耦控制。

图12中上图为转速曲线,中间为总损耗曲线,下图风力机输出机械功率Pmech和双馈电机向电网输出的净功率Po,可知Pmech和Po之间的差值,即损耗功率Pcu呈二次曲线上升

如果采用最大风能追踪时系统对应速度为994r/min,实际输出功率为155313W,而采用最大功率点跟踪系统对应速度为1063r/min,

440电　机　与　控　制　学　报　　　　　　　　　　　　　第12卷

输出功率为157016W。

如果增大到系统功率,则两者间差值会也会相应增大。

该仿真验证了以总输出功率Po作为最大功率点跟踪目标的正确性。

图13为风速变化时最大功率点跟踪过程中输出功率Po和电机转速n的变化波形。

可见在C、E点风速突变,但系统仍能自动追踪到当前风速下的最大功率点D、F,有明显的转速调节、功率爬升的过程。

B、

D、F各点功率分别为1kW、018kW和114kW,转速

图14i.imatisofoutputpowerwhengrid

fluctuated

分别为750r/min、620r/min和780r/min。

图电网频率、幅值、φ=2°中偏离值Δfu。

可见有功、1W、40var左右波动,发出电能的功率因数仍接近-1,同时电机转速和电磁转距也会跟随电网的波动而随动,从而使定子和电网之间实现能量平衡

。

本控制系统完成

了双馈变速恒频风力发电柔性并网和运行控制的基本功能,具有良好的动静态性能。

4　结　语

本文提出了一种基于电网电压定向的VSCF风力发电运行综合控制策略,具有如下特点:

利用电网电压定向矢量控制技术,实现了与定子磁链定向矢量控制相同的功能,简化了控制策略;通过对DFIG有功功率和无功功率的解耦控制,提高了电力系统调节的柔性,可以补偿电网的无功需求;在VSCF风力发电并网系统中,发电机与电网之间是一种柔性连接关系,实现了宽范围变速条件下无冲击电流并网;利用无风速检测的最大功率点跟踪控制策略实现了在同一风速下,发电机向电网输送的电能最多,系统的最终运行效率最高,且动态响应快,鲁棒性好。

利用DFIG的精确模型进行控制,提高了PWM变频器对转子电流的控制能力和系统在电网电压波动情况下的不间断运行能力。

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