（电力系统及其自动化专业论文）变速恒频双馈风电机组控制策略研究.pdf

a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，e n e r g yc r i s i sa n dt h eg r e e n h o u s ee f f e c th a v eb e c o m ei m p o r t a n ti s s u e sa l l ， o v e rt h ew o r l d t od e v e l o pa n du t i l i z en e we n e r g yi st h ef u n d a m e n t a lw a yt os o l v et h ea b o v e p r o b l e m s w i n dp o w e rh a sb e c o m eo n eo ft h ew o r l d sf a s t e s tg r o w i n gn e we n e r g i e s v a r i a b l e s p e e dc o n s t a n t 仔e q u e n c y ( v s c f ) d o u b l e - f e di n d u c t i o ng e n e r a t o r ( d f i g ) n o to n l yg r e a t l y b r o a d e n st h er a n g eo fs p e e di nc u t t i n g - i np r o c e s s ，m o r ei m p o r t a n t l y , b u ta l s oa c h i e v e m a x i m u mp o w e rp o i i nt r a c k i n g ( m p p t ) d f i gi m p r o v e st h es t a b i l i t yo ft h eg r i da n dh a s b e c o m et h em a i n s t r e a m c o n t r o lt e c h n o l o g yi st h ec o r eo fw i i l dp o w e ru t i l i z a t i o n d f i g s p a r a m e t e r sa r ee a s i l ya f f e c t e db ym a n yf a c t o r sa n d i tw i l ld e g e n e r a t et h ec o n t r o lp e r f o r m a n c e t h i sp a p e rf o c u s e so nd f i gc u t t i n g - i nc o n t r o l ，o p e r a t i n gc o n t r o l ，a sw e l la st h ei n f l u e n c eo f p a r a m e t e r sp e r t u r b a t i o nt ob o t hc u t t i n g - i nc o n t r o la n do p e r a t i n gc o n t r 0 1 v e c t o rc o n t r o ls t r a t e g yb a s e do nf l u x o r i e n t e dh a sb e e nw i d e l yu s e di nt h ef i e l do fs p e e d c o n t r o lt e c h n o l o g yo fa c d r i v e a st h ec o n t r o ls u b j e c to fv s c f d f i gi sd o u b l y f e d i n d u c t i o ng e n e r a t o r , v e c t o rc o n t r o li sq u i c k l ys p r e a d i n gt ow i n dt u r b i n et e c h n o l o g y i nf a c t , v e c t o rc o n t r o li sad e c o u p l i n gw a y i ti sr e a s o n a b l et oa d a p tv e c t o rc o n t r o lm e t h o di n a c t i v e - r e a c t i v ep o w e rd e c o u p l i n gc o n t r 0 1 u s i n gs t a t o rf l u x o r i e n t e dv e c t o rc o n t r o lm e t h o d ，t h ep a p e rr e s p e c t i v e l yd e d u c e dt h e n o l o a dc u t t i n g - i nc o n t r o ls t r a t e g ya n da c t i v e - r e a c t i v ep o w e rd e c o u p l i n gc o n t r o ls t r a t e g y a s f o rc u t t i n g - - i nc o n t r o ls t r a t e g y , i td e s i g n e dd f i go p e nl o o pc u t t i n g i nc o n t r o la l g o r i t h ma n d t h ed o u b l ec l o s e dl o o p sc o n t r o la l g o r i t h mb a s e do nv o l t a g e c u r r e n tf e e d b a c k a sf o rp o w e r d e c o u p l i n gc o n t r o ls t r a t e g y , i td e s i g n e db o t hd f i ga c t i v e r e a c t i v ep o w e rd e c o u p l i n g o p e n - l o o p c o n t r o l a l g o r i t h m a n dd o u b l ec l o s e d l o o p s c o n t r o l a l g o r i t h m b a s e do n p o w e r - c u r r e n tf e e d b a c k t h ep a p e rs t u d i e dt h em p p tc o n t r o ls t r a t e g yo nt h eb a s i so fw i n d t u r b i n ea n a l y s i s a l s o ，t a k i n gt h es e n s i b i l i t yo fv e c t o rc o n t r o li n t oa c c o u n t ，i tr i g h t l yd e d u c e d t h em a t h e m a t i c a le x p r e s s i o n ss h o w i n gt h ee x a c ti n f l u e n c eo fp a r a m e t e r sp e r t u r b a t i o no n d f i gc u t t i n g - i nc o n t r o la n df o rt h ef i r s tt i m er e s e a r c h e dt h ei n f l u e n c eo fp a r a m e t e r s p e r t u r b a t i o no nd f i go u t p u tp o w e r o nm a t l a b 7 o s i m u l i n kp l a t f o r m ，s i m u l a t i o nm o d e l sw e r es e tu pt ot e s t i f yt h e a l g o r i t h m st h ep a p e rd e s i g n e d t h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n t r o la l g o r i t h m s d e s i g n e da r e e f f e c t i v ea n dl a yat h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rt h ei m p l e m e n t a t i o no fc o n t r o l s t r a t e g i e s t h ea n a l y s i so np a r a m e t e r sp e r t u r b a t i o no fd f i gp r o v i d e st h e o r e t i c a lp r o o f f o r t h e d i s t u r b a n c er e j e c f i o nc o n t r o lr e s e a r c h k e yw o r d s ：v s c f , d f i g , c u t t i n g i nc o n t r o l ，p a r a m e t e r sp e r t u r b a t i o n , d e c o u p l i n gc o n t r o l ， m p p t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津理工大鲎或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：旁粼可硒 签字日期：占耕 月彳日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 墨盗墨墨太堂有关保留、使用学位论文 的规定。特授权墨盗墨墨盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编， 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子 文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：歹锰捅 签字日期：h g 年，2 月7 日 导师签名：弓铀起 签字日期：埘年，2 月节日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 近年来，风力发电在世界范围内发展迅猛。应对能源紧缺和环境恶化的现状，世界 各国都在制定开发和利用风能的政策。风力发电环境友好、技术成熟、可靠性高、成本 低且规模效益显著n 4 1 。以德国、丹麦、西班牙和美国等为代表，全世界风电装机容量以 每年递增3 0 的高速增长晦1 。作为装机容量增长最快的可再生能源，风力发电是未来基 于可持续发展和零污染电能的希望。丹麦规划到2 0 3 0 年，风力发电将占总发电装机容 量的5 0 ，其中海上风电场装机容量占风电装机容量6 7 ；德国计划到2 0 5 0 年，风电 将占总发电装机容量的5 0 1 。据世界风能协会预计，到2 0 2 0 年风力发电可提供世界 电力需求的1 2 聆剖。我国风电产业还处于起步阶段，顺应国际趋势，发展前景良好。 2 0 0 6 年底，我国已建成9 1 个风电场，装机容量达2 5 9 9 万千瓦，累计装机增长率达 1 0 5 n 。国家发改委已明确提出风电发展的目标：2 0 1 5 年全国风电装机容量达到1 5 0 0 万千瓦，2 0 2 0 年达到3 0 0 0 万千瓦。风力发电前景十分美好，但目前我国风电总装机容 量占全国电力装机容量的比例还很小。 就目前我国风电场装机情况而言，绝大多数是恒速恒频( c s c f ) 机组。而国外风电 领域，变速恒频机组已经成为主流，以双馈风电机组为主n 2 。1 5 1 。采用变速恒频双馈风电 机组( v s c f d f l g ) 在实现变速恒频的同时，减小了变频器的容量，实现了有功、无功功 率的灵活控制，而且可调节电网的功率因数，提高系统的稳定性n 钔。为了更大规模地 利用风能，发挥其规模效益，国内风电场也开始了恒速恒频机组向变速恒频机组的过渡。 变速恒频风电技术与恒速恒频风电技术相比要复杂地多，关键在于需要一整套复杂 的控制系统汹1 。目前，我国的并网型风机主要由国外厂家提供，大型风机只能依赖进口 或者与外商合作生产。国内风电专家和学者对v s c f d f i g 控制系统的研究越来越重视， 成为当前的研究热点乜嘲】。双馈发电机在运行过程中其参数会发生变化，这将影响系统 的控制性能，研究参数扰动对控制性能的影响以及抗参数扰动的控制方法也成为了研究 热点之一。 本文基于国家自然科学基金面上项目“风电系统电压稳定性及系统中的分岔现象 ( 5 0 8 7 7 0 5 3 ) ，适应风力发电的迅猛发展和v s c f d f i g 控制技术的瓶颈约束两方面的迫 切需求，研究了v s c f d f i g 的控制技术以及参数扰动的影响。这不仅能够推动风力发 电控制技术的发展，更具有促进风电产业发展的实际意义。 1 2 并网型风力发电技术概述 根据风力发电机组是否接入电网运行，可以将其分为离网型和并网型两类。离网型 第一章绪论 风电机组多为独立运行的小型风力发电机，普遍与储能装置联合在一起使用，以便使用 户获得稳定而连续的能源供应乜7 1 。小型风力发电机组容量小，技术简单，发展历史较长。 我国离网型风力发电技术比较成熟，能够自行研发i o o w - l k w 的风力发电机组，累计保 有量世界第一。并网型风力发电机组与电网相连，将产生的电能送入电网，由多台并网 型风力发电机组构成的风电场是实现风电大规模利用的主要方式汹3 。 近二十多年，国际上大型风电技术日趋成熟，发电成本持续下降，产业不断成长壮 大。在技术上，国际风电界长期致力于提高风电机组系统安全性和可靠性、提高发电效 率、开发更大型风电机组和超大型近海专用风电机组、采用新型机组结构和控制方式及 材料、改善风电场选址和设计技术，以不断降低风力发电成本和扩大风能资源量1 。目 前，单机容量1 - 3 m w 机组是国际主流风电机组，5 m w 风电机组已投入运行。 风力发电系统中，发电机是能量转换的核心部分，风力发电系统按照发电机运行的 方式来分主要有c s c f 风力发电系统和v s c f 风力发电系统两大类。c s c f 风力发电系统 一般使用同步电机或者笼型异步电机作为发电机，通过采用定桨距失速控制的风力机使 发电机的转速保持在恒定的数值继而保证发电机端输出电压的频率和幅值恒定，其运行 范围比较窄口引。由于风能是一种具有随机性、爆发性和不稳定性特征的能源，用于风能 捕获的风力机在不同风速下有对应的最佳运行转速，此时对风能的捕获效率最高，而且 风施加给风力机的应力最小，所以应控制风力发电机组总是运行在最佳转速口。采用 c s c f 发电方式，由于风力机只能固定运行在某一转速上，当风速改变时风力机就会偏离 最佳运行转速，这导致运行效率下降，不但浪费风力资源，而且增大风力机的磨损n 别。 v s c f 风力发电系统采用变桨距控制的风力机使整个系统在很大的速度范围内按照 最佳的效率运行，这是当前风力发电的发展趋势口朝。v s c f 风力发电系统系统主要分为 同步发电机系统和异步发电机系统。其中同步发电机系统包括永磁同步发电机系统和电 励磁同步发电机系统；异步发电机系统主要是绕线转子异步发电机系统。永磁同步发电 机是利用永久磁铁取代转子励磁磁场，其结构比较简单、牢固。永磁同步发电机v s c f 风力发电系统是通过控制一套整流逆变装置，将发电机输出的变频变压交流电转换为满 足电网要求的恒频恒压交流电口削。 目前，m w 级风力发电机组普遍采用绕线转子异步发电机系统，其典型结构是采用双 馈异步发电机的v s c f 系统。这是一种比较合适的v s c f 方案，该结构定子和电网直接相 连接，转予和功率变换器相连接，通过变换器的功率仅仅是转差功率，双馈调速将转差 功率回馈到电机轴或者电网，这是各种传动系统中效率比较高的眵1 。该结构适合于调 速范围不宽的风力发电系统，尤其是大、中容量的风力发电系统。 v s c f d f i g 中采用的功率变换器按照其拓扑结构主要分为传统交交变频器、矩阵式 变频器和交直交变频器三大类口 。传统交交变频器采用晶闸管自然换流方式，工作稳定、 可靠，适合作为双馈电机转子绕组的变频器电源，其最高输出频率是电网频率的1 3 1 2 ，在大功率低频范围内有很大的优势。交交变频器没有直流环节，变频效率高，主回 路简单，不含直流电路及滤波部分，与电源之间的有功功率回馈容易m 1 。虽然传统交交 变频器有上述诸多优点，但其功率因数低，高次谐波多，输出频率低，变化范围窄，使 用元件数量多，因此应用受到了一定的限制。矩阵式变频器是一种新型的交交变频器， 第一章绪论 由九个直接接于三相输入和输出之间的开关阵组成口9 1 。矩阵式变频器没有中间直流环 节，输出由三个电平组成，谐波含量比较小；其功率电路简单、紧凑，并可输出频率、 幅值及相位可控的正弦负载电压；其输入功率因数可控，可在四象限工作。虽然矩阵变 换器有很多优点，但是在其换流过程中不允许存在两个开关同时导通或者同时关断的现 象，实现起来比较困难，而且其最大输出电压能力低、器件承受的电压高，这也是此类 变换器一个很大缺点。另外，矩阵式变频器的输入端必须接滤波电容，虽然其容量比交 直交变频器的中间储能电容容量小，但由于要承受开关频率的交流电流，故其体积并不 小。目前利用矩阵式变频器的双馈异步风力发电系统还处于研究开发阶段。交直交变频 器可以分为电压型和电流型两种，由于控制方法和硬件设计等各种因素，电压型逆变器 应用比较广泛m 1 。传统的电流型交直交变频器采用自然换流的晶闸管作为功率开关，其 直流侧电感比较昂贵，而且应用于双馈调速中，在过同步速时需要换流电路，在低转差 频率的条件下性能也比较差，在双馈异步风力发电系统中应用得不多。电压型交直交变 频器具有结构简单、谐波含量少、定转子功率因数可调等特点“，可以明显地改善双馈 发电机的运行状态和输出电能质量，并且该结构通过直流母线侧电容完全实现了网侧和 转子侧的分离，是目前v s c f 风力发电技术发展的一个代表方向。 在风力发电中，v s c f d f i g 的优越性集中体现在以下四个方面： 1 采用v s c f 发电方式，风力机就可按照捕获最大风能的要求，在风速变化的情况下 实时地调节转速，使之始终运行在最佳转速上，从而提高了机组发电效率。 2 v s c f d f i g 使发电机组与电网之间实现良好的“柔性连接 ，比传统的c s c f 发电系统更易实现并网操作。 3 v s c f d f i g 是在发电机的转子侧施加三相低频电流实现交流励磁，控制励磁电 流的幅值、频率和相位来实现输出电能的恒频恒压。采用矢量变换控制技术，可以实现 发电机定子侧有功一无功功率的独立调节。控制有功功率可调节发电机转速实现最大功 率跟踪控制，控制无功功率可调节电网的功率因数，提高风力发电机组及电力系统的稳 定性。 4 采用现代电力电子器件可构造出输入、输出特性良好，功率可双向流动的p w m 整流一p w m 逆变形式的全控双p w m 变频器。将其用做交流励磁电源，一方面保障了发电 质量，大大减少了电力系统谐波污染，真正意义上实现了能源的绿色变换h 刳；另一方面 由于仅流过转差功率，故其容量小，投资和损耗也减少，提高了发电效率。 1 3 变速恒频双馈风电机组的工作原理 v s c f 风力发电机组主要由风力机、齿轮箱、双馈发电机、双向变流器及其控制器 和变浆距机构组成，其原理框图如图1 - 1 。 第一章绪论 图1 - 1 双馈风力发电机组原理框图 双馈发电机的定子绕组接电网，转子绕组外接转差频率电源实现交流励磁。双馈发 电机随风速在不同的转速下运行，使风力机的运行始终处于最佳状态。当电机的负载和 转速变化时，通过控制馈入转子绕组的电流，不仅能保持定子输出的电压和频率不变， 而且还能调节发电机的功率因数。根据异步电机定、转子绕组电流产生的旋转磁场相对 静止的原理，转速与定、转子绕组电流频率的关系如下： 石= p n 6 0 + 五 ( 1 1 ) 式中、厶、n 和p 分别为定子电流频率、转子电流频率、发电机的转速和极对数。 由式( 1 - 1 ) 可知，当转速n 发生变化时，若调节，；相应变化，可使行保持恒定不变， 即与电网频率保持一致，实现风力发电机的v s c f 控制。当风力发电机处于亚同步速运 行时，式( 1 1 ) 取正号；当风力发电机处于超同步速运行时，式( 卜1 ) 取负号；同步速运 行时，厶= o ，变流器向转子提供直流励磁电流h 洲1 。 1 4 变速恒频双馈风电机组控制技术概述 通常，可根据风速的大小，将风力发电机组的控制分为起动、额定风速以下及额定 风速以上3 个阶段h 5 1 。起动阶段，双馈发电机需要外加电源励磁，当风力机带动其接近 同步速时，控制其并网。额定风速以下阶段，由于电机转速的限制，该阶段又可分为变 速运行区和恒速运行区。在变速运行区，风力发电机组控制的主要任务是通过对电机转 速的控制来跟踪最佳的功率一转速曲线，以获得最大的能量转换效率，此时节距角保持 最优角度固定不变；在恒速运行区，发电机已达到转速的极限并保持恒定，功率在达到 额定值之前持续增大。额定风速以上阶段，即功率恒定区，由于受转速和输出功率的限 制，一方面需要通过增大节距角来限制风机转速，另一方面还需要通过电气控制来限制 输出功率。本文把起动阶段的控制称为并网控制，并网后额定风速以下阶段的控制称为 运行控制，对额定风速以上阶段的控制不作研究。 第一章绪论 1 4 1 变速恒频双馈风电机组空载并网控制策略概述 风力发电机的并网条件是发电机输出电压和电网电压在幅值、频率以及相位上相 同。并网之前应对发电机的定子电压进行调节，当满足并网条件时进行并网操作，并网 成功后从并网控制切换到最佳风能追踪控制。v s c f d f i g 无冲击电流并网技术对其顺 利并网至关重要。目前，v s c f d f i g 的并网方式主要有空载并网，带独立负载并网和 孤岛并网m 1 。本文针对空载并网控制策略进行探讨。 双馈风电机组采用交流励磁，可根据电网电压和发电机转速来调节励磁电流，进而 调节发电机输出电压来满足并网条件，因而可在变速条件下实现并网。然而国内对于交 流励磁变速恒频发电机并网的研究较少，国外也鲜有文献介绍h 7 1 。 借鉴磁链定向矢量控制技术的思想，将其移植到并网控制中，文献 4 8 的仿真表明 该控制策略具有良好的动态性能和控制精度，可迅速地控制发电机定子电压满足并网条 件，并网过程平稳、电流冲击较小，且发电机并网过程不受转速变化的影响，可在变速 的情况顺利并网，是一种较为理想的并网控制方式。 文献 4 9 基于m - t 坐标系中发电机空载数学模型提出了磁场定向下发电机空载并网 控制策略。为了使发电机输出电压满足并网条件，必须通过对参考值乏和反馈值f 。，的 误差进行p i 调节而求得转子参考电压甜：，进而求得变频器的控制指令嘲1 。 文献 5 1 将自抗扰控制器( a d r c ) 应用于双馈发电机空载并网控制上，得到了一种 不需要精确电机参数就可以实现并网的控制策略，仿真结果表明基于a d r c 的并网控制 算法的并网电流小，没有超调和静差，容易实现并网。然而上述成果仅局限于计算机仿 真，没有经过实验验证，因而其实际控制效果还有待进一步检验。 另外，近年来模糊控制、神经网络控制等先进的智能控制方法很快向风电领域移植， 发展迅猛。 1 4 2 变速恒频双馈风电机组运行控制策略概述 变速恒频双馈风电机组采用交流励磁，良好的调节特性、运行的灵活性及可靠性需 要能充分发挥电机运行特点的励磁控制系统晦劓。在最大风能追踪过程中，要使得双馈电 机运行在维持风能利用系数为最大值的最佳转速。通过调节发电机的有功功率来改变其 电磁阻转距，调节机组转速。调节发电机的无功功率，可以改善电网的功率因数，提高 系统稳定性。因此，发电机有功功率和无功功率的独立调节是风电机组变速运行控制的 关键。 采用标量控制，由于定子端口有功功率、无功功率计算复杂，不仅控制性能的动态 特性较差而且不利于数字实现，难以实现有功功率和无功功率的独立调节。通过矢量变 换能够实现有功功率和无功功率的独立调节。依据磁链定向的方位有所不同，矢量运行 控制包括基于气隙磁场定向的矢量控制技术、基于定子电压定向( s v o ) 的矢量控制技 术、基于转子磁链定向的矢量控制技术和基于定子磁链定向( s f o ) 的矢量控制技术。 文献 5 3 采用同步d q 坐标轴系，将d 轴与气隙磁场相量重合( 即气隙磁场定向) 。 由于定子电压恒定，近似认为气隙磁通保持不变，推导出双馈电机稳态下有功、无功解 第一章绪论 耦的励磁控制模型： j 日一o ( 1 _ 2 ) iq l = 0 一厶 。 其中，励磁电压和励磁电流的关系如下式： 铲d r = ( u , 如+ r , 心u q r ) r r ( 卜3 ) 怫= (+ 心) 、 因为气隙磁场与励磁分量和转矩分量l q r 存在耦合关系，因而不能实现有功功 率和无功功率的独立调节。由于在推导中忽略了定子漏阻抗和转子漏感的影响，同时近 似地认为气隙磁链为常数，导致了励磁控制模型精度下降。另外，在实际控制系统中要 准确地做到气隙磁场定向较难，往往要增加控制系统的复杂性。故在当前的双馈机组分 析中，该励磁控制模型应用得很少。 文献 5 4 假定正常运行的d f i g 定子电压恒定，采用定子电压定向， u q s = 0 ，u ，= u 出+ j o 。解耦的有功和无功分量方程如下 1 日= 1 5 l 乞厶 i q = 1 5 u 出( 嵋+ 厶0 ) t 由于未考虑解耦电路的细节，系统的暂态响应不佳。 有= 阱 ( 1 - 4 ) 文献 5 5 以d f i g 的详细数学模型为依托，提出了d f i g 定子电压定向矢量控制改 进方案，考虑了u ，和y 。的动态过程，在原来控制器的基础上计及定子励磁电流变化的 补偿量，并对解耦电路进行了必要的修正，大大提高了外部电网电压故障时对转子电流 的有效控制，从而提高了d f i g 的不间断运行能力。但对转子电流的有效控制是以增大 转子输入电压为代价的，直流母线电压的波动没有明显的改善。同样以改善电网故障下 转子过电流、提高d f i g 持续运行能力为目的，文献 5 6 在基于s v o 建立d f i g 数学模 型前提下，把内模控制引入转子电流控制器的设计中，获得了充分的解耦性能和对错误 已知参数的良好鲁棒性。 文献 5 7 把参考坐标系的d 轴放在转子磁链矢量v ，的方向上( 即转子磁链定向) 建 立励磁控制模型。电机的转矩可以表示成 z ：兰丛丝垒( 1 5 ) ，= 二_ -ii 一1j 2 由于转子磁链与转矩电流之间依然存在耦合关系，不能实现转矩电流对电机转矩的独立 调节。 为了实现d q 轴变量之间的解耦，文献 5 8 采用定子磁链定向，使以同步速m 旋转 的坐标轴d 与定子磁场矢量相重合。在电网频率嵋恒定的条件下，保持电压u 。为恒值 即可实现定子磁场定向，y 出= v ，y 邪= 0 ，、i ，= i + y 0 。解耦的有功和无功分量方 程如下 i 墨= 一0 厶厶，c 、 iq l = 一( + 乙0 ) 丘 获得实现墨、q 独立可调的d - q 坐标系中转子分量电压表达式后，通过2 3 旋转变换可 第一章绪论 获得发电机转子三相电压来控制变流器，产生所需的励磁电压。 该励磁控制模型精度较高，由于定子频率为恒频，使得在推导过程中忽略定子电阻 不会带来较大的误差，并且以定子磁场定向时，控制系统变得较为简单。 与矢量控制相比，直接转矩控制( d t c ) 避免了复杂的坐标变换，减少了对电机参 数的依赖性，简单地通过检测电机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算转子磁 链从而控制电机的电磁转矩，并根据与给定值比较所得误差，实现转速控制。文献 5 9 采用d t c 控制d f i g ，基于要求运行的功率因数计算转子磁链的参考值，基于估计的转 子磁链的位置、转矩和转子磁链的误差选取开关矢量。然而问题在于d f i g 参数的变化 会严重影响转子磁链估计值的精度，且转子磁链参考值的计算也存在同样的问题。 文献 6 0 提出了一种新的双馈风电机组励磁控制策略一直接功率控制( d p c ) 。通过 选择合适的转子侧电压矢量来直接控制定子侧的有功和无功功率，实现对有功功率和无 功功率的独立调节。此方法只需估计定子磁链的值从而避免了d t c 中对转子磁链值的 估计，而后者是比较困难的。更重要的是，d p c 所唯一需要的机组参数一定子阻抗对系 统性能的影响是可以忽略的。在运行条件和机组参数变化的情况下，仿真结果验证了 d p c 控制策略的有效性和鲁棒性。但d p c 在电网故障条件下的控制性能如何，还没有 文献涉及，需要进一步研究。 总之，目前双馈风电机组控制策略研究以机理建模和矢量控制为主，但没有充分考 虑发电机的非线性以及参数的时变性，将来具有抑制参数变化、扰动和各种干扰的控制 策略会得以应用。 1 5 参数扰动对双馈风电机组控制的影响概述 发电机在运行过程中由于磁路饱和将会引起电感变化，温升将会引起电阻的变化， 另外电机参数还容易受到频率、集肤效应、杂散损耗、控制方式和负载条件等因素的影 响h 副。目前，变速恒频双馈风电系统普遍采用矢量控制，而矢量控制系统的控制效果 会受到定转子参数变化的影响。目前，研究发电机参数扰动对机组控制性能的影响以及 抗参数扰动的控制算法已成为热点之一。 在双馈风电机组并网控制过程中，参数扰动使定子端电压偏离并网节点电压，延长 了并网时间，电压偏离过大则导致并网失败。在双馈风电机组运行控制过程中，参数扰 动影响了风电机组的输出功率，使得最大功率跟踪的控制效果有所降低。 国内外鲜有文献涉及双馈发电机参数扰动对风电机组控制的影响，很少从理论上对 参数扰动影响变速恒频风电机组并网控制和运行控制进行研究。本文针对参数扰动的影 响，从理论上进行了参数扰动影响分析，并运用m a t l a b 7 0 s i m u l i n k 软件平台进行 了仿真，研究结果对抗参数扰动控制策略的研究提供了理论依据。 1 6 本文的主要工作 本文在深入分析v s c f d f i g 工作原理的基础上，基于定子磁链定向矢量控制方法的 第一章绪论 简单、易实现等诸多优点，对其并网控制策略和运行控制策略进行了深入地研究。考虑 参数扰动的影响，从理论上对其进行了分析。主要工作归纳如下： 1 、介绍了矢量控制的基本原理，给出了必要的坐标变换矩阵。对双馈异步电机的 数学模型进行了详细分析，为空载并网数学模型的推导奠定了基础。研究了基于定子磁 链定向的矢量并网控制策略，总结了定子磁链观测的方法，设计了空载并网开环控制算 法和基于电压一电流反馈的双闭环控制算法。详细分析了电机参数扰动对并网控制的影 响，进行了仿真研究。 2 、详细地阐述了v s c f d f i g 运行控制的必要性。在分析双馈异步电机并网后数学 模型的基础上，严格地推导了d f i g 有功一无功功率解耦控制策略，分别设计了有功一无 功功率解耦开环控制策略和基于功率一电流反馈的双闭环控制策略。在分析风力机特性 及其与双馈电机之间功率关系的基础上，研究了d f i g 最大功率跟踪控制策略。研究了 电机参数扰动对运行控制的影响，给出了仿真结果。 3 、完成了d f i g 并网控制的仿真研究，针对运行控制中的有功一无功功率解耦控制 策略进行了仿真分析，最后完成了双馈风电机组最大功率跟踪仿真验证。 第二章变速恒频双馈风电机组空载并网控制 第二章变速恒频双馈风电机组空载并网控制 风电机组只有在并网成功以后才能将电能传输到电网，实现电能利用。目前，双馈 风电机组空载并网控制的研究热点是基于定子磁链定向的矢量控制方法，采用该方法调 节双馈发电机的励磁电流可以实现双馈发电机与电网之间的“柔性连接”，在变速条件 下实现并网。本章在介绍矢量控制和d f i g 数学模型的基础上，重点研究了d f i g 空载 并网控制策略和电机参数扰动对并网控制的影响。 2 1 矢量控制 2 1 1 空间矢量的定义3 1 交流电动机绕组的电压、电流、磁链等物理量都是随时间变化的，分析时常用时间 相量来表示，但如果考虑到它们所在绕组的空间位置，可以定义空间矢量。令彳，召， c 分别表示在空间静止的电动机定子三相绕组的轴线，它们在空间互差1 2 0 度，三相定 子正弦波相电压叽。，。，。分别加在三相绕组上。定义三个定子电压空间矢量u _ 。， u 。，u r 。，使它们的方向始终处于各相绕组的轴线上，而大小则随时间按正弦规律脉动， 时间相位互相错开的角度也是1 2 0 度。可以证明，三相定子电压空间矢量相加的合成空 间矢量u 。是一个旋转的空间矢量，它的幅值不变，是每相电压值的3 2 倍。当电源频率 不变时，合成空间矢量i i 。以电源角频率为电气角速度作恒速旋转。当某一相电压为 最大值时，合成电压矢量就落在该相的轴线上。用公式表示，则有 u j = u o + u b o + u c o ( 2 一1 ) 与定子电压空间矢量相仿，可以定义定子电流和磁链的空间矢量i 。和甲。 2 1 2 坐标变换嘲3 众所周知，在交流电动机三相对称的静止绕组彳，曰，c 中，通过三相平衡的正弦 电流f 。，t 时，所产生的合成磁动势是旋转磁动势f ，它在空间呈正弦分布，以同 步转速( 即电流的角频率) 顺着a b ，c 的相序旋转。 然而，旋转磁动势并不一定非要三相不可，除单相外，二相、三相、四相等任 意对称的多相绕组，通入平衡的多相电流，都能产生旋转磁动势，当然以两相最为简单。 当二相绕组和三相绕组产生的两个旋转磁动势大小和转速都相等，即认为该两相绕组和 三相绕组等效。不同电动机模型彼此等效的原则是：在不同坐标下所产生的磁动势完全 一致。 以产生同样的旋转磁动势为准则，在三相坐标系下的f 。，如，t 和在两相静止坐标 系下的t ，以及在同步旋转两相坐标系下的直流屯，都是等效的。当旋转两相坐标 第二章变速恒频双馈风电机组空载并网控制 系的转速为同步速时，对应两相绕组就成为与三相交流绕组等效的旋转直流绕组。这样， 通过坐标系的变换，可以找到与交流三相绕组等效的直流电动机的模型。坐标变换的任 务是如何求出，i c 与，和，之间准确的等效关系( 本文进行坐标变换时 遵循功率不变的原则) 。 1 ) 三相一二相变换 先考虑在三相静止绕组彳，b ，c 和两相静止绕组口，之间的变换，即三相静止 坐标系彳一b c 和两相静止坐标系口一之间的变换，简称3 2 变换。如图2 一l 所示， 图2 - 1 三相一两相静止坐标变换 取彳轴与口轴重合，引入零序分量后的变换式为： c 3 m ，= 晨 1 1 1 2 2 o 笪一笪 22 lll 压正正 ( 2 - 2 ) 2 ) 矢量旋转变换 由两相静止坐标系口一到两相旋转坐标系d 。q 的变换属于矢量旋转变换。如图2 - 2 所示， 其变换式为： g l f f n 0 时表示双馈电机定子向电网输出电功率；当 只 0 时表示双馈电机转子由电网吸 收电功率；当只 0 时双馈异步发电机有功功率关系 名 图3 均j 蚓 羽 墨 脚 图4 - 3 并网接入点的电网电压波形 下面首先观察转子三相励磁电压波形如下图4 - 4 所示，仿真总时间是1 0 s ，但为了 清楚地观察电压变化的特点，截取了t = 3 0 s 到t = 4 0 s 之间的仿真曲线。 图4 _ 4 双馈电机转子励磁电压波形 在t = 3 6 5 s 时刻，转子电压频率厶= 0 ，表明励磁电压为直流电压。由第二章的理论分析 可知，此时正好有嵋= w 1 ，即转速值恰好等于同步速。在该时刻前，w ， w l ，故w 2 = w ，一w l ， 双馈电机处于超同步运行状态。 定子彳相电压波形如图4 - 5 所示，因为工频5 0 h z 周期较小，截取了仿真初始2 秒 的波形来观察结果。 第四章系统仿真研究 图4 - 5 双馈电机定子输出电压波形 定子电压较快地趋同于并网接八点电压电压幅值晟终稳定在6 9 0 v 。 并网接入点一相电压与定子一相电压之间的误差波形血【| 图4 - 6 所示，截取了初始的 3 秒来观察仿真结果。 兰厂 图4 - 6 并阿接八点电压与定子电压之间的误差波形 仿真结果验证了开环空载并网控制策略的正确性。开环控制策略的缺点是无法应对 参数扰动的影响，一旦参数变化，定子电压就会偏离并网接入点电压。基于电压一电流 反馈的双闭环并网控制算法能够克服这一缺陷。 4 1 _ z 基于电压一电流双闭环的并网控制仿真 采用闭环控制能够有效地抑制参数扰动对并网控制过程的影响。基于设计的电压一 电流双闭环并网控制策略，首先进行了参数恒定的仿真试验，采用试凑法得到了一组 第四章系统仿真研究 p i 控制器参数。在p i 控制器参数不变的情况，变化发电机参数进行并网仿真试验，观 察双闭环并网控制策略对参数扰动的抑制作用。采用与开环控制仿真试验相同的双馈电 机参数，假设整个仿真过程双馈电机定子始终没有接入电网。 1 ) 为了模拟并网前发电机的运行过程，给电机施加一定的拖动转矩，电机开始转 动，所施加的拖动转矩与相应的电机转速变化过程如图4 7 所示， e 乏 一 景 客 窬 轺 罢 曼 嘲 辩 暴 罾 埝 咪 强 癸 图4 - 7 双馈电机拖动转矩波形 图4 - 8 双馈电机转速波形 并网接入点的电网彳相电压与4 1 1 节图4 3 所示相同。 转子三相励磁电压波形如图4 - 9 所示，为了清楚地观察电压变化的特点，截取了 t = 3 5 s 到t = 4 5 s 之间的仿真曲线。 第四章系统仿真研究 图4 - 9 双馈电机转子励磁电压波形 定子彳相电压波形如图4 1 0 所示，截取了仿真开始2 秒的波形观察结果。 8 6 4 0 0 2 0 0 霎 o 侧锄 - 4 0 0 砌 8 0 0l _ l l j _ l l j l l _ l _ j 0o 2o 4o 60 811 21 41 61 82 t $ 图4 - 1 0 双馈电机定子电压波形 并网接入点a 相电压与定子彳相电压的误差绝对值波形如图4 - 1 l 和图4 - 1 2 所示， 其中图4 - 1l 给出仿真初始0 0 9 秒内的误差绝对值波形，图4 - 1 2 给出了t = 0 1 5 s 和t = 0 3 5 s 之间的误差绝对值波形。 第四章系统仿真研究 糕 隧 宅 趟 粤 m 删 心 崮 鲁 窿 留 涮 媸 窨 出 普 馊 心 出 翟 匿 羽 图4 - 11t = 0 0 0 9 s 的误差绝对值波形 图4 - 1 2t = 0 15 0 3 5 s 的误差绝对值波形 很明显，定子电压能否很快地与并网接入点电压一致，满足并网条件。 2 ) 发电机参数变为：b = 1 2 0 8 f 2 ：厶= 1 1 宰1 5 3 2 5 m h ，即转子绕组电阻值及互感值 分别变为原来1 2 倍和1 1 倍，其它条件不变，进行仿真。 定子彳相电压波形如图4 - 1 3 所示，截取仿真初始2 秒的波形观察结果。 第四章系统仿真研究 驾 羽 谈 图4 - 1 3 双馈电机定子电压波形 并网接入点4 相电压与定子彳相电压的误差绝对值波形如图4 - 1 4 和图4 - 1 5 所示， 其中图4 1 4 给出仿真初始0 0 9 秒内的误差绝对值波形，图4 - 1 5 给出了t = o 1 5 s 和t = o 3 5 s 之间的误差绝对值波形。 图4 1 4t = o 0 0 9 s 的误差绝对值波形 4 8 期蹬宅出越卜议坷坦罾匿脚 第四章系统仿真研究 蜊 懋 宅 崮 粤 懈 抒 出 粤 匿 掣 图4 1 5t = o 15 0 3 5 s 的误差绝对值波形 分别比较图4 - 1 0 和图4 - 1 3 ，图4 - 1 1 和图4 - 1 4 ，图4 - 1 2 和图4 - 1 5 可知，在参数 变化的情况下，基于电压一电流双闭环的并网控制算法能够较快地无偏差地趋同于并网 接入点电压，即其抗参数扰动的效果很好。 4 2 双馈风电机组有功一无功功率解耦控制仿真 第三章详细推导了双馈风电机组基于定子磁链定向的有功一无功功率解耦控制策 略，在开环控制算法设计成功的基础上设计了基于功率一电流反馈的双闭环控制算法。 本节搭建了双馈风电机组基于功率一电流反馈的双闭环功率解耦控制仿真平台。 仿真采用第三章3 4 节的双馈电机参数。假设风力机通过电机转轴传递的机械功率 尸及电网需求的无功功率q 用阶跃函数来表示，f 在0 3 s 时，将无功功率设定值设为： 发出无功功率3 0 0 w ；在t = 3 s 时，无功功率设定值跳跃为i o o w 并维持不变。f 在0 6 s 时，将有功功率设定值设为：发电功率1 0 0 0 w ；在t = 6 s 时，有功功率设定值跳跃为1 5 0 0 w 并维持不变。无功功率和有功功率给定值的曲线如图4