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风力发电控制系统研究综述,风力,发电,控制系统,研究,综述
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第 26 卷 第 22 期 中 国 电 机 工 程 学 报 Vol.26 No.22 Nov. 2006 2006 年 11 月 Proceedings of the CSEE 2006 Chin.Soc.for Elec.Eng. 文章编号：0258- 8013 (2006) 22- 0134- 06 中图分类号：TM614；TP391 文献标识码：A 学科分类号：47040 风力发电机用双 PWM 变换器的 功率平衡联合控制策略研究 王 锋，姜建国 (上海交通大学电气工程系，上海市 徐汇区 200030) Research of Power- balancing Combined Control Scheme for Back to Back PWM Converters Used in the Wind Generator WANG Feng, JIANG Jian- guo (Department of Electrical Engineering, Shanghai Jiaotong University, Xuhui District, Shanghai 200030, China) ABSTRACT: Taking the advantage of back to back PWM converters, combining with AC excited electricity generating technology and the vector control strategy, the model of vector control scheme of doubly fed induction wind generator excited by the back to back PWM converters has been built. In order to decrease the electrolytic capacitor capacity and limit the dc- bus voltage fluctuation,the back to back PWM converters model was built using power- balancing control strategy based master- slave,which fully utilize the inverter dynamic information in the converter dynamic control. The simulation result indicate that the proposed method can control the dc- bus voltage fluctuation of the converter, so that can decrease the electrolytic capacitor capacity greatly and quicken the response speed, which will enhance the reliability and the life- span of the wind generator system very effectively. KEY WORDS: wind power; doubly fed induction wind generator; back to back pulse width modulation con- verters; power- balancing; master- slave 摘要： 根据双 PWM 变换器的优点并结合交流励磁发电技术和矢量控制技术， 建立了双 PWM 变换器励磁的双馈感应风力发电机矢量控制系统模型。 为减少交直交变换器中电容容量且能稳定直流母线电压， 建立了在主从控制方式下应用功率平衡联合控制策略的双 PWM 控制模型。 该模型可对转子侧和网侧两个 PWM 变换器进行协调控制， 使得整流部分充分利用了逆变部分的信息。 仿真结果表明该方法极大提高了直流母线电压的动态控制性， 并因此大大减少了对变换器中电解电容容量的要求，也使得风力发电机组的响应速度加 基金项目：国家自然科学基金项目(50576011)。 Project Supported by National Natural Science Foundation of China(50576011). 快，最终使整个风力发电系统的可靠性和寿命大大提高。 关键词：风力发电；双馈感应发电机；双 PWM 变换器；功率平衡；主从控制 0 引言 随着环保意识的增强和一次能源的消耗危机，风能作为洁净可再生的“绿色能源”已成为各国关注的焦点，风力发电技术也变得日趋成熟，其中采用双馈感应发电机的变速恒频发电方式以其优良的性能在世界各国得到广泛应用1。目前可用于双馈感应发电机交流励磁的装置中， 交交变频由于其固有缺陷，输出电压中含有大量谐波，输入侧功率因数很低，对电网和发电机造成了严重的谐波污染，从而不适合应于兆瓦级变速恒频风力发电中2- 3；矩阵变换器虽然结构简单，效率高，具有良好的输入输出特性且不需要中间直流电容。但由于其控制方法较复杂，在换流时不允许有重叠，也不允许存在间隙， 且其最大输出电压能力不高4- 5； 交直交双PWM 变换器以其良好的传输特性、功率因数高、网侧电流谐波小、能量双向流动等特点而受到广泛关注6- 9。 在交直交变换器中为了使直流母线电压波动较小，传统方法是使滤波电容做的大些，但单存靠提高电容容量来稳定直流母线电压的做法具有严重的缺陷，在实际大功率风力发电系统中也是不可取的。这是因为：大容量储能滤波电容一般是电解电容，其体积大、笨重、性能不可靠；且电解电容由于化学变化，会发生耗损性故障，这种故障与其他元器件的偶发故障相比，问题更加严重，与系PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.2006.22.023第 22 期 王 锋等： 风力发电机用双 PWM 变换器的功率平衡联合控制策略研究 135 统中其他元器件的寿命相比，电解电容的寿命要短几个数量级。而且，如果控制的不好，会使流过电容的电流过大，引起严重的温升，进一步会使电解电容的性能恶化10。 为解决这一问题先后有文献提出用负载电流前馈联合控制方法11和反馈线性化控制方法12，虽然都取得了一定的效果，但由于方法所限效果不是很理想。 本文结合风力发电的特点采用功率平衡联合控制方法13，对为双馈风力发电机励磁的双 PWM变换器进行协调控制，并综合矢量控制技术对整个发电系统进行建模仿真。结果表明该方法物理意义清晰，原理简单，控制中整流过程充分利用了逆变部分的动、静态信息，使电容容量大大减小，控制效果良好。 1 双 PWM 变换器励磁的变速恒频发电系统 采用双 PWM 变换器励磁的变速恒频发电系统可用如图 1 所示。 P/Q 转子侧 变换器 网侧 变换器 双馈发电机 C 电 网 图 1 用双 PWM 励磁的双馈发电机系统 Fig. 1 DFIG using back- to- back PWM converters 转子由 2 个“背靠背”连接的电压型 PWM 变换器(转子侧变换器和网侧变换器)构成的双PWM变换器进行励磁。转子侧变换器向转子绕组馈入所需的励磁电流，完成定子磁链定向矢量控制任务，实现最大风能捕获和定子输出无功的调节;网侧变换器配合转子侧变换器的运行，实现能量双向流动。当电机亚同步速运行时，电网向转子输入能量，转子侧变换器做逆变器运行，此时网侧变换器做整流器运行；当电机超同步速运行时，转子向电网输出能量，转子侧变换器作整流器运行，网侧变换器做逆变器运行将能量回馈到电网；当电机以同步速运行时，电网向转子馈入直流励磁电流，双 PWM 变换器实际作斩波器运行14- 15。此外，网侧变换器还需控制直流母线电压恒定以及调节网侧的功率因数，使整个风力发电系统的无功调节更加灵活16。由于转子侧变换器和网侧变换器分别工作在两个完全相逆的过程，且电路拓扑结构完全相同，为分析简单起见，本文假定转子侧变换器工作在逆变状态，网侧变换器工作在整流状态， 另一工作状态与此类似。 2 双 PWM 变换器的控制方式 早期控制中，由于整流部分和逆变部分采用独立控制，无法做到协调一致，使两部分的瞬时能量存在较大差值，为避免直流电压出现大的波动，就必须引入大电容，而大电容的引入必然会带来成本的提高、重量体积的增大及故障的增多，这在兆瓦级风力发电系统上尤为明显10。 在实现方式上独立控制仅采用电压环负反馈进行补偿，在先有误差再校正的情况下，必然存在动态误差；大电容的引入加大了电压环的时间常数，减慢了电压环的调节速度。但是，无论从电流流向关系的角度看，还是从能量传递的角度看，整流部分与逆变部分都存在着一定的物理联系。而独立控制却简单地将二者当作是完全独立的两个整体，割断二者之间的物理联系，对二者进行各自独立的控制，使独立控制方式存在着根本缺点。 与独立控制方式相对应，联合控制则是从整体出发、以系统的眼光对整流部分和逆变部分之间的物理联系进行剖析。此基础上，将两者当作一个相互影响的整体，对整流部分和逆变部分进行关联、协调控制。联合控制方式中目前采用较多的是负载电流前馈控制方法和反馈线性化控制方法。其中，负载电流前馈联合控制方法的优点在于物理意义清晰、 原理浅显， 缺点是前馈补偿项中只包括了逆变部分对整流部分影响的静态信息， 而不含其中的动态信息，因此对控制效果的改善作用仍有待进一步的提高， 且负载电流的直接测量和间接重构比较困难17。反馈线性化控制方法的优点是：在整流部分的控制中有效地利用了逆变部分的控制信息，控制性能得到较大改善，缺点是原理复杂、物理意义不明确、设计难度大、对设计人员要求高，而且由于引入了Lie 函数，使得对模型精度要求较高，鲁棒性较差。 本文采用功率平衡控制方法对双 PWM 进行联合控制，该控制方法使整流部分充分利用了逆变部分的动静态信息，控制效果良好。 3 双 PWM 变换器的功率平衡联合控制 3.1 定子磁链定向的矢量控制系统 为最大限度地获取风能，实现双馈感应发电机有功功率和无功功率的解耦控制，采用定子磁链定向的同步旋转 d- q 坐标下系的电机动态数学模型。在定子磁链定向下， d 轴与定子磁链s的方向重合，则定子磁链在 d、q 轴上分量为ds=s，qs=0 在认PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 136 中 国 电 机 工 程 学 报 第 26 卷 为电网能量无穷大的情况下，稳态时定子磁链大小恒定为s=Us/s，则在定子磁链定向坐标系下，双馈电机的定转子电压、磁链方程和转矩方程15为 2rrrrsrr2rrrrsrr(/)d/d(/)d/dddmddqqmqquR iLLLituuR iLLLitu=+=+ (1) 2rsrrsr2rsrsssrrsr()(/)()/()(/)dmqqmmquLLL iuLLLLL i=+(2) rrrdsrrrsddmqqm qL iL iL iL i=+=+ (3) ssss0dquu = (4) ssssrsssr0ddm dqqm qL iL iL iL i=+= =+ (5) 其中：uds、uqs、udr、uqr、ids、iqs、idr、iqr分别为定转子电压电流在 d、q 轴上的分量；Rr为转电阻；Ls、Lr、Lm分别为定转子电感和定转子间互感；s、r分别为电网电压电角速度和转子角速度；s、sd、sq分别为定子磁链和其在 d、q 轴的分量。 udr、uqr是 d、q 轴转子电流的交叉耦合电压项，必须通过引入前馈补偿量对 d、q 轴转子电流的控制才能真正实现解耦，且提高了电流控制环的动静态性能。 根据上述表达式，可以得到双馈电机定子磁链定向矢量控制系统。为方便控制，在该控制系统采用 IP 控制来代替传统的 PI 控制18，所得控制系统如图 2 所示。 PI kp kp i1ks i1ks rrr1/1RLsR+ DFIG rrr1/1RLsR+ 1/Js NpsLm/Ls + + + + + + + + + + *rdi *rqi + *rqu *rdu *rr iqr uqr uqr udr udr idr idr Tl iqr Tem r + IP控制 IP控制 图 2 双馈电机定子磁链定向矢量控制图 Fig. 2 Stator flux oriented vector control scheme of the DFIG 3.2 双 PWM 变换器控制系统 在两相同步旋转坐标系下整流器的数学模型可表示如下19 ddddddqddqqdqqiLRiLiEvtiLRiLiEvt=+=+ (6) 式中：Ed、Eq分别为电网电动势在 d、q 轴上的分量；id、iq为馈入变换器的电流 ia、ib、ic在 d、q 上的分量；L 为进线电感；R 为进线等效电阻。 DFIG va vb vc ia ib ic +Ec +Eb +Ea R R R 图 3 转子侧链接双 PWM 变换器的双馈发电机系统 Fig. 3 DFIG with back to back converter feeding the rotor 在 d 轴定向于电网电压矢量的情况下 Eq=0， 则整流器所传输的功率可表示为 conddqqddPi Ei Ei E+= (7) 在忽略进线电阻 R 和取单位功率因数(0*qi =)的情况下，整流器的动态功率为 cond()ddddEPEvtL= (8) 以电压反馈控制为外环，电流控制为内环，利用状态反馈实现 d、q 轴电流间的解耦，可得图 4所示的负载电流前馈控制方法下的系统。该方法的优点在于物理意义清晰、原理浅显，缺点是前馈补偿项中只包括了逆变部分对整流部分影响的静态信息，而不含其中的动态信息。 将定子电流和转子磁通作为状态向量，根据式(1)可得定子磁链定向的同步二相旋转坐标系下感应发电机模型： rrdrrrrrrrrrsrrrsr11de qdemqqe dqRiiivLLLRiiivLL LL=+=+ (9) 假定转子电流由带有补偿项的 IP 控制器来调节，即 rirprrrrirprrrssdddddeqmqqqedevKetk iL iLvKetk iL iL =+ (10) 其中：*rrrdddeii=；*rrrqqqeii=；e 为转速差；2sr1/()mLL L = 。 由整流部分进入逆变部分的功率为 inrrrrvddqqPi vi v=+ (11) 则逆变器动态功率为 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 第 22 期 王 锋等： 风力发电机用双 PWM 变换器的功率平衡联合控制策略研究 137 *dcV PI PI PI Vdc/Ed Ed/Vdc 1/(sL) 1/(sC) 1/(sL) Ed +Lid Ed +Lid Eq Lid Eq Lid vq iq id icon iinv Vdc vd id *di *qi *qv *dv + + + + + + + + + id 图 4 负载电流前馈的控制策略 Fig. 4 The control scheme for the load current feedforward inrrrrrrrrrrrrrirprrrrrrirprrrrrsrrpirdd ( )( ) vddqqddqqddqqdddeeqeqqqqmededPi vi vi vi vti vi vik ek iL iL iik ek iLL iL iLRkPL =+=+=+n1vU+ (12) 其 中 ：2ss1irrrrprssr()(emddqqqVLUk e ie ik iLL L=+ r22msrrssssr)2()pedqeeeR kLL iiQL ILL +rsrrrr()emqm dqLiL iiLT；222rrrdqIii=+；rrdqQv i= rrqdv i；222srrdqVvv=+。 3.3 基于 Master- Slave 模式的功率平衡控制 将整流部分和逆变部分看成两个相对独立的系统，在任一时刻两部分中的能量流动总是相反的，如果能实现这两部分的功率平衡，则存储在电容中的能量将不变， 从而维持电容电压不变。 为此，本文采用 Master- Slave 控制模式12，将转子侧变换部分作为 Master 系统， 网侧变换器做为 Slave 系统，控制目标就是使得 Slave 系统严格匹配 Master 系统，从而实现两部分功率平衡。 在式(12)中若把 U1作为输入，Pinv作为输出则可得 Master 系统的传递函数 1rr1( )()/pG ssRkL=+ (13) 同样，当把2qqUEV=作为输入，conP作为输 出，可得 Slave 系统传递函数 2s( )/qG sEL= (14) 因为in11( )vPG s U=，con22( )PG s U=，如果有122in( )vUGs P=，则定有inconvPP=。不妨先假定122in( )vUGs P=， 另外为使系统控制精确， 引入输入量3incon( )()vUK s PPZ=，其中，Z 为外界控制输 入量可以控制 Pinv和 Pcon的相对变化量。根据上面的假设和定义，可得图 5 所示的控制图。 G1(s) G2(s) K(s) 121( )( )Gs G s Pinv Pcon U2 U1 Z + + + 图 5 主从方式下的功率平衡控制策略 Fig. 5 Power- balancing control scheme using master- slave concept 根据图 4 可以得到如下函数矩阵 con222in1( )( )( )1.1( )( )1( )vPG s G s K sG s K sPzUK s=+ (15) 在图 5 所示的控制系统中有下式成立 2conin2( )( )( )( )1( )( )vG s K sPsPszG s K s=+ (16) 根据式(8)，可以令2qqUEV=，则有 2qqVEU= (17) 整流中为实现单位功率因数，可令*0di =，则 整流逆变综合控制系统如图 6 所示。 1( )qLsG sE PI L L Eq/L1/s K(s) Vdc/Eq 1/Ls U1 Eq Vq Eq Pinv Pcon id + + + + + + + + + + Z *0di = Lid 图 6 双 PWM 变换器联合控制图 Fig. 6 combined control scheme for back to back PWM converters PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 138 中 国 电 机 工 程 学 报 第 26 卷 4 仿真分析 应用 Matlab/Simulink，将本文的双馈感应风力发电机用的双 PWM 变换器的功率平衡联合控制策略和传统的电流前馈联合控制策略进行仿真对比分析。采用的风力发电机组的参数如下20。 风力机， 风轮半径 R=2.15m， 额定功率 2.3kW，最佳叶尖速比opt=9，最佳风能利用系数 Cmax= 0.48， 齿轮箱增速比 N=6.254， 空气密度=1.25kg/m3。 双馈感应发电机，额定功率 2.237kW，定子额定电压 220V，额定频率 60Hz，四极，定子电阻0.435，定转子漏感 2mH，转子电阻 0.816，互感 69.31mH，转动惯量 0.089kgm2。 双 PWM 变换器，进线电感 6mH，滤波电容2200F， 器件开关频率 5kHz， 电网电压 220V， 60Hz。 本文仿真不考虑并网过程，仿真时假定发电机已经并网成功并稳定运行。开始风速稳定在 6m/s，根据最佳风能利用原理发电机转速应控制在1500r/min，在第 1.5s 时风速变为 9m/s，相应发电机最佳转速应控制在 2250r/min。在第 3s 时风速又回到 6m/s，发电机转速也降落到 1500r/min。 图 7 中 3 幅图依次为风速变化曲线、 风速变化时功率平衡联合控制下电容能量相应的变化、风速变化时负载电流前馈控制下电容能量相应的变化，从仿真结果中可以看出，当风速变化时，在功率平衡联合控制策略下电容能量几乎没什么变化，而在电流前馈控制中电容能量有相对较大的变动。 2300 2100 1900 1700 1500 0 1 2 3 4 t/s r/(r/min) 10 5 0 5 103 0 1 2 3 4 t/s Pc/kW 0 1 2 3 4 t/s Pc/kW 0.4 0.2 0.0 0.2 0.4 图 7 功率平衡联合控制和负载电流前馈控制下 电容能量变化仿真结果 Fig. 7 Simulation results of the power fluctuation of capacitor with the load current feedforward scheme and the power- balancing control scheme 5 小结 本文应用 Master- Slave 方式，对风力发电机用双 PWM 变换器进行功率平衡的联合控制策略，在风速变化时使得变换器的直流母线电压波动大大减小，从而使变换器中的电容量大大降低，也就使薄膜电容可以替换电解电容。电容量的减少进一步使得风力发电机组的稳定性大大提高，这对于兆瓦级风力发电机组意义更为重大。与此同时，功率平衡的联合控制策略也使风力发电机组的响应速度大为加快，从而提高了发电质量。 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J 中国电机工程学报，2004，24(3)：7- 12 Liu Qihui， He Yikang， Bian Songjiang Study on the no- load cutting- in control of the variable- speed constant- frequency(VSCF) wind- power 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