双馈风力发电机并网方法的原理分析.doc

双馈风力发电技术是目前应用最广泛的风力发电技术之一,受到各国政府及科技人员广泛关注.双馈风力发电机为定子绕组直接接入交流电网,转子绕组由频率,幅值,相位可调的.* 双馈风力发电机并网方法的原理分析张劲松，刘连根，徐凤星，佘岳（株洲电力机车研究所有限公司，湖南株洲，412001）摘 要：为了更好的实现发电机并网控制，从而有效地减小发电机并网冲击电流和保护整个并网控制系统。本文详细地分析了空载并网方法的原理，并根据该原理设计一套完整的并网系统，最后利用PSIM进行仿真研究的同时也借助了南车时代集团风电事业部背靠背试验平台（Back-Back Test Bench）对整个并网过程进行了试验研究，仿真和试验结果都验证了本并网控制方法原理的正确性与有效性。关键词：双馈型风力发电机；电网故障；转子侧变流器；空间矢量脉宽调制(SVPWM)；并网控制analysis of the principle of the connected-grid control methodof Doubly-fed wind power generatorZhang Jing-song，XU Feng-xing, LIU Lian-gen, SHE Yue（Institute of Zhu Zhou Electric Locomotive，zhuzhou 412001, HunanProvince,China）Abstract: In order to achieve the connected-grid control of Doubly-fed wind power generator, thus effectively reducing the impact of the connected-grid current and protect the whole connected-grid control system,. the principle of no-load connected-grid control method are analyzed detailedly, according to the principle, a complete connected-grid control system is designed. While the simulation software PSIM is used to simulate the control strategy, the Back-Back Test Bench in our company also is employed to carry out the entire connected-grid process, finally the simulation and test results have verified the correctness and effectiveness of the control strategy.Keywords: Doubly-fed wind power induction generator; grid fault; rotor-side converter; space vector pulse width modulation (SVPWM); grid-connected control51引言双馈风力发电技术是目前应用最广泛的风力发电技术之一，受到各国政府及科技人员广泛关注。双馈风力发电机为定子绕组直接接入交流电网，转子绕组由频率、幅值、相位可调的变流器提供三相低频励磁电流的新型电机，这种电机在转子中形成一个低速旋转磁场，这个磁场旋转速度与转子的机械转速相加等于定子磁场的同步转速，从而在发电机定子绕组中感应出工频电压。该法电机具有功率因数可调、效率高、变频器容量小等优点1。但目前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2.3，以及对电网电压定向矢量的并网控制方法的研究。其中大部分主要集中在风机变流器输入电压指令的推倒4、5、6、7。在国内很少有文章研究这个输入电压指令具体对发电机定子电压产国家863高技术基金项目（2008AA05Z410）生怎样影响的，它是发电机并网控制的基础。只有对这个过程十分了解才能实现对发电机输出电压控制从而完成发电机并网。众所周知，要完成发电机并网，发电机的输出电压要达到两个条件：第一，输出电压的相位与电网电压同相位也称相位同步，第二，输出电压的幅值于电网电压的幅值大小基本一致。本文主要内容是通过控制转子侧变流器的输出电压逐步实现以上两个条件。首先介绍一下整个控制过程中各变量的关系，为了实现始终发出频率为50Hz的工频电能，转子侧变流器的输出电压频率指令来自电网频率与发电机电转速的频率之差，为了实现发电机输出电压幅值与电网电压的幅值同步，通过调节由电网幅值作为指令电压得到的转子侧的d轴电流指令来实现的。具体怎么来实现在下面章节中具体推导分析。在考虑定子电网电压动态性能的情况下，本文对变速恒频双馈型风力发电机并网方法的理论进行了深入分析，并对整个并网过程进行了试验研究，结果验证了该变速恒频双馈型风力发电机并网方法的理论的正确性与有效性。2 空载并网原理分析变速恒频的机理可用图1来进一步说明。图1 双馈发电机的变速恒频运行原理Fig.1图1 中、分别为DFIG定、转子电流的频率，为定子磁场的转速，即同步转速，为转子磁场相对于转子的转速， 为DFIG转子的电转速。为发电机的极对数。有电机学的知识可知，DEIG稳定运行时，定、转子旋转磁场相对静止，即 （1）因及，故有 （2）在同步旋转坐标系下矢量形式的DFIG电压方程和磁链方程分别为： （3） （4）式中，、分别为定、转子端电压矢量，、 分别为定、转子绕组中的电流矢量， 、分别为定、转子磁链矢量。 根据式（3）和（4）可得如下图DFIG的矢量T型等效电路。 其中：， 图2 DFIG的矢量T型等效电路Fig.2在空载并网中，并网之前发电机定子侧开路即，把其带入(3)得到 （5） （6）由式（5）和式（6）得 （7）当发电机定子侧开路时，由DFIG的矢量T型等效电路得到 （8）由式（8）及式（4）得 （9）把式（9）代入式（7）得 （10）由式（10）可知可以通过控制转子侧电压的频率来控制发电机输出电压频率，控制转子侧电压的幅值来控制发电机输出电压的幅值，从而达到发电机并网的条件。2.1 发电机输出电压频率控制原理根据电机学原理得到公式（2），为了保证发电机输出电压的频率为50Hz， 由式（2）得发电机转子侧电压的频率 （11）同时把式（11）当作SVPWM调制波的频率，从而保证了转子侧电压的频率也为，是发电机编码器输出转速。在实验中，由于实验室没有风资源，我们选择一个两对极三相异步电动机作为背靠背实验台位的辅助电机，所以并网转速为1360r/min。2.2发电机输出电压幅值控制原理由上述分析得知，发电机输出电压幅值是通过控制发电机转子侧输入电压的幅值来调节，而发电机转子侧输入电压幅值的调节是通过调节转子侧电流的D轴分量来实现的。下面推到D轴转子电流的指令值空载并网方式是在并网前发电机不带负载，不参与能量和转速的控制，完全由原动机来控制发电机转速。并网时由于定子端电压受控，使其等于电网电压。并网后需切换到稳态并网控制策略。两相同步旋转d、q 坐标系下DFIG的数学模型7可表示为：磁链方程 （12） 电压方程 （13）式中：，分别为定、转子电压的、轴分量；，分别为定、转子电流的、轴分量；为坐标系相对于转子的角速度。，分别为定、转子磁链的、轴分量；为坐标系下同轴定、转子绕组间的等效互感；为坐标系下两相定子绕组的自感；为坐标系下两相转子绕组的自感。是与定子绕组交链的最大互感磁通对应的定子互感；是与转子绕组交链的最大互感磁通对应的转子互感，有；，分别为定、转子漏电感；为转子的位置角，对 取微分得到转子的电角速度 ；，为定、转子绕组等效电阻。为微分算子。空载并网前，其定子侧开路，存在如下约束关系： 为发电机的电磁转矩，将此约束关系代入定转子的磁链方程（12）得 (14)将约束关系和简化的磁链方程代入定转子的电压方程（13）得(15)如果采用电网电压定向，则 为了提高并网过程对定子侧电压动态性要求，进一步提高并网质量。由式（15）中前两行得 (16)解式（16）可得稳态解: (17)此解主要作为在电网电压相位同步时的转子电流指令值。由式（15）看出电网电压d轴，q轴分量可以由转子电流d轴，q轴分量经过一个PI调节器而得，所以我们可以选择下面的控制器 (18)由上式为电压外环的设计依据，这时计算得到的、为电网电压幅值同步时的转子电流指令值，其中、分别为电网电压的d、q轴分量的参考值，、分别为定子输出电压d、q轴分量。、分别为PI调节器比例放大系数、积分系数。3 实验与仿真结果我们搭建了一个背靠背变速恒频风力发电系统平台，本系统采用双DSP（TMS320LF2812）结构的控制电路，一个控制网侧变流器，另一个控制转子侧变流器，发电机并网控制正是通过转子侧变流器DSP来实现，发电机为两台1.65MW双馈异步发电机，其中左边的一台作为原动机模拟现场的风力，右边一台作为发电机向电网供电。图3 并网系统实验框图Fig.3首先我们给仿真时定子接触器在整个并网过程中的两端电压波形及PSIM仿真框图。 图4 定子接触器两端电压仿真波形Fig4 voltage waveform between the stator contactor下面给出在各个并网阶段的实验波形及整个风机变流器并网过程：1)网侧变流器并网，其具体并网过程请参考有关文章2) 转子侧变流器并网，其具体过程：首先定子电压相位同步过程，在这个阶段根据转子电流指令跟踪电网相位，一般要经过34周波就可以完全同步，当相位同步以后，就切换转子电流指令值，进入电网电压幅值同步过程，当电网电压幅值同步后，接着检测定子接触器状态，如果其状态正确，合上定子接触器。这紧接着切换转子电流的参考值，实现最大风能跟踪。图5定子电压相位同步过程Fig 5 the phase synchronization processof the Stator voltage 图6 定子电压从相位同步到幅值同步过程的时刻Fig6 transition process from the Stator voltage amplitude synchronization to the phase-synchronization 图7 并网时刻的定子电压波形Fig7 the stator voltage waveform when connected into the grid 图 8 发电机转子侧电流波形Fig.8图8 中黄色为转子电流波形，从中可以看出转子电流根据不同转速而不断调节自己的频率，来满足定子输出电压的频率始终为50Hz。4 结论在考虑定子电网电压动态性能的情况下，本文对变速恒频双馈型风力发电机并网方法的理论进行了深入分析，完成了并网发电的基本功能实验。并对整个并网过程进行了试验研究，结果验证了该变速恒频双馈型风力发电机并网方法的理论的正确性与有效性。5 参考文献1 窦伟；徐正国；彭燕昌、等。三相光伏并网逆变器电流控制器研究与设计J，电力电子技术.2007.41（1）；85-872 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）：6.11.3 黄文俊；余晓建；沈永林；单相并网逆变器的Deadbeat控制J.电力电子技术，2007.41（2）；10-12.4 Carlos J, Ramos Antonio P. 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