双馈变速恒频异步风力发电机的控制方法.

1、双馈变速恒频异步风力发电机的控制方法Con trol methods of variable sp eed con sta nt freque ncy doubly-fed wind gen erators马幼捷, 武 磊， 周雪松MA You-jie, WU L ei, ZHOU Xue-song(天津理工大学，天津3 0 0 3 8 4 )摘要：风力发电系统中，风力发电机的控制方法是个关键环节，本文对变速恒频双馈异步风力发电机的基本原理和现有的变速恒频双馈异步风力发电机的功率控制方法，如开环解 耦控制方法、有功无功解耦控制方法以及功率控制扰动方法进行了深入的研 究，针对各种控制方法所存在的

2、不足，提出一种改进功率控制扰动方法的思路。 关键词：风力发电；双馈变速恒频；功率控制扰动中图分类号：TM621.3 文献标识码：A文章编号：100 9 0134 (2009) 11 0079 030引言在风力发电系统中，风力发电系统主要由风速模型、风轮模型、轴系模型、异步 发电机模型和电网模型1组成，其中异步发电机模型是整个风力发电系统的核 心。在当今的风力发电系统中，使用变速恒频双馈异步风力发电机发电的技术已 经成为目前风力发电技术的发展方向，因此对变速恒频双馈异步发电机控制方法 的研究已经成为了风力发电系统研究中的一个热点。多年来一些学者提出了几种不同的关于变速恒频双馈异步风力发电机的功率

3、控制 方法，诸如开环解耦控制方法2、有功-无功解耦控制方法3等，它们都是由在 矢量控制方法4基础上提出，虽然各种控制方法都有其自身的优点，但是在一些 方面还是存在着不足，因此又有人提出了功率控制扰动法5，它综合了间接磁场控制方法和矢量解耦控制方法，同时采用定子磁链定向矢量变换技术实现双馈异 步电机的有功-无功功率的解耦控制，但是这种方法没有加入对由风速变化引起的 转矩波动的控制。因而本文提出一种新的功率控制方法思路，即动态功率控制扰动方法。运行原理如图1所示。发电机为三相绕线式异步电机，定子绕组并网，转子绕组外 接滑差频率电源实现交流励磁。当发电机转子旋转频率 fr变化时，控制励磁电流 频率f

4、2以保证定子输出频率f1恒定，实现风力发电机的变速恒频控制，即f1 = npfr + f2 (1)式中，np为发电机的极对数。图1变速恒频双馈异步发电机的基本原理图1.2 变速恒频双馈异步风力发电机的数学模型交流励磁双馈异步发电机是一个高阶非线性强耦合的多变量系统，在 d-q坐标系下的双馈变速恒频异步发电 机的数学模型表示如下： 定子电压方程： 转子电压方程：本原理和数学模型1 变速恒频双馈异步风力发电机的基1.1变速恒频双馈运行原理收稿日期：2009 03 13 基金项目：国家自然科学基金面上项目( 5 0 8 7 7 0 5 3 )作者简介：马幼捷( 1 9 6 4 )，女，教授，博士，主

5、要从事电力系统分析、控制与风力发电系 统研究。1卷1期0 9-11第3第12 0【79】定子磁链方程:ala2|儿一叱1转子磁链方程：电磁转矩方程：忽略电机定子绕组电阻后，发电机定子磁链和定子端电压矢量之间的相位差正好为90定子磁链定向示意图如2所示。图2定子磁链定向原理示意图定子相电压矢量Um正好落在q轴的负半轴上，而d轴分量为0。此时定子电压方程为：2相关控制方法2.1 矢量控制方法矢量控制方法利用矢量控制技术综合改变变速恒频双馈异步风力发电机转子励磁 电流的相位和幅值，可以实现变速恒频双馈异步风力发电机输出有功功率和无功 功率的控制，矢量控制技术强调对控制量的解耦，需要经过多次坐标变换和

6、反变 换，因此控制精度较高，但是多次的坐标变换和反变换使系统变的非常复杂，计 算量很大；同时，控制过程第3 1卷第11期2009-11中电机参数变化对系统控制量的精度也有不可忽视的影响。因此在矢量控制方法的基础上，一些学者提出了关于功率的解耦控制方法。2.2 开环解耦控制方法和有功-无功解耦控制方法开环解耦控制方法从双 馈风力发电机的等效电路图出发，将变速恒频双馈异步风力发电机的数学模型进行 3/2坐标变换和极坐标变换并将电网电压定向在 d-q坐标下的q轴上，通过等效电 路和坐标变换理论形成的这种控制方法，虽然简化了控制系统的复杂性但是由于在电路等效的过程中的一些近似处理，使得系统的控制精度有

7、了明显的下降。 有功-无功解耦控制方法，基于定子磁场定向双馈发电机矢量控制方案，提出了有 功-无功双向功率调节的控制方案，此方案结合 3/2坐标变换方法和解耦控制理 论，实现了对有功-无功的独立解耦控制，但是因其加入解耦控制理论，使的整个 过程比较复杂影响了此控制系统的反应速度。由于以上两种解耦控制方法是在功率处于静态无扰动的情况下提出的，在存在功率扰动的情况下其控制精度下降，因此有的学者提出了功率控制扰动法。2.3 功率控制扰动法功率控制扰动法其主导思想是离散迭代控制，风力机在某一特定风速下的功率特 性曲线是凸函数，如图3所示。因此可在系统处于稳定时，给转差率一个微小扰 动，这一扰动将引起输

8、出功率的变化。若该变化量大于零则在系统趋于稳定时加 上与前次同图3固定风速风机输出特性【下转第110页】【8 0】第皑型1衬他4结论随着数控技术的发展，可编程控制器控制的设备已由单机扩展到FMS（柔性制造系统）、CIMS （现代集成制造系统）等。PLC有较好的逻辑处理功能，在工业控制 领域具有广泛的应用空间。PLC-SR-21为 通用型”的可编程控制器，它的机架、 CPU模块、输入输出模块、信号模块、功能模块、电源模块等是分开的，应用非 常方面。由于具有强大的编程功能，灵活的应用能力，在数控机床中，应用相当 广泛。实践证明，PLC-SR-21在数控铣床XK5632的应用中，具有相当好的稳定 性

9、，提高了 XK5632的工作效率和自动化水平。参考文献：1 刘书华.数控机床与编程M.北京:机械工业出版社2001,8.2 廖效果，刘又午.数控技术M.湖北:湖北科学技术出报社，2000,.3 KOYO PLC可编程控制器使用说明书Z.无锡:无锡机床 电器厂2005,（5）.4 FAGOR 8050 MS;MG;M INSTALLATION AND START-U PMANUALZ.S pani sh:Fagor Automatio n,S.Coo p.Ltda,the 1st Editio n November 2004:23-34. FANUC PC P ROGRAMMER OP ERAT

10、ORs MANUALZ.Japan: FANUC LTD.MAY 2005:45-54.6 FANUC AC SERVO MOTOR M Series DESCR IP TIONS,Japan: FANUC LTD.MAY 2005:68-82.7 FANUC DC SERVO MOTOR M Series DESCR IP TIONS,Japan: FANUC LTD.MAY 2005:72-78.【上接第8 0页】符号的扰动量，直到输出功率变化量开始小于零时才改变下一次扰动量的符号如 此反复。风力机的工作点将沿着功率特性曲线移动到最大值附近，并保持一定的 波动。参见图3,假定系统输出功率稳

11、定在a1点，对应的转差率为s1，扰动量在s2和S3之间连续变化，则此时转差率s为：式中，fm为扰动信号的频率。由于输出功率与定子电流q轴分量Iqs成正比，测得功率检测回路的功率时，s1由下式决定：式中,Iqs2和Iqs3分别为功率点a2和a3对应的定子电流q轴分量，K为比例系 数。假定定子电流q轴分量与扰动信号的相位差为0,由于在2n fmt +冗和2冗fmt+3 n /2寸刻对电流进行米样，系统获得最大功率时，0 =(2n+1) n /其中n为整数。法是基于固定风速时变速异步双馈恒频功率发电机发出的不变功率，也就是在固 定功率的情况下提出这钟方法，使的整个控制过程没有实现对变速异步双馈恒频

12、功率发电机的完全解耦，因此在此提出动态功率控制扰动方法的设想，就是在功 率变化的情况下用功率控制扰动法结合变速恒频双馈异步风力发电机的数学模型 进行对变速恒频双馈异步风力发电机有功-无功功率的完全解耦。若验证了此方法的正确性和有效性，对于风力发电系统的有功-无功控制具有指导 意义。参考文献：1 张兴,司媛媛,张强，等.基于Labview的虚拟风场算法的研究J.合肥工业大学学报 2005,28(9):1062.2 吴冰,李进泽,王建良.双馈风力发电机的开环解耦控制J.电机与控制应用,2008,35(7):9.3 黄守道，谭健,许铮，等.双馈风力发电机有功、无功的解耦控制J.电气传动,2008,38(9):7.4 杨冬,郭家虎.变速恒频双馈风力发电机的矢量控制研究J.电机技术 2008,(5):8.5 王旭东，熊光煜.双馈异步风力发电机功率控制扰动法仿真研究J.计算机仿真,2008,25(11):652. 惠晶杨元侃,顾鑫.变速恒频无刷双馈风力发电机的功率控制系统J.电机与控制应用,2008,35:27.7李漪淼，史