交流励磁双馈风力发电系统仿真及实验研究

1、交流励磁双馈风力发电系统仿真及实验研究    摘要：基于双馈电机的数学模型提出了一种双闭环空载并网控制策略，并且给出了控制器的设计方法。对提出的控制策略搭建了仿真模型，并且在实验平台上进行了验证。仿真和实验结果表明，控制系统不仅实现了柔性平滑并网，而且可以变速恒频运行。关键词：双馈电机；交流励磁；矢量控制中图分类号：TM3151引言随着能源问题的日益突出，开发风力资源已成为各国争相研究的热点。在众多的风能开发方案中，变速恒频交流励磁双馈风力发电技术由于具有运行效率高、控制性能好、功率因数可调、变流器容量小等优点1-2，所以被认为是最具优势的方案之一。双馈

2、风力发电机定子直接并入电网，转子通过一个back to back 电压型变流器接到电网。当转子转速随风力机变化时，通过调节转子励磁电流的频率、幅值、相位3，使得定子感应出来的电压始终满足并网条件，即频率、幅值、相位始终和电网电压一致，从而实现了双馈电机与电网的柔性连接及变速恒频运行。本文在详细分析双馈电机数学模型的基础上，提出了基于电网电压定向的并网控制和功率解耦控制策略。建立了空载并网仿真模型，对并网前后的控制策略进行了仿真，最后在15kW 的实验样机上进行了实验研究。2DFIG 的数学模型为了推导基于电网电压定向的矢量控制策略，首先建立两相同步旋转坐标系下电机的数学模型。在坐标变换时可采取

3、功率不变或幅值不变的原则4，本文采用幅值不变原则。定子采用发电机惯例，转子采用电动机惯例，双馈电机在同步坐标系下的数学模型为：11sd sd sq s sdsq sq sd s squ D Riu D Ri = = + (1)22rd rd rq r rdrq rq rd r rqu D Riu D Ri = + = + +(2)sd ssd mrdsq ssq mrqL i L iL i L i= + = +(3)rd r rd m sdrq r rq m sqL i L iL i L i= = (4)以上各式中， sd u 、sq u 、isd、sq i 、sd 、sq 分别是定子电压、电

4、流和磁链的d 、q 轴分量；urd 、rq u 、ird 、rq i 、rd 、rq 分别是转子电压、电流、磁链的d 、q 轴分量； Lm为激磁电感； Rs 、Ls为定子的电阻和自感； Rr 、Lr为转子的电阻和自感； 1 、2 分别为同步角速度和转差角速度；微分算子用D 表示。3DFIG 空载并网控制策略将同步旋转( d - q )坐标系的d 轴按电网电压空间矢量定向，则电网电压在同步坐标系里的d 、q 分量分别为：0sd ssqu Uu= =(5)其中， s U 为电网电压峰值。因此双馈电机数学模型中的定子电压方程式简化为：11 0s sd sq s sdsq sd s sqU D RiD

5、 Ri = = + (6)双馈电机定子绕组直接与电网相连，当所连电网为强电网的时候，定子电压的幅值和频率都是恒定的。忽略定子电阻上的压降，稳态时定子磁链落后定子电压90o ，落在q 轴的负半轴上，则有：1sd 0sq s s U = = = (7)3.1 定子电压调节阶段这一阶段双馈电机空载运行，定子电流为零，通过调节转子励磁电流，使其满足并网条件。将(1)式中的sd 、sq 用式(3)替代，得到：1 11 11 11 1rd rq sqmrq rd sdmi Di uLi Di uL = + = (8)选择电压环控制器：( )( )1111uIrdref up sqref sq rquIrq

6、ref up sdref sd rdKi K u u DisKi K u u Dis = + = + + (9)这里定子电压的参考值取固定值sdref s u =U ， sqref 0 u = ，考虑转子电流的动态过程，可以抑制定子电压的瞬态尖峰，实现平滑并网。3.2 双馈电机的功率解耦控制阶段成功实现并网之后，双馈电机的定子电压等于电网电压。控制策略由定子电压闭环控制切换为定子侧功率解耦控制5。并网运行过程中，风电机组控制器根据实际风速和电网要求动态调节发电机输出有功功率和无功功率。采用定子电压定向矢量控制，定子侧的功率表达式可简化为：3232s ssds s sqP UiQ Ui = =

7、(10)由式(3)定子磁链方程式，求出转子电流的表达式为：11srd sd sdm msrq sq sqm mLi iL LLi iL L = + = +(11)将(10)和(7)代入式(11)，可以导出定子侧功率与转子电流的关系：12323s srds ms s srqs m mP LiU LQ L UiU L L = = (12)由上式可以看出，定子侧的有功功率和无功功率是互相解耦的。选择功率控制器：( )( )1pIrdref pp sref spI srqref pp sref smKi K P PsK Ui K Q Qs L = + = + (13)4仿真和实验结果为了验证控制方法的

8、优越性，在simulink 下搭建了双馈风力发电系统仿真模型。为了验证定子电压调节器对转子电流微分量的抑制，防止高频开关量的干扰，这里使用可控电压源代替PWM 逆变器，建立了理想化模型。选定的双馈电机参数如下：发电机额定容量15kW、线电压有效值380V、频率50Hz、定子电阻0.2、定子漏感0.0013H、转子电阻0.2、转子漏感0.0018H、互感0.0416H、极对数3。图1 为并网过程仿真波形。从图(a)和(b)中可以看出定子电压经过0.4 秒的时间建立起来，达到和电网电压的幅值，频率，相位基本相同。因为引进了转子电流的微分量，定子电压上的毛刺显著减少，满足了对电网冲击最小，实现了软并

9、网。如图(c)、(d)、(e)所示，转子电流的频率随着电机转速的变化而变化，以此来保持定子电压频率始终为50Hz,实现了变速恒频运行。图(f)、(g)为定子的有功与无功的解耦控制，模型在4 秒钟时将有功指令值由原来的15kW 改为5kW，而无功指令值则始终设为零，以满足单位功率因数运行。如图(d)、(h)所示，在1 秒钟并网时定转子电流平滑过渡，对电网冲击很小。从图(e)、(i)中看出当电机转速从亚同步过渡到超同步时，转子侧实现了有功功率的双向流动。0.4 0.45 0.5-400-2000200400(a) t/s电网电压 / V0.4 0.45 0.5-400-2000200400(b)

10、t/s定子电压 / V1 1.5 2-400-2000200400(c) t/s定子电压 / V1 1.5 2-50050(d) t/s转子电流 / A0 2 4 6050100150(e) t/s转子转速 / rad/s0 2 4 6-1012x 104(f) t/s定子侧有功功率 / W0 2 4 6-5000500(g) t/s定子侧无功功率 / W0.9 1 1.1 1.2 1.3-40-2002040(h) t/s定子电流 / A0 2 4 6-500005000(i) t/s转子侧有功功率 / W图1 并网仿真波形图2 为系统实验波形。从图(a)中可以看出网侧变换器的电压电流同相位

11、，工作在单位功率因数下，且为逆变器提供平稳的直流母线电压。图(b)表示定子电压和电网电压的实验波形，可以看出已经满足并网条件。图(c)为并网瞬间的定子电流波形，可以看出定子电流有一个短暂的调节过程，冲击小，过渡平稳。图(d)表示从亚同步过渡到超同步的转子电流波形和网侧变换器电流波形，从图中看出实现了能量在变换器中的双向流动。因为开关器件和其它的损耗，导致同步速时刻和变换器的能量最低点间有一定的时间差。        (a) (b)(c) (d)图2 并网实验波形5结语本文通过 simulink 对所提出的双馈发电机

12、空载柔性并网控制策略进行了仿真分析，并在搭建的实验平台上进行了验证。仿真和实验结果表明，控制策略确实实现了发电机的平滑并网和功率解耦。参考文献1 Boldea I, Tutelea L, Serban I. Variable Speed Electric Generators and Their Control: An EmergingTechnologyJ. Journal of Electrical Engineering, 2002, (3): 20-28.2 刘其辉，贺益康，张建华.交流励磁变速恒频风力发电机的运行控制及建模仿真J.中国电机工程学报，2006，26(5)：43-50.3

13、 Pena R, Clare J C, Asher G M. Doubly Fed Induction Generator Using Back to Back PWM Converter and itsApplication to Variable Speed Wind Energy GenerationJ. IEE Proceeding on Electric Power Applications. 1996,143(3): 231-241.4 胡崇岳. 现代交流调速技术M，北京：机械工业出版社，1998：25-263.5 Dendouga A, Abdessemed R, Bendaas

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15、Electrical Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin (150001)AbstractA novel grid connection strategy using double closed loop with no load is proposed, based on the DFIGmathematical model, and the controllers are designed. The control strategy is simulated on PC andimplemented on the experimental platform. Simulation and ex