风电系统中发电机励磁控制系统的研究

　　1 引言

　　在能源消耗日益增长、环境污染日渐严重的今天，在对可再生能源的开发利用中，风能由于其突出的优点而成为世界各国普遍重视的能源，风力发电技术也成为各国学者竟相研究的热点。风力发电机组包括风力机控制系统和发电机控制系统，其核心技术之一为风力发电机的励磁控制技术。本文主要是对风力发电系统中的双馈风力发电机的励磁控制系统进行探究。

　　2 变速恒频风力发电系统机理

　　在风力发电系统中将双馈电机定子接到工频电网上，转子接到四象限变频器上，使定转子同时馈电，所以称该电机为双馈电机[1]。交流励磁变速恒频风力发电系统如图1所示[2]。其中：f1、f2分别为dfig定、转子电流的频率;n1为定子磁场的转速，即同步转速;n2为转子磁场相对于转子的转速即转差速度;nr为dfig转子的机械转速;np为dfig极对数。

　　由电机学的知识可得到计算公式：

　　由式(3)知：当dfig的转速nr变化时，可以通过调节转子励磁电流频率f2来保持定子输出电流的频率f1恒定，这就是dfig实现变速恒频的原理。

　　由上述分析，可得dfig的运行状态如下[3]：

　　(1)当nr0，转子电流的相序与定子相同，定子磁场旋转方向与转子旋转方向相同，此时励磁变频器向转子提供交流励磁电流，定子向电网输出电能;

　　(2)当nr>n1时，dfig处于超同步发电运行，f2<0，转子电流的相序与定子相反，定子磁场旋转方向与转子旋转方向相反，此时定、转子均向电网输出电能;

　　(3)当nr=n1时，dfig处于同步速运行，f2=0，励磁变频器向转子提供直流励磁。

　　3 网侧励磁变换器的设计

　　前面已经讨论了双馈风力发电机采用双pwm变换器进行交流励磁[4]，如图1所示，网侧变换器和电机侧变换器的主电路结构完全相同，只是工作状态不同而已。网侧变换器采用三相vsr整流器，主要完成以下控制目标：保持输出直流电压恒定且有良好的动态响应能力;确保交流侧输入电流波形正弦化，功率因数为1;能量可以双向流动。

　　为了完成以上任务，该部分首先建立三相vsr(voltage source rectifier)的数学模型，再采用电网电压定向的控制方式来简化控制系统的设计。三相电压型pwm整流器的电路拓扑结构如图2所示，主要有交流输入侧三相电压源为ua、ub、uc;进线电感为la、lb、lc;进线电感的等效电阻为ra、rb、rc，三对全控型功率器件igbt、直流侧输出电容c和可实现能量双向流动的直流侧负载rl和el。

　　本论文网侧变换器控制系统采用双闭环结构，即外环为电压环、内环为电流环。

　　令网侧变换器交流侧电压为：

　　式中，kip和kii为电流内环比例增益和积分增益;iq*和id*分别为电流iq和id的指令值。

　　综合以上分析，按照电压外环、电流内环的双闭环结构进行设计，可以构建出完整的网侧pwm变换器及其控制系统，其原理框图如图3所示。

　　4 转子侧励磁控制系统

　　4.1 转子侧最大风能追踪控制机理

　　风能是一种具有随机性和不稳定性的能源。若要使风力机捕获风能的效率最高且风施加给风力机的机械力较小，应该控制风力发电机组在不同的风速下运行在各自对应的最佳转速处[6]。采用双pwm变换器进行交流励磁的风力发电机组，其运行速度可以改变。在桨距角和风速一定时，风能利用系数cp随着风力机转速的变化而变化，从而使风力机输出的机械功率pmec变化，也就是说，转速n变化，会导致风力机捕获风能的效率不同。如图4为风力机在桨距角β=0°时对应于不同风速下输出的机械功率。纵坐标为风力机输出的机械功率，是以其额定功率pnmec为基值的标幺值，pnmec=100kw;横坐标为风力机的转速，是以dfig的同步转速n1为基值的标幺值，n1=1800r/min。

　　从图4可以看出，在同一风速下风力机输出机械功率随风力机转速变化而变化，每一种风速下都存在一个最大输出功率点，对应于最大的风能转换系数cpmax。将各个风速下的最大输出功率点连接起来，就可以得到风力机输出机械功率的最佳曲线，如图4中曲线pmopt所示。要使风力机运行在这条曲线上，必须在风速变化时及时调节风力机转速，以保持最佳叶尖速比，此时风力机才满足最大机械功率输出。

　　4.2 转子侧励磁电源矢量控制系统的设计

　　定子、转子绕组电压方程分别为：

　　显然，若将δurd、δurq视为消除转子电压、电流交叉耦合的补偿项，则u′rd、u′rq分别与ird、irq构成一阶惯性环节，实现了转子电压、电流解耦控制。这样做可以在保证控制系统的稳态和动态性能的基础上简化控制系统的设计。

　　综合以上分析，若按照以发电机输出的有功功率和无功功率为控制目标，主要包括功率外环和电流内环、磁链计算环节和坐标变换环节。若要最大程度地追踪风能，可以设计出带有风力机控制子系统的交流励磁变速恒频风力发电系统的矢量控制框图如图5所示。

　　5 仿真研究

　　(1)dfig(绕组折算后)

　　额定功率pn=110kw，定子额定电压un=575v(线电压)，额定频率fn=60hz;极对数np=2;额定转速nn=1785r/min;定子绕组电阻rs=0.01553(pu);定子绕组漏感：lls=0.0541(pu);转子绕组电阻rr=0.008913(pu);转子绕组漏感llr=0.0541(pu);互感lm=2.04(pu);惯性常数h=0.3175;摩擦因数f=0.006613;初始转差率s=-0.09;定、转子绕组y/y接法。转子绕组电阻和漏感均折算到定子侧。

　　(2)风力机

　　额定输出机械功率pnmec= 100kw;最大风能系数cpmax=0.48;叶尖速比λopt=8.1。

　　(3)双pwm型变换器

　　额定功率22kw;直流环节电容c=0.06f;直流环节给定电压un=1200v;进线电抗器l=0.3(pu);进线电抗器的等效电阻r=0.003(pu);开关频率fs=1620hz。

　　仿真模型中选择电压的基准值为，功率的基准值为pb=110kw，电流的基准值为。

　　假定电网电压为恒定的理想正弦交流电。当给定风速vwind=10m/s时，根据图5可确定风力发电机组的最佳转速为dfig同步速的1.09倍，此时dfig工作在超同步速发电状态电网电压在t=0.035s时突变为原来的0.8倍，在t=0.135s时恢复到起始值，此时的仿真结果如图6～11所示。

　　由图9可见，通过交流励磁电源的控制，电网电压突变时dfig转子转速仍保持在最佳转速处。图10和图11分别为电网电压突变时dfig输送给电网的有功功率和无功功率。显然，在t=0.035s和t=0.135s时，dfig输送给电网的有功功率和无功功率产生振荡，经过交流励磁电源控制系统的调整作用，最终趋于稳定。

　　6 结束语

　　论文中所设计的励磁控制系统能够实现风力发电系统的最大风能追踪和对双馈风力发电机有功功率和无功功率实现独立调节。在设计dfig的交流励磁电源的控制器时，使用双闭环系统的工程设计方法，其参数自适应性较差。在以后的研究中可以将基于自适应的智能控制算法应用其中，可以得到更理想的效果。