变速恒频风电系统优化控制策略研究.pdf

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1、第3期王红君等．变速恒频风电系统优化控制策略研究349变速恒频风电系统优化控制策略研究王红君1戴伍祥1赵辉2岳有军(1．天津理工大学天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室，天津300384；2．天津农学院，天津300384)摘要通过分析网侧变换器和定子侧变换器运行原理，提出变换器的数学模型和控制策略，利用定子磁链定向矢量控制方法和电网电压定向的矢量控制方法，建立矢量控制方程式，采用双闭环控制策略实现定子有功功率、无功功率的解耦控制，使得网侧保持功率因数运行和直流母线电压稳定。通过MAT．LAB／sIMuLINK软件，构建了风电系统仿真模型，仿真结果验证了矢量控制的可行

2、性。关键词风力发电矢量控制解耦控制中图分类号TH862+．3文献标识码A文章编号1000·3932(2013)03-0349-04在能源紧缺的今天，风能作为一种可再生新能源受到越来越多的关注，变速恒频风力发电技术是该领域的研究热点，它将自动控制、电力电子等技术应用于双馈风电机组的控制上，可实现对风能的最大捕获。相对于一般发电机组，双馈感应发电机(DFIG)在励磁电流的控制上更加灵活，机组运行更加稳定，便于发电系统实现更安全、便捷的并网¨’21。能量稳定的双向流动是保证风电系统稳定运行的前提，笔者采用双PWM变换器作为励磁电源，通过采用矢量控制策略，实现了有功功率和无功

3、功率的解耦控制，实现了在单位功率因数下能量的双向流动。1变速恒频双馈风电系统工作原理双馈电机在结构上跟绕线式异步感应电机相似，可调节励磁电流的幅值、频率和相位。运行时电机的定子侧通过隔离变压器接人工频的三相电网，转子侧跟变频器相接，并从变频器中得到低频励磁电流。整个变速恒频风电系统的结构原理如图1所示。由图1可知Z正分别为DFIG定、转子电流的频率；n．、n：分别为定、转子磁场的转速；，t，为转子的转速，且有工=n。／60，五=／'／'2／60。DFIG运行稳定时有n，=rt。一n：，则可知nr／60=^一五。当发电机转速发生变化时，可调节转子励磁电流频率五，使得定子

4、输出频率^恒定不变，从而实现变速恒频调节。电网图1变速恒频风电系统原理图2风电系统矢量控制策略2．1转子侧定子矢量控制转子侧定子磁链定向矢量控制DFIG系统是一个高阶、非线性和强耦合的多变量系统。将DFIG在动态旋转坐标系d．q轴上建立其数学模型⋯，则其电压方程为：u一=R．i“+p吵“一埘l砂"“”。R5iw+肿”+”l儿(1)u一=R，i一+p砂rd—tt『2妒MⅡ呵=R，iw+肿呵一ll，2驴d磁链方程为：收稿日期：2012-10—19基金项目：天津市自然科学基金项目(09JCZDJC23900，10JCZDJC23100)；天津市科技支撑计划项目(10ZCEC

5、JIM3080)350化工自动化及仪表第40卷砂“=L。i“+Loi“砂q=三。iq+Loiw砂d=Loid4-L，idI步q=Loiq+JL。iw势e落后砂。90。，则定子电压空间矢量正好落q在轴的负方向上。则：驴。。=砂。，沙。=o，“。。=0，M。=”7—11,。。式(1)～(3)可变为：(3)式中i“，i。，i一，i叼——定子电流、转子电流在d-q轴上的分量；P——微分算子；n“，“。，“耐，“q——定子电压、转子电压在d-q轴上的分量；埘，——同步角速度；训：——d-g坐标系相对于转子的角速度。DFIG定子绕组通过隔离变压器接在电网上，定子绕组的电阻比其电抗

6、要小得多，因此可以忽略定子绕组电阻。此时定子的磁链矢量相位与电压磁链矢量相位正好相差900，发电机感应电动势e可看做定子端电压u。。为了简化控制，使定子磁链矢量砂。位于d轴上，因为发电机感应电动0=p砂。u。=一叫l砂。，．、(4)H耐=Au一+u耐l“q=Au珥+uqlrP。=一“。i”iQ。：一。。匕兵甲：r△u耐="2ai呷i△Ⅱ。=埘：ai。一"：每妒。‘6’{。U。,d。I：=RR，,ii。,d++aotppii：c7，其中，a=￡，一菩,AUrd,AUrq为消除耦合的电压前馈补偿分量；tt棚、u。。为转子电压的分量。根据以上模型可以得出转子侧矢量控制框图如

7、图2所示．网侧图2转子侧矢量控制框图图2采用双闭环控制方案，内环控制有功功电流变换，将定子电流给定值再转换成转子侧电率，外环控制无功功率，P+为在最大风能捕获条流给定值，与实际值比较后，经PI调节器后得到件下有功功率的给定值，Q’是无功功率给定值。扰动电压项u棚、H。。，加上补偿分量后得到转子侧P‘、Q‘与实际有功功率P、无功功率Q比较后，的电压，经SVPWM后产生所需要的励磁电压和经PI调节器得到定子电流给定值i。。+、i。+，通过电流。第3期王红君等．变速恒频风电系统优化控制策略研究2．2网侧电压定向矢量控制励磁变换器的作用是控制能量在转子侧和电