【導(dǎo)讀】本文分析了風(fēng)力機(jī)運(yùn)行特性及其最大風(fēng)能追蹤原理，對(duì)雙饋電機(jī)進(jìn)行。KEYWORDS：Variable―speedconstant―frequency，windpower. 著降低，逐步接近常規(guī)能源發(fā)電的水平。風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)容量逐步加大，控制技。目前，中大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組已在世界上四十多個(gè)國(guó)家陸地和近。海并網(wǎng)運(yùn)行，風(fēng)電增長(zhǎng)率高于其他電源的趨勢(shì)仍在繼續(xù)。其中兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組已。速控制向全槳葉變距和變速控制發(fā)展。風(fēng)電設(shè)備制造等領(lǐng)域成為投資熱點(diǎn)，市場(chǎng)前景看好。風(fēng)輪是風(fēng)電機(jī)組最主要的部件，由槳葉和輪轂組成。槳葉具有良好的空氣動(dòng)。過(guò)變速齒輪箱增速驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能。風(fēng)電機(jī)組中的風(fēng)力機(jī)和發(fā)。電機(jī)是其中的關(guān)鍵部件。風(fēng)電機(jī)組中配備不同類型的發(fā)電機(jī)，并輔以相關(guān)的電力。電子變流裝置，配合發(fā)電機(jī)進(jìn)行功率控制，就構(gòu)成了形式多樣的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。我國(guó)地域遼闊，地處北緯陽(yáng)光充沛的亞熱帶地區(qū)。據(jù)專家預(yù)測(cè)，我國(guó)風(fēng)能儲(chǔ)。量大，分布面廣，全國(guó)大約有2/3的地區(qū)為多風(fēng)地帶。全年平均風(fēng)速3m/s及以。上的時(shí)間達(dá)3000―5000h。平均風(fēng)能密度為100w/m2，

　　

【正文】 有源逆變工作狀態(tài)，其網(wǎng)側(cè)電流和功率因數(shù)都是可控的。因此， PWM 整流器實(shí)際上是一個(gè)交、直流側(cè)均可控的四象限運(yùn)行變換器，既可工作于整流狀態(tài)，又可工作于逆變狀態(tài)。為了表明 PWM 整流器的這個(gè)特點(diǎn)，可更科學(xué)地稱為 PWM 變換器。 雙 PWM 型變換器的主電路如下圖 43 所示，其中、為定子側(cè)變換器交流側(cè)三相電網(wǎng)相電壓，、為定子側(cè)變換器交流側(cè)三相流入電流；，是進(jìn)線電抗器的等效電阻和電感；為直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能電容；“、分別是電容電壓和電容電流；、分別是流經(jīng)定子側(cè)變換器和轉(zhuǎn)子側(cè)變換器直流母線的電流；、是 DFIG 轉(zhuǎn)子繞組的漏感和等效電阻；、是 DFIG 轉(zhuǎn)子三相繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。在具體的運(yùn)行控制過(guò)程中，這兩個(gè) PWM 變換器各司其職。其中，定子側(cè)變換器的任務(wù)主要有兩個(gè)，一是保證其良好的輸入特性，即輸入電流的波形接近正弦，諧波含量少，功率因數(shù)符合要求，理論上定子側(cè) PWM 變換器可獲得任意可調(diào)的 功率因數(shù)，這就為整個(gè)系統(tǒng)的功率因數(shù)的控制提供了另一個(gè)途徑；二是保證直流母線電壓的穩(wěn)定，直流母線電壓的穩(wěn)定是兩個(gè) PWM 變換器正常工作的前提，是通過(guò)對(duì)輸入電流的有效控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的作用是也主要分兩個(gè)方面，一是給 DFIG 的轉(zhuǎn)子提供勵(lì)磁分量的電流，從而可以調(diào)節(jié) DFIG 定子側(cè)所發(fā)出的無(wú)功功率；二是通過(guò)控制 DFIG轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩分量的電流控制 DFIG 的轉(zhuǎn)速或控制 DFIG 定子側(cè)所發(fā)出的有功功率，從而使 DFIG 運(yùn)行在風(fēng)力機(jī)的最佳功率曲線上，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能追蹤 捕獲 運(yùn)行。 圖 43 雙 PWM 型變換器主電路結(jié)構(gòu)圖 由 于雙 PWM 型變換器具有以下特點(diǎn)，使之能較好地滿足交流勵(lì)磁變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)對(duì)勵(lì)磁電源的要求。 1．雙 PWM 型變換器由定子側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)兩個(gè) PWM 變換器組成，各自功能相對(duì)獨(dú)立。網(wǎng)側(cè)變換器的主要功能是實(shí)現(xiàn)交流側(cè)輸入單位功率因數(shù)控制和在各種狀態(tài)下保持直流環(huán)節(jié)電壓穩(wěn)定，確保機(jī)側(cè)變換器乃至整個(gè) DFIG 勵(lì)磁系統(tǒng)可靠工作。轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的主要功能是在轉(zhuǎn)子側(cè)實(shí)現(xiàn) DFIG 的矢量變換控制，確保 DFIG 輸出解耦的有功功率和無(wú)功功率。兩個(gè)變換器通過(guò)相對(duì)獨(dú)立的控制系統(tǒng)完成各自的功能。 2．雙 PWM 型變換器的兩個(gè)變換器的運(yùn)行狀態(tài)可控，均可 以在整流 /逆變 或逆變 /整流 狀態(tài)間實(shí)現(xiàn)可逆運(yùn)行，以此實(shí)現(xiàn)變換器能量的雙向流動(dòng)。當(dāng) DFIG 亞同步運(yùn)行時(shí)，定子側(cè)變換器運(yùn)行在整流狀態(tài)，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器運(yùn)行在逆變狀態(tài)，能量從電網(wǎng)流向 DFIG 轉(zhuǎn)子；當(dāng) DFIG 超同步運(yùn)行時(shí)，定子側(cè)變換器運(yùn)行在逆變狀態(tài)，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器運(yùn)行在整流狀態(tài)，能流從 DFIG 轉(zhuǎn)子流向電網(wǎng)。 3．雙 PWM 型變換器具有較強(qiáng)的無(wú)功功率控制能力。由于 DFIG 是異步發(fā)電機(jī)，空載時(shí)轉(zhuǎn)子需要吸收一部分無(wú)功功率進(jìn)行勵(lì)磁；而當(dāng)定子輸出感性無(wú)功功率時(shí)，轉(zhuǎn)子需要吸收更多的無(wú)功功率。這就需要轉(zhuǎn)子變換器具有產(chǎn)生一定無(wú)功功率的能力。雙 PWM 型變換器的直流環(huán)節(jié)配置有電容，可以發(fā)出一定大小的無(wú)功功率。 4． 3 定子側(cè) PWM 變換器及其控制 本節(jié)將依據(jù)定子側(cè) PWM 變換器的數(shù)學(xué)模型，分析其工作原理與穩(wěn)態(tài)特性，并按照雙閉環(huán)系統(tǒng)的工程化設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì) d 軸電網(wǎng)電壓定向同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下定子側(cè) PWM 變換器的電壓電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，為仿真和實(shí)驗(yàn)中控制系統(tǒng)的參數(shù)選取提供依據(jù)。 定子側(cè) PWM 變換器的數(shù)學(xué)模型 三相電壓源 PWM 整流器是雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差功率流動(dòng)控制的執(zhí)行部件，因此建立 PWM 整流器的數(shù)學(xué)模型，是研究對(duì)三相 PWM 整流器進(jìn)行控制的基礎(chǔ)?；谡髌鏖_(kāi)關(guān) 方式拓?fù)溥B接的數(shù)學(xué)模型很難用于系統(tǒng)分析，這里采用狀態(tài)空間平均模型消除開(kāi)關(guān)函數(shù)不連續(xù)的影響，并利用坐標(biāo)變換法可進(jìn)一步簡(jiǎn)化系統(tǒng)模型，但上述處理方式并不能從根本上改變?nèi)?PWM 整流器的非線性本質(zhì)屬性。假設(shè)開(kāi)關(guān)為理想器件，圖 44 所示為三相電壓型 PWM 整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 圖 44 三相 PWM 整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖 由基爾霍夫電壓、電流定律，并以三相電源中點(diǎn) 0 為參考點(diǎn)，可列寫(xiě)出下程。 （ 410） （ 411） 式中，、分別表示三相電網(wǎng)電壓；、分別表 示整流器的交流側(cè)輸入電流；、分別表示三相橋臂的開(kāi)關(guān)函數(shù)；，代表對(duì)應(yīng)的橋臂上管導(dǎo)通，下管關(guān)斷；，代表對(duì)應(yīng)的橋臂上管關(guān)斷，下管導(dǎo)通；表示整流器的直流側(cè)輸出電流；表示整流器的直流側(cè)的負(fù)載電流；表示整流器輸出的直流電壓：表示整流器直流母線上的濾波電容；表示整流器的每相交流輸入電感；表示包括電感寄生電阻在內(nèi)的每相線路電阻。 在三相無(wú)中線系統(tǒng)中，三相電流之和始終為零，可得 （ 412） 根據(jù) Park 變換的定義，引入坐標(biāo)變換，利用三相靜止坐標(biāo)系到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的變換矩陣，如下所示： （ 413） 式中，若 K 2/3， F 1/2，則該變換表示恒幅值變換；若 K ， F 則該變換表示恒功率變換，文中所有坐標(biāo)變換若不加以聲明均采用恒功率變換。對(duì)于整流器，所關(guān)心的是它的輸入電流和輸出電壓，選擇作為狀態(tài)變量。所以，可得三相整流器在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為： 414 415 式中，為微分算子；、為電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)矢量的、分量；、為三相 VSR 交流側(cè)電壓矢量的、分量；、為三相 VSR 交流側(cè)電流矢量的 、分量；為直流母線電壓；為同步角速度。 將同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的軸定于電網(wǎng)電壓空間矢量方向上，有約束條件： 416 若采用恒功率坐標(biāo)變換，定子側(cè)變換器輸入有功功率和無(wú)功功率分別為： 417 由上式我們可知，當(dāng)電網(wǎng)電壓恒定時(shí)，控制軸電流即可控制網(wǎng)側(cè)輸入的有功功率，控制軸電流即可控制網(wǎng)側(cè)輸入的無(wú)功功率。 重新整理式 414 可得參考電壓、分別為： （ 418） 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，一般要求定子側(cè)變換器運(yùn)行在單位功率因數(shù)狀態(tài)，此時(shí)軸電流應(yīng)為零。由此，在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中定子側(cè)變換器可以采用 PI 調(diào)節(jié)進(jìn)行電流控制，即通過(guò)控制軸電流控制變換器的有功功率，控制軸電流控制變換器的無(wú)功功率，其控制框圖如圖 45 所示。 圖 45 定子側(cè)變換器矢量控制框圖 轉(zhuǎn)子側(cè) PWM 變換器及其控制 交流勵(lì)磁變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制主要是對(duì) DFIG 的功率控制，這是通過(guò)轉(zhuǎn)子側(cè) PWM 變換器實(shí)施的，因此，對(duì)轉(zhuǎn)子側(cè) PWM 變換器控制的研究與整個(gè)變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行控制緊密相連。轉(zhuǎn)子側(cè) PWM 變換器的控制對(duì)象是雙饋異步發(fā)電 DoublyFed Induction Generator DFIG 。為了實(shí)現(xiàn)有效控制，必須對(duì)轉(zhuǎn)子側(cè) PWM 變換器的控制對(duì)象 DFIG 進(jìn)行充分了解，以此為基礎(chǔ)來(lái)建立轉(zhuǎn)子側(cè) PWM 變換器控制分析的理論基礎(chǔ)。本節(jié)建立同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下 DFIG 完整的數(shù)學(xué)模型，以此為工具對(duì) DFIG 的矢量控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析。 DFIG 在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型 假定雙饋發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子均為三相對(duì)稱繞組，均勻分布在電機(jī)圓周內(nèi)，氣隙均勻，電路、磁路呈對(duì)稱分布，忽略磁滯、渦流損耗和鐵耗，只考慮 定、轉(zhuǎn)子電流的基波分量，忽略諧波分量。規(guī)定定子和轉(zhuǎn)子側(cè)電壓、電流正方向取電機(jī)慣例。感應(yīng)電機(jī)基于五階兩軸的表示方法，就是通常所說(shuō)的 Park Model，這里采用空間矢量的概念對(duì)雙饋發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子各物理量進(jìn)行描述。感應(yīng)電機(jī)的定子電壓可用如下的空間矢量方程來(lái)描述： 419 式中，為定子電壓，為定子電流，為定子電阻，為定子磁通，上標(biāo)“”表示該方程是在定子坐標(biāo)系中描述的。同理，轉(zhuǎn)子電壓方程可被描述為： （ 420） 式中，為轉(zhuǎn)子電壓，為轉(zhuǎn)子電流，為轉(zhuǎn)子電阻，為轉(zhuǎn)子磁通，上標(biāo)“”表示該方程是在轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系中描述的。定子和轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系之問(wèn)的相互關(guān)系可表示為： （ 421） 式中，為轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系與定子坐標(biāo)系之間的夾角，即轉(zhuǎn)子位置角。 將式 420 轉(zhuǎn)子電壓方程由轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系變換到定子坐標(biāo)系，可得 （ 422） 式中，為轉(zhuǎn)子電角速度。 由定子坐標(biāo)系變換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，可得 定、轉(zhuǎn)子電壓方程和磁統(tǒng)方程為： （ 423） （ 424） 式中，為同步角速度，為轉(zhuǎn)差角速度。、分別為定、轉(zhuǎn)子自感和定轉(zhuǎn)子間互感。 圖 46 所示為定子坐標(biāo)系下的雙饋感應(yīng) Park Model。 圖 46 雙饋感應(yīng)電機(jī) park model 如果將前述推導(dǎo)中的各空間量以其 dq 分量代入，可列寫(xiě)出雙饋發(fā)電機(jī)在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)方程如下： 電壓方程為： （ 425） （ 426） 磁鏈方程為： （ 427） 428 轉(zhuǎn)矩方程為： （ 429） 機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程為： （ 430） 上式中：為電壓；為電流；為電阻；為電感；為互感；為磁鏈；微分算子；下標(biāo)，分別為定、轉(zhuǎn)子；為電磁轉(zhuǎn)矩，為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；為極對(duì)數(shù)。 DFIG 定子磁鏈定向矢量控制 為了實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)輸出電壓的頻率控制及輸出有功、無(wú)功功率的獨(dú)立調(diào)節(jié)，以及完全實(shí)現(xiàn) d、 q 軸變量之間的解耦，本系統(tǒng)采用定子磁場(chǎng)定向矢量控制方法。將參考坐標(biāo)系放在以同步速度旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)上，并使 d 軸和定子磁鏈空間矢的方向重合，則有 431 在忽略定子繞組電阻的情況下，且保持定子磁鏈不變?yōu)槌Ａ?，則由電壓方程可得 432 式中，為定子電壓空間矢量的幅值。 根據(jù)式 432 有，可知 在恒定的條件下，保持電壓為恒值可實(shí)現(xiàn)定子磁場(chǎng)定向。 DFIG 定子側(cè)的有功功率 P 和無(wú)功功率 Q 為 （ 433） 將式（ 432）帶入式（ 433），變換得 （ 434） 由上式可知，當(dāng)發(fā)電機(jī)并入無(wú)窮大電網(wǎng)后，可以認(rèn)為定子端電壓是常量，只有定子電流是受控量。因此，在并網(wǎng)條件下對(duì)發(fā)電機(jī)輸出功率的控制，就可以認(rèn)為是對(duì)定子電流的控制。由于定子繞組直接連在電網(wǎng)上，且定子電阻的影響很小，則可以認(rèn)為等效的定子勵(lì)磁電流 0 為常數(shù)，即 （ 435） （ 436） 將式 436 代入式 428 轉(zhuǎn)子磁鏈方程可得 （ 437） 式中為漏磁系數(shù)。 將式 437 代入式 426 轉(zhuǎn)子電壓方程可得 （ 438） 由式 438 即可得到轉(zhuǎn)子電壓的控制量、轉(zhuǎn)子電流 dq 軸分量之間的交叉耦合項(xiàng)對(duì)系統(tǒng)的性能影響并不大，可以通過(guò)一定的控制器消除該耦合項(xiàng)的影響。 圖 47 為雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)變速器速度控制模式下系統(tǒng)控制框圖。雙饋電機(jī)并網(wǎng) 運(yùn)行時(shí)，電網(wǎng)電壓保持恒定，失量控制采用定子磁場(chǎng)定向控制，雙通道分別控制雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流轉(zhuǎn)矩分量和勵(lì)磁分量，實(shí)現(xiàn)定子端口有功功率和無(wú)功功率的解耦控制。轉(zhuǎn)矩電流分量采用速度外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制方式，勵(lì)磁電流分量采用定子無(wú)功功率外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制方式。 圖 47 轉(zhuǎn)子側(cè)變換器矢量控制框圖 電網(wǎng)不平衡條件下 DFIG 的控制策略 現(xiàn)在的 DFIG 模型主要是建立在電網(wǎng)電壓平衡的基礎(chǔ)上。在電網(wǎng)不平衡條件下，為了準(zhǔn)確描述系統(tǒng)的動(dòng)作，必須考慮電壓和電流的正序分量和負(fù)序分量。為了獲得有功功率和無(wú)功功率的解耦控 制，一般把定子磁鏈或定子電壓定向于同步坐標(biāo)系下的 d 軸，這里采用定子電壓定向。根據(jù)式 423 、 424 可得轉(zhuǎn)子磁鏈，定子電流和轉(zhuǎn)子電壓方程為： 439 假設(shè)沒(méi)有零序分量，矢量 F 代表電壓、電流和磁鏈等矢量，在電網(wǎng)不平衡條件下它可以被分解成正序和負(fù)序分量： 440 式中，上標(biāo) p 和 n 分別代表正序和負(fù)序分量，下標(biāo) d 和 g 分別代表 d 軸和 q軸。 在靜止坐標(biāo)系中的正序和負(fù)序分量被轉(zhuǎn)換到分別以角速度和旋轉(zhuǎn)的 dq +和 dq 坐標(biāo)系中。這三個(gè)坐標(biāo)系的空間關(guān)系如圖 48 所示，圖中 d+軸定向于正序定子電壓矢量。 圖 48 不同坐標(biāo)系下正序和負(fù)序分量 對(duì)于 DFIG，它的瞬時(shí)定子功率在 dq +坐標(biāo)系下可表示為：