【正文】 圖 48 不同坐標(biāo)系下正序和負(fù)序分量 對于 DFIG，它的瞬時定子功率在 dq +坐標(biāo)系下可表示為： 。 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。為了獲得有功功率和無功功率的解耦控 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。 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。雙饋電機(jī)并網(wǎng) 運(yùn)行時，電網(wǎng)電壓保持恒定，失量控制采用定子磁場定向控制，雙通道分別控制雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流轉(zhuǎn)矩分量和勵磁分量，實(shí)現(xiàn)定子端口有功功率和無功功率的解耦控制。 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)對系統(tǒng)的性能影響并不大，可以通過一定的控制器消除該耦合項(xiàng)的影響。因此，在并網(wǎng)條件下對發(fā)電機(jī)輸出功率的控制，就可以認(rèn)為是對定子電流的控制。 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)定子磁場定向。 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)采用定子磁場定向矢量控制方法。 圖 46 所示為定子坐標(biāo)系下的雙饋感應(yīng) Park Model。 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。定子和轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系之問的相互關(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。感應(yīng)電機(jī)的定子電壓可用如下的空間矢量方程來描述： 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。規(guī)定定子和轉(zhuǎn)子側(cè)電壓、電流正方向取電機(jī)慣例。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 DFIG 的矢量控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計與分析。轉(zhuǎn)子側(cè) PWM 變換器的控制對象是雙饋異步發(fā)電 DoublyFed Induction Generator DFIG 。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功功率，其控制框圖如圖 45 所示。 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功功率分別為： 417 由上式我們可知，當(dāng)電網(wǎng)電壓恒定時，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)輸入的無功功率。對于整流器，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。 （ 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關(guān)函數(shù)；，代表對應(yīng)的橋臂上管導(dǎo)通，下管關(guān)斷；，代表對應(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。假設(shè)開關(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)。 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，是研究對三相 PWM 整流器進(jìn)行控制的基礎(chǔ)。雙 PWM 型變換器的直流環(huán)節(jié)配置有電容，可以發(fā)出一定大小的無功功率。由于 DFIG 是異步發(fā)電機(jī)，空載時轉(zhuǎn)子需要吸收一部分無功功率進(jìn)行勵磁；而當(dāng)定子輸出感性無功功率時，轉(zhuǎn)子需要吸收更多的無功功率。當(dāng) DFIG 亞同步運(yùn)行時，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，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)。兩個變換器通過相對獨(dú)立的控制系統(tǒng)完成各自的功能。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 DFIG 勵磁系統(tǒng)可靠工作。 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磁變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)對勵磁電源的要求。其中，定子側(cè)變換器的任務(wù)主要有兩個，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)，這就為整個系統(tǒng)的功率因數(shù)的控制提供了另一個途徑；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 PWM 變換器正常工作的前提，是通過對輸入電流的有效控制來實(shí)現(xiàn)的。 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)電動勢。因此， PWM 整流器實(shí)際上是一個交、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)。 隨著 PWM 脈寬調(diào)制 技術(shù)和高速自關(guān)斷型電力電子器 件 GTO， IGBT， MOSFET等 的成熟， PWM 整流技術(shù)取得了很大的進(jìn)展，利用此項(xiàng)技術(shù)可獲得優(yōu)良的輸入特性。 3．常規(guī)交一直一交變換器 通用變頻器采用不控整流 PWM 逆變的電路拓?fù)浞桨缚梢允馆敵鲭妷赫一?，改善了輸出特性，但不控整流加電容濾波的變換會造成輸入電流畸變、諧波增大，輸入功率因數(shù)低下，故輸入特性較差。其優(yōu)點(diǎn)是輸出頻率不受限制，可獲得正弦波的輸入、輸出電流，可在接近于l 的功率因數(shù)下運(yùn)行，能量也可以雙向流動，但目前因?yàn)樯唐坊p向開關(guān)器件而使其電路結(jié) 構(gòu)較復(fù)雜，控制方法還不成熟。這種變換器的輸出電壓是由若干斷電網(wǎng)電壓拼接而成，因而含有大量的低次諧波，其輸入、輸出特性一般不理想，但功率可雙向流動。 目前適用于 DFIG 的勵磁變換器主要有： 1．交一交變換器 這是一種由反并聯(lián) 的晶閘管相控整流電路構(gòu)成交一交直接變換型式的變換器。因而不僅要求交流勵磁電源具有定的對電網(wǎng)故障的適應(yīng)能力，而且還應(yīng)具有對 DFIG 的有效的控制能力。 4．目前變速恒頻雙饋風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)容量己達(dá)到幾個 MW，盡管雙饋發(fā)電機(jī)采用轉(zhuǎn)子交流勵磁只需轉(zhuǎn)差功率大小容量，但大容量的風(fēng)電機(jī)組的變換器容量仍可達(dá)到 MW 級，故勵磁裝置屬于大容量的半 導(dǎo)件變流裝置。一方面，不希望變換器從電網(wǎng)吸收無功功率，另一方面，為了建立額定氣隙磁通， DFIG 轉(zhuǎn)子需要吸收一定的無功功率，尤其當(dāng) DFIG 向負(fù)載輸出感性無功功率時，轉(zhuǎn)子需要的無功功率更大。因此，必須從調(diào)制和控制角度優(yōu)化變換器的輸入、輸出特性。為改善風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出電能質(zhì)量，主要途徑就是優(yōu)化變換器輸出性能，消除勵磁電壓中的諧波成分。因此，作為 DFIG 轉(zhuǎn)子勵磁電源的變換器，必須具有能量雙向流動的能力。由此可知，高質(zhì)量的轉(zhuǎn)子勵磁變換器是保證 DFIG 乃至整個風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵。 圖 42 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制框圖 變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)用交流勵磁電源分析 在交流勵磁變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中， DFIG 采用電力電子變換器作為轉(zhuǎn)子的勵磁電源。經(jīng)旋轉(zhuǎn)變換后，最終可獲得勵磁電源的三相電壓控制量、。 式（ 46）―（ 49）組成了雙饋異步發(fā)電機(jī)定子磁鏈定向矢量控制的基本關(guān)系，描述定子磁鏈定向矢量控制的系統(tǒng)框圖如圖 42 所示，這是一個功率、電流閉環(huán)系統(tǒng)。分解出這兩項(xiàng)構(gòu)成線性組合的目的是通過電壓補(bǔ)償計算來簡化控制。 為了進(jìn)行發(fā)電機(jī)的有功功率、無功功率的獨(dú)立調(diào)節(jié)，應(yīng)寫出坐標(biāo)系內(nèi)的功率表達(dá)式 45 3/2 為按模不變原則引入的坐標(biāo)變換系數(shù)。由于定子接于恒定的電網(wǎng)上， 電壓綜合矢量將是常數(shù)，保持不變。 第四章 變速恒頻雙饋電機(jī)的控制策略 雙饋異步發(fā)電機(jī)的控制策略 圖 41 定子磁場定向示意圖 由于發(fā)電機(jī)定子繞組接入工頻電網(wǎng)，與電抗相比可以忽略定子電阻，使得定子磁鏈?zhǔn)噶款I(lǐng)先于定子電壓矢量 90 度。 引入一個零序電流，并令，式 312 可變?yōu)? （ 313） 再令，便可得到 （ 314） 式 314 即為由兩相向三相變換的變換算式。 圖 32 旋轉(zhuǎn)變換 三相與兩相坐標(biāo)系之間的變換 圖 33 三相 /兩相變換 分別用、表示三相電流的瞬時值，它們的作用在三相坐標(biāo)系中的位置如圖33 所示。 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系與靜止坐標(biāo)系間的變換 在圖 32 中，旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)分別用和表示，電流矢量在靜止坐系中的兩個分量分別為和，在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的兩個分量分別為和， 軸與軸的夾角 用表示，從圖可以看出有如下關(guān)系： 39 式 39 即為由旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系向靜止坐標(biāo)系變換的算式。 矢量控制所用到的變換規(guī)律有：三相一兩相變換 / 、矢量旋轉(zhuǎn)變換 / 和直角坐標(biāo)一極坐標(biāo)變換 K/P 。 由于將直流標(biāo)量作為電機(jī)外部的控制量，然后又將其變換成交流量區(qū)控制交流電機(jī)的運(yùn)行，均是通過矢量坐標(biāo)變換來實(shí)現(xiàn)的，因此將這種控制系統(tǒng)稱之為矢量變換控制系統(tǒng) Transvector Control System 通常簡稱為矢量控制系統(tǒng) vector ControlSystem 。 以上所 敘述的矢量變換控制的基本思想和控制過程可用框圖來表達(dá)，如圖31 所示的控制通道。 由于兩相交流繞組又與 ABC 三相交流繞組等效，所以 MT 直流繞組與ABC 交流繞組等效，即有 38 由上式可知， MT 直流繞組中的電流、三相電流、之間必然存在著確定關(guān)系，因此通過控制、就可以實(shí)現(xiàn)對、瞬時控制。 （ 37） 式中，為變換矩陣。若使的大小、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向與二相交流繞組所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場及三相交流繞 組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場相同，則 MT 直流繞組與交流繞組及 ABC 交流繞組等效。如果人為地使這兩個繞組旋轉(zhuǎn)起來，則也自然地隨著旋轉(zhuǎn)。因而直流電機(jī)的勵磁繞組和電樞繞組可以用兩個在位置上互差 90 度的直流繞組 M 和 T 來等效， M 繞組是等效的勵磁繞組， T 繞組是等效的電樞繞組，M 繞組中的直流電流稱為勵磁電流分量， T 繞組中的直流電流稱為轉(zhuǎn)矩電流分量。 從直流電機(jī)結(jié)構(gòu)看到，勵磁繞組是在空間固定的直流繞組，而電樞繞組是在空間中旋轉(zhuǎn)的繞組。由此可知，處于三相靜止坐標(biāo)系上的三相固定對稱交流繞組，以產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁場為準(zhǔn)則，可以等效為靜止兩 相直角坐標(biāo)系上的兩相對稱固定交流繞組，并且可知三相交流繞組中的三相對稱正弦交流電流、與兩相對稱正弦交流電流、之間必存在著確定的變換關(guān)系。然而，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場不一定非要三相繞組不可，除單相外任意的多相對稱繞組，通入多相正弦電流，均能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，如具有位置互差 90 度的兩相定子繞組、當(dāng)通入兩相對稱正弦電流、時，則產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。矢量變換控制正是為了解決這個問題而提出來的。同步電機(jī)雖然定子電流和勵磁電流都可以進(jìn)行控制，但定子電流的變化對氣隙磁鏈的影響很大，氣隙磁鏈大小不僅決定于定子電流和轉(zhuǎn)子勵磁電流的大小，而且與它們在空間的相對位置有關(guān)。 交流電機(jī)則不同。在動態(tài)情況下，由于電樞電流和氣隙磁通的控制無耦合，所以轉(zhuǎn)矩隨時問的變化規(guī)律很容易得到控制。保持不變，改變氣隙磁通，速度亦成比例變化。直流電機(jī)穩(wěn)態(tài)的速度公式為： （ 35） 由上式可知，保持不變，改變電樞電壓，速度可成比例變化。電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，不論是直流電機(jī)，還是交流電機(jī)，均可以用氣隙磁鏈?zhǔn)噶颗c電流矢量的乘積來表示，即 33 對于直流電機(jī)，即為電樞電流；對于交流電機(jī)，可以是定子電流，也可以是轉(zhuǎn)子電流。 矢量控制的基本思路 對電機(jī)運(yùn)動的控制，包括速度控制和位置控制，歸根到底是要對電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，電力傳動系統(tǒng)的運(yùn)動方程為 （ 32）