双馈风力发电机的控制策略分析

黄晓华，曹辉



双馈风力发电机的控制策略分析

黄晓华，曹辉

（大连海事大学轮机工程学院，辽宁大连 116026）

本文研究了现如今应用较多的变速恒频双馈电机发电系统，介绍了其原理，分析了数学模型，研究了控制策略；采用电网电压定向的矢量控制策略对电网侧PWM变换器进行控制；采用定子电压定向矢量控制策略，对转子侧变换器进行控制，实现了双馈电机有功、无功功率的解耦控制。最后搭建仿真模型，仿真结果证明了理论分析的正确性，为实践研究提供理论依据。

风力发电 变速恒频 双馈电机

0 引言

能源是人类经济社会生活的命脉，随着人类社会的前进和发展，全球能源的需求量必然继续增加。能源安全则是国家经济安全的基本支撑。能源短缺，尤其优质能源短缺，始终困扰着中国经济的高速发展，越来越成为制约我国经济发展的瓶颈。从能源发展战略来看，必须寻求一条可持续发展的能源道路。在目前众多可再生能源与新能源技术开发中，最成熟、最具规模化开发条件、潜力最大的就是风力发电。其在技术上、经济上都已经具有了同燃煤、核电等发电技术相竞争的能力。千瓦、兆瓦级风力机的普及，要求人们必需加深对风力机动态性能的了解，以便设计出低成本、高效的新型风力发电系统及精确性更高的控制系统。

1 变速恒频风力发电系统原理

变速恒频风力发电系统主要由风机、齿轮箱、双馈发电机、变频器、和控制系统组成。定子侧直接接工频电网，转子侧外接三相变频器实现交流励磁，转子侧变换器实现定子侧恒频恒压的输出。设双馈电机的极对数为，对定子施以频率为f的三相对称电压时，电机气隙中形成一个旋转的磁场，转速为同步转速n。根据旋转磁场理论：

同理当转子上施加频率为f的三相对称电流时，产生的旋转磁场相对于转子本身旋转速度为：

双馈电机的转差率为：

则电机转子侧通入的电流频率应为：

由此可知，当电机转子转速变化时，只要控制转子电流频率f，就可保证定子侧电流频率f不变，实现变速恒频的电力输出。

2 双馈电机数学模型

电压方程：

磁链方程：

转矩方程：

运动方程：

功率方程：

3 双PWM变换器控制策略

3.1 转子侧变换器的控制

将矢量控制技术应用于双馈发电机，可以实现输出有功功率、无功功率的解耦控制。

常用的控制方式有基于定子磁链定向的矢量控制和基于定子电压定向的矢量控制，本文采用后一种控制方法。基于定子电压定向的矢量控制可以避免测定子磁链，并与电网侧变换器的定子电压定向的矢量控制有相似之处，设计简便可行。同步旋转坐标系轴与定子电压U相重合，则有：

并网后忽略定子电阻影响，可得定子磁链方程

由此可得电流方程

带入转子磁链模型可得：

则转子电压方程为：

可以写为：

其中: 17、(18)式可分别设计，轴的电流PI调节器，此控制方法保证了控制精度和动态响应速度。

双馈电机功率功率表达式如下：

这表明此时双馈电机的有功、无功功率只与定子电流在轴分量成比例，又因为定转子电流有线性关系，所以可通过调节转子电流来实现对有功、无功功率的解耦控制。通过以上分析，得出双馈发电机转子侧控制的框图，如图。

3.2 网测变换器控制

网测变换器由6个开关器件组成，可按空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术进行控制。

根据结构图和相应的坐标变换，可得变换器在坐标系下的数学模型如下：

将两相同步旋转坐标系轴定向于电网电压空间矢量上，则

运用网侧变换器在两相同步旋转坐标系下的数学模型，则输入电流要满足：

其中

4 仿真模型的搭建及仿真波形

在matlab中搭建仿真模型如图4所示，仿真时间共为10 s，在0～5 s期间，，双馈电机次同步运行；在5～10 s期间，，双馈电机超同步运行。

部分仿真波形如图5～图8。

5 结束语

本文针对应用较多的变速恒频双馈电机发电系统，介绍了其原理，分析了数学模型，研究了控制策略；采用电网电压定向的矢量控制策略对电网侧PWM变换器进行控制；采用定子电压定向矢量控制策略，对转子侧变换器进行控制，实现了双馈电机有功、无功功率的解耦控制。并根据控制策略，搭建仿真模型，仿真结果证明了理论分析的正确性，为实践研究提供理论依据。

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Control Strategy of Doubly-fed Wind Power Generator

Huang Xiaohua, Cao Hui

（Marine Engineering College of Dalian Maritime University, Dalian 116026, Liaoning, China）

TP273

A

1003-4862（2014）07-0006-04

2013-11-02

黄晓华(1987)，男，硕士研究生。研究方向：轮机自动化与智能化。