鐘運(yùn)鵬 強(qiáng)喜臣

東方電氣風(fēng)電有限公司 四川德陽 618000

隨著我國對(duì)環(huán)境問題的重視程度越來越高，在能源系統(tǒng)中可再生能源所占比例也越來越重，作為微電網(wǎng)中重要的一部分，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展迅速，在發(fā)電系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)因其勵(lì)磁變流器容量小、造價(jià)低、可實(shí)現(xiàn)變速恒頻運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)而成為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中主流機(jī)型。雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中包含大量電力電子變流器，變流器濾波電容、電感與變流器控制環(huán)節(jié)交互作用容易引起諧振，從而造成系統(tǒng)諧波污染嚴(yán)重，降低電網(wǎng)電能質(zhì)量。

1 概述

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電中應(yīng)用廣泛，目前針對(duì)其控制策略的研究主要集中在有功和無功的解耦控制、低電壓穿越等。普遍采用的雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)電機(jī)組的建模及控制目標(biāo)中，網(wǎng)側(cè)換流器控制主要實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：

（1）維持直流側(cè)電壓Udc 穩(wěn)定，不受轉(zhuǎn)子側(cè)功率的數(shù)值和方向的影響；

（2）保持交流側(cè)電流的正弦波形；

（3）保持交流側(cè)功率因數(shù)為1μs。機(jī)側(cè)換流器設(shè)計(jì)目標(biāo)是：DFIG 變速風(fēng)電機(jī)組可以變速運(yùn)行，也可以實(shí)現(xiàn)定子繞組的有功和無功解耦控制和機(jī)端電壓控制[1]。

2 數(shù)學(xué)模型

在坐標(biāo)系下發(fā)電機(jī)的磁鏈方程如下：

式中：Ψsd，Ψsq，Ψrd，Ψrq分別為定子與轉(zhuǎn)子磁鏈d，q 軸分量；Ls為定子等效電感；Lr為轉(zhuǎn)子等效電感；Lm心為定轉(zhuǎn)子互感；isd，ird，isq，irq分別為定子與轉(zhuǎn)子電流軸d，q 分量。

在d，q 坐標(biāo)系下系統(tǒng)功率轉(zhuǎn)矩方程如下：

式中：P 為有功功率；Q 為無功功率；Te為電磁轉(zhuǎn)矩；usd，usq為定子電壓d，q 軸分量；np 為極對(duì)數(shù)[2]。

在坐標(biāo)系下發(fā)電機(jī)的電壓方程如下：

式中：urd，urq為轉(zhuǎn)子電壓d，q 軸分量；Rs為定子阻抗；Rr為轉(zhuǎn)子阻抗；ωs為定子磁鏈角速度；ωr為轉(zhuǎn)子電磁角速度[3]。

3 基于矢量控制的轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制策略

雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中控制其網(wǎng)側(cè)PWM 變換器的主要任務(wù)是：

（1）使得母線（直流）上電壓充分穩(wěn)定，讓電壓響應(yīng)（動(dòng)態(tài)）速度達(dá)到較高水平；

（2）保證絕對(duì)值大小為1μs 的網(wǎng)側(cè)功率輸入因子的交流（正弦）電。因?yàn)榫W(wǎng)內(nèi)電壓維持在同一水平，而風(fēng)速是時(shí)刻改變的，即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速非恒定。因而需要對(duì)轉(zhuǎn)子磁場進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)子側(cè)功率變換器采用矢量控制算法，通過調(diào)控輸入轉(zhuǎn)子繞組的電流大小實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子側(cè)所形成磁場大小的調(diào)控，對(duì)應(yīng)的如果可以對(duì)轉(zhuǎn)子側(cè)上電流加以控制，也必然能夠調(diào)控系統(tǒng)的能量流動(dòng)[4]。倘若將系統(tǒng)內(nèi)所用變換器（雙PWM）導(dǎo)入的側(cè)電壓（轉(zhuǎn)子），運(yùn)用坐標(biāo)變換手段處理電流，再用磁鏈（定子）定向?qū)崟r(shí)調(diào)整兩軸中分量電流di、qi，即可有效調(diào)控電網(wǎng)產(chǎn)出功率（包括有功、無功）。通過di 電流分量的方向即可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出有功功率的雙向控制，通過調(diào)節(jié)qi 電流分量則可以對(duì)無功功率進(jìn)行有效的控制。由以上分析可以看出，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)電流的矢量控制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)雙饋發(fā)電機(jī)輸出電壓及功率的調(diào)節(jié)[5]。

4 仿真模型和結(jié)果

4.1 仿真模型

仿真模型的參數(shù)分別從網(wǎng)絡(luò)側(cè)、機(jī)側(cè)和整機(jī)三個(gè)方面進(jìn)行設(shè)置。在網(wǎng)側(cè)中，算法實(shí)現(xiàn)方式“調(diào)用．c”；仿真步為1μs 開關(guān)頻率、采樣頻率和控制算法執(zhí)行頻率均為3kHz。在機(jī)側(cè)中，算法實(shí)現(xiàn)方式“調(diào)用．c”；仿真步長為1μs；開關(guān)頻率、采樣頻率和控制算法執(zhí)行頻率均為2kHz。

4.2 仿真結(jié)果

由圖1 可以看出，當(dāng)電網(wǎng)電壓中存在諧波時(shí)，基于SOGI 的鎖相環(huán)比比無SOGL 的更加穩(wěn)定。在圖1a 中，基波分量遠(yuǎn)大于諧波分量，為了顯示諧波含量細(xì)節(jié)，將基波設(shè)置為超出范圍。由圖2 可看出，當(dāng)電網(wǎng)電壓出現(xiàn)三相不平衡時(shí)，基于SOGL 的鎖相環(huán)比比沒有SOGL 的更加穩(wěn)定，并且d 軸分量更加準(zhǔn)確。

圖2 電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)鎖相結(jié)果和d 軸分量

在電網(wǎng)電壓諧波和鎖相結(jié)果的情況下，如果沒有諧波抑制控制，定子和轉(zhuǎn)子電流中將會(huì)出現(xiàn)擾動(dòng)和諧波，加入諧波抑制后，對(duì)比結(jié)果無諧波抑制時(shí)定子電流諧波和有諧波抑制時(shí)定子電流諧波，無諧波抑制時(shí)定子電流諧波THD=7．47%，無諧波抑制時(shí)定子電流諧波THD=3．94%。

5 結(jié)語

風(fēng)能是可以再生的潔凈能源，而且這一能源的運(yùn)用已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)，相關(guān)技術(shù)也相當(dāng)成熟，目前已有不少國家均充分意識(shí)到這一能源在未來供給能源體系中的重要作用，并已經(jīng)著手開展風(fēng)能開發(fā)運(yùn)用有關(guān)科技的研析和投入，風(fēng)電早就步入商業(yè)規(guī)模實(shí)現(xiàn)的時(shí)期。雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中包含電力電子變流器，變流器濾波電容、電感與變流器控制環(huán)節(jié)交互作用容易引起諧振造成嚴(yán)重諧波放大問題。