雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)子側(cè)功率控制策略研究

付敏++蓋凱凱++林悅銘

摘要：在電網(wǎng)電壓穩(wěn)定和降落時，要求雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)能夠根據(jù)系統(tǒng)的需求及時的調(diào)整功率的輸出.分析了雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，在電網(wǎng)電壓穩(wěn)定時采用傳統(tǒng)基于電網(wǎng)電壓定向的矢量控制，在電壓降落時采用計及定子電壓波動的改進(jìn)控制策略.利用Matlab/Simulink搭建系統(tǒng)仿真模型，仿真結(jié)果表明：在電網(wǎng)電壓穩(wěn)定和電網(wǎng)電壓降落時有效實現(xiàn)有功功率和無功功率的解耦.電網(wǎng)電壓降落時，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)無功調(diào)壓.采用PI控制器，系統(tǒng)響應(yīng)快、超調(diào)小，驗證了控制策略的準(zhǔn)確定性，

關(guān)鍵詞：雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)；電網(wǎng)電壓降落；功率控制；無功調(diào)壓

DOI：10.15938/j.jhust.2015.05.004

中圖分類號：TM273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-2683（2015）05-0020-05

0 引言

雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的功率控制技術(shù)是研究風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一.雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)（DFIG）轉(zhuǎn)子側(cè)主要控制發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)輸送有功功率和無功功率.有功功率通過最大風(fēng)能追蹤控制策略實現(xiàn)有功功率的輸出；無功功率根據(jù)電網(wǎng)的需求來調(diào)節(jié)功率因數(shù).主要有矢量控制策略和直接功率控制技術(shù)和自適應(yīng)控制等技術(shù).

在電網(wǎng)穩(wěn)定運行時，傳統(tǒng)的控制策略都忽略了定子電壓的動態(tài)變化量和磁鏈的動態(tài)變化量，使控制模型得以簡化，便于模型的搭建.但從系統(tǒng)的運行來看，由于電網(wǎng)負(fù)荷的增減等因素都造成電網(wǎng)電壓的波動，而電網(wǎng)不可能一直保持穩(wěn)定運行狀態(tài)，因此研究在電網(wǎng)電壓波動時，使雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的能夠良好的適應(yīng)電網(wǎng)的波動，對提高雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的魯棒性具有重要意義.

本文考慮到電網(wǎng)電壓降落和風(fēng)速變化兩個因素對雙饋發(fā)電機(jī)及其控制策略的影響，在理想電網(wǎng)基礎(chǔ)上，提出改進(jìn)基于電網(wǎng)電壓定向的矢量控制策略，通過Matlab/Simulink搭建系統(tǒng)仿真模型，在理想電網(wǎng)和電網(wǎng)電壓降落情況下，系統(tǒng)實現(xiàn)了有功功率與無功功率獨立控制以及無功調(diào)壓.

1 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

雙饋發(fā)電機(jī)是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統(tǒng).其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.

1.1 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

以同步旋轉(zhuǎn)dq為坐標(biāo)系，定子、轉(zhuǎn)子均采用電動機(jī)慣例，雙饋發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型如下：

定、轉(zhuǎn)子電壓方程可表示為（略寫零序分量）：式中：u_ds、u_qs、u_dr、u_qr分別為定子、轉(zhuǎn)子電壓的d、q軸分量；i_ds、i_qs、i_dr、i_qr分別為定子、轉(zhuǎn)子電流的d、q軸分量；ψ_ds、ψ_qs、ψ_dr、ψ_qr分別為定子、轉(zhuǎn)子磁鏈的d、q軸分量；r_s、r_r分別為定、轉(zhuǎn)子的電阻；L_s、L_r、L_m分別為定、轉(zhuǎn)子的白感和互感；ω₁、ω_r分別為同步轉(zhuǎn)速和實際轉(zhuǎn)速.

1.2 改進(jìn)轉(zhuǎn)子側(cè)控制側(cè)略

在雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型基礎(chǔ)之上，推導(dǎo)出定子電流、轉(zhuǎn)子磁鏈方程如下：

由式（6）或（7）中看出，傳統(tǒng)的控制策略中，只考慮到了電壓的穩(wěn)態(tài)分量和穩(wěn)態(tài)電壓補償項，忽略了電壓的動態(tài)分量.在電網(wǎng)穩(wěn)定運行時，忽略動態(tài)分量對于系統(tǒng)沒有影響，但當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生波動時，該控制策略就具有一定的局限性，因此改進(jìn)的控制策略中，考慮到定子電壓的波動對于系統(tǒng)的影響，將電壓的動態(tài)分量加入到定子電壓中，使系統(tǒng)更好的適應(yīng)電網(wǎng)電壓的波動，提高控制模型的準(zhǔn)確性，

采用基于電網(wǎng)電壓定向的改進(jìn)矢量控制策略，其坐標(biāo)表示如圖2所示.u_ds=u_s，u_qs=0，ψ_ds=O，u_s為電網(wǎng)電壓的幅值，忽略了定子電阻，則q軸的磁鏈可近似為： .將其代人到式（6）中，轉(zhuǎn)子電壓方程為：

定子輸出的有功無功功率為

由上式可以看出，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子d軸電流i_dr和q軸電流i_qr可實現(xiàn)對有功功率和無功功率的解耦控制，當(dāng)電網(wǎng)電壓降落時，控制系統(tǒng)保持有功功率基本不變，使其仍很好的跟隨最大風(fēng)能追蹤，而通過增加無功功率，可以補償電網(wǎng)電壓的降落，從而實現(xiàn)了無功參與調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓，

傳統(tǒng)的基于定子電壓定向的矢量控制策略，忽略了電網(wǎng)電壓的波動對系統(tǒng)的影響，使控制系統(tǒng)得以簡化，但其只能運行在理想電網(wǎng)條件下，具有一定的局限性，改進(jìn)的控制策略考慮到定子電壓、電流、磁鏈的動態(tài)變化，重新推導(dǎo)轉(zhuǎn)子電壓方程，將電網(wǎng)電壓的動態(tài)變化量加入到轉(zhuǎn)子側(cè)的電壓中.與傳統(tǒng)的控制策略相比較，在電網(wǎng)電壓波動時，轉(zhuǎn)子側(cè)電壓能及時跟隨電網(wǎng)電壓的變化而實時調(diào)整，提高了控制的準(zhǔn)確性和系統(tǒng)的魯棒性并實現(xiàn)電網(wǎng)降落時無功調(diào)壓.

1.3 改進(jìn)基于電網(wǎng)電壓定向的矢量控制系統(tǒng)

網(wǎng)側(cè)控制策略參考文獻(xiàn)，本文不再贅述.發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)采用雙閉環(huán)的PI控制結(jié)構(gòu).外環(huán)為功率控制環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流控制環(huán).相比于電流外環(huán)和轉(zhuǎn)速內(nèi)環(huán)閉環(huán)控制，通過給定功率參考值，將定子輸出功率與轉(zhuǎn)子電流和電壓建立直接關(guān)系，提高了系統(tǒng)控制的準(zhǔn)確性.本文采用基于功率給定的MPPT控制策略，將風(fēng)機(jī)輸出功率作為系統(tǒng)的參考功率，無功功率參考值則根據(jù)系統(tǒng)的需求給出，采用PI控制器，在傳統(tǒng)的控制策略基礎(chǔ)之上增加了動態(tài)補償項，經(jīng)坐標(biāo)變換，作為SVPWM的控制信號.改進(jìn)的控制策略系統(tǒng)與傳統(tǒng)控制策略系統(tǒng)相比較，增加了電網(wǎng)電壓的動態(tài)分量，增加模型的利用范圍，提高了整個系統(tǒng)的魯棒性.其控制結(jié)構(gòu)如圖3所示.

2 P-Q解耦控制方案仿真分析

利用Madab/Simulink為平臺，搭建雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型.設(shè)置系統(tǒng)仿真參數(shù)如表1所示.

2.1 電網(wǎng)電壓穩(wěn)定下的仿真

仿真從穩(wěn)態(tài)開始.設(shè)定風(fēng)速變化范圍為：風(fēng)速從

3 s開始階躍變化，由5m/s變?yōu)?m/s；在5s時第二次發(fā)生階躍變化，由6m/s變?yōu)?m/s，在7s時風(fēng)速7m/s變?yōu)?.5m/s，并保持恒定.其仿真波形如圖4所示.

圖4（a）中，隨著風(fēng)速的增加，有功功率增加，而風(fēng)速減小，則有功功率減小，表明DFIG很好的跟隨了風(fēng)機(jī)的輸出功率，驗證了基于功率給定的最大風(fēng)能追蹤控制策略的準(zhǔn)確性.同時，在3s、5s、7s時，有功功率變化，無功功功率保持不變，在4s時無功功率參考值由0變?yōu)镮Okvar，6s時變?yōu)?kvar，有功功率保持不變，驗證了改進(jìn)的基于電網(wǎng)電壓定向的控制策略能夠有效的實現(xiàn)有功、無功功率解耦.同時，在風(fēng)速變化時，有功功率響應(yīng)速度快，超調(diào)小，表明PI控制器能夠快速準(zhǔn)確的滿足系統(tǒng)的響應(yīng).圖4（b）中，電流有功分量i_dr、無功分量i_qr也實現(xiàn)解耦，因此分別調(diào)節(jié)i_dr、i_qr可以實現(xiàn)有功、無功功率的解耦.圖4（c）中，采用給定功率的MPPT控制策略，將風(fēng)機(jī)輸出有功功率作為DFIG的功率參考值.圖為參考功率與實際功率的誤差值，其誤差值幾乎為0，可以看出，實際有功功率能很好的跟隨參考值的變化，表明系統(tǒng)控制策略的準(zhǔn)確性.

2.2 電網(wǎng)電壓降落時的仿真

在電網(wǎng)頻率恒定的條件下，電網(wǎng)在1.5s時，電網(wǎng)電壓驟降為365V，在4s時恢復(fù)到初始值380V.風(fēng)速在Ss時由5m/s變?yōu)?m/s.采用改進(jìn)控制策略，其仿真結(jié)果如圖5所示，

在電網(wǎng)電壓波動時，圖5（a）中，電網(wǎng)電壓在1.5～4s時降落15V，圖5（b）中，有功功率隨著電壓降低而降低，但變化范圍不大，電機(jī)仍能正常發(fā)出有功功率.無功功率的給定值設(shè)為0var，在1.5s時電壓驟降，1.5～4s內(nèi)無功功率負(fù)向增大，由于雙饋電機(jī)采用電動機(jī)慣例，Q

3 結(jié)語

雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的有功功率和無功功率的解耦是其控制的關(guān)鍵技術(shù)之一.本文給出了DFIG數(shù)學(xué)模型，重新推導(dǎo)了轉(zhuǎn)子側(cè)電壓公式，提出了改進(jìn)的基于電網(wǎng)電壓定向的控制策略.與傳統(tǒng)控制策略相比，增加了電網(wǎng)電壓的動態(tài)分量，克服了傳統(tǒng)控制策略只運行在理想電網(wǎng)條件下的局限性，增加了系統(tǒng)控制的準(zhǔn)確性和魯棒性.實驗結(jié)果表明，在兩種電網(wǎng)條件下，都可以很好的實現(xiàn)有功功率和無功功率的解耦控制.在電網(wǎng)電壓降落時，DFIG能夠根據(jù)系統(tǒng)的需求，增加無功功率的輸出，從而實現(xiàn)了DFIG的無功功率的調(diào)整，進(jìn)而實現(xiàn)電壓的調(diào)整.整個系統(tǒng)響應(yīng)速度快，超調(diào)小，具有一定的工程應(yīng)用意義，