1 引言

　　在能源消耗日益增長、環(huán)境污染日漸嚴重的今天，在對可再生能源的開發(fā)利用中，風能由于其突出的優(yōu)點而成為世界各國普遍重視的能源，風力發(fā)電技術(shù)也成為各國學者竟相研究的熱點。風力發(fā)電機組包括風力機控制系統(tǒng)和發(fā)電機控制系統(tǒng)，其核心技術(shù)之一為風力發(fā)電機的勵磁控制技術(shù)。本文主要是對風力發(fā)電系統(tǒng)中的雙饋風力發(fā)電機的勵磁控制系統(tǒng)進行探究。

　　2 變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)機理

　　在風力發(fā)電系統(tǒng)中將雙饋電機定子接到工頻電網(wǎng)上，轉(zhuǎn)子接到四象限變頻器上，使定轉(zhuǎn)子同時饋電，所以稱該電機為雙饋電機[1]。交流勵磁變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)如圖1所示[2]。其中：f1、f2分別為dfig定、轉(zhuǎn)子電流的頻率;n1為定子磁場的轉(zhuǎn)速，即同步轉(zhuǎn)速;n2為轉(zhuǎn)子磁場相對于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速即轉(zhuǎn)差速度;nr為dfig轉(zhuǎn)子的機械轉(zhuǎn)速;np為dfig極對數(shù)。

　　由電機學的知識可得到計算公式：

　　由式(3)知：當dfig的轉(zhuǎn)速nr變化時，可以通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵磁電流頻率f2來保持定子輸出電流的頻率f1恒定，這就是dfig實現(xiàn)變速恒頻的原理。

　　由上述分析，可得dfig的運行狀態(tài)如下[3]：

　　(1)當nr0，轉(zhuǎn)子電流的相序與定子相同，定子磁場旋轉(zhuǎn)方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相同，此時勵磁變頻器向轉(zhuǎn)子提供交流勵磁電流，定子向電網(wǎng)輸出電能;

　　(2)當nr>n1時，dfig處于超同步發(fā)電運行，f2<0，轉(zhuǎn)子電流的相序與定子相反，定子磁場旋轉(zhuǎn)方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反，此時定、轉(zhuǎn)子均向電網(wǎng)輸出電能;

　　(3)當nr=n1時，dfig處于同步速運行，f2=0，勵磁變頻器向轉(zhuǎn)子提供直流勵磁。

　　3 網(wǎng)側(cè)勵磁變換器的設計

　　前面已經(jīng)討論了雙饋風力發(fā)電機采用雙pwm變換器進行交流勵磁[4]，如圖1所示，網(wǎng)側(cè)變換器和電機側(cè)變換器的主電路結(jié)構(gòu)完全相同，只是工作狀態(tài)不同而已。網(wǎng)側(cè)變換器采用三相vsr整流器，主要完成以下控制目標：保持輸出直流電壓恒定且有良好的動態(tài)響應能力;確保交流側(cè)輸入電流波形正弦化，功率因數(shù)為1;能量可以雙向流動。

　　為了完成以上任務，該部分首先建立三相vsr(voltage source rectifier)的數(shù)學模型，再采用電網(wǎng)電壓定向的控制方式來簡化控制系統(tǒng)的設計。三相電壓型pwm整流器的電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要有交流輸入側(cè)三相電壓源為ua、ub、uc;進線電感為la、lb、lc;進線電感的等效電阻為ra、rb、rc，三對全控型功率器件igbt、直流側(cè)輸出電容c和可實現(xiàn)能量雙向流動的直流側(cè)負載rl和el。

　　本論文網(wǎng)側(cè)變換器控制系統(tǒng)采用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，即外環(huán)為電壓環(huán)、內(nèi)環(huán)為電流環(huán)。

　　令網(wǎng)側(cè)變換器交流側(cè)電壓為：

　　式中，kip和kii為電流內(nèi)環(huán)比例增益和積分增益;iq*和id*分別為電流iq和id的指令值。

　　綜合以上分析，按照電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)進行設計，可以構(gòu)建出完整的網(wǎng)側(cè)pwm變換器及其控制系統(tǒng)，其原理框圖如圖3所示。

　　4 轉(zhuǎn)子側(cè)勵磁控制系統(tǒng)

　　4.1 轉(zhuǎn)子側(cè)最大風能追蹤控制機理

　　風能是一種具有隨機性和不穩(wěn)定性的能源。若要使風力機捕獲風能的效率最高且風施加給風力機的機械力較小，應該控制風力發(fā)電機組在不同的風速下運行在各自對應的最佳轉(zhuǎn)速處[6]。采用雙pwm變換器進行交流勵磁的風力發(fā)電機組，其運行速度可以改變。在槳距角和風速一定時，風能利用系數(shù)cp隨著風力機轉(zhuǎn)速的變化而變化，從而使風力機輸出的機械功率pmec變化，也就是說，轉(zhuǎn)速n變化，會導致風力機捕獲風能的效率不同。如圖4為風力機在槳距角β=0°時對應于不同風速下輸出的機械功率。縱坐標為風力機輸出的機械功率，是以其額定功率pnmec為基值的標幺值，pnmec=100kw;橫坐標為風力機的轉(zhuǎn)速，是以dfig的同步轉(zhuǎn)速n1為基值的標幺值，n1=1800r/min。

　　從圖4可以看出，在同一風速下風力機輸出機械功率隨風力機轉(zhuǎn)速變化而變化，每一種風速下都存在一個最大輸出功率點，對應于最大的風能轉(zhuǎn)換系數(shù)cpmax。將各個風速下的最大輸出功率點連接起來，就可以得到風力機輸出機械功率的最佳曲線，如圖4中曲線pmopt所示。要使風力機運行在這條曲線上，必須在風速變化時及時調(diào)節(jié)風力機轉(zhuǎn)速，以保持最佳葉尖速比，此時風力機才滿足最大機械功率輸出。

　　4.2 轉(zhuǎn)子側(cè)勵磁電源矢量控制系統(tǒng)的設計

　　定子、轉(zhuǎn)子繞組電壓方程分別為：

　　顯然，若將δurd、δurq視為消除轉(zhuǎn)子電壓、電流交叉耦合的補償項，則u′rd、u′rq分別與ird、irq構(gòu)成一階慣性環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)子電壓、電流解耦控制。這樣做可以在保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能的基礎上簡化控制系統(tǒng)的設計。

　　綜合以上分析，若按照以發(fā)電機輸出的有功功率和無功功率為控制目標，主要包括功率外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)、磁鏈計算環(huán)節(jié)和坐標變換環(huán)節(jié)。若要最大程度地追蹤風能，可以設計出帶有風力機控制子系統(tǒng)的交流勵磁變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的矢量控制框圖如圖5所示。

　　5 仿真研究

　　(1)dfig(繞組折算后)

　　額定功率pn=110kw，定子額定電壓un=575v(線電壓)，額定頻率fn=60hz;極對數(shù)np=2;額定轉(zhuǎn)速nn=1785r/min;定子繞組電阻rs=0.01553(pu);定子繞組漏感：lls=0.0541(pu);轉(zhuǎn)子繞組電阻rr=0.008913(pu);轉(zhuǎn)子繞組漏感l(wèi)lr=0.0541(pu);互感l(wèi)m=2.04(pu);慣性常數(shù)h=0.3175;摩擦因數(shù)f=0.006613;初始轉(zhuǎn)差率s=-0.09;定、轉(zhuǎn)子繞組y/y接法。轉(zhuǎn)子繞組電阻和漏感均折算到定子側(cè)。

　　(2)風力機

　　額定輸出機械功率pnmec= 100kw;最大風能系數(shù)cpmax=0.48;葉尖速比λopt=8.1。

　　(3)雙pwm型變換器

　　額定功率22kw;直流環(huán)節(jié)電容c=0.06f;直流環(huán)節(jié)給定電壓un=1200v;進線電抗器l=0.3(pu);進線電抗器的等效電阻r=0.003(pu);開關(guān)頻率fs=1620hz。

　　仿真模型中選擇電壓的基準值為，功率的基準值為pb=110kw，電流的基準值為。

　　假定電網(wǎng)電壓為恒定的理想正弦交流電。當給定風速vwind=10m/s時，根據(jù)圖5可確定風力發(fā)電機組的最佳轉(zhuǎn)速為dfig同步速的1.09倍，此時dfig工作在超同步速發(fā)電狀態(tài)電網(wǎng)電壓在t=0.035s時突變?yōu)樵瓉淼?.8倍，在t=0.135s時恢復到起始值，此時的仿真結(jié)果如圖6～11所示。

　　由圖9可見，通過交流勵磁電源的控制，電網(wǎng)電壓突變時dfig轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速仍保持在最佳轉(zhuǎn)速處。圖10和圖11分別為電網(wǎng)電壓突變時dfig輸送給電網(wǎng)的有功功率和無功功率。顯然，在t=0.035s和t=0.135s時，dfig輸送給電網(wǎng)的有功功率和無功功率產(chǎn)生振蕩，經(jīng)過交流勵磁電源控制系統(tǒng)的調(diào)整作用，最終趨于穩(wěn)定。

　　6 結(jié)束語

　　論文中所設計的勵磁控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)風力發(fā)電系統(tǒng)的最大風能追蹤和對雙饋風力發(fā)電機有功功率和無功功率實現(xiàn)獨立調(diào)節(jié)。在設計dfig的交流勵磁電源的控制器時，使用雙閉環(huán)系統(tǒng)的工程設計方法，其參數(shù)自適應性較差。在以后的研究中可以將基于自適應的智能控制算法應用其中，可以得到更理想的效果。