变速恒频双馈风力发电机组交流励磁
控制系统研究
鲍薇，尹忠东，任智慧
(华北电力大学电力系统保护与动态安全监控教育部重点实验室，北京102206)
  摘要：介绍了变速恒频双馈风力发电系统的工作原理，分析了双馈型风机的运行性能，重点对采用双
PWM 换流器结构的交流励磁系统进行了介绍，提出了一种矢量控制策略，对网侧和转子侧变换器采用不同
的矢量控制，从而实现不同的控制目标。并通过EM TDC/PSCAD 软件进行了建模仿真，仿真表明，采用介绍的控制策略，能实现风力发电系统的最大风能追踪及有功无功解耦控制，保证输出功率稳定，实现高功率因数并网运行。
关键词：变速恒频；风力发电系统；交流励磁;PWM 换流器；矢量控制；最大风能追踪中图分类号:TM614    文献标识码:A
Study on AC -excited Control System of VSCF Doubly -fed
Wind Pow er G eneration System
BAO Wei ,YIN Zhong -dong ,REN Zhi -hui
(Key L aboratory of Power S ystem Protection and Dynamic Security Monitoring and Control under Ministry of Education N orth China Electric Power University ,Bei jing 102206,China )
Abstract :The operation principle of doubly -fed VSCF wind power generation system was analyzed ,it es 2pecially introduced the doubly -fed generator ′s AC -excited system based on a structure of dual PWM con 2verter ,presented a vector control strategy ,which adopted different vector control between the grid -side con 2verter and the rotor side converter ,in order to achieve various control goals.The simulation on EM TDC/PSCAD software shows that adopting this control strategy this article presented ,it is able to track the largest wind energy ,achieves the decoupling control of wind power system ′s active and reactive power ,ensures the stability of output power and operate on high power factor.
K ey w ords :variable -speed constant -frequency ;wind power generation system ;AC excitation ;PWM con 2verter ;vector control ;tracking largest wind power
  基金项目:“十一五”国家科技支撑项目(2008BAA14B05)
  作者简介：鲍薇(1985-)，女，研究生,Email :baowei_19850627@163
1　引言
目前我国的风电场装机绝大多数是恒速恒频机组。而国外风电领域，变速恒频机组已经成为主流，以双馈风力发电机组为主[1～3]。
采用变速恒频双馈风电机组，风力机可以根据不同的工况变速运行，实现最大风能追踪，工作效率高。双馈型发电机的最大特点是在发电机转子侧进行交流励磁，发电系统可根据风力机的转速变化调节励磁电流的频率，实现恒频输出；通过改变励磁电流的幅值和相位实现发电机有功、无功功率的独立调节。这样，双馈型风力发电机组
转子侧的电力电子变换器只要控制总能量的一小
部分(20%～30%)，也就是转差功率和换流器需要控制总功率的直驱型风力发电机系统相比，电力电子变流器的损耗可以减小，变流器的造价降低。基于以上优点，交流励磁风力发电系统(A E 2VSCF )的研究备受关注[1～2]。
A EVSCF 风力发电系统规模庞大，运行控制系统复杂，其中发电机的交流励磁系统及其控制是核心部分，决定着整个系统的运行性能。本文对A EVSCF 风力发电励磁系统的拓扑结构和控制策略进行了介
绍，分别采用定子磁链定向和电网电压定向矢量控制技术，推导了双馈型异步发
7
2EL ECTRIC DRIV E  2010　Vol.40　No.1电气传动　2010年　第40卷　第1期
电机(doubly -fed induction generator ,DFIG )及网侧变换器的控制策略。最后通过EM TDC/PSCAD 软件对整个风力发电系统在10kV 线路上并网运行的动态模型进行了建模仿真，仿真表明，采用本文介绍的控制策略，能实现风力发电系统的最大风能追踪及有功无功解耦控制，保证输出功率稳定，实现高功率因数并网运行。
2　基本结构和运行原理
变速恒频控制技术的风力发电系统主要由风力机、齿轮箱、双馈发电机、变频器励磁系统、控制
检测系统组成，如图1所示
。
图1　交流励磁变速恒频风力发电系统
Fig.1　AC -excited variable -speed constant -frequency
wind power generation system
DFIG 定子接电网，转子接励磁变换器，通过
变频器改变转子励磁电流的频率、幅值和相位，实
现“交流励磁”。
对双馈电机，有
p n n m
60
+f 2=f 1(1)式中:f 1,f 2为DFIG 定、转子电流频率;n m 为
DFIG 机械转速;p n 为DFIG 极对数。
由式(1)可知，当发电机转速变化时，调节转子励磁电流频率可保持定子输出电能频率恒定，这就是“变速恒频”的原理。
忽略损耗时,DFIG 转子输入有功功率为
P 2=s P 1
(2)式中:P 1为DFIG 定子输出有功功率;s 为转差率。
风机转速的不断变化引起s 的不断变化。当0<s <1时,P 2>0，发电机定子端向电网输出有功功率，电网通过变频器向转子回路馈入功率，此时DFIG 亚同步状态运行；当s <0时P 2<0，发电机定子端向电网输出有功功率，转子回路通过变频器向电网输入功率，此时DFIG 超同步状态运行；当s =0时,P 2=0，转子直流励磁，转子与电网间无能量交换，此时发电机同步状态运行。DFIG 转子励磁变换器由两个背靠背的PWM 变换器(双PWM 变换器)构成，分别称之
为转子侧变换器和网侧变换器(见图1)。转子侧变换器采用定子磁场定向控制技术，对DFIG 进行励磁控制，可以在转速大范围变化的运行条件下，实现最大风能追踪控制和定子端口有功无功的解耦控制；网侧变换器采用电网电压矢量定向控制技术，实现直流环节电压和交流侧功率因数控制。通过改变两个变换器的工作状态(整流或逆变)能实现能量的双向流动，满足DFIG 亚同步、超同步运行的需求。
3　转子侧PWM 换流器控制策略
3.1　转子侧最大风能追踪控制机理
变速风力发电机受到两个基本限制，即功率限制和转速限制。在额定风速以下，总的控制目标是充分利
用风能，最大限度的捕获风能，主要靠调节转子转速实现。在达到额定风速以上，双馈变速恒频机组的控制目标就成了限制风电机组的输出功率，使功率输出在额定值，主要靠调节浆距
角实现，转子转速不变。
发电机转子侧的一个重要控制目标是实现最大风能追踪，首先对风力机的最大风能追踪控制机理进行简单介绍。
风力机捕获的机械能为
P m =
12
ρA c p v 3
(3)
风力机的机械转矩为
T m =
P m w w =12
ρA c p
R λv 2
(4)
式中:
ρ为空气密度;A 为风轮扫风面积;c p 为风能利用系数;v 为空气进入风力机扫略面以前的风速;w w 为风力机转速;R 为风轮半径;λ为叶尖速比,λ=(w w R )/v 。
由式(1)可以看出，在风速不变的情况下，风机所获得的机械能仅为风能利用系数c p 的函数，且风能利用系数c p 是叶尖速比λ和桨叶截距角β的函数。
由此可见，对于变化的风速v ，需要有变化的风机转速w w 相对应，才能保证叶尖速比λ为最佳叶尖速比λopt ，风能利用系数c p 为最大风能利用系数c p max ,P m 为P m max ，而此时的T m 为最佳转矩T mopt 。
最大风能追踪的实质是风力机组的最佳转速
8
2电气传动　2010年　第40卷　第1期鲍薇，等：变速恒频双馈风力发电机组交流励磁控制系统研究
控制，可以由风力机的桨距角调节系统完成，也可
以由发电机的转子侧控制系统完成(此时认为桨距角β固定不变)。文献[2]提出了一种在转子侧通过DFIG 功率控制来实现最大风能追踪的方案，通过控制DFIG 输出有功功率来控制DFIG 的电磁转矩，从而间接地控制机组的转速。该方案不需要风速的检测，控制结构简单，但是参考功率的计算较为复杂。本文采用直接转速控制方案，控制目标明确，原理简单。直接转速控制需要检测当前的风速,
根据最佳叶尖速比计算出当前的最佳转速，进行转速的闭环控制。控制框图如图2所示。
图2　直接转速控制方案框图
Fig.2　Block diagram of direct rotation speed control
3.2　转子侧有功无功解耦的矢量控制策略
在研究异步电机的多变量非线性数学模型
时，常作如下假设：忽略空间谐波，忽略磁路饱和铁心损耗，不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响[2]。
在此假设下，双馈式发电机在同步旋转dq 参考坐标系中的数学模型为如下5阶模型。
磁链方程:
Ψs d =L s i s d +L m i r d Ψs q =L s i s q +L m i r q
Ψr d =L m i s d +L r i r d Ψr q =L m i s q +L r i r q
(5)
电压方程:
u s d =R s i s d +p Ψs d -ω1Ψs q u s q =R s i s q +p Ψs q +ω1Ψs d u r d =R r i r d +p Ψr d -ωs Ψr q u r q =R r i r q +p Ψr q +ωs Ψr d
(6)
电磁转矩表达式:
    　T e =p n (Ψs d i s q -Ψs q i s d )
=p n L m (i s q i r d -i s d i r q )(7)
电机运动方程:
T e -T m =
J p n d ωd t +D
p n
ω(8)
式中:ω1为坐标系旋转角速度，即同步转速;u ,i ,Ψ为绕组的电压、电流及磁链;R 为绕组的电阻;
L s ,L r 为定子绕组与转子绕组的自感;L m 为定、转
子绕组之间的互感；下标s ,r 分别代表电机的定
子与转子；下标d ,q 分别代表电机的d ,q 绕组;ωs 为电机的滑差角速度,p 为微分算子,T m 为机械转矩,J 为机组的转动惯量;D 为与转速成正比的阻转矩阻尼系数(粘性摩擦系数)。
坐标变换矩阵采用恒功率正交变换矩阵。双馈电机定子的有功功率P 和无功功率Q 为
P =u s d i s d +u s q i s q
Q =u s q i s d -u s d i s q
(9)  一般假定电网为无穷大，电压和频率恒定，且不考虑定子磁链的动态过程，忽略定子绕组电阻，则定子磁链恒定，即:
d Ψs
d t
=0　p Ψs d =0　p Ψs q =0  发电机转子侧的PWM 换流器采用基于定子磁链矢量定向的控制策略，即令d 轴与定子磁链矢量方向一致(见图3)。
图3　转子侧矢量控制坐标变换
Fig.3　Coordinate transformation of rotor -side vector control
  由于DFIG 定子侧频率为工频，定子电阻远
小于定子绕组电抗，可以忽略，因而DFIG 感应电动势近似等于定子电压。因为感应电动势矢量e 1落后Ψ190°，故e 1和定子电压矢量u 1位于q 轴的负方向。即:
Ψs d =Ψ1　Ψs q =0
u s d =0　u s q =-u 1(10)定子端输出的有功无功功率分别为
P =u s d i s d +u s q i s q =-u 1i s q =-u 1i r q L m /L s
Q =u s q i s d -u s d i s q =-u 1i s d =-u 1(Ψ1+L m i r d )/L s
(11)
式中:Ψ1为定子磁链合成矢量;u 1为定子电压合成矢量。
这样感应电机模型由5阶降到3阶，这种3阶模型可将转子电压作为被控量，也可使用转子电流作为被控量来构建3阶控制模型，同时通过直接或者间接调节转子电流实现有功功率和无功功率的解耦控制。由这种模型设计的控制器在电
9
2鲍薇，等：变速恒频双馈风力发电机组交流励磁控制系统研究电气传动　2010年　第40卷　第1期
网正常运行条件下可很好地快速实现电机控制。
当采用转子电压作为控制量来控制转子电流
时，转子电压为
u r d=R r i r d+σL r
d i r d
d t
-ωsσL r i r q
u r q=R r i r q+σL r
d i r q
d t
+ωsΨ1
L m
L s
+σωs L r i r d
(12)
其中    　σ=1-L
2
m
L s L r
式(12)可写为
u r d=u′r d+Δu r d
u r q=u′r q+Δu r q
u′r d=R r i r d+σL r
d i r d
d t
u′r q=R r i r q+σL r
d i r q
d treactivepower
Δu r
d=-
ω
sσL r i r q
Δu r
q=
ω
sΨ1
L m
L s
+σωs L r i r d
式中:u
′r d,u′r q为实现转子电压、电流解耦控制的
解耦项;Δu r d,Δu r q为消除转子电压、电流交叉耦
合的补偿项。
将转子电压分解为解耦项和补偿项后，既简化了控
制又能保证控制的精度和动态响应的快速性。
为保证DFIG有较高的功率因数，通常将无
功功率的参考值设为0或者某一定值，有功功率
参考值按变速恒频实现最大功率跟踪控制。不向
电网吸收或提供无功功率或为保证功率因数向电
网提供或吸收少量的无功功率。转子侧控制框图
如图4所示。
图4　转子侧PWM换流器控制框图
Fig.4　Control block diagram of rotor side PWM converter
4　网侧换流器的矢量控制策略
网侧变换器在实现能量双向流动的同时，控
制着直流母线电压的稳定，以及对网侧的功率因
数进行着调节。当电机亚同步速运行时，往转子
中馈入能量，作整流器(rectifier)运行；当电机超
同步速运行时，从转子中吸收能量，作逆变器(in2
verter)运行，将能量回馈到电网；当电机同步速运
行时，相当于直流侧空载。网侧变换器的性能好
坏直接影响到整个系统的性能。网侧换流器和转
子侧相同均采用三相VSR换流器，结构如图5
所示。
图5　三相VSR换流器结构图
Fig.5　The structure of t hree-phase VSR converter
  三相VSR换流器交流侧电压为
U d=-L
d i d
d t
-Ri d+ωL i q+E d
U q=-L
d i q
d t
-Ri q+ωL i d+E q
(13)
  数学模型中d轴和q轴变量是相互耦合的,
因而无法对dq轴的电流进行单独控制，对于控
制器的设计也造成一定困难。为此，引入i d,i q的
前馈解耦控制，对E d,E q进行前馈补偿，且采用
PI调节器作为电流环控制器，则有以下方程:
U d=-(-k p+
k i
s
)(i3d-i d)+ωL i q+E d
U q=-(
k p+
k i
s
)(i3q-i q)-ωL i d+E q
(14)
网侧换流器采用定子电压定向矢量控制，将dq
坐标系中d轴定向于电网电动势矢量E的方向,
则电网电动势矢量d轴与电网电动势矢量E重
合,q轴分量为0，见图6。
图6　网侧矢量控制坐标变换
Fig.6　C oordinate transformation of grid-side vector control 03
电气传动　2010年　第40卷　第1期鲍薇，等：变速恒频双馈风力发电机组交流励磁控制系统研究
  将式(14)代入式(13)，则得到如下关系式:
p
i d i q
=
-[R -(k p +
k i
s
)]L
-[R
-(k p +k i
s )]
L
×
i d i q
-1
L (k p +k i
s )i
3
d i 3q
(15)
因此，网侧PWM 换流器的控制框图如图7所示。
图7　网侧PWM 换流器控制框图
Fig.7　Control block diagram of grid -side PWM converter
5　仿真研究
本文用EM TDC/PSCAD 软件对一台2MW 的风电机组在10kV 线路上并联运行的动态模型进行了仿真分析。仿真参数如下。
双馈电机仿真参数为：额定功率2MW ，定子额定电压690V ，额定频率50Hz ，定子电阻
0.0175(标幺值)，转子电阻0.019(标幺值)，定子漏感0.257(标幺值)，转子漏感0.295(标幺值)，定转子互感6.921(标幺值)；电网参数为：额定功率20MW ，额定电压10kV ，额定频率50Hz ；输电线路参数为：线路长度10km ，单位阻抗r =0.263(标幺值),x =0.348(标幺值)。
风速初始值为12m/s ，对应的最佳转速理论值为1.1(标幺值)。第4s 时
，风速突变为14m/s ，根据最佳叶尖速比计算，转速指令相应的突变至1.283(标幺值)。风速波形如图8所示，总仿真时
图8　动态风速波形图
Fig.8　The waveform of dynamic wind speed in simulation
间为10s 。  为了能够使发电机快速平稳的过渡到稳定运行状态，本文中0～0.5s 时发电机转子闭锁，电机设为转速控制。0.5s 后系统进入稳态，转子解锁，电机转换为转矩控制，系统切换到风能捕获跟踪控制模式。
图9表示了该阶跃式风速下机组追踪最大风能的过程。图9a 为在风力机的机械转矩和输出机械功率随风速变化的波形；图9b 为电机的电磁转矩和机械转矩波形图；图
9c 为转子转速随风速变化波形，可以看出，采用本文提出的直接转速控制模式，当风速突变时，转速控制环对其进行快速稳定的调节，最终达到转速参考值，实现了最大风能的追踪控制。
图9　转子侧最大风能追踪控制仿真波形
Fig.9　The largest wind energy tracking of rotor
side control ′s simulation waveforms
  双馈电机有功无功功率独立控制如图10所
示。从图10a 可以看出第4s 时，转子电流的有功分量发生了突变，而无功分量保持恒定。从图10b 中可以看出定子输出的无功功率也保持不变，有功功率随风速的升高而增大，说明双馈电机在实现最大风能追踪控制的同时，也实现了定子
1
3鲍薇，等：变速恒频双馈风力发电机组交流励磁控制系统研究电气传动　2010年　第40卷　第1期
有功无功功率的独立调节。  图11为在最大风能追踪控制策略下转子侧变频器及定子侧输出的三相电流波形。图11
表
图10　有功无功解耦控制的动态仿真波形
Fig.10　Decoupling control of active and reactive
power ′s dynamic simulation
waveforms
图11　定转子输出三相电流波形图
Fig.11　Three -phase current waveforms of output
by stator and rotor -side converter
明了在转速和有功功率都很好地追踪到了各自的
给定值的前提下，转子侧的励磁电流和定子侧的输出电流都能得到及时的调节，系统的动态性能优越，响应快速，充分验证了控制方案的正确性和可行性。
6　结论
本文在分析双馈电机励磁系统工作原理的基础上，推导出了用转子电流的dq 分量独立解耦控制有功功率和无功功率的策略，构建了由转子有功、无功电流双独立通道电流内环和转速外环组成的双闭环PI 控制系统，能够在追踪最大风能的同时实现有功无功功率的解耦控制。在PSCAD/EM TDC 软件平台上，对该系统进行了数学建模和系统仿真研究，仿真结果验证了变速恒频风力发电系统控制策略的正确性，确实实现了最大风能捕获控制以及有功功率和无功功率的独立解耦控制，满足了风力发电系统的控制要求。
参考文献
[1]　Pena R ,Clare J C ,Asher G M.Doubly Fed Induction Gener 2
ator Using Back -to -back PWM Converters and It s Appli 2cation to Variable -speed Wind -energy Generation [J ].IEEE Proc -electr.icPowerAppl.,1996,143(3):231-241.
[2]　Li Shu hui ,Timothy A Haskew.Analysis of Decoupled d -q
Vector C ontrol in DFIG Back -to -back PWM Converter [C]
∥Power Engineering Society General Meeting ,IEEE ,2007:
1-7.
[3]　刘其辉.变速恒频风力发电系统运行与控制研究[D ].杭州:
浙江大学,2005.
[4]　刘其辉，贺益康，张建华.交流励磁变速恒频双馈型异步风
力发电机的稳态功率关系[J ].电工技术学报,2006,18(2):
12-18.
[5]　Richard Gagnon ,G ilbert Sybille.Modeling and Real -time
Simulation of a Doubly -fed Induction Generator Driven by a Wind Turbine[C]∥Presented at t he International Confer 2ence on Power Systems Transient s in Montreal ,Canada ,2005:19-23.
[6]　刘其辉，贺益康，张建华.交流励磁变速恒频双馈型异步风
力发电机的稳态功率关系[J ].电工技术学报,2006,18(2):
12-18.
[7]　罗忠玉，马洪飞，徐殿国，等.双馈风力发电系统网侧变换器
控制研究[J ].电力电子,2007(5):15-19.
收稿日期:2009-03-16修改稿日期:2009-07-30
2
3电气传动　2010年　第40卷　第1期鲍薇，等：变速恒频双馈风力发电机组交流励磁控制系统研究

版权声明：本站内容均来自互联网，仅供演示用，请勿用于商业和其他非法用途。如果侵犯了您的权益请与我们联系QQ:729038198，我们将在24小时内删除。