双馈变速恒频异步风力发电机的控制方法

双馈变速恒频异步风力发电机的控制方法

Control methods of variable speed constant frequency doubly-fed wind generators 马幼捷 ， 武 磊 ， 周雪松ＭＡ Ｙｏｕ－ｊｉｅ， ＷＵ Ｌｅｉ， ＺＨＯＵ Ｘｕｅ－ｓｏｎｇ （天津理工大学，天津 ３００３８４）

摘 要：风力发电系统中，风力发电机的控制方法是个关键环节，本文对变速恒频双馈异步风力发电

机的基本原理和现有的变速恒频双馈异步风力发电机的功率控制方法，如开环解耦控制方法、有功－无功解耦控制方法以及功率控制扰动方法进行了深入的研究，针对各种控制方法所存在的不足，提出一种改进功率控制扰动方法的思路。 关键词：风力发电；双馈变速恒频；功率控制扰动中图分类号：ＴＭ６２１．３ 文献标识码：Ａ

文章编号：１００９－０１３４（２００９）１１－００７９－０３ ０ 引言

在风力发电系统中，风力发电系统主要由风速模型、风轮模型、轴系模型、异步发电机模型和电网模型[1]组成，其中异步发电机模型是整个风力发电系统的核心。在当今的风力发电系统中，使用变速恒频双馈异步风力发电机发电的技术已经成为目前风力发电技术的发展方向，因此对变速恒频双馈异步发电机控制方法的研究已经成为了风力发电系统研究中的一个热点。

多年来一些学者提出了几种不同的关于变速恒频双馈异步风力发电机的功率控制方法，诸如开环解耦控制方法[2]、有功-无功解耦控制方法[3]等，它们都是由在矢量控制方法[4]基础上提出，虽然各种控制方法都有其自身的优点，但是在一些方面还是存在着不足，因此又有人提出了功率控制扰动法[5]，它综合了间接磁场控制方法和矢量解耦控制方法，同时采用定子磁链定向矢量变换技术实现双馈异步电机的有功-无功功率的解耦控制，但是这种方法没有加入对由风速变化引起的转矩波动的控制。

因而本文提出一种新的功率控制方法思路，即动态功率控制扰动方法。

运行原理如图1所示。发电机为三相绕线式异步电机,定子绕组并网，转子绕组外接滑差频率电源实现交流励磁。当发电机转子旋转频率fr变化时，控制励磁电流频率f2 以保证定子输出频率f1 恒定，实现风力发电机的变速恒频控制，即 f1 = npfr + f2 (1)

式中，np 为发电机的极对数。

图1 变速恒频双馈异步发电机的基本原理图

１．２ 变速恒频双馈异步风力发电机的数学模型交流励磁双馈异步发电机是一个高阶非线性强耦合的多变量系统，在d-q坐标系下的双馈变速恒频异步发电机的数学模型表示如下： 定子电压方程：

转子电压方程：

１ 变速恒频双馈异步风力发电机的基 本原理和数学模型 １．１ 变速恒频双馈运行原理 收稿日期：２００９－０３－１３

基金项目：国家自然科学基金面上项目（５０８７７０５３）作者简介：马幼捷 （１９６４－），女，教授，博士，主要从事电力系统分析、控制与风力发电系统研究。 第３１卷 第１１期

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定子磁链方程：

转子磁链方程：

电磁转矩方程：

忽略电机定子绕组电阻后，发电机定子磁链和定子端电压矢量之间的相位差正好为90°。

定子磁链定向示意图如2所示。 图2 定子磁链定向原理示意图

定子相电压矢量Um正好落在q轴的负半轴上，而d轴分量为0。 此时定子电压方程为： ２ 相关控制方法 ２．１ 矢量控制方法

矢量控制方法利用矢量控制技术综合改变变速恒频双馈异步风力发电机转子励磁电流的相位和幅值，可以实现变速恒频双馈异步风力发电机输出有功功率和无功功率的控制，矢量控制技术强调对控制量的解耦，需要经过多次坐标变换和反变换，因此控制精度较高，但是多次的坐标变换和反变换使系统变的非常复杂，计算量很大；同时，控制过程 第３１卷 第１１期

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中电机参数变化对系统控制量的精度也有不可忽视的影响。

因此在矢量控制方法的基础上，一些学者提出了关于功率的解耦控制方法。 ２．２ 开环解耦控制方法和有功－无功解耦控制方法开环解耦控制方法从双馈风力发电机的等效电路图出发,将变速恒频双馈异步风力发电机的数学模型进行3/2坐标变换和极坐标变换并将电网电压定向在d-q坐标下的q轴上，通过等效电路和坐标变换理论形成的这种控制方法，虽然简化了控制系统的复杂性但是由于在电路等效的过程中的一些近似处理，使得系统的控制精度有了明显的下降。 有功-无功解耦控制方法,基于定子磁场定向双馈发电机矢量控制方案，提出了有功-无功双向功率调节的控制方案，此方案结合3/2坐标变换方法和解耦控制理