变速恒频双馈风力发电机组1控制技术研究

新疆农业大学机械交通学院2015学年上学期

《计算机控制技术》课程论文 2015年11月4

班级机制126 学号1237316 04 姓名崔佳乐

开课学院机械交通学院任课教师李春兰成绩__________ 1.论文题目：变速恒频双馈风力发电机组控制技术研究

论文要求：

1）论文内容和选题范围:介绍与风力发电有关的计算机控制技术方面的内容。

2）独立完成，不得完全抄袭。可引用他人及网上成果，但要说明出处。

3）符合科技论文格式。

4)参考文献10篇。

5）篇幅要求：5～8页（A4）

6）提交要求：提交打印文档。

7）提交截止时间：2015年11月25日

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变速恒频双馈风力发电机组控制技术研究

姓名崔佳乐指导老师李春兰

摘要：该文分析了变速恒频双馈风力发电系统的运行区域，并针对高低风速区采取不同的控制策略，实现低风速区最大风能追踪和高风速区的额定功率保持。

关键词：风力发电机组变速恒频控制策略

在当今新能源技术开发中，风电成为最成熟、最具开发利用的发电技术。风电机组是风电系统的重要装置，直接影响输出电能的质量和效率，因此选取合适的控制策略是保证系统安全、高效运行的关键。

1变速恒频双馈感应风力发电系统

变速恒频双馈感应风力发电系统中，风力机通过齿轮箱与发电机转子相连，发电机定子直接连接到电网，转子通过变频器并网。“双馈”是指发电机的定、转子同时向电网馈电。

根据不同的风速，风力发电机组主要有五个运行区域，如图1所示，每个运行区域机组的输出功率不同。

其中，A为并网区；B为最大风能追踪（MPPT）区域；C为过渡区；D为功率限制区。E为切出停机区。

由于风速的不断变化，风电机组运行在不同的运行区域。通常将发电机组的运行策略确定为：低风速区域，实现最大风能的追踪或使发电机的转速最大。高风速区域，实现发电机组保持额定功率输出。

2低风速区风力发电机组的控制策略

(1)矢量控制双馈发电机组矢量控制的目标是对发电机中复杂变量间的关系解耦，使实现控制变得简单。基于双馈发电机的动态数学模型利用基于定子磁链定向的矢量控制实现有功功率P和无功功率Q 的解耦控制，再分别对其施行闭环控制，实现风电系统的变速恒频运行和最大风能捕获[1]。

(2)直接转矩控制（DTC）直接转矩控制是通过对感应发电机的磁链和转矩做滞环比较，再适当选择逆变器的开关状态实现对发电机转矩的控制，进而实现对发电机最大转速的控制。

直接转矩控制的磁链轨迹有两种形式，一种正六边形，六条边对应于六个电压矢量，通过切换逆变器的开关状态，实现对磁链轨迹的控制[2]；另一种圆形，通过实时计算发电机的转矩和磁链的误差，结合定子磁链的空间位置选择相应的开关矢量。

(3)滑模变结构控制滑模变结构控制是利用其高速开关特性将系统的相轨迹引导到一个设计好的曲面上，使系统的状态变量在设计好的的曲面上做滑模运动。双馈感应发电系统以功率相对误差作为切平

面，实现误差跟踪和风能最大捕获[3]；以力矩为控制信号，解决滑动模切换抖动的问题。

3高风速区风力发电机组的控制策略

当风速达到或超过额定风速后，风力发电机组进入功率限制区。变桨距控制技术是指通过调节桨叶的节距角，改变气流对桨叶的攻角，进而控制风轮捕获的转矩或者功率，在高风速区域通过对桨叶节距角的调整，调节发电机的输出功率保持

恒定。[1]

(1)模糊PID控制。模糊PID控制在双馈风电系统的应用是将控制规则利用模糊集表示成规则库存入到计算机，计算机根据实际响应状况进行模糊推理，实现对PID参数的最优调整，改善了系统的动态性能，提高系统的抗干扰性和鲁棒性。给定信号为发电机的限制功率或转速，反馈信号与给定信号比较，对误差和误差的变化率进行模糊推理，对PID参数进行调整后发出桨叶节距角信号，控制节距角增大或减小[4]。

(2)H∞鲁棒控制。H∞鲁棒控制是指在Hardy空间中通过一些性能指标的无穷范数将被控系统的设计问题转变为H∞范数最小化的问题。在风速和风向不断变化的情况下，利用鲁棒控制器设计的转速控制器使发电机在设定好的风速范围内运行，实现在低风速区的最大风能追踪和高风速区的保持额定功率控制[5]。

4双馈电机的VSCF控制原理

VSCF风力发电系统主要由风力机、增速箱、双馈发电机、双向变流器和控制器组成，其原理框图如图1。双馈发电机的定子绕组接电网，转子绕组由具有可调节频率的三相电源激励，一般采用交-交变流器或交-直-交变流器供电。双馈发电机可在不同的转速下运行，其转速随风速的变化可作适当的调整，使风力机的运行始终处于最佳状态，以提高风能的利用率。当电机的负载和转速变化时，通过调节馈入转子绕组的电流，不仅能保持定子输出的电压和频率不变，而且还能调节发电机的功率因数。

根据感应电机定、转子绕组电流产生的旋转磁场相对静止的原理，可知VSCF风力发电机转速与定、转子绕组电流频率的关系如下

式中f1、f2、n和p分别为定子电流频率、转子电流频率、发电机的转速和极对数。

由式(1)可知，当转速n发生变化时，若调节f2相应变化，可使f1保持恒定不变，即与电网频率保持一致，实现风力发电机的VSCF控制。当风力发电机处于亚同步速运行时，式(1)取正号；当风力发电机处于超同步速运行时，式(1)取负号；同步速运行时，f2=0，变流器向转子提供直流励磁电流。

4.1 不同运行方式下的转子绕组功率流向

当忽略电机损耗并取定子为发电机惯例而转子为电动机惯例时，发电机的定子输出电功率P1等于转子输入电功率P2与电机轴上输入机械功率P mech之和，即

式中s为转差率。

由式(2)~(4)可知，当发电机在亚同步速运行时，s>0，需要向转子绕组馈入电功率，由转子传递给定子的电磁功率为sP1，风力机传递给定子的电功率只有(1-s)P1。当发电机在超同步速运行时，s<0，此时转子绕组向外供电，即定转子同时发电，此时风力机供给发电机的功率增至(1 |s|)P1。

双馈发电机在低于和高于同步速不同运行方式下的输入输出功率关系，可用图2功率流向示意图表示。由于在低于和高于同步速不同运行方式下转子绕组的功率流向不同，因此需要采用双向变流器。

5 励磁控制系统的硬件设计

5.1 励磁控制系统的基本功能

为满足双馈发电机低于同步速、同步速和高于同步速运行的各种工况要求，向转子绕组馈电的双向变流器应满足输出电压（或电流）幅值、频率、相位和相序可调。通过控制励磁电流的幅值和相位可以调节发电机的无功功率；通过控制励磁电流的频率可调节发电机的有功功率；通过风力机变桨距控制与发电机励磁控制相结合，可按最佳运行方式调节发电机的转速。

5.2 励磁控制系统基本组成

VSCF双馈风力发电机模拟试验系统框图如图3所示。该系统由额定功率为2.8kW的绕线转子感应电机、直流拖动电动机、调压器、IGBT交直交双向变流器、光电编码器、电流及电压传感器、80C196MC 单片机、PC机及参数显示器等组成。[3]

6 励磁控制技术研究

6.1 变速恒频控制

双馈风力发电机的变速恒频控制，就是根据风力机转速的变化相应地控制转子励磁电流的频率，使双馈发电机输出的电压频率与电网保持一致。实现变速恒频控制可以采用两种方法，即有转速传感器和无转速传感器的变速恒频控制。前者控制相对容易，但需要光电编码器；后者控制技术稍复杂一些。

图3 所示励磁控制系统采用有速度传感器的变速恒频控制。电机的极对数p=2，定子电流频率

f1=50Hz。将p和f1值代入式(1)，可得励磁电流频率f2的与电机转速检测信号的关系式。

亚同步速时馈入转子的电流频率为

式中k p是计数器在每10ms所记录的光电编码器的输出脉冲数。可根据光电编码器每转输出2000个脉冲计算出电机转速与k p的关系。

图4是双馈发电机低于同步速运行时转子绕组电流随转速调节频率的波形。由图可以看出，转子电流的频率根据转速按式(1)的规律变化，实现了双馈发电机的变速恒频控制。

6.2 恒定电压控制

当定子绕组开路，双馈发电机作空载运行时,定子绕组开路相电压的有效值为

式中f1为定子绕组的电压频率；N1和k w1分别为定子绕组每相串联匝数和绕组系数。每极磁通f0= f(I2)由转子绕组励磁电流决定。

由式(7)可知，当定子绕组电压频率f1为恒定值时，在不同转速下只要保持转子绕组励磁电流值不变便可使定子绕组端电压保持不变。然而当发电机负载运行时，由于定子绕组电阻和漏电抗压降，以及由于定子电流电枢反应磁场的影响，即使转子励磁电流不变，每极磁通和定子绕组端电压也不再是常数。为了保持在不同运行状况下发电机端电压恒定，需要通过电压反馈调节转子励磁电流实现闭环恒压控制。[2]试验表明，双馈发电机输出电压采用闭环控制后，转速由1300r/min增加到1480r/min，定子绕组输出电压仅变化了0.2V。

6.3 双馈发电机的并网控制

传统的风力发电机组多采用异步发电机，并网时对电网的冲击较大。双馈发电机可通过调节转子励磁电流实现软并网，避免并网时发生的电流冲击和过大的电压波动。

在图3的励磁控制系统中，并网前用电压传感器分别检测出电网和发电机电压的频率、幅值、相位和相序，通过双向变流器调节转子励磁电流，使发电机输出电压与电网相应电压频率、幅值及相位一致，满足并网条件时自动并网运行。由图5看出，并网后定子电流有振荡现象，这是由于在并网试验中没有采用有功和无功功率闭环控制造成的，采用闭环控制后，发电机的功角保持不变可解决电流震荡问题。

如图5所示，并网前发电机电压略高于电网电压，并网后发电机电压即为电网电压。并网前发电机电流为辅助负载的电流，并网后的电流为馈入电网的电流。辅助负载用于并网前的发电机电压和电流监测，并网后将辅助负载切除。[3]为了便于并网前后发电机定子绕组电压电流的比较，并网试验中采用了辅助负载检测并网前定子绕组的电压和电流，在实际VSCF系统中，不一定需要辅助负载，可检测与比较电网和发电机的端电压以确定是否满足并网条件。

4.4 三态转换控制

在亚同步速运行时，变流器向转子绕组馈入交流励磁电流，同步速运行时变流器向转子绕组馈入直流电，而超同步速运行时转子绕组输出交流电通过变流器馈入电网。亚同步、同步和超同步三种不同运行状态的动态转换是变速恒频双馈风力发电机励磁控制的一项关键技术。

由于风速变化的不稳定性，风力发电机难以长时间稳定运行在同步速。为了避免反复跨越同步点和在同步速附近小转差区的控制难度，在实际变速恒频风力发电系统中，总是把稳定运行工作点选在避开同

步速附近小转差区(|s|<0.05)以外的区间。自然，跨越同步点是难免的。[4]

跨越同步点的三种运行状态的转换可采用两种不同的方法，一是采用“交-直-交”控制模式，二是采用“交-交”控制模式。“交-直-交”控制模式是随着发电机转速的增高逐渐降低转子绕组电流的频率，当转速接近同步速时供给转子绕组直流（此时转子三相绕组为“两并一串”的联接方式而变流器以PWM 方式控制不同桥臂的三个功率开关器件同时导通或关闭，输出可控的直流励磁电流）。当转速超过同步速后，变流器停止直流供电，此时转子绕组向变流器输出转差频率的交流电。采用“交-直-交”控制模式的发电机跨越同步速时的转子电流实测波形如图6所示。“交-交”控制模式因省去了向转子绕组供直流电的环节，控制稍微容易一些，但三种运行状态转换的平滑性稍差一些，其转子电流试验波形如图7所示。

4结语

该文针对不同运行区域的控制目标，分析了风力机特性，研究了实现最大风能追踪的控制策略，通过调节机组转矩或转速，保持最佳叶尖速比，追踪最佳功率曲线。在高风速区域，对发电机组的变桨距控制技术进行研究，并对各控制方式进行分析总结。

参考文献

[1] 张志，清灵，朱一凡.变速恒频双馈风力发电系统最大风能捕获[J].电机与控制应用，2010，37(4)：18-21.

[2] 邢作霞，郑琼林.双馈变速恒频风力发电机组直接转矩控制[J].辽宁工程技术大学学报，2006，25(4)：556-559.

[3] 刘远涛，杨俊华，谢景凤,等.双馈风力发电机有功功率和无功功率的滑模解耦控制[J].电机与控制应用，2010，37(4)：39-43.

[4] 王江.风力发电变桨距控制技术研究[D].合肥：合肥工业大学，2009.

[5] 张先勇，吴捷，杨金明，等.额定风速以上风力发电机组的恒功率H∞鲁棒控制[J].控制理论与应用，2008，25(2)：321-324.