大兆瓦双馈风力发电系统及发电机控制研究

摘要：介绍大兆瓦双馈风力发电系统工作原理，分析双馈风力发电系统中发电机的数学模型，并以双PWM 变流器为基础对发电机的运行控制进行研究。

关键词：双馈；风力发电系统；运行控制中图分类号：TM614文献标识码：B 文章编号：1673-3355（2011）05-0002-04Research on Multi-Megawatt Double-Feed Wind Power System and Generator ControlHong Weixue ，Fang TaoAbstract:The paper presents the operational theory of multi-megawatt double-feed wind power system and the mathematical model of its generator and studies the control to the operation of generators with a double PWM converter.Key words:double feed ；wind power system ；operation control发电机是风力发电机组中核心部件，其运行特性直接影响到机组的工作效率，进而影响到机组的发电量。

提高发电机的运行性能对风力发电的商业化发展、改善人类能源结构和生存环境，具有重大的经济效益和社会价值。

1双馈风力发电系统原理双馈风力发电机的定子绕组直接接入电网，转子绕组通过变流器与电网相连，由电网经变流器提供励磁电源，其励磁系统可调节励磁电流幅值、频率和相位（见图1）。

为了达到调速并按最佳运行方式调整发电机运行效率的目的，励磁系统采用改变励磁电流频率的方式来改变发电机的转速。

双馈风力发电机组在稳态运行时，发电机的定子旋转磁场和转子旋转磁场在空间上保持相对静止。

即：ω1=ωr +ω2!!!!!!!!!!!!!（1）以频率的形式表示为：f 1=pf r +f 2!!!!!!!!!!!!!（2）式中，ω1—定子磁链旋转角度(rad/s)；ωr —转子机械旋转角度(rad/s)；ω2—转子磁链旋转角度，即转差角速度(rad/s)；f 1—定子绕组电流频率(Hz)；f r —转子机械旋转频率(Hz)；f 2—转子绕组励磁电流频率(Hz)。

当发电机转子转速发生变化时，可以通过调整转子励磁电流频率f 2改变转子磁势的旋转速度，使气隙合成磁场相对于定子转速不变，即定子绕组电流频率f 1不变，从而保证定子感应电势频率基本不变，进而保证电机的变速恒频运行。

如忽略电机损耗和系统效率，定子输出功率P g ，转子机械功率P m 和转差功率P s 之间存在如下关系：P m =P g +P s !!!!!!!!!!!!!（3）由于发电机可在较大速度范围内运行，转子侧1.一重集团大连设计研究院有限公司高级工程师，辽宁大连1166002.一重集团大连设计研究院有限公司工程师，辽宁大连116600大兆瓦双馈风力发电系统及发电机控制研究黄维学1，方涛210.3969/j.issn.1673-3355.2011.05.002图1变速恒频双馈风电机组图3双馈发电机超同步运行能量流向图2双馈发电机亚同步运行能量流向功率流是双向的，所以发电机与电网之间可实现能量双向传输[1]，其运行模式分以下三种情况：（1）当f 2＞0时，转子绕组相序与定子相同，发电机处于亚同步运行状态，变频器向转子绕组输入有功功率（见图2）。

（2）当f 2<0时，转子绕组相序与定子相反，发电机处于超同步运行状态，转子绕组向变频器送入有功功率（见图3）。

（3）当f 2=0时，发电机同步发电运行，P m =P g ，转子转速为同步转速，转子仅提供无功功率。

可以看出，当双馈风电机组仅发电机的转子通过变流器与电网相连时，由于所需变流器的容量仅为机组额定容量的1/3左右，使变流器的成本相对较低；由于该变流器既可调节励磁电流的相位，改变功率角从而使发电机稳定运行，又可吸收无功功率并参与电网的无功功率调节，因而提高了电网运行效率、电能质量与稳定性。

该方式的缺点是发电机交流励磁系统需要配备滑环和电刷，而电刷和滑环之间的机械磨损会影响电机的寿命，且需要经常维护。

目前这种风电机组是运行中最成熟的机组。

2双馈风力发电系统电机的控制2.1交-直-交变换电路的拓扑结构目前，风力发电系统中的交-直-交变换电路的不同拓扑结构主要有：不控制整流后接晶闸管逆变器和无功补偿，不控制整流后接PWM 电压源型逆变器或电流源型逆变器以及PWM 整流后接电压源型PWM 逆变器（双PWM 变换电路）。

其中采用最多的是双PWM 变换器的拓扑结构（见图4）。

双PWM 变流器的拓扑结构由PWM 整流器、直流电路环节和PWM 逆变器组成。

整流器采用三相IGBT 桥通过控制将发电机发出的交流电变换成直流电，逆变器也采用三相IGBT 桥通过控制实现逆变，DC-link 环节提供直流。

该拓扑结构能够避免因具有非线性特性的二极管而导致的电流波形畸变。

2.2双馈风力发电系统电机的控制（1）双馈发电机数学模型包括双馈风力发电系统中发电机的dq 动态模型等效电路图（见图5）及方程。

双馈发电机在dq 旋转坐标系中的动态模型由如下方程来描述[2]：①电压方程定子电压方程：u sd =R s i sd +P Ψsd -ω1Ψsqu sq=R s i sq+P Ψsq-ω1Ψsd!!!!!!!!!（4）转子电压方程：u rd =R r i rd +P Ψrd -ωs Ψrq u rq=R r i rq+P Ψrq-ωsΨrd!!!!!!!!!（5）②磁链方程定子磁链方程：图4双PWM 变流器原理图(a)d 轴电路(b)q 轴电路图5双馈发电机dq 轴等效电路Ψsd =L sl i sd +L m i sd -i rd !"=L s i sd -L m i rd Ψsq =L sl i sq +L m i sq -i rq !"=L s i sq -L m i rq#!!!!（6）转子磁链方程：Ψrd =L rl i rd +L m i rd -i sd !"=L r i rd -L m i sdΨrq=L rl i rq+L mi rq-isq!"=L r i rq -L m i sq#!!!（7）将磁链方程代入电流方程，得到dq 坐标系下的电压-电流方程：u sd u sq u rd u rq=R s +L s P -ω1L s -L m Pω1L mω1L s R s +L s P -ω1L m -L m P-L m P ωs L m R r +L r P -ωs L r -ωs L m-L m Pωs L r R r +L r Pi sd i sq i rd i rq!!!!!!!!!!!!!!!!（8）③转矩方程和运动方程通过变换到d 轴和q 轴的旋转坐标系下，电磁转矩方程可写成：T e =32n p L m i sd i rq -i sq i rd !"=32n p Ψrq i rd -Ψrd i rq !"!!!!!!!（9）原动机产生的机械转矩在拖动发电机时，其负载转矩是随转速而变化的，如果机械转矩T m 和电磁转矩之间不匹配，转矩之差会使转子加速，从而有：T m -T e =Jd ωm=J d 2θ!!!!!!!!（10）式中，u sd 、u sq 、u rd 、u rq —定、转子d 、q 轴电压（V ）；i sd 、i sq 、i rd 、i rq —定、转子d 、q 轴电流(A)；Ψsd 、Ψsq 、Ψrd 、Ψrq —定、转子d 、q 轴磁链(Wb)；Ψmd 、Ψmq —定、转子d 、q 轴下的互感磁链(Wb)；L s 、L r 、L m —定、转子自感和互感(H)；n p —电机的极对数；ωm —d 、q 坐标系相对于转子的电角速度，即转差电角速度(rad/s)，ωs =ω1-ωr 。

式（8）~（10）为双馈发电机在两相同步旋转dqo 参考坐标系下的动态模型。

（2）机侧控制策略对变速恒频风电机组的功率进行控制就是要对发电机转速进行控制，控制系统通过控制机侧PWM 变换器来达到控制电机转速的目的。

采用基于坐标变换理论的矢量控制技术，可以达到有功功率和无功功率解耦控制的目的，通过对机侧PWM 变换器各分量电压、电流的调节来实现对双馈机组发电机的控制[3]。

为便于分析，通常不计电枢电阻，在两相旋转坐标系下，机组发电机的瞬时有功、无功功率可写为：P =-32u m i sqQ =-32u m i sd $&&&&&%&&&&&’!!!!!!!!!!（11）由于只有转子通过变流器与电网相连，从而只能调整发电机转子上的励磁电流，所以需采用转子上电流的分量来替代定子上电流的分量。

由式（6）可得：i sd =l m l s i rd +Ψsdl si sq =l m si rq $&&&&&%&&&&&’!!!!!!!!!!(12)将式（12）代入式（11）可得：P =-32U m l m l si rqQ =-32U m l m l s i rd +Ψsdl s!"$&&&&&%&&&&&’!!!!!!（13）再由转子磁链方程得：Ψsd =l m l s Ψs +l r 1-l 2m l s l r!"i rdΨsq=l r1-l 2ml s lr!"i rq$&&&&&&%&&&&&&’!!!!!!（14）将上式代入转子电压方程式（5）得：u rd =R r +l s l r -l 2m s ·d !"i rd +△u rd =u ′rd +△u rd u rq=R r+l s l r-l 2ml s·d dt!"i rq+△u rq=u ′rq+△u rq$&&&&&&%&&&&&&’!!!!!!!!!!!!!!!!（15）其中，u ′rd 、u ′rq 为转子电流解耦控制的电压解耦项。

△u rd 、△u rq 为转子电压、电流交叉耦合项，从而实现了d 、q 轴电流的解耦。