双馈风力发电的矢量控制策略-电机及其系统分析与仿真..

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双馈风力发电机及控制原理

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装机容量/万千瓦
800 600
400 200
0 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008
02090.093-.42-0120
年份
5
风力发电简介
双馈电机原理
• C双li馈ck电to机e工dit作M原as理ter text styles
• 电S机e类c型ond level 同步电机
双馈电机
• 励T磁h方ir式d level转子绕组直流励磁 •气隙F磁功o场角u转rth速 le与v转e子l 惯转性子相转关速（机械）
• 转F子if转th速leve固l定（与电网频率同步）
1980
1990
2000
2010
8
风力发电简介
• C定li速ck到to变e速dit的M原as因ter text styles
• S–e追co求n最d 大lev的e风l 能捕获 • T–h减ird小l机ev组el的机械应力
• F风o能u利r用th系数le与v叶e尖l 速比的关系
最大功率点跟踪
• Fifth level
• Third levPes l
A、超同步速发电
•
Fourth
level1 sPs sPs
电阻
• Fifth level a
1
Te
0
s0
1 s Ps
Ps
02090.093-.42-0120
发电机运行
1 s Ps
sPs
电阻
1
d
电动机运行
亚同步运行

无刷双馈电机的控制方法研究

无刷双馈电机的控制方法研究一、本文概述随着电机技术的不断发展和应用领域的日益扩大，无刷双馈电机作为一种高效、节能的电机类型，受到了广泛关注。

无刷双馈电机以其独特的结构和工作原理，在风力发电、泵类负载、电动汽车等领域展现出显著的优势。

然而，无刷双馈电机的控制方法一直是研究领域的热点和难点。

因此，本文旨在深入探讨无刷双馈电机的控制方法，以提高其运行性能，推动其在各个领域的广泛应用。

本文首先介绍了无刷双馈电机的基本结构和工作原理，为后续的控制方法研究奠定基础。

接着，文章综述了目前无刷双馈电机控制方法的研究现状，包括传统的控制方法和近年来新兴的控制策略。

在此基础上，文章重点分析了无刷双馈电机的数学模型和控制系统设计，详细阐述了各种控制方法的实现原理和应用效果。

本文还探讨了无刷双馈电机控制方法在实际应用中的挑战和解决方案，如参数辨识、动态性能优化等问题。

通过案例分析，文章展示了无刷双馈电机控制方法在具体领域的应用实例，验证了其可行性和有效性。

本文总结了无刷双馈电机控制方法的研究成果和发展趋势，展望了未来可能的研究方向和应用前景。

通过本文的研究，旨在为无刷双馈电机的控制方法提供理论支持和实践指导，推动无刷双馈电机技术的持续发展和应用推广。

二、无刷双馈电机的工作原理无刷双馈电机（Brushless Doubly-Fed Machine, BDFM）是一种特殊的电机类型，它结合了异步电机和同步电机的特点，具有独特的运行方式和控制策略。

无刷双馈电机的工作原理主要基于电磁感应和电磁场理论，其内部包含两套极数不同的绕组，分别称为功率绕组和控制绕组。

功率绕组通常与电源直接相连，负责传递主要的电能和转矩。

控制绕组则通过变频器或其他电力电子设备进行控制，用于调节电机的运行状态。

这两套绕组在电机内部产生不同的旋转磁场，通过磁场相互作用实现电机的转矩传递和转速控制。

无刷双馈电机的独特之处在于其不需要机械换向器或电刷来实现电流换向，从而提高了电机的可靠性和维护便利性。

双馈式风力发电机励磁系统的矢量控制研究

ｐｗｅｇｎｅａｏｂｓｄｎｈｅｒｎｃｐｌｏｖｃｏｃｎｒ１Ｃｏｂｎｎｔｍａｈｍａｉｍｏｅｏｏｒｅｒｔｒａｅｏｔｐｉｉｅｆｅｔｒｏｔｏ．ｍｉｉｇｈｅｔｅｔｃｄｌｆ
效果进行了仿真，证了所得模型的正确性．验
关键词：双馈；风力发电机；矢量控制
中图分类号：ＴＭ３６文献标志码：Ａ４
文章编号：１０ —５７（０）３０５３０８４５２１０ —０２０１
ＶｅｔｒＣｏｒｌｆＥｘｉａｉｎＳｔｍｆＤｏｃｏｎｔｏｃｔｔｏｙｓｅｏｕｂｌ—ｅｉｗｅｅｒｔｒｏｅｆｄＷｎｄＰｏｒＧｎｅａｏ
法将十分复杂，且效果难以令人满意．而矢量控制则可在坐标变换的基础上，简化电机内部各变量间的耦合关系。因此，从理论上讲，采用矢量控制技术可使得交流电机具有与直流电机某些方面相同的控制效果．
矢量控制技术是交流传动调速系统实现解耦控制的核心，于交流励磁双馈发电机系统来说，对电机定、子的电流分别是工频和转差频率的交流量，一个强耦合系统，实现其解耦控制，须应用矢量转是为必控制技术将实际的交流量分解成有功分量和无功分量，并分别对这两个分量进行闭环控制，行独立调进节．上所述，文的控制思路是通过控制转子侧的励磁电压来控制转子电流，转子电流的有功分综本使量和无功分量按照某种比例变化，依据转子电流和定子电流的内在关系，到控制定子电流也就是ｅｃｎｔｏｆｅｔｏｈｅｇｎｅａｏｓｓｍｕａｅｉｈｏｎｄｅｕｔ．ｏｔｏｈａｔｏｒｌｅｆｃｆｔｅｒｔｒｉｉｌｔｄｗｔｓｕｒｓｌｓ

基于Crowbar的双馈异步风力发电系统低压穿越的仿真与分析

器旁路从而保护电力电子器件。在此基础上，讨论了不同切除时刻对系统的影响。同时，在双馈电机逐渐向兆瓦级及更高功率发展时，文运用本
子侧供电，Ｓ０时，子侧向电网反馈能量，当＜转功率流动关系如图２所示。
关键词：风力发电；双馈电机；矢量控制；压穿越低
中图分类号：Ｍ３５文献标志码：文章编号：６３６４（０１１－３－６Ｔ１Ａ１７－５０２１）１０９００
ＳｍｕａｉｎａｉｌｔｏｎｄＡｎａｙｉｎｗｌａｅＩｅＴｈｏｇｆｌｓｓｏＬｏＶｏｔｇｄｒｕｈｏＤｏｌ．ｄＩｕｃｉｎＧｅｒｔｒＷｉｄＰｏｒｕｂｙＦｅｎｄｔｏｎｅａｏｎｗｅＧｅｒｔｏｓｅｓｄｏｏａｒｕｉｎｅａｉｎＳｙｔｍＢａｅｎＣｒｗｂｒＣｉｃｔ
迫札与柱帚应闭２１，１）Ｊ０１８（１３
率，实现双馈电机的ＬＲ。ＶＴ当出现严重的电网故障，改进控制策略已仅难以控制过压、流 Ⅲ 。本文在转子侧加入过８ｊ
Ｃｏｂｒｒｗａ电路，在过流时触发开关，转子侧变频将
迫札号植刊应用２１，１）０１８（１３
新能源与风力发电《ｌＡＥＩＩｃ
基于Ｃｏｂｒ的双馈异步风力发电ｒｗａ系统低压穿越的仿真与分析

双馈风力发电系统功率解耦控制策略仿真研究

（１ｏｅｅｏｌｃｃｌｎｏｔｌｎｉｅｒｇＬａｎｎｃｎｃｌｎｖｒｔ，ｕｕａｉｎｎ２１５Ｃｉａ．ＣｌｇｆｅｔａａｄＣｎｒｇｅｉ，ｉｉｔｈｉｉｅｓｙＨｌｄｏＬａｉｇ１５０，ｈ；ｌＥｒｉｏＥｎｎｏｇｅａｕｉｏｎ
摘要：研究风力发电机功率效率优化控制问题，由于外部风力环境变化较大，应保证变换器的稳定性控制。传统的控制方法不但动态和稳态性能差，而且控制策略比较复杂。为了改善控制效果，高直流电压利用率，用了ＳＰ提采ＶＷＭ调制技术，并
提出了～－种功率解耦控制策略的双脉宽调制（ＷＭ）Ｐ变换器控制方案。网侧变换器控制直流母线电压的稳定并调节网侧功率因数，转子侧变换器进行矢量解耦控制，调节定子有功和无功功率。仿真结果表明，控制策略能够快速跟踪风速变化，维持直流侧母线电压恒定，出的电流为正弦波，输并且与电网电压同频同相，满足并网条件，现有功和无功功率的独立调节，实对并网风力发电系统的设计研究提供有意义的参考。关键词：变速恒频；双馈风力发电；双脉宽调制变换器；功率解耦中图分类号：Ｍ６；Ｍ７３Ｔ４Ｔ４文献标识码：Ａ
ｆｓｌａｋｓｅｄｃａｇｓａｔｔｃｐｅｈｎｅ，ｍａｎａｎａｃｎｔｎａｕｆＤＣｓｄ，ａｄｏｔｕｉｕｏｄｕｒｎｉｈｈｓｓｍｌｒｙｒｉｔｉｏｓａｔｖｅｏｉｅｎｕｐｔｓｎｓｉａｃｒｅｔｗｈｃａｉａｌｌ
２０Ｔ７）辽宁省高等学校优秀人才支持计划（０８Ｃ５０７０５；２０Ｒ２）

双馈异步风力发电机的恒定转速控制

Tl
− Te
=
Jg pn
dωr dt
+
Dg pn
ωr
(6)
Tl 为风力机提供的拖动转矩，Jg 为发电机的转动惯量，Dg 为与转速成正比的阻转矩阻
尼系数， ωr 为发电机转子的电转速。
又知风力机的拖动转矩为：
Tl
=
1 2
C
p
(ωmech v
R
,
β
)
ρ
Av3
N ⋅ωmech
(7)
Cp
(ωmech R v
Pmech
=
C
p
(λ
,
β
)ρ
A
⎛ ⎜⎝
ωmech λ
R
⎞3 ⎟⎠
(14)
在 β = 0 时，对（14）式进行仿真。因为只考虑 λ 和 Pmech 之间的函数关系，上式中的 ρ ， A 和 R 均取实际值， ωmech 取最大值 ωmmax ，从而风力机输出功率为 Power，如图 2 所示。
从图中可以看出，当 4.3 < λ < 8.1 时， λ 和 Pmech 成单调递减的函数关系。而恒定转速控制的运行区间正在这个区域，所以 λ 和 Pmech 有一一对应的关系，也就是恒定转速控制时风速 v 和 Pmech 有一一对应的关系，也即风速 v 和发电机转子电流 iq2 存在一一对应关系，从而通过发电机转子电流 iq2 和测得的风力机转速 ωmech 可以获得唯一的风速 v 。
-1-

OA 段——启动区，AC 段——风力发电机并入电网并运行在额定风速以下的区域（AB 段——
Cp 恒定区，BC 段——转速恒定区），CD 段——功率恒定区，P——功率，v——风速图 1 P-v 曲线 Fig1 P-v curve

双馈式风力发电机并网与解列控制及仿真研究

双馈式风力发电机并网与解列控制及仿真研究∗郑景文;刘鹏;李玉超【摘要】The control process and control strategies of Doubly-fed wind power generator’s Grid-connection and Splitting Cutting-out were studied. Based on the mathematical model of doubly-fed wind power generator, the corresponding Control schemes of Grid-connection and Splitting have carried on the detailed introduction and analysis. Then based on PSCAD/EMTDC simulation, the theoretical analysis results were verified. The results showed that:the grid-connection control strategy makes voltage amplitude fluctuation smaller and it has higher control precision, quicker response and it can follow the Grid-voltage; Accordingto the starting grid step, it can realize the interconnection of zero impacts between the stator current. Stator current closed-loop control strategy based on slope control can smooth and rapid control stator current and fast drop-out, it makes whole solution column process moresmoothly;Solution steps listed can make the doubly-fed generator cut out quickly from the power grid, completing the process of soft solution column.%对双馈式风力发电机的起动并网、解列切出的控制过程和控制策略进行了研究。

变速恒频双馈风力发电系统并网控制仿真

类似，上耋行时定子绕组通过变压器与电网相连，
转ＩＪ｛Ｉｊ通过双ＰＷＭ变频器和变压器与电网相连
接没定ｆ电流产乍的旋转磁场的同步速为ｎ，根据馈电机转子转速的变化，双馈发电机可有
第３０卷第２期２０１４年２月
电力
科
学
与
工
程
Ｖｏｌ＿３Ｏ．Ｎｏ．２
Ｆｅｂ．，２０１４
ＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
变速恒频双馈风力发 பைடு நூலகம்系统并网控制仿真
＝ ± （１）
力发电系统，因其具有风能转换效率较高、可灵
活调节有功和无功等特点，近年来得到了广泛应
用。本文就其控制策略建立模型并仿真，力求得
出具有指导意义的理论结果。
０引言
风电系统相比，系统的发电效率大为提高，转速运行范围也较宽，而且可灵活地调节系统的有功
风能作为一种可再生的清洁能源，近年来越和无功。来越受到各国的重视。风力发电由于具有零污染、交流励磁变速恒频风力发电系统的结构框图
作者简介：高扬（１９９０一），男，硕士研究生，研究方向为新能源发电与并网，Ｅ — ｍａｉｌ：ｊｊｇｙｘｋｙ＠１２６．ＣＯＩｎ。

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1 双馈风力发电的矢量控制策略双馈电机在结构上与三相绕线式异步电机类似，其定子和转子均安放三相对称绕组，都可以与电网进行能量的交换。其定子绕组直接接入工频电网，转子绕组通过双馈变流器与电网连接。转子绕组连接于一个频率、相位、幅值均可调的三相电源激励，转子通入励磁电流产生旋转磁场，再加上转子的转速在气隙中产生一个同步旋转磁场。通过控制输入转子绕组的电流，不仅可以保证电机定子侧输出的电压和频率保持与电网电压一致，而且还可以调节双馈电机定子侧的功率因数。稳态运行时，双馈变流器根据所检测的电机转速调节流入双馈电机转子绕组的励磁电流频率以保证定转子电流所产生的旋转磁场在空间上保持相对静止，实现定子侧感应电势的频率与电网频率相同，以实现双馈型风力发电系统的变速恒频运行。双馈风力发电的系统原理图如图1所示。

图1 双馈风力发电系统原理图双馈变换器目前的多采用两电平双PWM变换器，其结构图如图2所示。

图2 两电平双PWM变换器 2

1双馈发电机的数学模型 1.1三相坐标轴系下数学模型定子绕组采用发电机惯例，定子电流流出为正，转子绕组采用电动机惯例，转子电流流入为正。则双馈发电机在三相静止坐标轴系下的模型为图3所示：

图3 三相坐标轴系下双馈发电机模型针对此模型可以得到三相坐标轴系下电压方程、磁链方程、运动方程和转矩方程为：电压方程：（1）转子侧电压方程：

（2）定子侧电压方程： 3

ua1、ub1、uc1、ua2、ub2、uc2分别表示定转子电压，下标为1表示为定子侧，为2表示转子侧；ψa1、ψb1、ψc1、ψa2、ψb2、ψc2表示定、转子侧磁链；ia1、ib1、ic1、ia2、ib2、ic2为定子，转子相电流；R1、R2为定子，转子绕组的等效电阻。（3）磁链方程：

其中

Lm1是与定子绕组交链的最大互感磁通对应的定子电感；Lm2是与转子绕组交链的最大互感磁通对应的转子互感；Ll1，Ll2分别为定，转子漏电感；θr

为转子的位置角。

（4）运动方程：

TL为风力机提供的拖动力矩；Dg为与转速成正比的阻转距阻尼系数；Kg

为扭转弹性转矩系数；Jg为发电机的转动惯量。

（5）转矩方程： 4

1.2 同步旋转坐标系dq下的数学模型将一个三相静止坐标系下的的矢量，通过变换用一个两相静止坐标系或两相旋转坐标系里的矢量表示，在变换时可采取幅值不变或者功率不变的原则。坐标关系如图4所示轴系为静止两相坐标，dq为同步旋转坐标轴系。

图4 坐标关系（1）定子绕组电压方程

（2）转子绕组电压方程（3）转子磁链方程（4）定子磁链方程 5

（5）转矩方程（6）运动方程与三相静止坐标系下一致（7）定子有功功率、无功功率方程

2 转子侧矢量控制常用的转子侧矢量控制方式有转子磁链定向矢量控制、气隙磁场定向矢量控制、定子磁场定向矢量控制、电压定向矢量控制。其中定子磁场定向矢量控制使用较多。忽略定子绕组电阻后，则定子电压方程可以简化为

u1表示相电压瞬时值，1表示定子磁链。定子磁链方向为同步旋转坐标系d轴方向时，则定子磁链具有如下关系

此外对于基于定子电压和转子转速的U—ω定子磁链检测法，有 6

对于基于定子电压和同步转速的 U—ω1法，在取定子磁链定向后，若忽略定子的电阻，则定子电压矢量和定子磁链矢量之间相位差90°，幅值相差一个同步速ω1的倍数。磁基于场定向的交流励磁变速恒频风力发电机的功率调节及转矩调节

则可得

其中 7

双馈发电机的功率调节包括有功功率 P1 和无功功率 Q1 的调节。交流励磁电机转子侧电流在q轴上的分量 iq2与定子侧输出的有功功率 P1 成线性比例关系，交流励磁电机转子侧电流在d轴上的分量 id2与定子侧输出的无功功率 Q1

成线性比例关系，即可以通过调节交流励磁电机转子侧电流（ id2， iq2）来直接

调节交流励磁电机定子侧输出的有功功率、无功功率（ P1 、 Q1）。双馈励磁电机dq轴电压（ ud2， uq2）和dq轴电流（ id2， iq2）也存在线性关系，那么此刻只需要通过调节转子侧电压值（ ud2、uq2）即可以间接的调节系统所产生的有功功率 P1 、无功功率 Q1，并使之达到给定值 P1*和 Q1*。而转子侧电压值（ud2、 uq2）经过旋转变换后得到相应的发电机转子三相电压控制指令（ ua2*、 ub2*、 uc2*），并将它们作为调制波与三角载波比较以产生SPWM脉冲去控制主电路开关管IGBT的通断，实现有功功率 P1 ，无功功率 Q1 的独立调节控制。交流励磁电机的电磁转矩 Te 与其转子侧电流的 q 轴上的分量 iq2成线性比例关系，即在电机的运行过程中，可以通过对电机转子侧电流 iq2的调节就可以达到对电机电磁转矩直接控制的目的。交流励磁电机转子dq轴电压（ ud2， uq2）和转子dq轴电流（ id2， iq2）也存在线性关系，那么此刻只需要调节转子侧电压值（ ud2， uq2）即可以调节系统所产生的电磁转矩 Te 、无功功率 Qs，并使之达到给定值 Te*和 Qs*。转子侧电压值（ ud2， uq2）经过旋转变换后得到相应的发电机转子三相电压控制指令（ ua2*， ub2*， uc2*），并将它们作为调制波与三角载波比较以产生SPWM脉冲去控制主电路开关管IGBT的通断，实现变速恒频、电磁转矩Te 、无功功率 Qs的独立调节控制。 8

3 网侧变换器控制网侧变换器主电路如图5所示

图5 网侧变换器主电路稳定工作状态时，母线上的直流电压恒定，网侧变换器的三相桥按正弦调制规律驱动。调节网侧变换器输出交流电压的幅值和相位就能控制电感电流的大小以及电流与电网电压的相位角，从而使该变换器运行于单位功率因数整流运行、单位功率因数逆变运行和非单位功率因数运行。设三相电网电压平衡，则

Sk（k ＝a、b 、c）分别为三相桥臂的开关函数。其中：Sk=1：对应桥臂上管导通，下管关断；Sk=0：对应桥臂下管导通，上管关断。

， 9

在同步旋转坐标轴系下，有 Sd、 Sq是开关函数 Sk（k ＝1、2、3）变换到 d-q 坐标系中的d、q轴相应的开关函数。

设则：令则：上式中Ed 、 Eq为电网电压扰动的影响。 10

4 双馈风力发电矢量控制Matlab模型双馈风力发电的整体Matlab模型如图6所示，网侧变换器控制的Matlab模型如图7所示，转子控制Matlab模型如图8所示

图6 双馈风力发电整体Matlab模型 9 MW Wind Farm(6 x 1.5 MW)Wind Farm - DFIG Detailed ModelDiscrete,Ts = 5e-006 s.Scope-K-MWABCNGroundingTransformer [Q_pu][wr][Vdc][P_pu]Iabc_B575Vabc_B575[wr][Vdc]Iabc_B25Vabc_B25[P_pu][Q_pu]Wind (m/s) Qref_pumABCDFIG Wind Turbine

015ABCabcB575(575 V)

ABCabcB25(25 kV)ABCabcB120(120 kV)ABCABC30 km line

3.3ohms ABCABC2500 MVAX0/X1=3

ABCabc25 kV/ 575 V6*1.75MVA

ABCabc120 kV/25 kV

47 MVA

NABC120 kV

Vabc_B575 (pu)Iabc_B575 (pu)P (MW)Q (Mvar)Vdc (V)wr (pu)Vabc_B25 (pu)Iabc_B25 (pu) 11 图7 网侧变换器控制的Matlab模型 Where Vnom = RMS ph-ph

nominal voltage

m = Vnom * 2*sqrt(2/3) / Vdc

Required value for modulati

n index "m" to obtain 1 pu generated voltage by the converter:

Vdc regulatorCurrent regulatorModulation ind

& phase

Uctrl grid converter1Uctrl_gri

d_conv

dq0sin

cosabcdq0_to_abc

Transformati

Vdc_nomVdc_ref (V

)

0cossin

Polar toCartesia

Vnom*2*sqrt(2/3)K

[Vdc][w][id_ref][iq

ref]

[Vdc][id_ref][w][iq_ref][iq_ref][w][id

ref]

PIemu

emuemuemuR_RLR_R

L_RL

L_R

Cartesian toPolar1

Avoid divisionby zero

0-Mod_index_max_grid

-K-->

6Theta

PLL

4Vd

3w2Idq

1Iq_

efIq_refId_ref

Id_refIq_refvq'vd'VqIdIqIqVdmVdq0Vd_ctrl_grid_convVq_ctrl_grid_conv