黃曉華，曹輝

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雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制策略分析

黃曉華，曹輝

（大連海事大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧大連 116026）

本文研究了現(xiàn)如今應(yīng)用較多的變速恒頻雙饋電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)，介紹了其原理，分析了數(shù)學(xué)模型，研究了控制策略；采用電網(wǎng)電壓定向的矢量控制策略對(duì)電網(wǎng)側(cè)PWM變換器進(jìn)行控制；采用定子電壓定向矢量控制策略，對(duì)轉(zhuǎn)子側(cè)變換器進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了雙饋電機(jī)有功、無功功率的解耦控制。最后搭建仿真模型，仿真結(jié)果證明了理論分析的正確性，為實(shí)踐研究提供理論依據(jù)。

風(fēng)力發(fā)電 變速恒頻 雙饋電機(jī)

0 引言

能源是人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)生活的命脈，隨著人類社會(huì)的前進(jìn)和發(fā)展，全球能源的需求量必然繼續(xù)增加。能源安全則是國(guó)家經(jīng)濟(jì)安全的基本支撐。能源短缺，尤其優(yōu)質(zhì)能源短缺，始終困擾著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，越來越成為制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸。從能源發(fā)展戰(zhàn)略來看，必須尋求一條可持續(xù)發(fā)展的能源道路。在目前眾多可再生能源與新能源技術(shù)開發(fā)中，最成熟、最具規(guī)?；_發(fā)條件、潛力最大的就是風(fēng)力發(fā)電。其在技術(shù)上、經(jīng)濟(jì)上都已經(jīng)具有了同燃煤、核電等發(fā)電技術(shù)相競(jìng)爭(zhēng)的能力。千瓦、兆瓦級(jí)風(fēng)力機(jī)的普及，要求人們必需加深對(duì)風(fēng)力機(jī)動(dòng)態(tài)性能的了解，以便設(shè)計(jì)出低成本、高效的新型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及精確性更高的控制系統(tǒng)。

1 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)原理

變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要由風(fēng)機(jī)、齒輪箱、雙饋發(fā)電機(jī)、變頻器、和控制系統(tǒng)組成。定子側(cè)直接接工頻電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子側(cè)外接三相變頻器實(shí)現(xiàn)交流勵(lì)磁，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器實(shí)現(xiàn)定子側(cè)恒頻恒壓的輸出。設(shè)雙饋電機(jī)的極對(duì)數(shù)為，對(duì)定子施以頻率為f的三相對(duì)稱電壓時(shí)，電機(jī)氣隙中形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速n。根據(jù)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)理論：

同理當(dāng)轉(zhuǎn)子上施加頻率為f的三相對(duì)稱電流時(shí)，產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相對(duì)于轉(zhuǎn)子本身旋轉(zhuǎn)速度為：

雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)差率為：

則電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)通入的電流頻率應(yīng)為：

由此可知，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化時(shí)，只要控制轉(zhuǎn)子電流頻率f，就可保證定子側(cè)電流頻率f不變，實(shí)現(xiàn)變速恒頻的電力輸出。

2 雙饋電機(jī)數(shù)學(xué)模型

電壓方程：

磁鏈方程：

轉(zhuǎn)矩方程：

運(yùn)動(dòng)方程：

功率方程：

3 雙PWM變換器控制策略

3.1 轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的控制

將矢量控制技術(shù)應(yīng)用于雙饋發(fā)電機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)輸出有功功率、無功功率的解耦控制。

常用的控制方式有基于定子磁鏈定向的矢量控制和基于定子電壓定向的矢量控制，本文采用后一種控制方法?；诙ㄗ与妷憾ㄏ虻氖噶靠刂瓶梢员苊鉁y(cè)定子磁鏈，并與電網(wǎng)側(cè)變換器的定子電壓定向的矢量控制有相似之處，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便可行。同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系軸與定子電壓U相重合，則有：

并網(wǎng)后忽略定子電阻影響，可得定子磁鏈方程

由此可得電流方程

帶入轉(zhuǎn)子磁鏈模型可得：

則轉(zhuǎn)子電壓方程為：

可以寫為：

其中: 17、(18)式可分別設(shè)計(jì)，軸的電流PI調(diào)節(jié)器，此控制方法保證了控制精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。

雙饋電機(jī)功率功率表達(dá)式如下：

這表明此時(shí)雙饋電機(jī)的有功、無功功率只與定子電流在軸分量成比例，又因?yàn)槎ㄞD(zhuǎn)子電流有線性關(guān)系，所以可通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流來實(shí)現(xiàn)對(duì)有功、無功功率的解耦控制。通過以上分析，得出雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)控制的框圖，如圖。

3.2 網(wǎng)測(cè)變換器控制

網(wǎng)測(cè)變換器由6個(gè)開關(guān)器件組成，可按空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）技術(shù)進(jìn)行控制。

根據(jù)結(jié)構(gòu)圖和相應(yīng)的坐標(biāo)變換，可得變換器在坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型如下：

將兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系軸定向于電網(wǎng)電壓空間矢量上，則

運(yùn)用網(wǎng)側(cè)變換器在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，則輸入電流要滿足：

其中

4 仿真模型的搭建及仿真波形

在matlab中搭建仿真模型如圖4所示，仿真時(shí)間共為10 s，在0～5 s期間，，雙饋電機(jī)次同步運(yùn)行；在5～10 s期間，，雙饋電機(jī)超同步運(yùn)行。

部分仿真波形如圖5～圖8。

5 結(jié)束語

本文針對(duì)應(yīng)用較多的變速恒頻雙饋電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)，介紹了其原理，分析了數(shù)學(xué)模型，研究了控制策略；采用電網(wǎng)電壓定向的矢量控制策略對(duì)電網(wǎng)側(cè)PWM變換器進(jìn)行控制；采用定子電壓定向矢量控制策略，對(duì)轉(zhuǎn)子側(cè)變換器進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了雙饋電機(jī)有功、無功功率的解耦控制。并根據(jù)控制策略，搭建仿真模型，仿真結(jié)果證明了理論分析的正確性，為實(shí)踐研究提供理論依據(jù)。

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Control Strategy of Doubly-fed Wind Power Generator

Huang Xiaohua, Cao Hui

（Marine Engineering College of Dalian Maritime University, Dalian 116026, Liaoning, China）

TP273

A

1003-4862（2014）07-0006-04

2013-11-02

黃曉華(1987)，男，碩士研究生。研究方向：輪機(jī)自動(dòng)化與智能化。