双馈风力发电机的运行控制特性的仿真研究＊

2010-09-20刘大贵王维庆王海云张新燕赵海岭

电气自动化 2010年5期

刘大贵王维庆王海云，2 张新燕，2 赵海岭

（1.新疆大学电气工程学院，新疆乌鲁木齐 830047;2.西安交通大学电气工程学院，陕西西安 710049）

0 引言

最近二十年间，风力发电技术发展迅速，兆瓦级变速恒频双馈风力发电机组在风力发电中得到了广泛的应用，目前已经成为世界各国风力发电场的主流机型[1]。将电力电子变流技术、矢量变换控制技术和微机信息处理技术移植于双馈风力发电机组之中，获得了一种全新的、高质量的电能。因此，本文研究对双馈风力发电机组实现最大风能捕获，以及采用定子磁链定向矢量控制策略对发电机的有功、无功功率进行独立调节，并进行了仿真验证，为实现实际的控制策略提供理论指导意义。

1 双馈风力发电机组的基本原理

图1 双馈风力发电系统结构框图

双馈风力发电系统结构框图如图（1）所示。由风速模型、风力机、齿轮箱、双PWM变频器、双馈异步发电机、滤波器和控制系统等几部分构成。

当风力机转速 ωr变化时，为了保证发电机输出的定子电压频率 ω1不变，应按式（1）调节交流励磁电源的频率 ω2

即当发电机的转速小于定子旋转磁场的转速时，电机处于亚同步运行状态，变频器向发电机转子供电，定子输出电能至电网，式（1）取正号;当电机处于超同步运行状态时，发电机定子和转子同时输出电能至电网，变频器能量反向流动，式（1）取负号。

图中双PWM变频器能够满足交流励磁双馈风力发电机的运行要求，实现转差功率在发电机转子与电网之间的双向流动。从式（1）中可以看出，若要使得定子电压频率 ω1不变，保持与电网频率一致，需要采取控制策略调节交流励磁电源的频率 ω2发生相应的变化，这就是变速恒频双馈风力发电机组运行的基本原理。

双馈风力发电机组输出功率与风速的3次方成正比:

图2 在桨矩角为0°的功率特性曲线

式中，ρ为空气密度;v为风速;A为风力机扫掠面积;CP为风力机的输出功率系数。由于风力机的输出功率系数CP在某一确定的尖速比 λ（叶轮尖的线速度与风速之比）下可达最大值，因此，当风速在一定范围变化时，变速恒频双馈风力发电机组由于风力机转速可变，通过控制可使其尖速比等于或接近最佳值，从而可最大限度地利用风能。显然恒速恒频运行不可能使得CP保持为最大值，风能得不到充分利用。图（2）为本文中研究机组在桨矩角为0°的功率特性曲线。在转速 ωr达到1.2pu，风速12m/s时，功率特性曲线在C点处，输出功率P取得最大值0.73pu。

2 风速模型

为了模拟作用在风力机上风速随时间变化的特征，风速变化的时空模型原则上可由四部分组成:

1）基本风

基本风在风力机正常运行过程中一直存在，它决定了风力发电机向系统输送额定功率的大小，基本上反映了风电场平均风速的变化。它可以由风电场测风所得的威布尔分布参数近似确定:

2）阵风

在风速变化的过程中，描述风速突然变化的特性，一般用阵风来表示。

式中VWG、TG、maxG分别为阵风风速（m/s）、阵风作用时间（s）、阵风启动时间（s）和阵风最大值（m/s）。

3）渐变风

对风速的渐变特性可以用渐变风成分来模拟。

式中VWR、T1R、T2R、TR、maxR分别为渐变风风速（m/s）、渐变风起始时间（s）、渐变风终止时间（s）、渐变风保持时间（s）和渐变风最大值（m/s）。

4）随机噪声风速

为反映风速变化的随机特性，在风速模拟中可以用随机噪声风速成分来表示。

式中，N为统计风速总数，一般取50;Δω为风速频率间距，一般取 0.5～2.0rad/s; φi为 0－2 π 之间均匀分布的随机变量;KN为地表粗糙系数，一般取0.004;F为扰动范围尺度（m），μ为相对高度的平均风速（m/s）。

综上述四种风速成分，模拟实际作用在风力机上的风速为:

3 双馈风力发电机组的矢量控制策略

为了最大限度地捕获风能，在变速恒频双馈风力发电机组中，采用定子磁通定向的矢量变换控制策略，通过调节定子电流经坐标变换后的有功电流分量iqs和无功功率电流分量ids，实现对发电机输出的有功功率P和无功功率的独立调节。

双馈异步电机从本质上讲是一个非线性、强耦合、多变量的系统。由于双馈电机定子三相对称绕组在空间的相对位置是固定的，以A相轴线为参考轴，转子三相对称绕组轴线以角速度 ωr逆时针旋转，转子a轴和定子A轴之间的夹角 θr是一个空间角，随时间变化而变化。因此，需要进行坐标变换和去耦处理，由电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程组成的双馈电机经过3s/2r坐标变换到二相旋转d－q坐标系下的电机模型基本方程如下:

式中:usd，usq——分别为定子电压的d，q轴分量;urd，urq——分别为转子电压的d，q轴分量;isd，isq——分别为定子电流的d，q轴分量;ird，irq——分别为转子电流的d，q轴分量;Ψsd，Ψsq，Ψrd，Ψrq——分别为定、转子磁链d，q轴分量;Rs，Ls——分别为定子绕组的电阻和自感;Rr，Lr——分别为转子绕组的电阻和自感;Lm——定、转子间的互感;Ps，Qs——定子有功、无功功率;ωs——同步旋转角速度;ωr——转子角速度;p——微分算子。

采用定子磁链定向的矢量控制，有约束条件:

略去定子绕组电阻后，定子电压方程为

整理得:pΨs=0Us= ωsΨs

将（13）代入转子磁链方程整理可得:

将（14）代入转子电压方程，进一步整理可得:

式中:为实现转子电压、电流解耦控制的解耦项;Δurd，Δurq为消除d，q轴转子电压、电流分量间交叉耦合的补偿项。

基于定子磁场定向的矢量控制策略简图如图（3）所示。将转子电压分解为解耦项和补偿项后，既简化了控制，又能保证控制的精度。

4 仿真分析

利用Matlab/Simulink进行仿真，仿真参数如下:三相绕线式异步电机，额定功率为1.5WM，定子额定电压为575V，额定频率为 60Hz，转动惯量为 5.04kg.m2，极对数为 3，定子电阻为 0.00706（pu），定子电感为 0.171（pu），转子电阻为 0.005（pu），转子电感为0.156（pu）（已折算到定子侧），互感为 2.9（pu）。

设基本风8m/s，在20s时受到阵风的干扰，风速上升到最大值14m/s，30s后阵风消失。在此种仿真情况下，双馈风力发电机组风速的变化后，得出相应的转轴转速的变化和有功、无功功率的变化，仿真结果如图（4）所示。定子电流经坐标变换后有功电流分量iqs和无功功率电流分量ids的变化波形，仿真结果如图（5）所示。

图4 风速变化时风力发电机组参数变化曲线

图3 基于定子磁场定向的矢量控制策略简图

图5 风速变化时相应的定子电流有功电流分量 iqs和无功功率电流分量 ids的变化波形

在20s－30s范围内，随着风速的变化，风力发电机组转子转速，以及发电机组有功功率P和无功功率Q保持了较平稳的变化。因此，在风速出现较大变化时，双馈风力发电机组的输出有功、无功功率都能自动跟随风速变化进行调节，特别是有功功率的调节在额定风速15m/s以下，可以实现风速变化时最大风能捕获，以提高风能转化率。仿真结果与图（2）中的功率特性相吻合。对图（4）、（5）对比分析，图（5）中风速变化时相应的定子电流有功电流分量iqs和无功功率电流分量ids的变化波形与图（4）中发电机有功功率P和无功功率Q的变化波形相一致，也就是说采用的控制策略可实现有功功率P和无功功率Q的独立调节。