功率協(xié)調控制在雙饋風(fēng)力發(fā)電系統中的應用

摘要：針對雙饋感應式發(fā)電機(DFIG)系統變流控制問(wèn)題，提出一種改進(jìn)的功率協(xié)調控制策略?；谠摬呗栽O計了一種高效且具有DSP+FPGA雙CPU架構的風(fēng)電變流控制器，研制了10 kW變流控制器并應用到雙饋風(fēng)力發(fā)電系統中。實(shí)驗結果表明該控制器并網(wǎng)沖擊小、動(dòng)態(tài)響應快、并網(wǎng)電能質(zhì)量好。
關(guān)鍵詞：雙饋感應式發(fā)電機；功率協(xié)調控制；變流控制器

1 引言
近年來(lái)，能源問(wèn)題已成為世界各國共同面臨的問(wèn)題，風(fēng)力資源作為一種可再生的清潔能源受到全世界的高度重視。DFIG以其優(yōu)良的特性，在整個(gè)風(fēng)力發(fā)電市場(chǎng)中占有相當大的比重，因此研究雙饋風(fēng)力發(fā)電機的控制策略，提高風(fēng)力發(fā)電系統的效率顯得尤為關(guān)鍵。
在此首先分析了DFIG的動(dòng)態(tài)數學(xué)模型，并基于數學(xué)模型，搭建其仿真模型?；谖墨I，提出一種改進(jìn)的功率協(xié)調控制策略，然后在此控制策略基礎上，開(kāi)發(fā)研制出雙饋風(fēng)電變流控制器，實(shí)現了變速恒頻發(fā)電及有功、無(wú)功功率的獨立控制。經(jīng)實(shí)際應用驗證，流經(jīng)變流器的功率僅是額定功率的一小部分，大大減小了變流器的容量，從而有效降低了成本。

2 雙饋發(fā)電機多變量動(dòng)態(tài)數學(xué)模型
雙饋發(fā)電機的動(dòng)態(tài)性能復雜，定、轉子繞組之間的耦合系數會(huì )隨位置的變化而變化，即使忽略磁飽和效應，運動(dòng)方程的系數仍是時(shí)變函數，這也導致了系統建模的非線(xiàn)性。
為便于系統建模，在此將三相靜止a，b，c坐標系下的DFIG數學(xué)模型等效到兩相同步旋轉d，q坐標系下，采用發(fā)電機慣例建模。為便于分析，先假設：①忽略空間諧波，設三相繞組對稱(chēng)，在空間中互差120°電角度，所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢沿氣隙圓周按正弦規律分布；②忽略磁路飽和，認為各繞組的自感和互感都是線(xiàn)性的；③忽略鐵心損耗，不考慮頻率變化和溫度變化對繞組電阻的影響。由此可得到圖1所示雙饋風(fēng)力發(fā)電機的d，q軸動(dòng)態(tài)等效電路。由圖1可得發(fā)電機在d，q坐標系下的電壓．電流方程為：

在同步旋轉d，q坐標系下，電磁轉矩方程為：

原動(dòng)機產(chǎn)生的機械轉矩拖動(dòng)發(fā)電機，如果機械轉矩Tm與Te不匹配，負載轉矩則跟隨轉速而變化，轉矩之差使轉子加速，從而有：

式(1)～(3)是DFIG在d，q參考坐標系下按發(fā)電機慣例的動(dòng)態(tài)數學(xué)模型。

3 功率協(xié)調控制策略
3．1 控制策略的理論研究
為了實(shí)現變速恒頻發(fā)電，通常對交流勵磁電機的調節方式有功率調節、轉矩調節、轉速調節等幾種。這里采用的是功率協(xié)調控制策略。
功率調節包括有功功率Ps和無(wú)功功率Qs的調節，即給出有功功率指令Ps*、無(wú)功功率指令Qs*，并使交流勵磁電機定子側輸出的有功、無(wú)功功率達到給定的指令值。根據分析，在交流勵磁發(fā)電機并網(wǎng)后有：

由式(4)，(5)可見(jiàn)，交流勵磁電機轉子側電流在q軸上的分量iqr與定子側輸出的有功功率Ps成線(xiàn)性關(guān)系，轉子側電流在d軸上的分量idr與定子側輸出的無(wú)功功率Qs成線(xiàn)性關(guān)系，即可通過(guò)調節idr，iqr來(lái)直接調節Ps，Qs。同時(shí)，交流勵磁電機轉子側電壓udr，uqr與idr，iqr也存在線(xiàn)性關(guān)系，則只需通過(guò)調節udr，uqr即可間接調節Ps，Qs，并使之達到Ps*，Qs*。而udr，uqr經(jīng)旋轉變換后得到相應的轉子電壓控制指令uαr*，uβr*，并將它們作為調制信號發(fā)出SVPWM脈沖控制變流電路中IGBT的通斷，產(chǎn)生幅值、頻率、相位均為所需的三相交流勵磁電源，實(shí)現變速恒頻以及Ps，Qs的獨立調節控制。根據上述分析，可得轉子側變換器功率協(xié)調控制的系統結構圖如圖2所示。

3．2 改進(jìn)的電壓補償量計算算法分析
圖3示出改進(jìn)的電壓補償量計算算法框圖，由于DFIG定子磁鏈矢量ψ1超前于定子端電壓矢量u1空間角度90°，若u1的相角為θu，則ψ1的相角θs=θu+π／2，又因為ω1=dθs／dt，故可得：ωs=dθs／dt+π／2=ω1+π／2。

ψ1幅值可根據ψ1=u1／ω1快速求出。
此電壓補償量算法的最大特點(diǎn)是可直接進(jìn)行補償量計算，操作簡(jiǎn)單且易于算法實(shí)現，將其應用于雙饋風(fēng)力發(fā)電控制系統能縮短響應時(shí)間，有效提高系統的動(dòng)態(tài)性能。