功率協調控制在雙饋風力發電系統中的應用

摘要：針對雙饋感應式發電機(DFIG)系統變流控制問題，提出一種改進的功率協調控制策略。基于該策略設計了一種高效且具有DSP+FPGA雙CPU架構的風電變流控制器，研制了10 kW變流控制器并應用到雙饋風力發電系統中。實驗結果表明該控制器并網沖擊小、動態響應快、并網電能質量好。
關鍵詞：雙饋感應式發電機；功率協調控制；變流控制器

1 引言
近年來，能源問題已成為世界各國共同面臨的問題，風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以其優良的特性，在整個風力發電市場中占有相當大的比重，因此研究雙饋風力發電機的控制策略，提高風力發電系統的效率顯得尤為關鍵。
在此首先分析了DFIG的動態數學模型，并基于數學模型，搭建其仿真模型。基于文獻，提出一種改進的功率協調控制策略，然后在此控制策略基礎上，開發研制出雙饋風電變流控制器，實現了變速恒頻發電及有功、無功功率的獨立控制。經實際應用驗證，流經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 雙饋發電機多變量動態數學模型
雙饋發電機的動態性能復雜，定、轉子繞組之間的耦合系數會隨位置的變化而變化，即使忽略磁飽和效應，運動方程的系數仍是時變函數，這也導致了系統建模的非線性。
為便于系統建模，在此將三相靜止a，b，c坐標系下的DFIG數學模型等效到兩相同步旋轉d，q坐標系下，采用發電機慣例建模。為便于分析，先假設：①忽略空間諧波，設三相繞組對稱，在空間中互差120°電角度，所產生的磁動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所示雙饋風力發電機的d，q軸動態等效電路。由圖1可得發電機在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：

原動機產生的機械轉矩拖動發電機，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參考坐標系下按發電機慣例的動態數學模型。

3 功率協調控制策略
3．1 控制策略的理論研究
為了實現變速恒頻發電，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調控制策略。
功率調節包括有功功率Ps和無功功率Qs的調節，即給出有功功率指令Ps*、無功功率指令Qs*，并使交流勵磁電機定子側輸出的有功、無功功率達到給定的指令值。根據分析，在交流勵磁發電機并網后有：

由式(4)，(5)可見，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成線性關系，轉子側電流在d軸上的分量idr與定子側輸出的無功功率Qs成線性關系，即可通過調節idr，iqr來直接調節Ps，Qs。同時，交流勵磁電機轉子側電壓udr，uqr與idr，iqr也存在線性關系，則只需通過調節udr，uqr即可間接調節Ps，Qs，并使之達到Ps*，Qs*。而udr，uqr經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出SVPWM脈沖控制變流電路中IGBT的通斷，產生幅值、頻率、相位均為所需的三相交流勵磁電源，實現變速恒頻以及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調控制的系統結構圖如圖2所示。

3．2 改進的電壓補償量計算算法分析
圖3示出改進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是可直接進行補償量計算，操作簡單且易于算法實現，將其應用于雙饋風力發電控制系統能縮短響應時間，有效提高系統的動態性能。