功率協(xié)調(diào)控制在雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要：針對(duì)雙饋感應(yīng)式發(fā)電機(jī)(DFIG)系統(tǒng)變流控制問(wèn)題，提出一種改進(jìn)的功率協(xié)調(diào)控制策略。基于該策略設(shè)計(jì)了一種高效且具有DSP+FPGA雙CPU架構(gòu)的風(fēng)電變流控制器，研制了10 kW變流控制器并應(yīng)用到雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該控制器并網(wǎng)沖擊小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、并網(wǎng)電能質(zhì)量好。
關(guān)鍵詞：雙饋感應(yīng)式發(fā)電機(jī)；功率協(xié)調(diào)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(guó)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(dāng)大的比重，因此研究雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制策略，提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的效率顯得尤為關(guān)鍵。
在此首先分析了DFIG的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，并基于數(shù)學(xué)模型，搭建其仿真模型?；谖墨I(xiàn)，提出一種改進(jìn)的功率協(xié)調(diào)控制策略，然后在此控制策略基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)研制出雙饋風(fēng)電變流控制器，實(shí)現(xiàn)了變速恒頻發(fā)電及有功、無(wú)功功率的獨(dú)立控制。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)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(jī)多變量動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型
雙饋發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能復(fù)雜，定、轉(zhuǎn)子繞組之間的耦合系數(shù)會(huì)隨位置的變化而變化，即使忽略磁飽和效應(yīng)，運(yùn)動(dòng)方程的系數(shù)仍是時(shí)變函數(shù)，這也導(dǎo)致了系統(tǒng)建模的非線性。
為便于系統(tǒng)建模，在此將三相靜止a，b，c坐標(biāo)系下的DFIG數(shù)學(xué)模型等效到兩相同步旋轉(zhuǎn)d，q坐標(biāo)系下，采用發(fā)電機(jī)慣例建模。為便于分析，先假設(shè)：①忽略空間諧波，設(shè)三相繞組對(duì)稱，在空間中互差120°電角度，所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)沿氣隙圓周按正弦規(guī)律分布；②忽略磁路飽和，認(rèn)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(duì)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(jī)的d，q軸動(dòng)態(tài)等效電路。由圖1可得發(fā)電機(jī)在d，q坐標(biāo)系下的電壓．電流方程為：

在同步旋轉(zhuǎn)d，q坐標(biāo)系下，電磁轉(zhuǎn)矩方程為：

原動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械轉(zhuǎn)矩拖動(dòng)發(fā)電機(jī)，如果機(jī)械轉(zhuǎn)矩Tm與Te不匹配，負(fù)載轉(zhuǎn)矩則跟隨轉(zhuǎn)速而變化，轉(zhuǎn)矩之差使轉(zhuǎn)子加速，從而有：

式(1)～(3)是DFIG在d，q參考坐標(biāo)系下按發(fā)電機(jī)慣例的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。

3 功率協(xié)調(diào)控制策略
3．1 控制策略的理論研究
為了實(shí)現(xiàn)變速恒頻發(fā)電，通常對(duì)交流勵(lì)磁電機(jī)的調(diào)節(jié)方式有功率調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)等幾種。這里采用的是功率協(xié)調(diào)控制策略。
功率調(diào)節(jié)包括有功功率Ps和無(wú)功功率Qs的調(diào)節(jié)，即給出有功功率指令Ps*、無(wú)功功率指令Qs*，并使交流勵(lì)磁電機(jī)定子側(cè)輸出的有功、無(wú)功功率達(dá)到給定的指令值。根據(jù)分析，在交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后有：

由式(4)，(5)可見(jiàn)，交流勵(lì)磁電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)電流在q軸上的分量iqr與定子側(cè)輸出的有功功率Ps成線性關(guān)系，轉(zhuǎn)子側(cè)電流在d軸上的分量idr與定子側(cè)輸出的無(wú)功功率Qs成線性關(guān)系，即可通過(guò)調(diào)節(jié)idr，iqr來(lái)直接調(diào)節(jié)Ps，Qs。同時(shí)，交流勵(lì)磁電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)電壓udr，uqr與idr，iqr也存在線性關(guān)系，則只需通過(guò)調(diào)節(jié)udr，uqr即可間接調(diào)節(jié)Ps，Qs，并使之達(dá)到Ps*，Qs*。而udr，uqr經(jīng)旋轉(zhuǎn)變換后得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)子電壓控制指令uαr*，uβr*，并將它們作為調(diào)制信號(hào)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(lì)磁電源，實(shí)現(xiàn)變速恒頻以及Ps，Qs的獨(dú)立調(diào)節(jié)控制。根據(jù)上述分析，可得轉(zhuǎn)子側(cè)變換器功率協(xié)調(diào)控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

3．2 改進(jìn)的電壓補(bǔ)償量計(jì)算算法分析
圖3示出改進(jìn)的電壓補(bǔ)償量計(jì)算算法框圖，由于DFIG定子磁鏈?zhǔn)噶?psi;1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?yàn)?omega;1=dθs／dt，故可得：ωs=dθs／dt+π／2=ω1+π／2。

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