雙饋風(fēng)力發(fā)電的矢量控制策略電機及其系統(tǒng)分析與仿真

1、雙饋風(fēng)力發(fā)電的矢量控制策略雙饋電機在結(jié)構(gòu)上與三相繞線式異步電機類似，其定子和轉(zhuǎn)子均安放三相對稱繞組，都可以與電網(wǎng)進行能量的交換。其定子繞組直接接入工頻電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組通過雙饋變流器與電網(wǎng)連接。轉(zhuǎn)子繞組連接于一個頻率、相位、幅值均可調(diào)的三相電源激勵，轉(zhuǎn)子通入勵磁電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，再加上轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速在氣隙中產(chǎn)生一個同步旋轉(zhuǎn)磁場。通過控制輸入轉(zhuǎn)子繞組的電流，不僅可以保證電機定子側(cè)輸出的電壓和頻率保持與電網(wǎng)電壓一致，而且還可以調(diào)節(jié)雙饋電機定子側(cè)的功率因數(shù)。穩(wěn)態(tài)運行時，雙饋變流器根據(jù)所檢測的電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)流入雙饋電機轉(zhuǎn)子繞組的勵磁電流頻率以保證定轉(zhuǎn)子電流所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場在空間上保持相對靜止，實現(xiàn)定子側(cè)感應(yīng)電勢

2、的頻率與電網(wǎng)頻率相同，以實現(xiàn)雙饋型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的變速恒頻運行。雙饋風(fēng)力發(fā)電的系統(tǒng)原理圖如圖1所示。圖1 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)原理圖雙饋變換器目前的多采用兩電平雙PWM變換器，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。圖2 兩電平雙PWM變換器1雙饋發(fā)電機的數(shù)學(xué)模型1.1三相坐標軸系下數(shù)學(xué)模型定子繞組采用發(fā)電機慣例，定子電流流出為正，轉(zhuǎn)子繞組采用電動機慣例，轉(zhuǎn)子電流流入為正。則雙饋發(fā)電機在三相靜止坐標軸系下的模型為圖3所示：圖3 三相坐標軸系下雙饋發(fā)電機模型針對此模型可以得到三相坐標軸系下電壓方程、磁鏈方程、運動方程和轉(zhuǎn)矩方程為：電壓方程：（1）轉(zhuǎn)子側(cè)電壓方程：（2）定子側(cè)電壓方程：ua1、ub1、uc1、ua2、ub2

3、、uc2分別表示定轉(zhuǎn)子電壓，下標為1表示為定子側(cè)，為2表示轉(zhuǎn)子側(cè)；a1、b1、c1、a2、b2、c2表示定、轉(zhuǎn)子側(cè)磁鏈；ia1、ib1、ic1、ia2、ib2、ic2為定子，轉(zhuǎn)子相電流；R1、R2為定子，轉(zhuǎn)子繞組的等效電阻。（3）磁鏈方程：其中Lm1是與定子繞組交鏈的最大互感磁通對應(yīng)的定子電感；Lm2是與轉(zhuǎn)子繞組交鏈的最大互感磁通對應(yīng)的轉(zhuǎn)子互感；Ll1，Ll2分別為定，轉(zhuǎn)子漏電感；r為轉(zhuǎn)子的位置角。（4）運動方程：TL為風(fēng)力機提供的拖動力矩；Dg為與轉(zhuǎn)速成正比的阻轉(zhuǎn)距阻尼系數(shù)；Kg為扭轉(zhuǎn)彈性轉(zhuǎn)矩系數(shù)；Jg為發(fā)電機的轉(zhuǎn)動慣量。（5）轉(zhuǎn)矩方程：1.2 同步旋轉(zhuǎn)坐標系dq下的數(shù)學(xué)模型將一個三相靜止坐

4、標系下的的矢量，通過變換用一個兩相靜止坐標系或兩相旋轉(zhuǎn)坐標系里的矢量表示，在變換時可采取幅值不變或者功率不變的原則。坐標關(guān)系如圖4所示軸系為靜止兩相坐標，dq為同步旋轉(zhuǎn)坐標軸系。圖4 坐標關(guān)系（1）定子繞組電壓方程（2）轉(zhuǎn)子繞組電壓方程（3）轉(zhuǎn)子磁鏈方程（4）定子磁鏈方程（5）轉(zhuǎn)矩方程（6）運動方程與三相靜止坐標系下一致（7）定子有功功率、無功功率方程2 轉(zhuǎn)子側(cè)矢量控制常用的轉(zhuǎn)子側(cè)矢量控制方式有轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制、氣隙磁場定向矢量控制、定子磁場定向矢量控制、電壓定向矢量控制。其中定子磁場定向矢量控制使用較多。忽略定子繞組電阻后，則定子電壓方程可以簡化為u1表示相電壓瞬時值，表示定子磁鏈。定子

5、磁鏈方向為同步旋轉(zhuǎn)坐標系d軸方向時，則定子磁鏈具有如下關(guān)系此外 對于基于定子電壓和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的U定子磁鏈檢測法，有對于基于定子電壓和同步轉(zhuǎn)速的 U1法，在取定子磁鏈定向后，若忽略定子的電阻，則定子電壓矢量和定子磁鏈矢量之間相位差90°，幅值相差一個同步速1的倍數(shù)。磁基于場定向的交流勵磁變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機的功率調(diào)節(jié)及轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié) 則可得 其中 雙饋發(fā)電機的功率調(diào)節(jié)包括有功功率 P1 和無功功率 Q1 的調(diào)節(jié)。交流勵磁電機轉(zhuǎn)子側(cè)電流在q軸上的分量 iq2與定子側(cè)輸出的有功功率 P1 成線性比例關(guān)系，交流勵磁電機轉(zhuǎn)子側(cè)電流在d軸上的分量 id2與定子側(cè)輸出的無功功率 Q1成線性比例關(guān)系，即可以通

6、過調(diào)節(jié)交流勵磁電機轉(zhuǎn)子側(cè)電流（ id2， iq2）來直接調(diào)節(jié)交流勵磁電機定子側(cè)輸出的有功功率、無功功率（ P1 、 Q1）。雙饋勵磁電機dq軸電壓（ ud2， uq2）和dq軸電流（ id2， iq2）也存在線性關(guān)系，那么此刻只需要通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子側(cè)電壓值（ ud2、uq2）即可以間接的調(diào)節(jié)系統(tǒng)所產(chǎn)生的有功功率 P1 、無功功率 Q1，并使之達到給定值 P1*和 Q1*。而轉(zhuǎn)子側(cè)電壓值（ud2、 uq2）經(jīng)過旋轉(zhuǎn)變換后得到相應(yīng)的發(fā)電機轉(zhuǎn)子三相電壓控制指令（ ua2*、 ub2*、 uc2*），并將它們作為調(diào)制波與三角載波比較以產(chǎn)生SPWM脈沖去控制主電路開關(guān)管IGBT的通斷，實現(xiàn)有功功率 P1 ，

7、無功功率 Q1 的獨立調(diào)節(jié)控制。交流勵磁電機的電磁轉(zhuǎn)矩 Te 與其轉(zhuǎn)子側(cè)電流的 q 軸上的分量 iq2成線性比例關(guān)系，即在電機的運行過程中，可以通過對電機轉(zhuǎn)子側(cè)電流 iq2的調(diào)節(jié)就可以達到對電機電磁轉(zhuǎn)矩直接控制的目的。交流勵磁電機轉(zhuǎn)子dq軸電壓（ ud2， uq2）和轉(zhuǎn)子dq軸電流（ id2， iq2）也存在線性關(guān)系，那么此刻只需要調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子側(cè)電壓值（ ud2， uq2）即可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩 Te 、無功功率 Qs，并使之達到給定值 Te*和 Qs*。轉(zhuǎn)子側(cè)電壓值（ ud2， uq2）經(jīng)過旋轉(zhuǎn)變換后得到相應(yīng)的發(fā)電機轉(zhuǎn)子三相電壓控制指令（ ua2*， ub2*， uc2*），并將它們作為

8、調(diào)制波與三角載波比較以產(chǎn)生SPWM脈沖去控制主電路開關(guān)管IGBT的通斷，實現(xiàn)變速恒頻、電磁轉(zhuǎn)矩Te 、無功功率 Qs的獨立調(diào)節(jié)控制。3 網(wǎng)側(cè)變換器控制網(wǎng)側(cè)變換器主電路如圖5所示圖5 網(wǎng)側(cè)變換器主電路穩(wěn)定工作狀態(tài)時，母線上的直流電壓恒定，網(wǎng)側(cè)變換器的三相橋按正弦調(diào)制規(guī)律驅(qū)動。調(diào)節(jié)網(wǎng)側(cè)變換器輸出交流電壓的幅值和相位就能控制電感電流的大小以及電流與電網(wǎng)電壓的相位角，從而使該變換器運行于單位功率因數(shù)整流運行、單位功率因數(shù)逆變運行和非單位功率因數(shù)運行。設(shè)三相電網(wǎng)電壓平衡，則Sk（k a、b 、c）分別為三相橋臂的開關(guān)函數(shù)。其中：Sk=1：對應(yīng)橋臂上管導(dǎo)通，下管關(guān)斷；Sk=0：對應(yīng)橋臂下管導(dǎo)通，上管關(guān)斷。， 在同步旋轉(zhuǎn)坐標軸系下，有Sd、 Sq是開關(guān)函數(shù) Sk（k 1、2、3）變換到 d-q 坐標系中的d、q軸相應(yīng)的開關(guān)函數(shù)。設(shè) 則：令 則：上式中Ed 、 Eq為電網(wǎng)電壓擾動的影響。4 雙饋風(fēng)力發(fā)電矢量控制Matlab模型雙饋風(fēng)力發(fā)電的整體Matlab模型如圖6所示，網(wǎng)側(cè)變換器控制的Matlab模型如圖7所示，轉(zhuǎn)子控制Matlab模型如圖8所示圖6 雙饋風(fēng)力發(fā)電整體Matlab模型圖7 網(wǎng)側(cè)變換器控制的Matlab模型圖8 轉(zhuǎn)子控制的Mat