双馈风电系统控制策略及测试研究

海樱，崔岩梅，宁丙辰

(中航工业北京长城计量测试技术研究所，北京100095)

0 引言

风能作为一种可再生绿色能源，越来越多地受到人们的重视，而随着单机容量的不断增大，双馈风力发电及其控制技术成为研究热点。双馈风电系统由两个背靠背连接的电压型脉宽调制(PWM)变换器构成，靠近电网一侧的网侧变换器是一个功率因数可控的三相PWM 整流器，为电机侧变换器提供恒定的直流电压;而靠近转子的电机侧变换器是一个三相电压源型逆变器，为电机转子提供交流励磁，通过改变转子电流实现对双馈发电机的控制。

双PWM 变换器的控制技术是双馈电机变速恒频风力发电技术的核心，本文以双馈风电系统为研究对象，分别对双馈电机侧及网侧变换器的控制算法进行研究，并通过实验测试，证明控制算法的有效性。

1 变速恒频原理

交流励磁双馈电机变速恒频风力发电系统中，发电机定子绕组直接接入电网，定子电流形成的旋转磁场的频率为电网工频f1;转子绕组由频率、幅值、相位可调的电源供给三相低频励磁电流，转子电流形成的旋转磁场对于转子而言的供电频率为f2。为实现机电能量转换，定子和转子旋转磁场应保持相对静止［1］，因此，f1，f2和对应转子转速的频率fm三者之间应该保持如下关系:

式中:fm决定于发电机转子的转速n，即fm=n/60 ;p为电机的极对数。

当发电机的转速n 变化时，即pfm变化时，通过控制f2，可使f1始终与电网频率保持一致，从而实现了双馈电机的变速恒频运行。

2 电机侧变换器的控制策略

电机侧变换器通过改变转子绕组电压和电流的频率、幅值、相位，实现对双馈电机的变速恒频控制。在并网过程中，控制器需要根据实际风速和电网要求，对发电机输出功率进行动态调节，因此，电机侧变换器将定子侧功率作为被控对象，并且根据GB/T25388《风力发电机组双馈式变流器》的要求，要实现双馈电机有功功率和无功功率的解耦控制。

由于双馈电机具有非线性、时变性、强耦合的特点，分析和求解比较困难，本文采用矢量控制方法，通过引入坐标变换，把三相坐标系下的各交流量转换成两相同步旋转坐标系下的直流量［2］。双馈电机在(d，q)同步旋转坐标系下的电压方程式为

磁链方程式为

定子功率方程式为［3］

式中:usd，usq，isd，isq，ψsd，ψsq分别是定子电压us、电流is和磁链ψs的d，q 轴分量;urd，urq，ird，irq，ψrd，ψrq分别是转子电压ur、电流ir和磁链ψr的d，q 轴分量;Ps，Qs分别为定子有功和无功功率;Lm为激磁电感;Rs，Ls分别为定子的电阻和自感;Rr，Lr分别为转子的电阻和自感;ω1，ω2分别为同步角速度和转差角速度;微分算子用p 表示。

为了简化控制，将同步旋转坐标系的d 轴按电网电压空间矢量定向，即采用电网电压定向矢量控制策略，电网电压在两相同步坐标系中的d，q 分量分别为

式中:Us为电网电压峰值。

在稳态下，由式(2)，(6)，(7)可以导出定子侧功率与转子电流的关系，有

由式(8)可以看出，定子侧的有功、无功功率是互相解耦的，且可以得出功率控制器为

式中:Psref，Qsref分别为定子有功和无功功率给定值;irdref，irqref为功率环控制器输出参考电流;Kpp，Kpi分别为功率环控制器的比例和积分系数;s 是复变量。

将式(4)代入式(3)并忽略定子电流的动态过程，得到转子电压与电流的关系:

根据式(10)，可以得出转子电流环控制器为

式中:urdref，urqref为电流环控制器输出参考电压;Kip，Kii分别为电流环控制器的比例和积分系数。

电机侧变流器采用定子功率为外环、转子电流为内环的双闭环控制策略，系统控制框图如图1所示。其控制过程为:发电机的定子电压us和电流is经过坐标变换得到两相同步旋转坐标系下电压usd，usq和电流isd，isq，其经过功率计算模块后得到实际功率Ps，Qs，并分别与给定功率Psref，Qsref进行比较，其偏差通过功率环调节器后得到转子电流的参考量irdref，irqref。发电机转子电流ir经过坐标变换得到的旋转坐标系下电流ird，irq作为电流环反馈量，定子功率环输出的电流量irdref，irqref作为参考量，其偏差值经过转子电流环调节器得到转子电压的参考量urdref，urqref，经过坐标变换和空间矢量调制得到空间矢量脉宽调制(SVPWM)信号驱动三相六路绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，从而实现发电机的运动控制。

图1 电机侧系统控制框图

3 网侧变换器的控制策略

为推导网侧变换器的数学模型，通常假设［4］:交流侧输入为三相三线制平衡系统;交流侧进线电感L为线性，不考虑饱和现象;功率器件为理想开关。网侧变换器主电路如图2所示。

图2 网侧变换器主电路

网侧变换器在同步旋转(d，q)坐标系中的数学模型为［5］:

式中:ed，eq分别为电网电压e 的d，q 轴分量;ud，uq分别为网侧变换器交流侧电压u 的d，q 轴分量;id，iq分别为网侧变换器交流侧电流i 的d，q 轴分量;Udc为直流侧母线电压;iL为负载电流;C 为直流母线电容;L 为进线电感;R 为线路总等效电阻;sd，sq为开关函数。

图3 双闭环控制系统结构框图

根据GB/T25388《风力发电机组双馈式变流器》的要求，网侧变换器主要实现变流器直流环节电压控制和网侧功率因数控制，因此，网侧变换器将直流侧电压Udc和交流侧电流i 作为被控对象。双闭环控制系统结构框图如图3所示。控制系统采用双闭环控制，电压外环主要控制直流侧电压Udc，使其稳定在指定值Udcref，电流内环按照电压外环输出的电流指令idref，iqref对有功、无功电流id，iq进行控制，产生的参考电压udref，uqref被转换到两相静止坐标系中，并利用SVPWM技术控制变换器。

对式(12)进行拉普拉斯变换，整理得

可以看出变换器交流侧电流的d，q 分量存在着相互耦合，给控制器设计造成一定困难。为此，采用前馈解耦控制策略，由式(13)可知，当电流调节器采用PI调节器时，变换器输出端的电压给定值udref，uqref为

式中:Kgp，Kgi分别为网侧电流环控制器的比例和积分系数。

PI 调节器的输出补偿了交流侧电感上的电压降，控制器采用电流d，q 分量的解耦项抵消了实际系统中两个分量的交叉耦合项。此时的被控对象简化为交流侧电感，控制量为流过电感的电流，可以采用线性控制理论对其进行设计。

4 实验测试研究

双馈风力发电系统变流器有如下要求［6］:为了追踪最大风能，需要发电机在同步速上、下运行，要求变流器具有能量双向流动的能力;为了确保发电质量，变流器要有优良的输出特性;为了防止变流器对电网的谐波污染，要求变流器有良好的输入特性。

为了测试双馈风电控制系统是否满足上述要求，实验室搭建了一套双馈发电机控制系统试验平台，其实验装置结构如图4所示。该平台主要由双馈发电机组，背靠背型双PWM 功率变换器、上位机监控系统、控制系统和风力机模拟系统组成。其中，控制系统是基本核心，由双定点数字信号处理器(DSP)组成，将双馈电机侧和网侧变换器的控制算法分别编写到DSP1 和DSP2 后，可以实现电机侧变换器和网侧变换器的实时控制。

图4 双馈风电系统试验平台结构图

实验测试中采用的双馈电机参数为:定子额定电压380 V，定子额定电流35 A，转子额定电压214 V，转子额定电流46 A，发电机额定转速921 r/min，发电机转动惯量为0.39 kgm。电机的定子电阻Rs=0.33 Ω，转子电阻Rr=0.24 Ω，定子自感Ls=41.335 mH，转子自感Lr=41.38 4 mH，激磁电感Lm=39.97 mH。在测试实验中，发电机侧的并网电压为200 V，定子侧有功功率Psref为3 kW，网侧进线电压为160 V，母线电压给定Udcref为420 V。

控制算法中的变量usd和usq，isd和isq，ird和irq，ud和uq，id和iq分别为定子电压us、定子电流is、转子电流ir、网侧变换器交流侧电压u、网侧变换器交流侧电流i 在两相旋转坐标系下的分量，试验中，对这些变量及母线电压Udc在三相坐标系下的波形进行测试。首先，对该系统进行了能量双向流动测试，进行发电机由亚同步速向超同步速过渡的动态试验，波形如图5所示。从波形中可以看出，定子侧的电压us和电流is呈正弦曲线，且始终反相，频率保持为50 Hz，系统始终处于工频发电状态，由于实验中双馈电机定子漏感较大，因此定子电流波形较光滑，输出电能质量良好。转子电流的频率随发电机转速的变化而变化，当双馈电机达到同步转速时，转子电流变为直流。发电机由亚同步速向超同步速过渡过程中，网侧变换器由单位功率因数整流状态过渡到单位功率因数逆变状态，实现了能量的双向流动。在过渡过程中，母线电压Udc稍有变化，又很快稳定在给定值，其超调量不超过3%。

图5 亚同步速向超同步速过渡实验波形

其次，在风电机组运行过程中，输出功率也是一个变化量，这里进行了双馈发电机定子侧输出功率变化的动态测试，验证其功率跟踪特性。图6 为超同步速下的实验波形，此时电机转速为1200 r/min，定子有功功率给定Psref由3 kW 到5 kW 阶跃变化。从实验波形中可以看出，系统可以跟踪给定功率变化，在较短时间内重新达到稳定，且电流基本没有超调，定子侧始终保持单位功率因数运行，向电网输送电能。当定子功率变大，机转速不变时，转差功率相应变大，转子电流幅值电也随之增大，而其频率保持不变。

图6 超同步速下功率变化实验波形

5 结论

本文对双馈风电系统电机侧和网侧变换器的控制算法进行了研究，并在实验室模拟平台上进行了能量双向流动测试、定子侧输出功率变化动态测试，测试结果表明，双馈变流器可实现能量的双向流动，且定子侧输出功率变化的动态性能良好，满足了双馈变流器的要求，证明了系统控制策略的有效性。

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