双馈风电变流器中间电压优化控制策略的研究

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（南车株洲电力机车研究所有限公司，湖南株洲 412001）

1 引言

随着风力发电技术的快速发展，风力发电已从最初的恒速恒频发电向更加高效利用风能的变速恒频发电转变［1-2］，变速恒频风电机组已成为风电发展的主流机型，风力发电中的变流控制技术则是最为核心的技术。

目前，双馈风力发电系统控制策略的研究还局限在控制算法的原理和实现上［3-5］，对变流器的实际应用安全的提高研究很少。由于风力发电机组经常安装在高海拔等恶劣环境下，对变流器的绝缘水平要求就更高。

本文通过降低变流器直流母线电压的方法，提高了风电机组抗电网波动能力和环境适应能力，降低了变流器核心器件IGBT的疲劳损伤，对变流器的运行稳定性、故障率和使用寿命都有很大益处。利用PSIM7.1软件搭建了1.65 MW双馈发电机及变流器仿真模型，并进行了仿真研究，在1.65 MW风电机组全功率试验台上进行了实验验证。仿真和实验结果都证明当电网电压和转子电压变化时，中间直流母线电压能够按所述控制策略变化，因此验证了这种控制方式的有效性和可行性，对DFIG风电机组实际运行具有相当重要的实际应用价值。

2 变流器的基本理论模型

2.1 网侧变流器的数学模型

在同步旋转dq坐标系下，网侧PWM变换器的数学模型可表示为［6］

式中：Ud，Uq分别为电网电压的d轴和q轴分量；id，iq分别为输入电流d轴和q轴分量；Sd，Sq分别为开关函数的d轴和q轴分量。

当坐标系的d轴定向于电网电压矢量时，网侧PWM从电网吸收的有功功率和无功功率分别为

式（2）、式（3）表明，当Pg大于零时网侧PWM变换器工作于整流状态，从电网吸收能量；Pg小于零时网侧PWM变换器处于逆变状态，能量从直流侧回馈到电网。Qg大于零时网侧PWM变换器呈容性，从电网吸收超前的无功；Qg小于零时网侧PWM变换器呈感性，从电网吸收滞后的无功。所以电流矢量的d，q轴分量id和iq实际上分别代表了网侧变换器的有功电流分量和无功电流分量。

2.2 机侧变流器的数学模型

为了研究DFIG系统的控制方法，首先要在同步旋转坐标系下建立DFIG系统的数学模型。按电动机惯例，同步旋转坐标系下DFIG的电压方程为

磁链方程为

式中：Us，Ur分别为定、转子电压矢量；Is，Ir分别为定、转子电流矢量；Ψs，Ψr分别为定、转子磁链矢量；Rs，Rr分别为定、转子电阻；Ls，Lr分别为定、转子绕组全自感，Ls=Lsσ+Lm，Lr=Lrσ+Lm，Lsσ，Lrσ，Lm分别为定子漏感、转子漏感和定、转子间的互感；ωl为同步电角速度；ωs为滑差角速度，ωs=ωl-ωr，ωr为转子旋转电角速度。

在d-q坐标系下其电压方程为

3 网侧和机侧变流器的控制原理

3.1 网侧变流器控制原理

在双馈风力发电系统中，网侧变流器的控制目标主要有以下几点［7］：1）保证直流侧电压的恒定且具有良好的动态响应能力；2）确保并网时网侧的输入量为正弦，功率因数接近1，即实现单位功率因数整流和单位功率因数逆变。

基于上述控制目标，同时满足双馈发电机无功功率的要求，把网侧的电压、电流经过坐标变换后，对电压进行矢量定向，使2个轴上的电流分量id，iq分别控制网侧的有功功率和无功功率，只需要控制id的正负即可实现有功功率的双向流动，控制iq可以控制无功功率，就能达到上述要求。dq轴电流分量id，iq就是变流器有功电流、无功电流的分量，调节id，iq就能够做到分别控制网侧PWM变流器吸收的有功功率和无功功率，从而达到有功和无功的解耦目的。对直流母线电压控制可以使用电压调节器的输出d轴分量电流的给定值，它反映网侧变流器输入有功电流的大小，同时根据功率因数和d轴分量电流的给定值，得到q轴电流的给定值。

3.2 机侧变流器控制原理

双馈感应发电机作为机电转换元件，按照给定控制目标实现定子侧有功和无功的解耦控制：

1）其有功功率的控制目标是通过调节发电机的输出功率，利用电磁转矩与机械转矩的不平衡来调节转子转速也就是风力机转速，使风力机能够按照设计曲线运行；

2）目前双馈感应风电机组的无功功率控制模式主要有恒功率因数控制模式和恒电压控制模式。恒功率因数控制模式是指控制风电机组的无功功率，使风电机组按规定的功率因数运行。恒电压控制模式是指根据系统无功功率的需要，调节风电机组的无功功率，使系统电压稳定在设定值。由于风能丰富的地方，地理位置往往比较偏远，电网架构比较薄弱。因此双馈感应发电机通常采用恒功率因数控制模式。

4 针对直流母线电压提出的控制方案

4.1 影响双馈风电变流器直流母线电压的因素及规律

1）电网电压对直流母线电压的影响。由于网侧变流器为4象限整流器，具有升压变流器的特点，其中间直流电压Udc必须高于或等于电网三相线电压的峰值即

2）发电机转子电压变化规律及对直流母线电压的影响。由于发电机转子电压与堵转电压和转差率有关，因此需考虑在极端工况下的最大转子线电压Urllmax，转子的最大线电压Urllmax=最大的堵转电压×最大网压UNET×最大转差率Smax。由于转子侧du/dt滤波器电感量很小，其上的基波压降可忽略，在考虑不超调的情况下直流母线电压

4.2 控制方案比较

由于现在大多数控制策略对直流母线的控制方法是使直流母线电压恒定，不随网压的变化而变化。由于这种控制方法所需的直流母线电压值包括了在极限工况下所需的直流母线电压值。因为该额定值较大，加大了变流器正常运行时的疲劳损伤，并且不利于变流器发生故障情况下留有足够的保护裕量（方案0）。为了保证变流器的正常运行，本文提出了一种改进的直流母线的控制方案（方案1），这种控制方案能够跟随网压的变化而变化，与方案0相比在大多数工况下能够有效地降低直流母线电压，改善功率器件的工作条件。

4.3 具体实现

直流母线电压额定值的确定需要考虑以下因素：1）三相电网电压的实时值，网侧变流器为4象限整流器，具有升压变流器的特点，其中间直流电压必须高于或等于电网三相线电压的峰值；2）网侧电抗器上的压降；3）变流器对输出脉冲宽度的限制；4）变流器死区时间的大小，变流器死区时间的存在会相应减小IGBT上下管开通的时间，死区时间越长，影响则越大；5）变流器模拟量检测误差，变流器对电网电压和中间直流电压等模拟量的检测存在一定误差。根据硬件设计指标，分别考虑1%的误差，则当电网电压检测为－1%，而中间直流电压检测为+1%时，则误差最大，但是考虑同时达到误差最大值时出现的概率小，因此，需中间电压额定值保留1.4%的裕量；6）发电机转子反电势分别在额定工况和特速工况下的最大值，由于双馈变流器接在双馈发电机转子上，其输出（输入）电压受发电机转子电压的影响，因此，需考虑额定工况和特速工况下发电机转子电压是否超过了变流器中间直流电压实际值，造成机侧变流器超调，输出波形畸变。当发电机在同步转速以下运行时，在最小运行转速下，功率越大，感性无功越大，则发电机转子电压越高；当发电机在同步转速以上运行时，在最大运行转速下，功率越小，容性无功越大，则发电机转子电压越高；7）低电压穿越特殊工况，考虑低电压穿越时间短，网压滤波系数大，可以视为不变。

再考虑，网侧电抗器上的压降、参数的分散性，线路阻抗的存在，中间电压指令值再加上一个2 V的偏置值。其计算公式为

式中：UABPK,UBCPK,UCAPK分别为网压的峰值。

2种方案在不同网压下指令值的对比见图1。

图1 2种方案不同网压下指令值的对比图Fig.1 Comparisonoftwoschemesofdifferentvoltagecommandvalue

由图1可见，方案1相比方案0在绝大多数电网电压工况下，在不影响变流器控制性能的前提下都能显著降低变流器中间直流电压指令值，提高变流器系统运行的可靠性。

5 仿真分析及实验结果

为了验证本文中提出的对直流母线电压的控制方法能够在电网电压变化时对转子电流进行有效控制。本文采用PSIM仿真软件进行仿真验证并且在1.65 MW风机功率试验台上进行试验。在PSIM仿真软件中搭建的1.65 MW双馈风力发电机模型，系统仿真参数为：额定电压UN=620V，额定功率PN=1.65MW，额定频率f=50Hz，定子绕组电阻Rs=0.007 84 Ω，转子绕组电阻Rr=0.005 9 Ω，定子绕组漏感Lsσ=0.053mH，转子绕组漏感Lrσ=0.062mH，互感Lm=3.71mH，极对数p=2，选取Crowbar=0.2 Ω。当网压由620 V变化到690 V的仿真图如图2所示。

图2 仿真波形Fig.2 Simulation graphics

从图2中可以看出，当网压由620 V变到690 V时直流母线电压随网压的变化而升高，当网压由690 V变化到620 V时直流母线电压也随网压的变化而降低。

在网压分别为552 V，735 V不同网压的条件下，在1.65 MW风机功率试验台上采用改进的方案进行功率试验。在网压为552 V的条件下进行满功率试验如图3所示。在图3中通道1、通道2为网压，通道3为转子单相电流，通道4为中间电压。

在网压为735 V的条件下进行满功率试验如图4所示。在图4中通道1，通道2为网压，通道3为转子单相电流，通道4为中间电压。

图3 网压为552 V的额定功率条件下的直流母线电压波形Fig.3 DC bus voltage graphics with the grid voltage of 552 V operating at rated power

从仿真图2和实验图3、图4中可以看出，在采用本文所提出的针对直流母线电压的控制方案后，当网压变化时直流母线电压能够实时跟随网压的变化而变化，能够有效地降低直流母线电压值，提高变流器的质量，减少变流器的疲劳损伤，能够使在变流器发生故障时保留更大的裕量，使整机系统的可靠性得到提高。

图4 网压为735 V的额定功率条件下的直流母线电压波形Fig.4 DC bus voltage graphics with the grid voltage of 735 V operating at rated power

6 结论

针对双馈风力发电机变流器直流母线电压控制方案，本文提出了一种跟随电网电压变化而变化的控制方案。在网压变化时直流母线电压能够实时地按照控制方案而变化。本文提出的控制方法能够在网压变化时有效地降低直流母线电压，降低变流器的疲劳损伤，避免变流器功率器件长期工作在极限工况条件下，改善功率器件的工况，对整个双馈风力发电机变流器的质量提升都有明显可取之处。因此在实际的DFIG风电机组运行中具有相当实用的工程应用价值。

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