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双馈风力发电机励磁控制系统研究

1引言在能源消耗日益增长、环境污染日渐严重的今天，作为可再生绿色能源的风能成为世界各国普遍重视的能源。发展风力发电，不仅可以节约常规能源，而且有利于环保，改善能源结构，减少环境污染的有效途径之一，可以带来直接的经济效益、社会效益和环境效益。在各种风力发电技术中，变速恒频是风能利用效率较高的技术之一。其核心是发电机转子侧所接的交流励磁变频电源，因此研究的主要内容是可逆变频器的设计，本文只设计了电网侧变频器。
2网侧变换器的数学模型

图1网侧变换器拓扑电路
图1为网侧变换器拓扑电路。在建立网侧变换器的模型时，做以下的假设：（1）三相电网电压为三相平稳的纯正弦波电压；（2）网侧三相滤波电感为线性的，且不考虑饱和；（3）不计开关管的损耗。网侧电压ea、eb、ec，电流为ia、ib、ic，网侧变换器整流桥输入端a与电容负极点n的电压为Van、Vbn、Vcn，电容负极点n与电网电压中性点0的电压为Vn0。L为滤波电感，R为电感内阻，直流侧负载电阻为RL。

三相静止坐标下的网侧变换器的数学模型：ZX=AX+BE式中：经过坐标变换后，两相旋转坐标系下网侧变换器的数学模型为：(1)其中变换变换矩阵为：

3网侧变换器的控制策略

图2电压型整流器的控制框图
图2为电压型整流器的控制框图。网侧变换器传递的有功功率和无功功率为：如将d轴与电网电动势矢量重合，则d轴表示有功分量参考轴，而q轴表示无功分量参考轴，从而有利于网侧变换器有功、无功分量的独立调解。此时，电网电压d、q分量为
网侧变换器传递的有功功率和无功功率可简化为P=usidQ=usiq于是控制d轴电流即可以控制有功，控制q轴电流就可以控制无功。为使整流器运行在单位功率因数状态，即网侧输入无功为零，iq应满足：iq=0由于采用了旋转坐标变换，三相静止坐标系下的交流量都变成了两相旋转坐标系下的直流量，用PI调节器进行电流控制，可以实现无差控制。通过电流状态反馈(ωLIq,ωLIq)和电网电压(ud,uq)前馈，使输入电流解耦，提高了动态性能；当电流调解器采用PI调解器时，则vd、vq的控制方程如下：

将上式代入（1）得到：

4网侧变换器的仿真结果为了验证网侧变换器在双馈风力发电中的优势。对采用网侧变换器作交流励磁的双馈发电机变速恒频运行进行了仿真研究，对网侧变换器的输入、输出特性和能量双向流动的能力进行了评估。

图3电网侧三相变换器的解耦控制仿真
本仿真采用功率因数为1，负载分为电阻性负载和有源负载看电网侧电压和电流的波形，因为三相是对称的，本文只给出了其中一相(A相)的仿真结果及电容两端的电压(见图3)。为了分析本控制系统的动态性能，进行以下两个方面的仿真，由整流状态突变到逆变状态和由逆变状态突变到整流状态。由整流状态突变到逆变状态就是在整流时负载突变成有源负载，即在负载上加一直流电压源(由于逆变是有条件的，只有当负载侧的电压高于设定值时，三相变换器才会工作在逆变状态。因此，在负载处加上直流电源Edc，并设定其值为700V)进行仿真。由整流状态突变到逆变状态反之。仿真结果如图4～图7。

图4整流状态下交流侧和直流侧的仿真波形

图5逆变状态下交流侧和直流侧的仿真波形

图6从整流到逆变状态下交流侧和直流侧的仿真波形

图7从逆变到整流状态下交流侧和直流侧的仿真波形
5结束语负载侧的电压低于设定值，能量是流出电网的。当负载侧的电压高于设定值时输入电流与电网电压反相位，能量是流入电网的；这说明网侧变换器具有能量双向流动的能力。通过仿真验证了网侧变换器具有输入、输出特性好，谐波少，能量可双向流动的特点，是双馈风力发电机励磁电源的首选变换器。
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