变速恒频双馈风力发电系统仿真研究

1 引言

风力发电是利用风能的一种有效形式，受到了广泛的关注。和常规风力发电系统相比，变速恒频双馈风力发电系统具有功率因数可调、效率高等优点，同时变换器连接在转子回路，仅处理双向流动的转差功率，不仅具有变换器体积小、重量轻、成本低的特点，更可实现机电系统的柔性连接。

本文采用dfig功率控制来实现最大风能追踪的实施方案。基于最大风能追踪的需要，将磁场定向矢量控制技术应用到dfig运行控制上，形成了基于定子磁链定向的dfig有功、无功功率解耦控制策略；采用双pwm型变换器作为转子的励磁电源，基于电网电压定向矢量控制技术，实现了网侧变换器交流侧单位功率因数控制和直流环节电压控制。

在建立双馈风力发电系统仿真模型基础上，对整个系统进行了仿真分析，验证了该方案的正确性和可行性。

2 变速恒频双馈风力发电机的运行原理

双馈型异步发电机（dfig）采用绕线转子感应发电机，定子直接接电网，在转子侧施加交流励磁来控制发电机的转矩。由dfig实现的交流励磁，可以通过调节励磁电流的幅值、频率和相位实现灵活的控制；改变转子励磁电流的频率，dfig可以实现变速恒频控制；改变转子励磁电流的相位，可以调节有功功率和无功功率。

本文采用双pwm变换器作为dfig转子励磁电源系统，如图1所示。两个三相电压源型pwm全桥变换器采用直流链连接，靠中间的滤波电容稳定直流母线电压。转子侧变换器向dfig的转子绕组馈入所需的励磁电流，实现dfig的矢量控制及输出解耦的有功功率和无功功率进而实现可逆运行。网侧变换器在实现能量双向流的同时，控制着直流母线电压的稳定，以及对网侧的功率因数进行调节。

3 双馈异步发电机的数学模型

为了实现双馈电机的高性能控制，采用磁链定向的矢量变换技术，通过坐标变换和磁链定向，将dfig定子电流分解成相互解耦的有功分量和无功分量分别控制，从而实现有功功率和无功功率的解耦控制。定子采用发电机惯例，转子采用电动机惯例，建立了同步旋转坐标系下的dfig的数学模型。

式中：ωs为dq坐标轴相对于转子的角速度；ω1为定子频率的同步角速度；usd、usq、urd、urq、isd、isq、ird、irq分别是定、转子电压和电流在dq轴的分量；ψsd、ψsq、ψrd、ψrq分别是定、转子磁链的dq轴分量；np为电机极对数。

4 基于定子磁链定向的有功、无功解耦控制策略

dfig的控制对象为输出有功功率和输出无功功率。为了实现有功、无功功率的解耦控制策略，采用定子磁链定向的矢量控制系统，将dfig定子电流分解成为相互解耦的有功分量和无功分量，实现对定子侧有功功率和无功功率的解耦控制。

如图2所示整个控制系统采用双闭环结构，外环为功率环，内环为电流环。在功率环中，p1*和q1*与功率反馈值p1、q1进行比较后经pi型功率调节器运算，输出定子电流的有功、无功分量参考值。根据定转子电流之间的关系计算得到转子电流的i*rd、i*rq参考值，与转子电流反馈值比较后，经pi型电流调节器输出电压分量u＇rd、u＇rq，加上补偿分量Δurd、δurq可以得到转子电压指令u*rd、u*rq。然后转子电压指令经坐标变换后输出两相静止坐标系下的控制电压u*Α、u*β。结合svpwm控制转子侧变换器，实现有功、无功功率的解