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1交流励磁变速恒频风电系统运行研究摘要：本文主要从双馈发电机交流变频励磁变速恒频发电运行原理出发，建立M-T同步旋转坐标系下的双馈电机的数学模型。通过定子磁链定向矢量策略，简化了电机的数学模型，实现了电机有功功率和无功功率的独立调节，通过双PWM变频器实现了对电机运行的有效控制。关键词：变速恒频；交流励磁；磁链定向1引言长期以来，风力发电以采用定桨距风力机为主，在发电机极对数一定的条件下，若要输出电能与电网同频，发电机必须恒速运行。而风能是一种变化剧烈的随机能源，一种风速下风力机只有一种可以获取最大风能的转速，这样恒速恒频运行只能在一种风速下捕获最大风能，绝大多数风速下风能的采集、利用、转化效率都很低。特别是随着风电机组单机容量的增大，运行成本已提到重要地位，追踪最大风能以增加发电量的控制方式才是风力发电的最佳运行方式。变速恒频能在各种风速下最大限度地捕获风能，很适合风力发电技术发展的方向。实现变速恒频发电的方法众多[1]，其中交流励磁双馈发电机方案最具优势。由于交流励磁变频器只需供给转差功率，大大减少了对变频器容量的要求；发电机根据风力机转速变化调节转子励磁电压频率，实现恒频输出；再通过矢量变换控制实现发电机的有功、无功功率独立调节，进而控制发电机组转速实现最大风能的跟踪和捕获运行。本文介绍了双馈发电机交流励磁变速恒频发电的原理，详细论述了M-T同步旋转坐标系下的双馈电机的数学模型、定子磁链定向矢量控制、变速恒频发电机并网技术等。2交流励磁变速恒频运行原理交流励磁变速恒频发电系统原理性示意图如图1所示。发电机为三相绕线式异步发电机，定子绕组直接挂接电网实现并网，转子绕组通过外接三相即转差频率变频器实现交流励磁。当发电机转子旋转频率fW变化时，控制转子励磁电流频率f2确保定子输出频率f1恒定。设p为极对数，则有12fffpp（1）2齿轮箱电网侧变换器转子侧变换器双馈异步发电机电网DFIG风力机图1交流励磁双馈发电机原理图在不计铁耗和机械损耗的情况下，可以得到双馈发电机的能量流动关系21122112=smechcucucucuPPPPPPPPP（2）式中mechP——转子轴上输入的机械功率2P——转子励磁输入的电功率1P——定子输出的电功率1cuP——定子绕组铜耗2cuP——转子绕组铜耗s——转差率在忽略定、转子绕组铜耗条件下，可近似为2Ps1P（3）由此可知，当发电机处于亚同步速运行时，s＞0，P2＞0，变频器向转子绕组送入有功功率；当发电机处于超同步速运行时，s＜0，P2＜0，转子绕组向变频器送入有功功率；当发电机处于同步速运行时，s=0，P2=0，变频器不向转子绕组提供有功功率。3双馈发电机交流励磁用变频器变速恒频风力发电机对转子励磁电源有如下要求：（1）为了追踪最大风能并最大限度地减少励磁变频器的容量，需要发电机在同步速上、下运行，要求变频器具有能量双向流动的能力。（2）为确保发电质量，励磁变频器要有优良的输出特性。（3）为了防止变频器对电网的谐波污染，要求变频器有良好的输入特性。采用当前电力电子技术构造可满足交流励磁要求的变频器主要有交-交变频器、PWM整流-PWM逆变（双PWM）变频器。3采用PWM整流-PWM逆变形式的双PWM交-直-交变频器不仅有良好的输出性能，更大大改善了输入性能，可获得任意功率因数的正弦输入电流，且具有能量双向流动的能力，即电功率可以通过定子、转子双通道与电网实现交换。更为重要的是根据目前商品化自关断功率器件的功率等级，可以满足兆瓦级变速恒频风力发电机组转子交流励磁的需要，有着现实的工程应用价值，是一种满足变速恒频风力发电机交流励磁要求的理想变频电源。4交流励磁发电机定子磁链定向矢量控制在追踪最大风能捕获的变速运行中，主要通过风力机与发电机的配合，使风电机组在不同风速下均能以保持风能利用系数cp=cpmax最大的最佳转速运行。要保持cp恒定运行，可以通过调节发电机有功功率来改变其中的电磁阻转矩，进而调节机组转速。因此，发电机有功功率及无功功率的独立调节是风电机组变速运行控制的关键，这又是通过发电机定子磁链定向矢量变换控制来实现的。在以定子电源角频率w1速度旋转的同步速M-T坐标系中，按发电机惯例描述的双馈发电机模型可以用以下方程来表述[3]。定子电压方程：11MsMsTMTsTsMsTsssssuRiwpuRiwp（4）转子电压方程：MrMrTMTrTrMrTrsrrrsruRiwpuRiwp（5）定子磁链方程：MsMsMTsTsTsmrsmrLiLiLiLi（6）转子磁链方程：MrMMrTrTTrmsrmsrLiLiLiLi（7）电磁转矩方程：3()2MsTrTsMrepmTnLiiii（8）运动方程：LrepJdwTTndt（9）式中：R，L分别为电阻、电感；ψ为磁链；下标s，r，m分别代表定子、4转子及气隙相关量；M，T代表M-T坐标系中相应分量；ws=w1-wr，wr为转子角速度；TL为风力机输出驱动转矩；J为风电机组转动惯量；p=d/dt为微分算子。由于发电机定子绕组接入工频电网，与电抗相比可以忽略定子电阻，使得定子磁链矢量ψ1比定子电压矢量u1领先90。。当选择M-T坐标系的M轴沿ψ1定向时，有：10MsTs（10）10MsTsuuu（11）式中：ψ1，u1分别为定子磁链矢量ψ1，定子电压矢量u1的幅值。为了进行发电机有功功率P、无功功率Q的独立调节，写出M-T坐标系内的功率表达式：3()23()2MsMsTTsTsMsMTsssPuiuiQuiui（12）将（10）式代入（12）式可得定子磁链定向后的功率表达：113232TsMsPuiQui（13）根据定子磁链方程式（5）有：1MrMsTrTsmsmsLiiLLiiL（14）将（14）式代入（6）式可得：112(1)2(1)mMrMrMrmTrTrTrmrssrrsrLLLiabiLLLLLibiLL（15）将（15）式代入转子电压方程式（4）后可得：1()'()'MrMrTrMrMrTrTrMrTrTrrsrssuRbpibwiuuuRbpiawbwiuu（16）5式中：uMr’，uTr’分别为实现转子电压、电流解耦控制的解耦项；△uMr，△uMr分别为消除M，T轴转子电压、电流分量间交叉耦合的补偿项。分解出这两项构成线性组合的目的是通过电压补偿项计算来简化控制，获得实现P，Q独立可调的M-T坐标系中的转子分量电压表达式（16）后，通过2ϕ/3ϕ旋转变换可获得发电机转子三相电压，用作励磁变频电源所需的PWM指令，控制PWM变频器产生所需频率、大小、相位的三相交流励磁电压，最终实现发电机组功率控制、转速调节、最大风能捕获运行。式（13）~式（16）组成了交流励磁发电机定子磁链定向矢量控制的基本关系式，描述定子磁链定向矢量控制系统的控制框图如图2所示。这是一个功率、电流双闭环系统。在功率闭环中，有功指令P*由风机特性按最大风能原则给出，无功指令Q*根据电网需求设定；反馈功率P，Q则是通过对发电机输出电压、电流检测和坐标旋转后按式（13）计算求得；P，Q给定值与反馈值相比较后经PI型功率调节器运算，分别输出发电机定子电流有功分量及无功分量指令iMs*，iTs*，再由（14）式得到转子电流有功分量及无功分量指令iMr*，iTr*，它们与转子电流反馈值iMr，iTr比较后经PI调节，可输出转子电压解耦项uMr’，uTr’，再加上转子电压补偿项△uMr，△uMr就可获得转子电压指令值uMr*、uTr*（式（16））。经旋转变换后，最终可获得励磁电源的三相电压控制指令uar*，ubr*，ucr*。坐标旋转变换所需的定子磁链空间位置Ѳs、转子位置角Ѳr是通过定子磁链ψ1观测器和转子同轴光电编码器测得[3]。图2交流励磁变速恒频发电机定子磁链定向矢量控制框图5交流励磁发电机空载并网控制交流励磁双馈发电机的并网与传统直流励磁同步发电机及通常定桨距风力机驱动异步发电机有所不同。同步发电机和电流系统之间为“刚性连接”，发电机输出功率完全取决于电机转速，与励磁无关，因此并网前必须经过严格的整步（同步），并网后也必须严格保持转速恒定。双馈发电机采用交流励磁后，发电6机与电网间构成了“柔性连接”，可根据电网电压和发电机转速来调节励磁电流频率和大小，以此确保发电机输出电压满足并网条件，因而可在变速条件下实现成功并网。交流励磁发电机采用空载并网方式，这也是在定子磁链矢量定向控制下实现的。定子磁链定向时，有（10）式和（11）式成立；空载时又有iMs=iTs=0，则式（4）可简化为：11110puw（17）式（6）、（7）可简化为：10MTmrrLii（18）0MrMrTrrLi（19）将式（19）代入式（5）后可得：()MrMrTrMrrrsruRLpiuwLi（20）根据式（17）~式（20）可以建立如图3所示交流励磁变速恒频发电机空载并网控制原理框图。从图中可以看出，通过对电网电压的检测和坐标变换，可以获得电压幅值u1和相角Ѳu，按照式（15）和电压与磁链相差90。的相位关系，可以求出发电子定子磁链应有的大小ψ1和空间相位Ѳs=Ѳu+90。,再利用光电编码器检测出的转子位置角Ѳr就可以实现控制变量的坐标旋转变化。利用式（18）可求得转子电流指令iMr*，通过对转子电流检测和变换可获得转子电压指令值uMr*。同理按式（20）可获得转子电压指令uTr*。经坐标变换后，最终可获得励磁电源的三相电压控制指令uar*，ubr*，ucr*，控制交流励磁用双PWM变频器，调节转子励磁电流，使发电机输出符合并网要求的定子电压，实现空载安全并网。图3交流励磁变速恒频发电机空载并网控制框图76变速恒频发电机并网运行MATLAB实验仿真在MATLAB中搭建系统仿真模型。该模型中，双馈电机定子绕组并网，转子绕组外接变频励磁电源。模型中，交流励磁电源采用双PWM交—直—交变频器。由交流励磁发电原理可知，采用该变频设备能达到较理想的效果。该模型的控制系统主要分为两大模块，一为电网侧变换器控制，另一为转子侧变换器控制。转子侧变换器控制模块采用上文分析的定子磁链定向矢量策略，并且按照式（13）~式（16）设计系统的控制环节。电网侧变换器控制模块采用定直流侧电压控制策略，以保证直流侧电压稳定。（1）亚同步并网运行仿真亚同步并网运行时，定、转子电流波形如图4所示。电流为正弦波，表现了双PWM变频器优良的励磁特性。图5为定子输出角频率、励磁电流角频率（标幺值）波形图，由图像可以看出，定子输出频率恒定，通过双PWM变频电源改变励磁电流频率。（a）定子电流8（b）转子电流图4亚同步状态，P=1.5kw,Q=0时定、转子电流（a）定子输出角频率（标幺值）9（b）励磁电流角频率（标幺值）图5亚同步运行时定子输出角频率、励磁电流角频率（标幺值）（2）超同步并网运行仿真超同步并网运行时，定、转子电流波形如图6所示。图7为定子输出角频率、励磁电流角频率（标幺值）波形图，由图像可以看出，定子输出频率恒定，通过双PWM变频电源改变励磁电流频率。（a）定子电流10（b）转子电流图5超同步状态，P=1.5kw,Q=0时定、转子电流（a）定子输出角频率（标幺值）11（b）励磁电流角频率（标幺值）图6超同步运行时定子输出角频率、励磁电流角频率（标幺值）7结论能源危机使得风能、太阳能等新型清洁能源受到了广泛的关注。我国西北地区有丰富的风能资源，风电技术的发展有广泛的前景，而实现最大风能捕获的变速恒频运行是风力发电系统高效运行的根本措施，其中交流励磁变速恒频技术方案更具优势。这项先进的风电方案包含了一下关键技术内容：①双馈发电机变速恒频运行时励磁电源