双馈发电机双PWM变换器转子侧控制方案的仿真研究

    杨霞，杜继光，杨波

    (沈阳工业大学，辽宁沈阳110178)

    摘要：建立了双馈发电机转子侧矢量控制系统的控制模型，讨论了基丁定子磁场定向的解耦控制方法，在此基础上对系统进行了仿真，通过对仿真结果的分析，验证了控制策略的正确性和有效性。

    关键词：双馈发电机；双PwM变换器；矢量控制

O引言

    作为一种新型发电技术，双馈发电机实现的变速恒频的发电是一种新型的发电技术，非常适用于风力、水力等绿色能源开发领域，尤其是在风力发电方面，变速恒频体现出了显著的优越性和广阔的应用前景。

    山于双馈发电机变速恒频控制方案是在转子电路实现的，流过转子电路的功率是由发电机的转速运行范围所决定的转差功率，仅为定予额定功率的一部分，因此其双向励磁变换器的容量仅为发电机容量的一小部分，成本将会大大降低。交流励磁双馈型异步发电机的控制方案除了可实现变速恒频控制、减小变换器的容量外，在磁场定向矢量控制下还可实现P、0解祸控制，进而实现风力发电中的****风能追踪，对电网而言可起到无功补偿的作用。

    转子侧PwM变换器的控制对象是双馈感应发电机(D0ubly—Fed Induction Generator(DFIG))。为了实现有效控制，必须对转子侧PwM变换器的控制对象DFIG进行充分r解，以此为基础来建立转子侧PwM变换器控制分析的理论基础。本文研究了转子侧基于定子磁场定向的矢量控制仿真模型，并对D FIG中各种有功功率之间的关系进行分析，以期找出实现****风能追踪的DFIG有功功率之间的关系，实现控制系统的有效设计。

  1双馈发电机中双PwM变换器控制基本原理

该风力发电系统的原理如图1所示，采用的发电机为转子交流励磁的双馈感应发电机，定子绕组直接接人电网，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，在转子中形成一个低速旋转磁场，这个磁场旋转速度与转子的机械转速相加等于定子磁场的同步转速。从而在发电机定子绕组中感应出T频电压。

当风力机拖动发电机转子转速n_r，小于发电机同步转速n₁、时，双馈发电机处于亚同步运行状态，此时转子旋转磁场相对于转子的旋转方向与转子旋转方向相同，双PWM变换器向转子提供交流励磁，定子向电网馈出电能，此时对于双PWM变换器电网侧为整流状态，转子侧为逆变状态，其控制方法是基于定子磁场定向的矢量变换控制；当风力机拖动发电机转子转速n，大于发电机同步转速n1时，双馈发电机处于超同步运行状态，转子旋转磁场相对于转子的旋转方向与转子旋转方向相反，此时定、转子均向电网馈出电能，此时对于双PwM变换器转子侧为整流状态，电网侧为逆变状态，其控制方法将采用电网电压定向矢量控制方式。当风力机拖动发电机转子转速n，等于发电机同步转速n_r时，双PwM变换器向转子提供直流励磁，此时电机作为普通隐极式同步发电机运行。

2基于定子磁场定向的矢量控制方案

与普通的三相交流电机一样，三相静止坐标系F DHG的数学模型是一个高阶、多变量、非线性、强耦合的系统，很难进行控制系统的分析与设计。为了实现对DFIG有功、无功功率的有效控制，_-者必须解耦，因而可把交流调速中的矢量控制技术应用于DFIG的有功、无功解耦控制中，即通过坐标变换，使转予电流的有功分量与无功分量实现解耦，控制转子电流的有功分量和无功分量就可以实现DFIG的有功和无功功率的有效、解耦控制，从而实现变速恒频双馈风力发电系统的控制目标。

首先列写静止坐标系下的DFIG数学模型，为了便于分析问题，通常作如下的假设：1)忽略空间谐波，设三相绕组对称，在空间中互差120。电角度，所产生的磁动势沿气隙按正弦规律分布；2)忽略磁路饱和，认为各绕组的自感和互感都是恒定的；3)忽略铁心损耗；4)不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响；5)如无特别说明，转子侧的参数都是经过折算到定子侧的参数，折算后的定子和转子绕组匝数相等。

    (1)电压方程

    三相定子电压疗程为：

式中：u_A，u_B，u_C，u_a，u_b，u_c分别为定、转子相电压瞬时值；i_A，i_B，i_C，i_a，i_b，i_c分别为定、转子相电

流瞬时