基于双馈感应发电机的风能转换系统控制

R.Rajeswari
印度金奈安娜大学工程学院电气与电子工程系研究生，研究学者

摘要

基于双馈感应发电机(DFIG)的风力涡轮机在不断增长的风力市场上获得了荣誉。通过转子电路中的双向变换器，DFIG能够在次同步和超同步模式下作为发电机工作。DFIG与背对背转换器连接。一般来说，VAR补偿是WECS中的一个主要问题。电容器组是并联添加到机器上，这导致了许多问题，如过电压等。在本项目中，电网侧变流器本身对无功功率进行补偿，而不是提供额外的补偿装置。额外的功率也从转子侧提取。机侧变换器采用v/f控制技术控制转子转速，网侧变换器采用电压定向控制技术控制直流链路电压，使系统从电网吸取的无功功率归零，保证运行。利用p-q理论中的参考电流产生控制电网侧电流。利用MATLAB/SIMULINK分析了DFIG在次同步和超同步发电模式下的运行性能。

索引词

双馈感应发电机(DFIG)、风能转换系统(WECS)、电压导向控制(VOC)、p-q理论、电网、转子侧变换器(RSC)、电网侧变换器(GSC)。

介绍

如今，传统能源的消耗增加了，因此人们努力利用风能、太阳能等可再生能源发电，风能已成为最重要和最有前途的可再生能源之一。这需要额外的传输能力和更好的方法来保持系统的可靠性。目前，全球风力发电容量约为50GW，预计到2012年将达到160GW。在现代风力发电系统(WTGS)中，风力发电机组受到负荷变化和风速突变的影响。

随着风力发电进入电网的渗透率增加，双馈感应发电机(DFIG)风力涡轮机由于其变速特性而大量部署，从而影响系统动力学。这使得人们对开发适合DFIG的模型并将其集成到电力系统研究中产生了兴趣。近年来，风力发电渗透率不断提高，有必要引入新的做法。此外，为了对电力电子变换器进行建模，在最简单的情况下，假设变换器是理想的，变换器之间的直流链路电压是恒定的。因此，根据变换器的控制，可以实现一个可控的电压(电流)源来表示模型中变换器转子侧的操作。

在文献中，ManasiPattnaik，“双馈感应发电机用于变速风能转换系统的研究”，简要介绍了DFIG的运行和工作。普瓦捷，M. Machmoum,R。Le Doeuff和M.E. Zaim，“用于风能转换系统的双馈感应发电机的控制”，给出了关于DFIG的建模和使用的控制操作的信息。Pena, J.C Clare和G.M Asher(1996)在“使用背对背PWM变换器的双馈感应发电机及其在变速风力发电中的应用”中描述了DFIG的转子侧变换器控制，为转子侧变换器提供了参考波形，并获得了RSC的脉冲，从而实现了对实功率和无功功率的控制。Thiringer, A.Petersson，和t.p eturu(2003)，“装有感应发电机和双馈感应发电机的风力机的电网扰动响应”，简要介绍了定速风力机和装有DFIG的风力机的电网扰动响应。Petersson, L.Harnefors和T.Thiringer(2005)，“双馈感应电机风力涡轮机电流控制方法的评估”，简要介绍了DFIG定子磁通定向电流控制的分析。[5]。CarlesBatlle,ArnauD 'oria-Cerezo,Romeo Ortega(2006)，“双馈感应电机的稳健稳定PI控制器”，本文给出了使用PI控制器的系统闭环的简要思想。

双馈感应发电机

2.1介绍

绕线转子感应发电机(WRIGs)在转子和定子上设有三相绕组。它们可以在转子端和定子端同时供电。因此，它们被称为双馈感应发电机(DFIGs)或发电机模式下的双输出感应发电机(DOIGs)。如果通过滑环和电刷向转子电路供电的电力电子变换器能够在两个方向上处理电力，那么电机和发电两种操作模式都是可行的。

2.2 dfig工作原理

主流的大功率风能转换系统(WECSs)是基于双馈感应发电机(DFIGs)。DFIGs定子绕组直接接入电网，转子绕组通过背靠背电力电子变换器接入电网。背靠背变换器由两个变换器组成，即转子侧变换器(RSC)和电网侧变换器(GSC)“背靠背”连接。在两个转换器之间放置一个dc-link电容作为能量存储，以保持dc-link电压的电压变化很小。DFIG的控制比标准感应电机的控制更复杂。为了控制DFIG，转子电流由电力电子变换器控制。

风力涡轮机使用由WRIG和AC/DC/AC电力电子变换器组成的DFIG。定子绕组直接连接到3相50Hz电网，而转子通过AC/DC/AC变换器通过滑环以可变频率馈电，使DFIG能够根据变化的风速以可变速度运行，如图1所示。DFIG的一个典型应用是风力涡轮机，因为它们在大约20-25%的有限速度范围内运行。DFIG系统的其他应用还有飞轮储能系统、抽水蓄能电站等。

整个系统由机侧变换器控制转速，网侧变换器控制直流电压，保证在单位功率因数(即零无功功率)下运行。通过转子电路中的双向变换器，DFIG能够在次同步和超同步模式下作为发电机工作。根据运行条件，电力输入或输出转子(这是超同步模式的情况)，然后它从转子通过变流器流向电网。

PCrotoris用于产生或吸收功率Pgin，以保持直流电压恒定，如图1所示。在无损耗AC/DC/AC变换器的稳态状态下，Pgis等于Prand，风力机的转速由Pgis吸收或PCrotor产生的功率决定。由pcrotoror产生的交流电压的相序对于次同步速度是正的，对于超同步速度是负的，该电压的频率等于电网频率和滑差绝对值的乘积。pccrotor和pcgrid具有产生或吸收无功功率的能力，可用于控制电网终端的无功功率或电压电力电子变换器的DFIG系统。

2.3 dfig的特征

风作为一种可再生资源，具有难以预测、方向和速度快速随机变化等重要特征。这些特征使得将风能转化为电能的过程变得复杂。

滑差的负值意味着在旋转场的方向上运行机器的同步速度以上。由于扭矩方向同时反转(与旋转场的方向相反)，机器必须由机械动力源驱动，以抵消相反的扭矩。在这个过程中，机器就像发电机一样给电源供电。对于s>1，机器运行方向与旋转场和内转矩方向相反。为了维持这种状态，机器还应由机械动力源驱动。这种操作感应电机的方式被称为插拔，相当于电制动方法。

控制方案

3.1介绍

在WECS中，机器最初从无功功率开始。因此VAR补偿是WECS中的一个主要问题。电容器组，如果并联添加到机器可能导致过电压。如果添加额外的补偿装置，如STATCOM/SVC等，可能会导致控制的复杂性，并可能导致不经济的费用。

在该系统中，DFIG采用背对背变换器，网侧变换器本身作为补偿装置，在网侧维持UPF。报道了各种控制技术，其中电压导向控制和参考电流产生控制简单易行。

3.2电压导向控制(voc)

并网逆变器可采用多种方案进行控制。其中一种方案被称为电压导向控制(VOC)，如图3.1所示。该方案基于abc静止坐标系和dq同步坐标系之间的变换。控制算法在网压同步坐标系下实现，所有变量均为稳态直流分量。这有利于逆变器的设计和控制。

为了实现VOC，测量了栅极电压，并检测了栅极电压的角度θgis。该角度用于将变量从abc平稳系通过abc/dq变换变换到dq同步系或从同步系通过dq/abc变换变换回平稳系，如图3.1所示。有多种方法可以检测栅极电压角θg。设栅极电压、vag、vbg、vcg为三相平衡正弦波形，θg。可由

θg = tan-1 vβ/vα

由上式可知，无需测量图3.1所示的c相电网电压vcgas。在实际工作中，电网电压可能含有谐波并发生畸变，因此可以使用数字滤波器或锁相环(PLLs)来检测电网电压角θg。

其中Q* g为无功功率参考值，单位功率因数工作时为零，领先功率因数工作时为负值，滞后功率因数工作时为正值。

3.3参考电流产生控制

对于产生(并联)有源滤波器控制系统电流参考信号所需要测量和分析的量，有三种策略:

(i)负载电流检测。

(二)电源电流检测。

(三)电压检测。

负载电流检测和电源电流检测建议并联有源滤波器工作在本地，个别非线性高功率消费者。电压检测建议用于:(a)在复杂设备(所谓的“统一电能质量调节器”)中工作的分流有源滤波器，其目的是装备一次配电变电站;(b)位于配电系统并由公用事业公司支持的分流有源滤波器。此外，系列有源滤波器大多基于电源电流检测。从畸变波形中分析和提取电流或电压谐波主要有两种控制策略。

频域:基于频域傅里叶分析;

(ii)时域:基于三相电路中瞬时无功功率的理论，通常称为p-q理论。

1983年赤城等人都提出了“三相电路瞬时无功功率的广义理论”，又称瞬时功率理论，或p-q理论。p-q理论由a-b -c坐标中的三相电压和电流到a-ß-0坐标的代数变换(Clarke变换)组成，然后计算p-q理论的瞬时功率分量。

三相电力系统各分量与正交坐标之间的变换关系，用下列方程所示的空间向量表示为电压和电流，如上式所示。这种瞬时无功定理是根据三相电路的瞬时电压和电流检测无功功率而瞬时执行的。

当负载电压系统失真或不对称时，基本的p-q理论已被证明是不准确的。为了弥补这种局限性，对该方法进行了改进和扩展。

仿真结果

模拟了DFIG电机的运行模式，即次同步发电和超同步发电，并给出了每种运行模式下的速度和定子、转子功率和扭矩的波形。采用v/f控制转子转速，采用电压定向控制技术控制网侧无功功率和vdc。采用p-q理论下的参考电流控制技术对电网侧电流进行控制。

4.1次同步发电方式

在次同步发电模式下，转子功率被注入到机器中，以使气隙功率恒定。由于次同步运行时滑差为正，机械功率低于气隙功率(Pm < P ag)。

4.2超同步发电方式

在超同步发电模式下，为了使气隙功率保持恒定，将转子功率从电机中取出。由于超同步运行时滑移为负，机械功率大于气隙功率(Pm > P ag)。

4.3电压导向控制方案的仿真结果

电网侧变换器的主要目标是为必要的动作保持直流链路电压恒定。为解决这一问题，提出了电压定向控制技术。PWM变换器的电流调节，直轴电流被用于调节直流链路电压，其中正交轴电流分量用于调节无功功率。

仿真结果为参考电流产生控制方案

电网侧变换器的主要目标是为必要的动作保持直流链路电压恒定。为解决这一问题，提出了参考电流发电控制技术。PWM变换器的电流调节与基准电流的产生是用来调节直流链路电压平衡供电条件下，利用p-q理论也用来调节无功功率。

各种速度的制表

结论

根据所要求的参数，对DFIG的详细模型进行了分析，并通过仿真得到的波形清晰地说明了它们的产生方式。在超同步和次同步发电模式下，观察了系统的各种响应。利用MATLAB/SIMULINK对机侧变换器和网侧变换器的控制方案进行了仿真。

附录

双馈感应发电机额定功率

数字一览


图1	图2	图3	图4	图5

图6	图7	图8	图9	图10

图11	图12	图13	图14	图15

图16	图17	图18	图19	图20

参考文献

马纳斯·帕特奈克，“用于变速风能转换系统的双馈感应发电机研究”，《电力系统运行与能源管理》特刊，ISSN (PRINT): 2231-4407，第1卷第3期。
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