第４４卷第５期 ２０１０年５月 电力电子技术 Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ＇Ｃｏ１．４４，Ｎｏ．５ Ｍａｙ，２０１０ 双馈风力发电机并网控制及稳态运行研究 徐凤星１，２，刘连根 ，盛建科 ，余（１．湖南工业大学，湖南株洲岳 ４１２００１） ４１２００８；２．株洲电力机车研究所有限公司，湖南株洲摘要：在考虑定子电压动态性能的情况下，对变速恒频双馈型风力发电机空载并网及电网故障下运行控制策略进行 了深入分析。并仔细推导了各控制器的设计依据。利用电网电压定向的矢量控制及分段改变转子电流的参考值的方 法实现该并网控制，其主要目的是降低并网时定子的冲击电流。在稳态运行时，考虑了定子电流动态性能的要求，进 一步提高了向电网输入电能的质量和低电压穿越能力。最后对整个并网过程进行了实验研究，结果证明了该控制策 略的正确性与有效性。 关键词：风力发电机；变流器；电网故障；并网控制 中图分类号：ＴＭ３１５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—１００Ｘ（２０１０）０５—０００６－０２ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ・－ｇｒｉｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ Ｓｔｅａｄｙ・－ｓｔａｔｅ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｄｏｕｂｌｙ．ｆｅｄ Ｗｉｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｘｕ Ｆｅｎｇ—ｘｉｎｇ 一，ＬＩＵ Ｌｉａｎ—ｇｅｎ ，ＳＨＥＮＧ Ｊｉａｎ—ｋｅ ，ＳＨＥ Ｙｕｅ （１．Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆＨｕｎａｎ 西ｅ ，Ｚｈｕｚｈｏｕ ４１２００８，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＺｈｕｚｈｏｕ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅ，Ｚｈｕｚｈｏｕ ４１２００１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｓｔａｔｏｒ ｖｏｌｔａｇｅ，ｔｈｅ ｎｏ—ｌｏａｄ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ－ｇｒｉｄ ａｎｄ ｇｒｉｄ ｆａｕｌｔ ｃｏｎｔｏｌｒ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｏｆ ｔｈｅ ＶＳＣＦ ｄｏｕｂｌｙ・ｆｅｄ ｗｉｎｄ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｐｒｏｏ￣ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｏｌｒｌｅｒｓ ａｒｅ ｃａｒｅｆｕｌｌｙ ｄｅｒｉｖｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅ１．Ｔｈｅ ｇｒｉｄ ｖｏｌｔａｇｅ—ｏｒｉｅｎｔｅｄ ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｔｉｍｅｌｙ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｖａｌｕｅ ｏｆ ｏｔｏｒｒ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｒｅ ｅｍｐｌｏｙｅｄ ｔｏ ｃｏｍｐｌｅｔｅ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ．Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｐｕｒｐｏｓｅ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｉｓ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔａｔｏｒ ｃｕｒｒｅｎｔ．Ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｓｔｅａｄｙ—ｓｔａｔｅ，ｔａｋｉｎｇ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｓｔａｔｏｒ ｃｕｒｒｅｎｔ ｉｎｔｏ ａｃｃｏｕｎｔ．Ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｇｒｉｄ ｉｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｌｏｗ—ｖｏｌｔａｇｅ ｔｈｒｏｕｇｈ ｃａｐａｃｉｔｙ ｉｓ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ．Ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｈａｖｅ ｖｅｒｉｉｆｅｄ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓ ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ；ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ｇｒｉｄ ｆａｕｌｔ；ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ一 ｄ ｃｏｎｔｒｏｌ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ Ｐｒｏｊｅｃｔ：Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｂｙ Ｎａｔｉｏｎａｌ ８６３ Ｈｉｇｈ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｐｌａｎ（Ｎｏ．２００８ＡＡ０５Ｚ４１ ０） １ 引 言 双馈风力发电技术是应用最广泛的风力发电技 术之一。双馈风力发电机为定子绕组直接接入交流 电网，转子绕组由频率、幅值、相位可调的变流器提 供三相低频励磁电流的新型电机．该电机在转子中 形成一个低速旋转磁场．其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 定予绕组中感应出工频电压。该发电机具有功率因 流，并网控制所需要的信息不仅要取自电网侧，而且 还要取自定子侧，控制策略较为复杂：空载并网使用 设备少．并网前发电机不参与原动机的能量控制．定 子电流为零，所以控制方程可以降阶，简化算法。 在考虑定子电压动态性能的情况下，对变速恒 频双馈型风力发电空载并网及电网故障下运行控制 策略进行了深入分析，利用电网电压定向的矢量控 制及分段改变转子电流的参考值的方法实现该并网 控制，并对整个并网过程进行了实验研究。结果验证 了该控制策略的正确性与有效性。 数可调、效率高、变频器容量小等优点Ｉ】］。但目前相关 研究主要集中在基于定子磁链定向双馈电机有功功 率和无功功率的解耦控制上［２４。对电网电压定向的 ２考虑并网后电网故障下运行控制方案 在电网电压恒定的情况下，电网电压定向和电 网磁链定向这两种传统矢量控制方案均可使双馈感 应风力发电系统在变速恒频运行中获得良好的动态 并网研究很少。文献［４］在忽略定子电压动态性能条 件下对电网电压定向的并网进行了研究。目前。风力 发电并网技术主要有直接并网和降压并网。而直接 并网又分为负载并网和空载并网．负载并网的特点 是并网前发电机参与原动机的能量控制，定子有电 基金项目：国家８６３高技术基金项目（２ｏｏ８ＡＡＯ５Ｚ４１Ｏ） 定稿日期：２００９一ｌ１—２５ 作者简介：徐凤星（１９８３一），男，安徽亳州人，硕士研究生，研 究方向为电力电子与电力传动。 ６ 和稳态性能圈。但在电网电压故障情况下。双馈感应 电机（Ｄｏｕｂｌｅ Ｆｅｄ Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｇｅｎｅｒｔｏｒ，简称ＤＦＩＧ）简 化模型的前提己不存在，故以此基础导出的两种矢 量控制方案的有效性也会受到影响。所以应依据 ＤＦＩＧ精确模型，对两种传统矢量控制方案进行改 进，以提高转子侧ＰＷＭ变换器对ＤＦＩＧ转子电流控 制能力，从而提高整个风力发电机组在电网电压故 双馈风力发电机并网控制及稳态运行研究 障下不间断运行的能力。两相同步旋转ｄ，ｑ坐标系 下ＤＦＩＧ的数学模型可表示为： 式中：““，ｕ 分别为电网电压的ｄ，ｑ轴分量的参考值；ｕ ， Ｕ 分别为定子输出电压ｄ，ｑ轴分量； 。， 。分别为ＰＩ调节器 比例放大系数、积分系数。 ｆ 【 Ｌ ￡ ， ＝ … ｒｄ， ￣ｗ＝Ｌｊ ＋Ｌ 由上式为电压外环的设计依据，这时计算得到 ｆ Ｍ Ｆ 【 耐＝ 』 却 】 ，“砷＝ ｛ ＋ 】 ，Ｕ￣ｑ＝Ｒ，ｉｑ ＋∞ ，１、 一 的ｉｒｄ ｉ 为电网电压幅值同步时的转子电流指令值。 由式（５）后两行可得： ｆ ｒｄ＝Ｒ ｒｄ ／ｄｔ－ｗｆｌ，ｉ … 、 ｌ ：Ｒ ＋Ｌ￣ｄｉ ／ｄｔ＋ｗ￣ｉＩｄ 式中：（ｃ， 为ｄ，ｑ坐标系相对于转子的角速度， ＝ｃＥＪ 一 ， 为 对转子的位置角Ｏｒ取微分得到转子的电角速度； 为ｄ，ｑ坐 标系同轴定、转子绕组间的等效互感，Ｌｍ＝１…５Ｌ Ｌ 为定子绕 上式为电网电压定向的双馈变速恒频风力发电机 组交链的最大互感磁通对应的定子互感； 为ｄ，ｑ坐标系两 相定子绕组的自感， ＋１．５ ；Ｌ 为ｄ，ｑ坐标系两相转子 绕组的自感，，Ｊ ＝ ＋１．５ ，Ｌ 为与转子绕组交链的最大互感 磁通对应的转子互感， 。 将式（１）代入式（２）中的微分项，并整理可得： ｆＭ ｄ＝尺』 ｄ＋（Ｌ 一 ｌ２／Ｌ ）（ｄｉＩｄ／ｄｔ）＋（ ／ ）（Ｍ ｄ— Ｊ Ｒｓｉ￣＋ｗ１ 一 ｓｏ） ／Ｌ ） ． Ｉ珥＝尺 ｗ＋（ 一 。Ｉ１２／ ）（ｄｉ ／ｄ ）＋（ ｍ／ ）（ ｓ叮一 、一 【 一 Ｌｇｏ ／Ｌ ） 式（３）可作为变速恒频风力发电ＤＦＩＧ稳态并 网后电流内环控制器设计依据。这种基于电网电压 定向的运行控制策略，在转子电压补偿的条件下，实 现了有功和无功功率解耦控制。 ３双馈发电机空载并网控制方案 空载并网方式是在并网前发电机不带负载．不 参与能量和转速的控制．完全由原动机来控制发电 机转速。并网时由于定子端电压受控，使其等于电网 电压。并网后需切换到稳态运行控制策略。空载并网 前，其定子侧开路，存在ｉｚ＝０， ＝０， ：０的约束关系。 为发电机的电磁转矩，将此约束关系代入式（１）得： Ｉｄ， ＝￡ Ｉ叮， ＬｒｉＩｄ， ＝ 』 （４） 将约束关系和式（１）代入式（２）得： ｆ ｕ ｄ＝ （ｄｉｒｄ／ｄ￡）一ｃＤｌ ｗ Ｊ ｕ ＝ （ｄｉｗ／ ）＋ｔｏｌＬ．ｉ．ｔ Ｉ ｕａ＝Ｒｒｉａ＋Ｌ （ｄｉｒｄ／ｄｔ）一 厶 【 ｗ＝ ＋ （ｄｉｗ／ｄ ）＋吐， 如果采用电网电压定向，则Ｕｓｄ＝ ， ＝０， 为 电网的幅值。为了提高并网过程对定子侧电压动态 性要求，进一步提高并网质量。由式（５）中前两行得： “ ｄ＝ ｍ（ｄｉＩｄ／ｄｔ）一 Ｄ１Ｌ ， ｕ ＝ ｍ（ｄｉ ／ｄｔ）＋６ １ Ｉｄ（６） 解式（６）可得： ｉｒｑ＝－－Ｕ ／（ １Ｌ ）， ０ （７） 此解主要作为在电网电压相位同步时的转子电 流指令值．完成电网电压的相位与发电机定子输出 电压的相位一致。 由式（６）可见电网电压ｄ，ｑ轴分量可以由转子 电流ｄ．ｑ轴分量经过一个ＰＩ调节器而得，所以可以 选择如下控制器电流方程： ｆ ｗ＝（ｋｐ＋ｋＪｓ）（ 耐一 ） ， 、 ｌ （ ＋ ｉ／ｓ）（ 一“ ）ｔｓ） 空载并网前ＤＦＩＧ转子电流内环控制器的设计依据。 ４锁相环ＰＬＬ原理 因采用了电网电压定向的矢量控制，需准确获 取电网电压相位信息．最简单的方法是捕获电网电 压的过零点。但该方法容易受到干扰，仅适用于理想 电网条件。图１示出系统所采用的三相锁相环方法。 图１锁相环原理框图 首先通过坐标变换将三相电压转换到ｄ．ｑ坐标 系下，为使ｄ轴分量与电压矢量相同，设定ｑ轴电压 参考值 ＝０，将ｑ轴电压偏差值经ＰＩ调节器输 出得到频率，再经积分环节得到角度。当电网电压中 只存在基波分量时，其ｄ。ｑ坐标系下稳态值为直流 量，通过控制使ｑ轴分量为零，可实现相位锁定。当 电网电压ｑ轴分量恒为零时，锁相已准确锁定了电 网电压相位。由于锁相环内部采用闭环结构。可有效 抑制电网扰动对相位检测带来的干扰。因此，该方法 也适用于电网电压质量较差的情况。 ５实验结果 搭建背靠背变速恒频风力发电系统平台，采用 双ＤＳＰ（ＴＭＳ３２０ＬＦ２８１２）结构的控制电路，一个控制 网侧变流器，另一个控制转子侧变流器，发电机并网 控制由转子侧变流器ＤＳＰ来实现，发电机为两台 １．６５ ＭＷ双馈异步发电机，左侧为原动机模拟现场的 风力，右侧为发电机向电网供电，系统框图如图２。 电网定了 触器双馈电动机 双馈发电机定予 触器电网 转了侧ｌ变流器Ｉ Ｉ转了侧 ｌ变流器 预充电接触器 预充电接触器 图２并网系统实验框图 转子侧变流器并网过程分３步：①定子电压相 位同步过程。在该阶段根据转子电流指令跟踪电网 相位，～般经过３～４周波即可完全同步；②切换转子 电流指令值．进入电网电压幅值同步过程；③检测定 子接触器状态，如果正确，则合上定子（下转第２２页） ７ 第４４卷第５期 ２０１０年５月 电力电子技术 Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｖｏ１．４４，Ｎｏ．５ Ｍａｙ，２０１０ 的调制信号与载波比较产生的开关序列，中间小矢 量作用时间减小。首尾小矢量作用时间加长。在正序 调制电压中加入零序参考电压 后，最终的调制电 压可以表示为： 况下，两个母线电容的电压实验波形，可见，电容电 压得到了控制。图６ｂ示出电容值分别为２ ２００ Ｆ， １ １００ ｊｘＦ时的空载实验波形．可见．当加中点平衡控 制后，直流侧两个电容输出电压差别减小，母线上下 ／。、 ｆｕ／＝Ｍｃｏｓｔｏｔ＋ｕ０，ＩＺｂ＇＝Ｍｃｏｓ（ｗｔ－２ｑ＇ｒ／３）＋ｕｏ 电容电压保持了很好的平衡性。 ５ 结 语 三电平逆变器与两电平逆变器相比具有很多优 点．但中点电位不平衡是三电平的拓扑结构的一个 １ ｏ＇＝Ｍｃｏｓ（ ＋２霄／３） 。 ｊ 对于三相三线系统，在三相。，ｂ，ｃ坐标下，逆变 器三相输出电压同时增加或者减小一个零序电压不 会影响负载的线电压。 固有问题。针对这一问题，分析了中点电压不平衡的 根本原因，提出了一种基于零序电压注入实现电压 平衡控制方法，给出了零序电压的选择原则。该方法 ４仿真与实验 采用Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ对所提出的中点电位平衡 方法进行了仿真，结果证明中点平衡控制后两电容 通过选择合适的零序电压。改变冗余小矢量的作用 电压很快得到有效控制。基于所研制的三电平大功 时间来调节中点电位。具有控制方法简单、鲁棒性强 率逆变器的实验平台。对控制方法进行了实验验证。 的特点。仿真及实验结果表明，该方法能获得很好的 主回路主要包括变压器、整流桥、功率单元和预充电 中点平衡能力。 电路。系统控制回路由ＤＳＰ控制板与ＰＬＣ可编程控 制器、驱动电路和检测电路组成。驱动电路与主电路 参考文献 之间通过光纤进行信号的传输。图６示出实验波形。 ［１】周京华，周皓，袁奎星，等．三电平大功率通用变频的研 制【Ｊ］．电力电子技术，２００８，４２（４）：１５—１７． 【２】孟永庆，沈传文，刘正，等．基于零序电压注入的三电平 中点箝位整流器中点电位控制方法的研究ｆＪ］．中国电机 工程学报。２００７，２７（１Ｏ）：９２—９７． 【３１宋强，刘文华，严干贵，等．基于零序电压注入的三电平 ｔ／（１Ｏ０ｍｓ／格｝ ＮＰＣ逆变器中点电位平衡控制方法ｆＪ］．中国电机工程学 （ａ）电容相等加载电ｎ三 报，２００４，２４（５）：５７—６２． 图６实验波形 【４１周京华，沈传文，苏彦民．多电平逆变器不连续空间矢量 图６ａ示出两电容值都为２ ２００ Ｆ及加负载情 调制策略的研究［Ｊ］．电力电子技术，２００５，３９（５）：１５—１７． （上接第７页）接触器，接着切换转子电流的参考值， 双馈变速恒频风力发电空载并网系统中．发电机与 实现最大风能跟踪。图３示出并网阶段的实验波形。 电网间是柔性连接关系。在变速情况下，可迅速控 Ａ Ａ Ａ Ａ 制发电机定子电压使其满足并网条件，实现在器件 瑶 Ｖ ＼ 可接受的冲击电流条件下并网。在控制方案中考虑 定子电压的动态特性．在减少逆变电压谐波的同 时，降低了冲击电流。实验结果表明，此空载并网方 “Ｌ ，、 望 式较为理想 《 Ｉ｝祷ｌ ｛｝ｌｊ｛｛｛靛 … 景 － １ ．参考文献 ｆ１】窦伟，徐正国，彭燕昌，等．三相光伏并网逆变器电流控 图３实验波形 制器研究与设计【Ｊ】＿电力电子技术，２００７，４１（１）：８５—８７． 由于风机正常工作时定子流过的电流有效值为 【２】刘其辉，贺益康，卞松江．变速恒频风力发电机空载并网 １ ｋＡ，虽然有１５０Ａ短时冲击电流，但可完全接受。 控制【Ｊ】．中国电机工程学报，２００４，２４（３）：６－１１． ６结论 ［３１黄文俊，余晓建，沈永林．单相并网逆变器的Ｄｅａｄｂｅａｔ控 在考虑定子电压动态性能情况下，研究了一种 制ｆＪ】．电力电子技术，２００７，４１（２）：１０—１２． ［４］Ｃａｒｌｏｓ Ｊ，Ｒａｍｏｓ Ａｎｔｏｎｉｏ Ｐ．Ｍａｒｔｉｎｓ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎ ｔｈｅ 基于电网电压定向的双馈变速恒频风力发电空载 Ｇｒｉｄ Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｄｏｕｂｌｅ—ｏｕｔｐｕｔ Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ 并网控制策略，采用双ＰＷＭ变频器结构。完成了 Ｌｉｎｋｅｄ ｔｏ ａ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｓｐｅｅｄ Ｗｉｎｄ Ｔｕｒｂｉｎｅ［Ｊ］．ＩＥＥＥ，０－７８０３－ 并网发电的基本功能。借鉴电网电压定向矢量控制 ７４７４—６／０２，２００２：９７９—９８４． 技术，实现了与定子磁链定向矢量控制相同的功 ［５］吴国祥，陈国呈．双馈变速恒频风力发电空载并网控制策 能，但免去了定子磁链的观测，简化了控制策略。在 略ＩＪＪ．电工技术学报，２００７，２２（７）：１６９—１７５． ２２