功率协调控制在双馈风力发电系统中的应用

摘要：针对双馈感应式发电机(DFIG)系统变流控制问题，提出一种改进的功率协调控制策略。基于该策略设计了一种高效且具有DSP+FPGA双CPU架构的风电变流控制器，研制了10 kW变流控制器并应用到双馈风力发电系统中。实验结果表明该控制器并网冲击小、动态响应快、并网电能质量好。
关键词：双馈感应式发电机；功率协调控制；变流控制器

1 引言
近年来，能源问题已成为世界各国共同面临的问题，风力资源作为一种可再生的清洁能源受到全世界的高度重视。DFIG以其优良的特性，在整个风力发电市场中占有相当大的比重，因此研究双馈风力发电机的控制策略，提高风力发电系统的效率显得尤为关键。
在此首先分析了DFIG的动态数学模型，并基于数学模型，搭建其仿真模型。基于文献，提出一种改进的功率协调控制策略，然后在此控制策略基础上，开发研制出双馈风电变流控制器，实现了变速恒频发电及有功、无功功率的独立控制。经实际应用验证，流经变流器的功率仅是额定功率的一小部分，大大减小了变流器的容量，从而有效降低了成本。

2 双馈发电机多变量动态数学模型
双馈发电机的动态性能复杂，定、转子绕组之间的耦合系数会随位置的变化而变化，即使忽略磁饱和效应，运动方程的系数仍是时变函数，这也导致了系统建模的非线性。
为便于系统建模，在此将三相静止a，b，c坐标系下的DFIG数学模型等效到两相同步旋转d，q坐标系下，采用发电机惯例建模。为便于分析，先假设：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圆周按正弦规律分布；②忽略磁路饱和，认为各绕组的自感和互感都是线性的；③忽略铁心损耗，不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响。由此可得到图1所示双馈风力发电机的d，q轴动态等效电路。由图1可得发电机在d，q坐标系下的电压．电流方程为：

在同步旋转d，q坐标系下，电磁转矩方程为：

原动机产生的机械转矩拖动发电机，如果机械转矩Tm与Te不匹配，负载转矩则跟随转速而变化，转矩之差使转子加速，从而有：

式(1)～(3)是DFIG在d，q参考坐标系下按发电机惯例的动态数学模型。

3 功率协调控制策略
3．1 控制策略的理论研究
为了实现变速恒频发电，通常对交流励磁电机的调节方式有功率调节、转矩调节、转速调节等几种。这里采用的是功率协调控制策略。
功率调节包括有功功率Ps和无功功率Qs的调节，即给出有功功率指令Ps*、无功功率指令Qs*，并使交流励磁电机定子侧输出的有功、无功功率达到给定的指令值。根据分析，在交流励磁发电机并网后有：

由式(4)，(5)可见，交流励磁电机转子侧电流在q轴上的分量iqr与定子侧输出的有功功率Ps成线性关系，转子侧电流在d轴上的分量idr与定子侧输出的无功功率Qs成线性关系，即可通过调节idr，iqr来直接调节Ps，Qs。同时，交流励磁电机转子侧电压udr，uqr与idr，iqr也存在线性关系，则只需通过调节udr，uqr即可间接调节Ps，Qs，并使之达到Ps*，Qs*。而udr，uqr经旋转变换后得到相应的转子电压控制指令uαr*，uβr*，并将它们作为调制信号发出SVPWM脉冲控制变流电路中IGBT的通断，产生幅值、频率、相位均为所需的三相交流励磁电源，实现变速恒频以及Ps，Qs的独立调节控制。根据上述分析，可得转子侧变换器功率协调控制的系统结构图如图2所示。

3．2 改进的电压补偿量计算算法分析
图3示出改进的电压补偿量计算算法框图，由于DFIG定子磁链矢量ψ1超前于定子端电压矢量u1空间角度90°，若u1的相角为θu，则ψ1的相角θs=θu+π／2，又因为ω1=dθs／dt，故可得：ωs=dθs／dt+π／2=ω1+π／2。

ψ1幅值可根据ψ1=u1／ω1快速求出。
此电压补偿量算法的最大特点是可直接进行补偿量计算，操作简单且易于算法实现，将其应用于双馈风力发电控制系统能缩短响应时间，有效提高系统的动态性能。[p]

4 DSP+FPGA实现
为验证功率协调控制策略，研制了一种基于DSP+FPGA的双CPU架构控制系统，控制框图如图4所示，两个CPU共用一个RAM存储。FPGA
芯片主要负责数据采集、开关驱动和上位机通信，并将这些信号储存在RAM中。上位机与FPGA通信，发送接触器动作指令，控制变流控制器投切和并网操作。同时，FPGA将采集的数据经处理后反馈到上位机。DSP芯片的主要作用是读取RAM中的数据，然后结合控制策略处理这些数据，并发出所需的SVPWM脉冲对IGBT进行控制。

实验参数如下：三相双馈电机，极对数为2，定子额定功率10 kW，转子额定功率2 kW，额定电压380 V，额定频率50 Hz；定子为星形连接方式，定子相电阻0．47 Ω，其标幺值0．035，定子漏抗标幺值0．063；转子为星形连接方式，转子相电阻1．42 Ω，其标幺值0．012，定子漏抗标幺值0．04；励磁电抗标幺值1．12，电机总电抗标幺值0．11。

图5a示出网侧启动时电流波形，由图可见，网侧启动时冲击电流约为3 A，冲击很小。图5b示出直流母线电压波形，采用预充电的方式可有效提高网侧整流的稳定性，由图可见，直流母线电压控制到600 V，很稳定。图5c示出电机启动稳定后空载并网瞬间电压电流变化波形，并网瞬间电压波形稳定，电流冲击几乎为零，实现柔性并网；由图可见，实际并网过程中电压峰值Umabs≈540 V，其有效值Ud=0．707Umabs= 381．8 V。图5d示出有功功率由1 kW跳变到2 kW、无功功率为零时定、转子电流的稳态变化过程，由图可见，切换过程平滑无冲击。图5e示出发出有功功率2 kW，无功功率为零时的定子电压、电流波形，由图可见，Umabs≈540 V，Ud=0．707Umabs=381．8 V，电流峰值Imas≈7．4 A，其有效值Id=0．707Imas／1．732=3．02 A，有功功率P=1．732UdId=1 996．96 W，与实际发出的2 kW偏差很小。图5f示出发电机发出的电压电流波形，由图可见，电压电流周期约为20 ms；电压过零点时间X1=3．9006 s，电流过零点时间X2=3．902 27 s，二者相差1．67 ms，则电压、电流之间的相位差△θ=(360°／20)×1．67=30．06°，由此可见，发电机发出的电压、电流同步，符合并网标准。

5 结论
针对双馈感应式风力发电系统控制问题，提出一种改进的功率协调控制策略，该策略在风力发电系统控制中具有良好性能，效果显著。最后，基于该控制策略研制出以DSP+FPGA为核心控制芯片的变流控制器，并将其应用于10 kW的双馈风力发电系统，实验结果表明，该策略能很好地完成控制任务，大大减小并网冲击，实现柔性并网。