变速恒频双馈风力发电系统控制技术研究

摘要：本文简单介绍风力发电的两种主要技术，并对变速恒频技术的集中系统做了详细阐述，并重点介绍交流励磁双馈发电机变速恒频风力发电系统，研究了双馈发电机转子侧和网侧控制的原理、数学模型建立及策略。 关键词：风力发电；双馈发电机；变速恒频 1引言

能源一直是世界各国争夺的战略物资，也是人们赖以生存和发展的必须物品，随着全球经济的发展，世界各国的能源布局也发生了较大的变化，虽然目前以煤炭、石油、天然气为代表的不可再生资源仍然是主要的消费能源，但是随着这些不可再生资源储量的逐渐萎缩，而人们对能源的需求量却不断增加，加之这些化石能源在燃烧过程中会产生大量的有害气体对环境造成严重的污染，世界各国也开始重点开发和利用太阳能、风能、水能等可再生能源，而其中技术较为成熟，发展较快的就是对风能的开发和利用，近年来人类对风能的开发利用率年增长超过30%，其中我国为推动风能利用技术的发展做出了不可磨灭的贡献。

我国的风能储量较高，且分布广泛，近年来我国的风力发电技术发展较快，现已基本掌握600千瓦到2兆瓦的大型风力发电机组的制造技术。风力发电技术的综合性较强，涉及自动化技术、机械传动、空气动力学等众多学科，其核心技术为风力机和发电机以及它们的控制系统，其中风力机的变桨距功率调节技术和发电机的变速恒频发电技术是所有风力发电技术中最具发展价值的两个技术。 2变速恒频风力发电技术概述

发电机是风力发电系统中的核心组件之一，是将风力机吸收的机械能转换为电能的重要设备，其能量转换效率直接关系着风力发电的效率和质量，风力发电机的两种主要技术分别为恒速恒频风力发电技术和变速恒频风力发电技术[1]。 恒速恒频风力发电技术的原理是利用主动失速控制技术或定桨距失速控制技术对风力机转速进行控制，使其不随外界风速的变化而变化，以保持电能输出的频率恒定。此技术不能保证风力机的叶尖速比保持在最佳值，所以风力机的能量转换效率较低，而且在外界风速变化时，风力机要保持恒定转速，使得风力机组容易因机械负担过重而发生故障，使用寿命也因此降低，影响风力机运行的稳定性。

变速恒频风力发电技术的原理是外界风速变化时，发电机的转速随之进行调节，通过高性能的电力电子控制技术，使电能输出的频率保持恒定。此技术非常适合风能这种具有随机性和不确定性的能源形式，在外界风速不断变化中，发电机能保持其最佳叶尖速比，从而实现对风能的高效利用。 3变速恒频风力发电系统分析

变速恒频风力发电机组采用不同类型的发电机可以构成不同的变速恒频风力发电系统，其中最为典型的有笼型异步发电机变速恒频风力发电系统、永磁发电机变速恒频风力发电系统、无刷双馈发电机变速恒频风力发电系统、交流励磁双馈发电机变速恒频风力发电系统等：

3.1笼型异步发电机变速恒频风力发电系统

在此系统的结构中，定子绕组通过变流器与电网进行连接，当外界风速发生变化时，其笼型感应发电机的转子转速和产生的电能频率也随之发生变化，发电机输出的电能通过变流器转化为与电网频率相匹配的电能，随后再接入电网。此系统对变流器的要求是其容量与发电机一致，所以在目前风力发电机组容量不断

增加的今天，应用此系统需要占用较大的面积和投入较大的成本，不仅如此，笼型异步发电机会建立磁场，在电网中因吸收无功功率而降低其功率因数，因此还要增加电容补偿装置，其电能损耗较大，风能的转换效率较低，建设成本较高。 3.2永磁发电机变速恒频风力发电系统

此系统的结构与笼型异步发电机变速恒频发电系统的结构类似，只是发电机换成了永磁发电机，此发电机的转子结构为永磁式，不需要外界提供励磁电源，且发电机和风力机之间不需要齿轮箱而直接耦合，因此此系统的噪音较小，可靠性较高，但是其体积较大，成本也较高，转速较低，目前该技术的应用逐渐扩大，但后期永磁发电机的退磁问题应该重点关注。 3.3无刷双馈发电机变速恒频风力发电系统

此系统采用的发电机为无刷双馈发电机，其定子具有两套绕组，一套为功率绕组，另一套为控制绕组，前者直接与电网进行连接，后者通过一个双向变流器之后再与电网进行连接，其转子结构为笼型或磁阻式，不需要滑环和电刷，直接与两个定子绕组耦合，定子绕组的极对数与转子的相同。此系统保持变速恒频的原理是，当转子转速随风速发生变化时，调节控制绕组的频率就可以使功率绕组的频率维持恒定。

此系统的变流器不需要很大的容量，其控制方便且能起到无功补偿的作用，而且不需要电刷和滑环，其系统的可靠性较高。但是此系统需要有两台电机，所以成本较高，且控制系统复杂。

3.4交流励磁双馈发电机变速恒频风力发电系统

此系统基本结构图如图3.1所示，其采用的发电机为交流励磁双馈发电机，其定子绕组直接与电网连接，转子为三相励磁绕组，通过滑环引出接线端并通过一台能量可双向流动的变流器与电网连接。当交流电流流过转子时会产生转子旋转磁场，同步转速则为实际转速和旋转磁场，在电机气隙中会产生一个同步旋转磁场，此时在定子侧能感应出同步频率的感应电势，从而保证其频率保持在一个恒定值[2]。

4双馈发电机转子侧控制策略的研究 4.1矢量控制

矢量控制是上世纪70年代提出来解决交流电机转矩控制问题的方法，近年来发展迅速，已经广泛应用于交流器上，其基本思想是把交流电动机的控制模拟成为直流电动机的控制特点，采用的理论为电机统一理论和坐标变换理论，将交流电动机的定子电流分解为磁场定向坐标的磁场电流分量和之相垂直的坐标转矩电流分量，在完成固定坐标系向旋转坐标系转换之后再解耦就实现了矢量控制的目的[3]。

双馈发电机的转子交流励磁绕组在其电气结构上具有多相性和对称性，尤其还具有一套适合电机运行特性的转子电流控制系统，所以其控制方法主要有功率控制和速度控制两种方法，前者就是通过控制转子的电压幅值和相位等将输出有功功率和无功功率固定在一个恒定值上；后者正好相反，是通过调节转子电压幅值和相位来调节有功功率和无功功率，实现电机转速的恒定。

由于双馈发电机具有两套三相绕组，所以当交流电流经过转子绕组时就会有旋转磁场矢量的产生，同时这个矢量会切割定子绕组的运动，还会会产生三相感应电流，此外有定子电流的存在还会产生一个旋转磁场矢量，也会对转子电流产生影响，这就是双馈发电机中复杂多变的电磁耦合关系，也是矢量控制需要解决和控制的主要任务。 4.2三相电压型PWM变换器

PWM变换器是目前比较常用的控制转子交流励磁的装置，其有整流状态和逆变状态两个工作状态，前者通过电网吸收一定的电能；后者会反向地向电网输出电能，还可以调节其网

侧电流和功率，所以PWM变换器在直流和交流状态下都适用。在变速恒频双馈风力发电系统中，通常采用的是双PWM变换器，即网侧变换器和转子侧变换器，可以在交流励磁发电机处于亚同步状态时网侧变换器处于整流状态，而在超同步状态时，转子侧变换器又处于逆变状态下，实现根据转子的能量流动情况及发生的改变而快速切换状态。 三相电压型PWM变换器主要有以下特点：

（1）转子侧变换器和网侧变换器相对独立运作，互不干扰，所以效率较高。其中前者一是是为转子提供励磁分量的电流，并对定子侧的无功功率进行调节；二是通过对转子转矩分量电流的调节来控制电机的转速，或者通过控制定子侧的有功功率使电机保持在最佳工作状况下运行。后者的主要作用是调节输入特性和保证直流母线电压的稳定性。

（2）两个PWM变换器可以通过直流母线电容实现解耦，所以可对其分别进行控制。其中一侧发生异常，都可以对相应侧的PWM变换器进行控制，而对另一侧的变换器不会造成影响。

（3）转子侧变换器可以为转子提供无功功率，可以实现对无功功率的有效控制。 4.3转子侧PWM变换器的功能与控制及其数学模型

转子侧PWM变换器的主要功能是对电机的功率进行控制，所以要实现对电机定子输出无功功率的高效控制就要对电机的转子电流进行控制，以达到控制转子侧PWM变换器的目的。这就首先需要建立双馈异步电机的数学模型，利用矢量控制技术，采用坐标变换等方法将转子电流的有功和无功分量解耦，从而实现最大风能追踪和对电机定子输出无功功率的高效控制。

转子侧变换器数学模型是通过定子磁链定向矢量控制方法建立的，其定子磁场定向坐标图如图4.1所示。

网侧变换器所采用的技术为SVPWM技术，即电压空间矢量控制的脉宽调制技术。当网侧变换器处于稳定工作状态时，直流母线电压维持在一个恒定值上，变换器的三个桥臂的开关元件由正弦脉宽调制规律来决定是接通还是断开，所以变换器有三种不同的工作状态，分别为单位功率因数整流运行状态、单位功率因数逆变运行状态、非单位功率因数运行状态。第一种状态的输入电流满足正弦关系，与电网电压的相位相同，即输入电流与电网电压之间的相位角φ=0°，此时电网向变换器直流侧提供有功功率；第二种状态的输入电流也满足正弦关系，但是与电网电压的相位相反，即φ=180°，此时变换器直流侧向电网提供有功功率；第三种状态的输入电流为正弦，切与电源电压的相位角φ=90°，整流器当作静止无功发生器运行。其中前两种运行状态最为常见，其功率因数较高，既降低了谐波发生概率，也减少了谐波对电网的不利影响[4]。

5.2网侧变换器的数学模型

建立网侧变换器的数学模型，寻找其数学关系，需要规定电网电动势为三相平稳的纯正弦波电势，对称且稳定；网侧滤波器电感L是线性的，且不考虑饱和；功率开关的管损耗以电阻Rs表示，即实际的功率开关管可由理想开关与损耗电阻Rs串联等效表示。

通过基尔霍夫电压和电流定律，经过计算和推理得出在三相静止ABC坐标下的网侧PWM变换器的数学模型为：

5.3网侧变换器的控制

网侧变换器的主要任务有两个，一是保证直流母线电压的稳定，二是保证交流电网侧的输入电流为正弦输入电流状态及功率因素的可控性。为实现第一个任务就要对交流侧的有功功率进行控制，控制方法是采用电流内环和电压外环两个环节来控制。对后者的控制分为两种，一是没有引入电流反馈的间接电流控制，另一种是引入电流反馈的直接电流控制。而第二种是目前应用较为广泛的控制方式。目前常用的网侧变换器的控制结构为基于直流电压外环和交流电流内环控制的双闭环控制结构，既可以对控制对象进行校正，又可以对变换器装置起到过流保护作用。 6结语

通过对风力发电技术现状的了解和发展趋势的分析，以及对常用的几种变速恒频风力发

电系统尤其是双馈发电机的研究，同时对双PWM变换器的原理进行分析，介绍了转子侧变换器和网侧变换器的功能与控制策略，以及其数学模型的建立，对转子侧变换器采用定子磁链定向矢量控制方式，对网侧变换器采用电网电压定向矢量控制方式，实现了交流侧单位功率因数和直流环节电压的控制以及发电机有功功率和无功功率的解耦控制。目前风力发电技术处于快速发展的阶段，未来对风力发电技术的研究中应重点解决风电场内部机组间的协调控制和配合、交流励磁变流器的拓扑结构和控制方法的优化、以及故障下的双馈风力发电系统的工作状态等，寻找切实可行的控制办法，以提高风力发电系统的稳定性。 参考文献：

[1]谭超.变速恒频双馈风力发电系统控制技术研究[D].湖南：湖南大学，2013

[2]王旭辰.交流励磁变速恒频双馈风力发电系统控制技术研究[D].北京：华北电力大学，2010

[3]贾石，况涛.变速恒频双馈风力发电系统控制技术的探讨[J].中国机械，2014（5）：145-146

[4]窦亚非.变速恒频双馈风力发电系统运行特性与控制技术研究[D].西安：西安理工大学，2010