2.7 DFIG的控制策略在线视频

上节介绍了双馈异步风力发电机组的数学模型

本节主要介绍双馈异步风力发电机组的控制策略

包括风力机控制器

换流器控制器和并网控制器

双馈风力发电系统的总体控制系统如图1所示

风力机控制属于机械控制

动态响应较慢

包含两个相互耦合的最大功率跟踪控制器

和桨距角控制器

DFIG的换流器控制属于电气控制

动态响应快

包含两个相互解耦的PWM换流器控制器

并网控制器控制风电机组的并网和停机过程

给机侧和网侧换流器发无功指令

并可限定风力机的功率捕获

风力机控制器由最大功率跟踪控制器

和变桨控制器构成

其作用分别为生成

DFIG换流器的电磁功率给定

及控制风力机的桨距角

两个控制器相互配合

使得风速小于额定风速时风力机最优运行

风速大于额定风速时

有效限制风电机组的功率和转速

风力机控制器有两种不同的配合方案

方案I通过转速的PI控制器

进行功率跟踪控制

通过功率PI控制器调节风力机桨距角

限制捕获的机械功率

在功率跟踪控制器中

首先根据DFIG实际输出到电网的功率

Pgrid和最大功率跟踪曲线确定转速给定值

再通过转速PI调节得到电磁功率的给定值

在桨距角控制器中

当DFIG实际输出功率Pe小于功率限定值Pe_max时

保持桨距角为0°

风力机最优运行

当DFIG输出功率Pe大于限定值Pe_max时

调节桨距角

减小风力机捕获的机械功率

方案II通过功率的PI调节器进行功率跟踪控制

通过转速的PI调节器调节桨距角限制转子速度

在功率跟踪控制器中

首先根据转子速度和最大功率跟踪曲线

确定DFIG的有功给定值

再通过PI调节器

确定转子侧换流器的电磁功率或有功电流的给定值

在桨距角控制器中

当转子速度小于最大转速时

保持桨距角为0°

风力机最优运行

当转子速度大于最大转速时

调节桨距角

减小风力机捕获的机械功率

在双馈感应电机的变速恒频控制中

需要采用矢量控制技术

将DFIG输出有功功率和无功功率进行解耦

转子侧换流器和网侧换流器

均有一套独立的矢量控制系统

在转子侧换流器控制中

为实现有功和无功的解耦

通常将d轴定向到定子侧的电压或磁链上

当采用定子磁链定向时

同步旋转坐标系d轴与DFIG定子磁链矢量Ψs重合

如图4和式（1）所示

于是

DFIG的电磁转矩

有功功率和无功功率如式（2）所示

可通过调节转子电流的dq轴分量实现独立调节

对于DFIG

输出的总功率包括定子侧有功Ps

和转子侧的滑差功率

如式（3）所示

因此

DFIG电磁功率的大小不仅和转子q轴电流有关

还和转子转速有关

而DFIG的电磁转矩与irq是严格的线性关系

与转速无关

因此在控制系统中

irq的给定值

应根据电磁转矩的控制器计算得到

由双馈风力发电机组的无功功率表达式可知

当DFIG单位功率因数运行时

无功功率qs=0

则此时的转子电流d轴分量为ird

即为转子电流的d轴分量参考值

由转子侧电压Ur表达式可知

转子电压的dq轴分量

与电流的dq轴分量与并没有完全解耦

耦合项为Δur

将定子磁链定向到d轴时

可得到为消除转子电压、电流

交叉耦合的补偿项Δurd和Δurq如式（5）所示

基于SFO的DFIG转子侧换流器控制框图如图5所示

整个控制系统采用电流内环

和功率外环组成的串级控制系统

而有功的串级控制环

和无功串级控制环相互独立

并行控制

在功率外环中

电磁转矩参考值

由风机控制层中的MPPT控制给定

而无功参考值则由风电场控制给定

电磁转矩和无功的反馈值

可由定子侧的电压和电流计算得到

经PI调节器输出转子电流无功分量

和有功分量参考指令

在电流内环中

q轴电流参考值由电磁转矩给定

d轴电流参考值由无功功率给定

电流反馈值由定子侧电压和电流计算得到

经PI调节器控制得到解耦项

再加上计算得到的Δurd和Δurq 耦合项

即可得到转子指令电压urd

urq

经坐标变换后再经PWM发生器

得到DFIG转子侧换流器三相PWM调制信号

实现对DFIG的有功和无功控制

当采用定子电压定向时

同步旋转坐标系d轴与DFIG定子电压矢量Us重合

如图6和式（6）所示

电压矢量的角度

可直接由锁相环节得到

不必再计算磁链

基于定子电压定向控制的转矩

功率与转子电流的关系如式（7）所示

电磁转矩和无功功率

分别与转子电流ird和irq成正比

因此ird的给定值应根据电磁转矩的计算得到

当DFIG单位功率因数运行时

无功功率qs=0

可计算转子电流的q轴分量参考值irq

定子电压定向到d轴时

消除转子电压、电流交叉耦合的补偿项

Δurd和Δurq如式（8）所示

由此基于SVO的DFIG转子侧换流器

控制框图如图7所示

整个控制系统同样采用电流内环

和功率外环组成的串级控制系统

外环功率控制与SFO控制相同

在电流内环中

d轴电流参考值由电磁转矩经PI调节给定

q轴电流参考值由无功功率经PI调节给定

网侧换流器的控制目标是保持

直流环节电压稳定和交流侧单位功率因数运行

通常采用电网电压定向矢量控制

即同步旋转坐标系d轴

与电网电压矢量Ug重合

在同步旋转坐标系下

网侧换流器

交流侧的瞬时有功和无功功率如式（9）所示

式中

pg、qg为网侧换流器

从电网吸收的有功功率和无功功率

ugd、ugq

分别为网侧换流器并网点电压的dq轴分量

igd、igq分别为网侧换流器

交流侧电流的dq轴分量

由式9可知

控制igd、igq

即可分别控制网侧换流器

从电网吸收的有功功率和无功功率

当直流电压稳定时

pg=pr

网侧换流器和转子侧换流器可以独立控制

igd、igq的参考值

分别由直流电压和无功功率的PI调节器给定

当Qg=0时

网侧换流器与电网没有无功功率交换

运行于单位功率因数状态

网侧换流器的内环电流控制

与转子侧换流器类似

电压和电流的dq轴分量同样存在耦合

解耦的补偿项分别为Δucd和Δucq

如式（10）所示

网侧换流器交流侧电压的参考值为

ucd*、ucq*如式（11）所示

式中ucd*、ucq*

为网侧换流器交流电压的非耦合项

网侧换流器基于电网电压定向的

矢量控制策略如图8所示

并网电流d轴分量参考指令

由直流电压PI控制器计算得到

并网电流q轴分量

可直接由式（9）中的无功功率计算公式得到

经电流控制内环的PI控制器

得到网侧换流器电压非耦合项

ucd’、ucq’

再加上由式计算的电压补偿Δucd和Δucq

即可得到转子电压指令ucd*、ucq*

经坐标变换和PWM发生器得到

DFIG网侧换流器三相PWM调制信号

实现网侧换流器的并网控制

本节主要对双馈异步风力发电机组的控制策略

进行了介绍

下节课见