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变速恒频双馈风力发电机组交流励磁控制系统研究鲍薇,尹忠东,任智慧(华北电力大学电力系统保护与动态安全监控教育部重点实验室,北京102206) 摘要:介绍了变速恒频双馈风力发电系统的工作原理,分析了双馈型风机的运行性能,重点对采用双PWM 换流器结构的交流励磁系统进行了介绍,提出了一种矢量控制策略,对网侧和转子侧变换器采用不同的矢量控制,从而实现不同的控制目标。
并通过EM TDC/PSCAD 软件进行了建模仿真,仿真表明,采用介绍的控制策略,能实现风力发电系统的最大风能追踪及有功无功解耦控制,保证输出功率稳定,实现高功率因数并网运行。
关键词:变速恒频;风力发电系统;交流励磁;PWM 换流器;矢量控制;最大风能追踪中图分类号:TM614 文献标识码:AStudy on AC -excited Control System of VSCF Doubly -fedWind Pow er G eneration SystemBAO Wei ,YIN Zhong -dong ,REN Zhi -hui(Key L aboratory of Power S ystem Protection and Dynamic Security Monitoring and Control under Ministry of Education N orth China Electric Power University ,Bei jing 102206,China )Abstract :The operation principle of doubly -fed VSCF wind power generation system was analyzed ,it es 2pecially introduced the doubly -fed generator ′s AC -excited system based on a structure of dual PWM con 2verter ,presented a vector control strategy ,which adopted different vector control between the grid -side con 2verter and the rotor side converter ,in order to achieve various control goals.The simulation on EM TDC/PSCAD software shows that adopting this control strategy this article presented ,it is able to track the largest wind energy ,achieves the decoupling control of wind power system ′s active and reactive power ,ensures the stability of output power and operate on high power factor.K ey w ords :variable -speed constant -frequency ;wind power generation system ;AC excitation ;PWM con 2verter ;vector control ;tracking largest wind power 基金项目:“十一五”国家科技支撑项目(2008BAA14B05) 作者简介:鲍薇(1985-),女,研究生,Email :baowei_19850627@1 引言目前我国的风电场装机绝大多数是恒速恒频机组。
变速恒频双馈风力发电系统控制技术的探讨前言随着能源危机的日益加剧，可再生能源逐渐成为人们关注的热点。
风能作为最具潜力的可再生能源之一，引起了众多研究人员的关注。
近年来，变速恒频双馈风力发电系统控制技术成为研究热点之一，具有广阔的应用前景。
本文将对变速恒频双馈风力发电系统控制技术进行探讨。
双馈发电机和变频控制双馈发电机是目前风力发电机中最常使用的一类发电机。
传统的风力发电系统采用异步发电机作为发电机，随着风速的改变，输出电压、频率和电流也会跟随变化。
而采用双馈发电机后，输出电压和频率能够稳定控制在一个合适的范围内。
变频控制技术是指通过调整发电机输出电压和频率，使其与电网的电压和频率同步，从而实现电能的输送。
传统的电力系统一般采用恒频输电，这种方式下，不同的发电机必须调整其转速，以达到跟电网同步的效果，导致效率低下。
而采用变频控制技术，可以根据需要调整发电机的转速，使其在不同的风速下都能保持较高的效率。
变速控制技术变速控制技术是指通过改变风力发电机的转速，使其在不同的风速下都能保持较高的效率。
传统的风力发电系统中，往往采用固定转速的方式，无法灵活地调整转速以适应不同的风速。
而采用变速控制技术，则可以在不同的风速下，调整发电机的转速，以保证其输出的电量和质量。
曲线控制曲线控制技术是指通过调整双馈发电机的转速和输出电压，使其输出的电量和质量符合电网的要求。
传统的控制方法是基于刚性控制，不能灵活地调整发电机的参数。
而曲线控制技术，则可以根据电网的要求，调整发电机的控制参数，以保证其稳定地、高效率地运行。
软件控制技术软件控制技术是指通过计算机程序控制风力发电系统的运行。
传统的控制方式大多采用硬件控制，控制方式复杂、扩展性不强。
而采用软件控制技术，则能够通过计算机程序实现控制功能，提高系统的自动化程度。
结语变速恒频双馈风力发电系统控制技术是风力发电的研究热点之一，具有广阔的应用前景。
本文通过介绍双馈发电机和变频控制、变速控制、曲线控制、软件控制技术等方面，对其进行了探讨。
分类号：TM73 单位代码：10019密级：学号：S041132学位论文基于ATP的变速恒频双馈风力发电机PWM变频器控制系统研究Study of Variable Speed Constant Frequency Double-Fed Induction Generator and Control System of Power ConvertersBased on ATP研究生：于永良指导教师：叶林副教授合作指导教师：申请学位类别：工学硕士专业领域名称：电力系统及其自动化研究方向：风力发电所在学院：信息与电气工程学院2007年 11 月独 创 性 声 明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
研究生签名：时间：年月日关于论文使用授权的说明本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。
同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。
(保密的学位论文在解密后应遵守此协议)研究生签名：时间：年月日导师签名：时间：年月日摘 要风能是一种可再生的绿色能源。
在世界能源普遍紧张，环境污染日趋恶化的今天，风力发电已经越来越受到世界各国的普遍重视。
随着风力发电机组容量的不断增大，提高运行效率、最大程度地利用风能已经成为风力发电技术研究的重要内容。
建立与分析风力发电机及其控制系统的仿真模型，是风力发电机组实际系统软、硬件开发与现场安全运行维护的基础。
ATP是目前世界上广泛使用的电磁暂态分析和数字仿真系统软件，电力系统中各种复杂的电气网络或控制系统都可以使用ATP进行仿真。
年第期5风力发电用双PWM变频器仿真研究罗林1张桂怀2王振凯3（1.内蒙古工业大学电力学院，呼和浩特010051；2.内蒙古电力科学研究院，呼和浩特010020；3.哈尔滨工业大学航天学院，哈尔滨150001）摘要本文针对无刷双馈风力发电机，采用了一种新的三相电压源型双PWM 变频器控制方案，网侧采用d-q 模型的空间矢量脉冲宽度调制（SVPWM ），较好地实现了电压的跟踪和单位功率控制，转子侧采用电流滞环控制。
仿真表明，该双PWM 变频器网侧能够获得单位功率因数的正弦输入电流，稳定的直流输出电压，转子侧电流具有快速的动态响应；变频器能够实现能量的双向流动，仿真验证了控制策略的正确性和有效性。
关键词：双PWM 变频器；无刷双馈电机；仿真；风力发电Simulation Study of Dual PWM for Wind Power GenerationLuo Lin 1Zhang Guihuai 2W an g Zhenkai 3（1.Scho ol of Electric Power,Inn er Mongolia University of Technology,Hohhot 010051；2.Inner Mo golia Electric Power Research Institute,Hohh ot 010020；3.School of Astronautics,Harbin Institute of Tech nology,Harbin 150001）Ab str actThis p aper introduced a new three phase voltage source dual PWM control scheme forwind power system of brushless double-fed machine(BDFM).The d-q model based in the space vector pulse width modulation (SVPWM)was used to get a good performance of voltage ’s tracking and un ity po wer factor control of gird side.The hysteresisor current control was used for the motor side.The simulatio n results show that unity power factor current wave can be achieved ,the dc voltage is steady.Rotor-side Cu rrent has fast dynamic response,Power is able to bidirectly flow throu gh the dual PWM.Simulation results verify the availability and validity of the proposed contro l strateg y.Key wor d s ：fual PWM ；BDFM ；simulation ；wind power generation1引言近几年我国新能源产业发展很快，开发和利用可再生能源得到了高度的重视，特别是交流励磁变速恒频风力发电得到了迅速的发展。
・试验研究・变速恒频风机双PWM变换器协调控制策略研究许凌峰1,吕跃刚2,徐大平2(1.华北电网有限公司,北京100053;2.华北电力大学,北京102206)摘 要:为解决变速恒频风机运行中转子侧功率变化频繁,直流母线电压波动剧烈的问题,对双PW M变换器控制策略进行了研究。
结合双馈电机的特点,得出了母线负载电流的计算方法,并分析了负载电流前馈策略的不足。
提出了一种基于动态功率前馈的新型协调控制策略,特点在于选择控制电压节点作为前馈补偿点,避免了电流环的迟延,并且将双馈电机动态信息整合进入网侧变换器的控制当中。
最后建立双P WM励磁的风电机组模型进行仿真验证,结果表明新策略极大改善了直流母线动态特性,因此降低了对变换器中电解电容容量的要求,提高了机组的可靠性。
关键词:风力发电;变速恒频;双馈电机;双P WM变换器;协调控制中图分类号:T M614;T P273 文献标识码:A 文章编号:1003-9171(2008)01-0001-05Coordinated Control of Dual PWM Converters for Variable-speedConstant-frequency Wind GenerationXu Ling-f eng1,Lv Yue-gang2,Xu Da-ping2(1.Nort h China Power Grid Co.L td.,Beijing100053,China;2.N ort h China Elect ric Power U niversit y,Beijing102206,China)Abstract:A s rot or-side power changes f requently during variable-speed const ant-frequent(V SCF)wind generation operat ing,w hich causes dc-bus voltage fluctuat ion,t he dual PWM convert ers cont rol st rategy is bined w it h the doubly-fed induction generator(DFIG)characteristics,t he load current is obt ained.Based on analyzing of load current feed forw ard st rat egy,a novel coordinat ed control st rat egy is proposed,in w hich a feed-f orw ard compensation is inject ed at cont rol volt age node to avoid t he current cont rol loop delay,as well as the DFIG dynamic informat ion is f ully utilized by convert er control syst em. Finally,T he wind generation syst em model wit h dual PWM converters is established,simulation result indicat es t hat t he novel st rat eg y improved the dc-bus dynamic characterist ics.T herefore,t he elect rolytic capacit or capacit y can be reduced,w hich enhance the w ind generation system reliability eff ectively.Key words:w ind generation;V SCF;DFIG;dual PWM converters;coordinated cont rol0 引言随着社会环保意识的增强和一次能源的消耗危机,风能作为洁净可再生的“绿色能源”已成为各国关注的焦点。
变速恒频双馈风力发电系统仿真研究变速恒频风力发电双馈异步发电机双PWM型变换器1引言风力发电是利用风能的一种有效形式，受到了广泛的关注。
和常规风力发电系统相比，变速恒频双馈风力发电系统具有功率因数可调、效率高等优点，同时变换器连接在转子回路，仅处理双向流动的转差功率，不仅具有变换器体积小、重量轻、成本低的特点，更可实现机电系统的柔性连接。
本文采用DFIG功率控制来实现最大风能追踪的实施方案。
基于最大风能追踪的需要，将磁场定向矢量控制技术应用到DFIG运行控制上，形成了基于定子磁链定向的DFIG有功、无功功率解耦控制策略；采用双PWM型变换器作为转子的励磁电源，基于电网电压定向矢量控制技术，实现了网侧变换器交流侧单位功率因数控制和直流环节电压控制。
在建立双馈风力发电系统仿真模型基础上，对整个系统进行了仿真分析，验证了该方案的正确性和可行性。
2 变速恒频双馈风力发电机的运行原理双馈型异步发电机（DFIG）采用绕线转子感应发电机，定子直接接电网，在转子侧施加交流励磁来控制发电机的转矩。
由DFIG实现的交流励磁，可以通过调节励磁电流的幅值、频率和相位实现灵活的控制；改变转子励磁电流的频率，DFIG可以实现变速恒频控制；改变转子励磁电流的相位，可以调节有功功率和无功功率[1][2]。
本文采用双PWM变换器作为DFIG转子励磁电源系统，如图1所示。
两个三相电压源型PWM 全桥变换器采用直流链连接，靠中间的滤波电容稳定直流母线电压。
转子侧变换器向DFIG的转子绕组馈入所需的励磁电流，实现DFIG的矢量控制及输出解耦的有功功率和无功功率进而实现可逆运行。
网侧变换器在实现能量双向流的同时，控制着直流母线电压的稳定，以及对网侧的功率因数进行调节。
图1 变速恒频双馈风力发电系统框图3双馈异步发电机的数学模型为了实现双馈电机的高性能控制，采用磁链定向的矢量变换技术，通过坐标变换和磁链定向，将DFIG定子电流分解成相互解耦的有功分量和无功分量分别控制，从而实现有功功率和无功功率的解耦控制。
华中科技大学硕士学位论文双馈异步电机双PWM变流器控制的仿真研究姓名：***申请学位级别：硕士专业：水利水电工程指导教师：***2011-03华中科技大学硕士学位论文摘要双馈异步电机双PMW(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)变流器以两个完全对称的PWM变流器通过直流母线连接而成，其输出作为双馈异步电机转子的输入直接控制着双馈异步电机的运行状态，双馈异步电机运行控制的核心就是其变流器的控制。
鉴于此，本文对双馈异步电机双PWM变流器控制进行仿真研究。
本文首先分析了双PWM变流器的特点，阐述了双馈异步电机双PWM变流器的工作原理，然后建立了双PWM变流器在三相静止坐标系下的数学模型，再利用坐标变换理论，进一步建立了双PWM变流器在两相静止坐标系以及两相旋转坐标系下的数学模型。
依据建立的数学模型，在介绍了矢量控制原理的基础上，确定了网侧变流器电网电压定向的矢量控制策略，建立了网侧变流器的控制模型，并根据控制模型设计出了网侧变流器的控制框图。
然后，本文建立了双馈异步电机的数学模型，并以此为基础确定了机侧变流器定子磁链定向的矢量控制策略，建立了机侧变流器的控制模型，并据此设计出了机侧变流器的控制框图。
最后，本文根据设计的控制框图利用MATLAB/LIMULINK仿真软件建立了网侧变流器和机侧变流器的仿真模型，并在此基础上建立了双PWM变流器的仿真模型，利用仿真模型对前面建立的控制模型进行了仿真研究。
仿真结果显示网侧变流器控制和机侧变流器控制都达到了控制目标。
关键字：双馈异步电机；双PWM变流器；控制；仿真华中科技大学硕士学位论文AbstractThe dual-PMW converter which used in the Doubly-Fed Induction Generator is consisted of two fully symmetrical PWM converters; these two converters are connected through a DC bus. The output of the generator-side converter, which is the input of the rotor, directly controls the running of the Doubly-Fed Induction Generator. The dual-PMW converter control is the core of the Doubly-Fed Induction Generator running control. In view of this, the paper attempt to do some simulation research of the control of dual-PMW converter, which is used in the Doubly-Fed Induction Generator.Firstly, the characteristics of the dual-PWM converter were analyzed in this paper, and the work principle of the dual-PMW converter was elaborated. Then the paper established the mathematical model from three-phase static coordinate system of the Doubly-Fed Induction Generator.According to the coordinate transformation theory, the paper further established the mathematical model of the Doubly-Fed Induction Generator from the two-phase static coordinate system and the two-phase rotating coordinate system. Based on the mathematical model, after the introduction of the principle of vector control, the paper identified the power grid voltage vector orientation as the method of the control of grid-converter, then established the control model of the grid-side converter, and designed the control diagram of the grid-side converter. Next, the paper established the mathematical model of the Doubly-Fed Induction Generator. Based on the mathematical model, stator flux vector orientation was identified as the control fashion of generator-side converter, then control model was established and control diagram was designed, too.Finally, in use of the MATLAB/LIMULINK simulation software, according to the control diagram, the paper established the simulation model of the dual-PMW converter. In the light of the simulation model, the paper did a series of simulation studies. The simulation results showed that the control targets of the grid-side converter and the generator-side converter wear achieved successfully.Key words: DFIG; dual-PMW converter; control; simulation独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
基于双PWM控制永磁直驱风电变流器的研究风电/永磁直驱/变流器/双PWM风电/永磁1引言当前市场流行的变速恒频风力发电系统主要有两种：一种为双馈发电机加转子变流器定转子分别并网的双馈方式；另一种为永磁直驱发电机加全功率变流器并网方式。
前者发展时间比较长，技术相对成熟，但存在发电机控制复杂、后期维护工作量大、齿轮箱等部件易出故障、维修不方便等缺点。
后者具有控制简单、风能利用率高、利于电网安全稳定运行等优点，因此，它更能代表未来风电机组的发展方向[1][2]。
永磁直驱风电机组并网变流器在国内的研究还时间不长，本文对永磁直驱风电机组双PWM控制并网变流器的原理、拓扑结构、控制策略进行了研究，并进行搭建试验平台进行了相应的试验，达到了预定的效果。
2双PWM变流器系统拓扑原理[3][4]本文采用的永磁直驱双PWM风电变流器的拓扑结构如下：如图1所示，电机侧变流器采用三相IGBT桥，通过PWM控制实现整流，电网侧变流器也采用三相IGBT 桥，通过PWM控制实现逆变，两个变流器中间直流母线加电容器作为直流支撑，这一拓扑结构解决了采用二极管整流桥具有的非线性特性、导致整流器输入侧电流波形畸变的缺点，因此采用PWM整流技术，将频率和幅值变化的交流电整流成恒定直流。
此时PWM整流器可以同时实现整流和BOOST电路的升压作用。
图1 双PWM控制型变流器拓扑结构PWM整流器通过解耦控制，可以实现发电机的单位功率因数输出。
通过矢量控制技术来控制发电机在不同运行环境下，可以实现发电机最大转矩、最大效率、最小损耗控制。
可见整个发电系统控制方法灵活，可以有针对性地提高系统的运行特性。
3网侧变流器控制策略针对图2-1所示拓扑结构，网侧变流器数学模型[5]：(1)式中：id，iq为交流侧电流矢量的dq轴分量；ud，uq为交流侧电压矢量的dq轴分量；ed，eq为电网电压矢量的dq轴分量。
根据式(1)可以设计出双闭环的网侧变流器控制策略，如图2所示。
变速恒频风力发电系统中双PWM变换器容错控制近年来，随着风力发电技术的快速发展，变速恒频风力发电系统因其高效稳定的特点受到了广泛关注。
然而，在实际应用中，双PWM变换器在变速恒频风力发电系统中的容错控制问题一直存在。
本文将探讨双PWM变换器容错控制的方法和技术。
变速恒频风力发电系统中的双PWM变换器是实现风能转换为电能的关键部件之一。
它的主要作用是将风机产生的交流电能转换为稳定的直流电能供电网络使用。
然而，由于环境因素和设备故障等原因，双PWM变换器可能出现故障，导致系统无法正常运行。
因此，如何实现双PWM变换器的容错控制成为了研究的重点。
双PWM变换器的容错控制主要包括故障检测、故障诊断和故障恢复三个方面。
首先，对于故障检测，可以通过监测双PWM变换器的输出电压和电流来判断其是否正常工作。
当检测到异常情况时，系统应及时采取相应的措施进行处理。
其次，故障诊断是指通过故障检测结果来确定故障的具体原因和位置。
这需要对双PWM变换器的工作原理和结构进行深入研究，以便准确判断故障的类型和程度。
最后，故障恢复是指在发现故障后，通过调整控制策略或更换故障部件等方式来恢复双PWM变换器的正常工作状态。
针对双PWM变换器容错控制的问题，研究者们提出了多种解决方案。
例如，可以采用双PWM变换器的冗余设计，即增加备用的双PWM变换器来实现容错功能。
在故障检测时，可以通过比较备用双PWM变换器的输出与主要双PWM变换器的输出来判断主要变换器是否故障。
在故障恢复时，可以将备用双PWM变换器接管主要双PWM变换器的工作，以确保系统的正常运行。
另外，还可以采用软件容错技术来实现双PWM变换器的容错控制。
通过对双PWM变换器的控制算法进行改进和优化，可以提高系统的容错性能。
例如，可以设计一种自适应控制算法，使系统能够根据故障的类型和程度自动调整控制策略，以实现故障的快速诊断和恢复。
综上所述，双PWM变换器容错控制是变速恒频风力发电系统中的重要问题。
变速恒频双馈风力发电机的运行控制特性的仿真与实验研究的开题报告一、研究背景及意义随着清洁能源的发展以及环保意识的提高，风力发电已经成为常见的一种发电方式。
而风力发电机则是风力发电中最重要的设备之一。
现有的风力发电机主要有齿轮传动式和直驱式两种，其中直驱式风力发电机因其转速较低，功率因数高等特点受到了广泛的关注和应用。
其中，变速恒频双馈风力发电机则是直驱式风力发电机的一种。
变速恒频双馈风力发电机是近年来风力发电机领域的一个热门研究方向。
这种风力发电机具有控制方便、效率高、转速范围大等优势，同时还能够有效地解决风能资源波动及电气网络质量等问题。
因此，对于该风力发电机的运行控制特性进行研究具有重要的理论和实际应用价值。
二、研究内容本研究主要对变速恒频双馈风力发电机的运行控制特性进行研究，包括以下内容：1. 建立变速恒频双馈风力发电机的模型，并进行仿真测试。
2. 分析变速恒频双馈风力发电机的控制特性，设计控制系统模型。
3. 对模型进行实验验证，验证模型控制效果并对实验结果进行分析。
三、研究方法本研究采用建立数学模型与控制系统模型相结合的方法，通过仿真测试和实验验证来分析变速恒频双馈风力发电机的运行控制特性。
具体来说，本研究将采用如下方法进行研究：1. 建立变速恒频双馈风力发电机的数学模型，包括机电特性、电气特性和控制特性等方面的建模。
2. 对模型进行仿真测试，通过Matlab等仿真软件，对模型进行测试和分析。
3. 根据仿真结果设计变速恒频双馈风力发电机的控制系统，包括矢量控制、MPPT控制、齿轮箱预测控制等方面的设计。
4. 运用Labview等实验平台对设计的控制系统进行实验验证并对实验结果进行分析。
四、预期目标及意义本研究旨在通过对变速恒频双馈风力发电机的运行控制特性进行深入研究，达到以下目标：1. 建立变速恒频双馈风力发电机的数学模型，揭示其机电特性、电气特性和控制特性等方面的规律。
2. 给出变速恒频双馈风力发电机的控制方案，包括矢量控制、MPPT控制、齿轮箱预测控制等方面的设计。
交流励磁变速恒频风力发电系统中双PWM换流器的一体化控制的开题报告一、研究背景与意义随着全球能源危机的加剧，新能源在全球范围内得到了迅速的发展和普及。
风力发电作为一种可再生、环保的新能源，具有巨大的发展潜力。
然而，风力发电系统中，由于风速的不稳定性和突变性，导致风力发电系统中输出电压和频率的稳定性无法得到保证，同时也会出现谐波干扰等问题，影响电力系统的稳定运行和发电功率的质量。
因此，研究风力发电系统中的优化控制策略，提高风力发电系统的可靠性和经济性成为了当前研究的重点。
目前，针对交流励磁变速恒频风力发电系统中的优化控制问题，研究者们大多关注于双馈风力发电系统中的控制算法设计，而双PWM换流器在风力发电系统中的应用并未得到广泛研究。
双PWM换流器能够实现风力发电机的六段式多电平电压输出，并且可以有效地控制输出电流和电压的质量，降低波形失真和谐波干扰，提高整个交流励磁变速恒频风力发电系统的效率和稳定性。
因此，本研究将基于双PWM换流器，对交流励磁变速恒频风力发电系统进行优化控制策略的研究。
二、研究内容及方法本研究将针对交流励磁变速恒频风力发电系统中的双PWM换流器的一体化控制问题进行研究。
主要研究内容如下：1.基于双PWM换流器的风力发电系统建模；2.分析双PWM换流器在风力发电系统中的工作原理和特点，揭示其优化控制策略的必要性；3.设计并实现针对双PWM换流器的一体化控制策略，包括电流控制和电压控制；4.在Matlab/Simulink仿真环境中，验证基于双PWM换流器的一体化控制策略的有效性和优越性；5.在实际风力发电系统中，采用硬件实验平台对所设计的控制策略进行验证。
本研究将采用理论分析与仿真验证相结合的方法，对双PWM换流器在风力发电系统中的优化控制策略进行全面研究。
三、研究目标本研究的主要目标为：1.以双PWM换流器为核心，建立风力发电系统的控制系统，优化发电效率和功率质量；2.验证双PWM换流器一体化控制策略在风力发电系统中的有效性和优越性；3.实现风力发电系统的稳定运行，提高系统的经济性和可靠性。
变速恒频双馈风力发电系统控制技术的探讨一、引言风力发电系统是一种可再生能源装置，其性质使其成为替代传统能源源的一个重要选择。
风力发电系统使用叶片接收风能，驱动发电机产生电力，为环境保护和可持续发展做出了积极贡献。
然而，由于风资源的不稳定性和不可预测性，风力发电系统的设计和控制面临着许多挑战。
本文将探讨变速恒频双馈风力发电系统控制技术的相关问题。
二、变速恒频双馈风力发电系统的基本原理变速恒频双馈风力发电系统是目前最常用的风力发电系统。
它由风能转换装置、变频控制装置和电网接口装置三部分组成。
其中，风能转换装置包括风轮、轴承、塔架、叶轮等部件，负责将风能转化为转动机械能；变频控制装置包括变频器、双馈异步发电机等部件，使发电机输出的电压和频率与电网匹配；电网接口装置包括变压器、保护装置、电缆等部分，将发电机输出的电能接入到电网中。
基本工作原理是：风轮和叶轮通过系泊装置固定在预定空中高度上，利用旋转的叶片捕捉风能，驱动发电机产生电能，经过变频器进行升压、逆变处理后接入电网。
同时，变频器可以根据风速的变化控制电机的转速，从而保持电机的输出功率不变。
由于双馈异步发电机有较好的抗干扰性能和相同功率下体积小、重量轻的特点，因此越来越多的风电塔采用双馈异步发电机。
三、变速恒频双馈风力发电系统控制技术的研究1. 变频控制技术变频控制技术是风力发电系统中最核心的技术之一，它直接决定了风力发电机的效率和质量。
变频控制技术是采用电流、电压和功率等参数作为控制对象，采用PWM模式以及单闭环、双闭环控制等方式进行控制。
通过对这些参数的调整，可以有效提高风力发电机的电功率输出、转速、功率因数等参数，使发电机具有更好的发电效率。
2. 变速控制技术变速控制技术是另一种常用的风力发电系统控制方法。
通过控制电机的旋转速度，可以实现不同风速下的最佳发电功率。
同时，变速控制技术还可以提高发电机的风能利用效率，增加电机的寿命，减少发电机的损耗和维护成本。
基金项目:天津市重点科技攻关项目(10ZCECJD43080);天津市自然科学基金(09JCZDJC23900,10JCZDJC23100)定稿日期:2011-06-21作者简介:李斌(1985-),男,湖北京山人,硕士研究生,研究方向为风力发电智能控制。
1引言风能是一种清洁可再生能源,近年来风力发电得到了迅速发展。
据估计,到2020年风力发电可满足世界12%的电力需求[1]。
在风能发电应用中,变速恒频发电系统是当今世界风力发电技术的主要方向,相关的研究涉及桨距控制、建模与仿真[2]以及并网发电的稳定性等,但主要还是研究其矢量控制策略,从而实现对风能的最大捕获。
在变速恒频风力发电中,由于风能的不稳定性和捕获最大风能的要求,发电机转速在不断的变化,这就要求转子交流励磁电源不仅要有良好的变频输入、输出特性,而且要有能量双向流动的能力。
在目前电力电子技术条件下,可采用IGBT 器件构成的PWM ⁃PWM 变频器作为其励磁电源[3]。
为实现风力机组的最大能量的追踪和捕获,满足电网对输入电力的要求,风力发电机必须变速恒频运行;为控制发电机转速和输出的功率因数,必须对发电机有功功率、无功功率进行解耦控制[4]。
这里在考虑最大风能捕获的基础上,提出一种双PWM 变频器解耦控制策略。
2变速恒频双馈风力发电系统双馈感应发电机(DFIG )采用绕线式转子感应发电机,定子直接接入电网,在转子侧施加交流励变速恒频风电系统双PWM 解耦控制仿真研究李斌1,赵辉1,2,刘俊杰1,韩学3(1.天津理工大学,天津市复杂控制理论与应用重点实验室,天津300384;2.天津农学院,天津300380;3.河北沧州供电公司,河北沧州061000)摘要:讨论了随机性风速下,非线性变速恒频双馈风力发电系统最大风能捕获控制问题。
分析了满足双馈电机能量双向流动的双脉宽调制(PWM )变换器及其数学模型,此处采用双PWM 变频器解耦控制策略,转子侧变频器采用定子磁链定向的双闭环控制策略,电流环实现定子无功功率的调节,转速环实现最大风能捕获;网侧变频器采用电网电压定向控制策略,保持直流母线电压稳定。
基于Matlab/Simulink 软件平台,构建了15kW 风力发电系统完整的仿真模型。
利用该模型对风电系统的最大风能追踪控制进行了详细的仿真研究,验证了理论及仿真分析的正确性。
关键词:双馈风力发电机;变频器;解耦控制中图分类号:TM315文献标识码:A文章编号:1000-100X (2011)10-0117-03The Simulation Research of Variable Speed Wind TurbineDouble 鄄PWM Inverter Decoupling ControlLI Bin 1,ZHAO Hui 1,2,LIU Jun ⁃jie 1,HAN Xue 3(1.Tianjin Key Laboratory for Control Theory and Applications in Complicated System ,Tianjin 300384,China )Abstract :A maximum wind capture control system of the nonlinear variable ⁃speed constant ⁃frequency doubly ⁃fed wind power generation is discussed under the stochastic wind speed.To meet the two ⁃way flow energy of double ⁃fed genera ⁃tion ,a pulse width modulation (PWM )inverter and its mathematical model are analyzed.Decoupling control strategy isused while rotor side inverter using stator flux oriented control of dual ⁃loop.The current loop is to achieve regulation of the stator reactive power and the speed loop is to realize for maximum wind work side of the inverter uses the grid voltage oriented control strategy to maintain DC voltage.A completed system of 15kW wind turbine simulation model is built based on Matlab/Simulink software simulation platform.The Simulation results verifies the correctness of theoretical.Keywords :doubly ⁃fed induction generator ;inverter ;decoupled control Foundation Project :Supported by Key Scientific and Technological Project in Tianjin (No.10ZCECJD43080);Tianjin Natural Science Foundation (No.09JCZDJC23900,No.10JCZDJC23100)117磁来控制发电机转矩。
调节励磁电流的幅值、频率、相序,确保发电机输出功率恒压。
调节有功功率可调节风力机转速,进而实现最大风能捕获追踪控制;调节无功功率可调节电网功率因数,提高风电机组及所并电网系统的动、静态动行稳定性[5]。
图1示出变速恒频交流励磁双馈风电系统。
根据贝兹理论,风力机的功率与风速v 的三次方成正比,即P =0.5C p ρπR 2v 3,其中,C p 为风能利用系数,ρ为空气密度,R 为风轮半径,πR 2为风轮旋转一周所扫过的面积。
由上式可知,在v 一定的情况下,P 取决于C p ,而C p 是叶尖速比λ和桨距角β的非线性函数,即:C p =0.5176(116/λ-0.4β-5)e -21/λ+0.0068λ1/λ=1/(λ+0.08β)-0.035/(β3+1){(1)式中:λ=ωR /v ,ω为风轮角速度。
在定桨距(β=0)时,C p 大小取决于λ。
仅在λ为某一特定值,即最佳叶尖速比λopt 时,C p 达到最大值C pmax ;对于同一λ值,当β发生变化时,C p 所能达到的峰值不同,对应的函数曲线也各不相同。
当λ偏离最佳叶尖速比,C p 就会减小,风能利用率降低。
根据贝兹理论,C p 的极限值约为0.593。
3双脉宽调制变频器解耦控制策略3.1双馈风力发电机模型DFIG 转子绕组中,有2个频率均为转差频率的电源,一个是转子绕组的感应电动势,另一个是转子绕组的外加励磁电源。
不考虑电网电压的动态变化即假定电网电压及定子磁链恒定。
采用定子电压定向矢量控制方案,即同步旋转坐标系的d 轴定向于定子电压矢量u s 。
此时可得DFIG 的磁链方程和电压方程[6]:Ψd s =L s i d s -L m i d r ,Ψq s =L s i q s -L m i q r =0u d s =0,u q s =-ωl Ψd s =-u s u d r =R r i d r +a 1d i d r /d t -a 1ωs i q r u q r =R r i q r +a 1d i q r /d t +a 1ωs i d r -a 2Ψs ωs ⎧⎩⏐⏐⎨⏐⏐(2)式中:u d s ,u q s ,u d r ,u q r 分别为定、转子电压的d ,q 轴分量;i d s ,i q s ,i d r ,i q r 分别为定、转子电流的d ,q 轴分量;ωs 为d ,q 坐标系中相对于转子的电角速度,ωs =ωl -ωr ,ωl 为转差角频率;a 1=(L r -L m 2)/L s ;a 2=-L m /L s ;L s ,L r ,L m 分别为d ,q 坐标系中定、转子绕组自感及转子绕组互感。
转矩方程为:T e =1.5n p a 2Ψs i q r (3)式中:n p 为电机极对数。
3.2转子侧变频器模型DFIG 定子绕组直接接在无穷大电网上,可近似地认为定子电压幅值、频率都是恒定的,所以DFIG 一般采用定子磁链定向控制策略,转子侧变换器的功率解耦主要通过d ,q 坐标变换来实现。
由DFIG 电压方程和磁链方程可知:u d r =▽u d r +Δu d r ,u q r =▽u q r +Δu q r(4)式中:▽u d r ,▽u q r 为实现转子电压解耦控制的解耦项,▽u d r =(R r +a 1p )i d r ,▽u q r =(R r +a 1p )i q r ;Δu d r ,Δu q r 为消除转子电压交叉耦合的前馈电压补偿量,Δu d r =-a 1ωs i q r ,Δu q r =a 2ωs Ψs +a 1ωs i d r 。
转子侧解耦控制结构如图2所示。
在定子磁链定向矢量控制策略下:P =-1.5u s i q s ,Q =-1.5u s i d s (5)内环为转子电流控制环,它由i d r ,i q r 这2个控制通道组成,电流误差经调节后输出电压控制量,叠加Δu d r ,Δu q r ,即可得同步旋转坐标系中的转子电压控制量,再经坐标变换得到双馈电机转子电压控制指令u αr *和u βr *,经SVPWM 后产生所需的励磁电压及电流。
外环为转速控制环,根据当前风速计算出对应风力机λopt 的转速值作为转速环的给定,与电机转速反馈值比较后的差值送入转速控制器,输出为转子q 轴电流给定值。
d 轴电流的给定值i d r *可根据电网对风电系统的无功要求算出。
3.3网侧变频器模型网侧变换器的控制采用d ,q 坐标变换,将同步旋转d ,q 坐标系d 轴定向于u s 方向上,实现相应的功率解耦,由此可推导出:u d ′=-u d +ωLi q +u g d ,u q ′=-u q -ωLi d +u g q (6)而u d ′,u q ′又可表示为:u d ′=L d i d /d t +Ri d ,u q ′=L d i q /d t +Ri q (7)图1双馈电机风力发电系统结构图2双馈发电机转子侧变换器矢量控制结构u abcr ,i abcr 分别为定子侧三相电压和电流;θs ,θr 分别为定子磁链相角、转子相角;ωr *和i d r *表示对应变量的给定值。
