廖恩荣;唐志伟
【摘 要】This paper describes the principle of the variable speed and constant frequency and the strategies of the grid side and rotor side converters in the doubly-fed induction generator and puts porward the amplitude frequency control strafegy.In this conrtol scheme the angle measarement is not needed.It is defferentiated from the rtaditional Ac excitation synehronization generator.The simulation resurts show the dffectiveness of this strafegy.%叙述了双馈发电机变速恒频原理及电网侧和转子侧变频器矢量控制策略.与传统的同步发电机直流励磁不同,提出了一种无需转子位置编码器信号的幅度频率控制策略,仿真验证了幅度频率控制策略的有效性. 【期刊名称】《机械制造与自动化》
【年(卷),期】2013(042)004
【总页数】6页(P190-195)
【关键词】风电;双馈发电机;交流励磁;幅度频率控制
【作 者】廖恩荣;唐志伟
【作者单位】南京高精传动设备集团有限公司,江苏南京211151;嘉兴电力局,浙江嘉兴314000
电弧发生器【正文语种】中 文
【中图分类】TM34
0 引言
风力发电在国内外发展迅速［1］。变速恒频双馈（doubly fed induction generator DFIG）风力发电是风力发电的主流类型之一，与传统的同步发电机直流励磁不同，DFIG实行交流励磁，可调量有三个:励磁电流幅值、励磁电流频率、励磁电流相位。通过改变励磁电流频率，双馈电机可以调节转速，从而实现变速恒频运行;通过调节励磁电流的幅值和相位，可达到调节有功功率和无功功率的目的。与同步发电机相比，控制量多了两个，控制上更加灵活，但控制也更加复杂［2-4］。
双馈发电机的控制策略取得了很多成果，应用最广的控制策略是矢量控制策略（vector control）［5］，矢量控制实现了电动机有功和无功功率的解耦控制，动态性能好，但控制策略比较复杂且需要精确的定子磁链和转子位置角。直接功率控制（direct power control）［6-7］利用直接转矩控制的思路，将电力电子变流器和电机合并，通过开关矢量直接控制电机的有功和无功功率，简化了控制策略的设计，但由于其开关频率不固定增加了滤波器设计的难度。转子磁链幅值和角度控制（flux magnitude and angle control）［8-12］通过转子磁链的角度和幅值来控制定子的有功和无功功率，但控制复杂。 麦饭石床垫通过对电压电流等易测量的磁链观测估计转速和转子位置信号的无速度传感器方法［13-14］，一方面增加了控制系统的复杂性，另一方面其估计精度受参数变化、运行状态的影响。
本文从双馈电机的原理出发，简要叙述了电网侧和转子侧变频器矢量控制策略;为了避免转子位置编码器的影响，提出了无需测量转子位置信号的幅度频率控制策略;仿真验证了幅度频率控制策略的有效性，提高了系统的可靠性。电子鱼竿
1 双馈风力发电机原理
图1 不同风速下风力机的输出机械功率特性曲线
对于一台确定的风力机，在风速和桨叶节距角一定时，总存在一个最佳叶尖速比对应着一个最大的风能转换系数，此时风力机的能量转换效率最高。图1为不同风速下风力机的输出机械功率特性曲线，从图1中看出，对于一个特定的风速，风力机只有运行在一个特定的机械角速度下，风力机才会获得最大的能量转换效率［15］。因此，变速风电机组才能捕获最大风能，提高发电效率。
双馈风力发电机组的结构示意图如图2所示，DFIG的转子经变流器与电网相连，利用交流转子励磁和DFIG配合实现变速恒频。青果素
图2 双馈风力发电机结构示意图
变速恒频原理如式（1）所示:
式（1）中，fm，fr，fs分别代表转子转速、转子电流和定子电流的频率，Np表示双馈电机的极对数。当双馈风机发电机运行时，风力机带动转子以fm的频率旋转，形成电角频率为Npfm的旋转磁场，由于转子励磁电流矢量的频率为fr，气隙中感应出与定子电流同频率的
合成磁场，频率由式（1）表示。因此双馈电机实现了变速恒频［16］。
将转子侧的各个物理量折合到定子侧，通过Park变换将abc坐标系下的异步电机方程变换到一般的dq旋转坐标系可以推导出双馈电机的电压和磁链方程分别如式（2）和式（3）所示（定子侧按发电机惯例，转子侧按电动机惯例）［16］。
平移电动天窗转矩方程可以表示成:
转子运动方程可以表示成:
式（2）到式（6）中，uds，uqs为定子电压的 d，q轴分量，ud r，uq r为转子电压的 d，q 轴分量，Ids，Iqs为定子电流的 d，q轴分量，Id r，Iq r为转子电流的 d，q 轴分量，ψds，ψqs为定子磁链的 d，q 轴分量，ψd r，ψq r为转子磁链的 d，q 轴分量，rs，rr，Ls，Lr为定、转子的电阻、电感，Lm为互感，ωs，ωr，ωm为定子磁链、转子电流、转子旋转的角速度，Tm，Tem为机械转矩、电磁转矩，P为微分算子，J，D为转动惯量、摩擦系数。取ωs等于定子旋转磁场的角速度，这样dq坐标系就变成了同步旋转坐标系，ABC坐标系下的正弦量对应于dq坐标系下的直流量。
2 双馈电机电网侧变流器控制
网侧变流器是一个电压源型PWM整流器，控制变流器直流母线电压，且功率因数可调，实现功率的双向流动。其矢量控制框图如图3所示［4］。
图3 网侧变流器矢量控制策略框图
图3中，id g，iq g为网侧变流器电流的d，q轴分量，Lg为网侧变流器电感，udc为网侧变流器直流电压，us为网侧变流器交流电压d轴分量，ωs为网侧变流器交流电压频率，Qg为电网侧变流器的无功功率，θs为电网电压位置角。dq轴电压通过dq→ABC变换之后得到PWM整流器输出的三相电压。
3 双馈电机转子侧变流器控制
双馈电机并网时，转子侧变流器控制目标为控制定子的有功和无功功率，双馈电机定子的有功功率Ps和无功功率Qs可以表示成:
按照定子磁链定向的方式，忽略定子磁链的暂态和定子电阻，将d轴固定在定子磁链矢量的轴线ψs上，于是ψds=ψs，ψqs=0，代入式（2）的前两式可以得到:
空调连接管
将式（7）代入式（6）可以得到
再将磁链定向结果代入式（3）可以得到
将式（9）代入式（8）可以得到:
从式（10）可以看出，如果定子磁链和频率保持不变，按照定子磁链定向之后，定子的有功功率和转子q轴电流成正比，定子的无功功率和转子d轴电流成正比。
控制策略框图如图4所示:其中表示双馈电机的漏磁系数。θr，θs r为转子磁链角度、转差角度。
图4 双馈电机并网后矢量控制策略框图
4 同步化双馈电机
4.1 同步化的双馈电机数学模型
虽然双馈电机工作在异步状态下，但是其转子励磁磁场的旋转速度和定子磁场的旋转速度
相等，具有和同步电机类似的控制特性［17-18］。双馈电机的功角δ为q轴暂态内电势矢量和定子电压Us之间的夹角，双馈电机的有功和无功表达式可以写成:
式（11）中X`s为定子暂态电抗。可以看出，如果将d轴放在转子合成磁势的轴线上，经过整理后，双馈电机具有和同步电机类似的有功和无功表达式。也就是说，从q轴暂态内电势的角度来看，双馈电机和隐极同步电机等效。
省略定子磁链动态过程的同步化双馈电机三阶方程为式（12）:其中 Xs为定子电抗，Edf、Eq f为折合到定子侧的转子dq轴励磁电压，T=表示转子回路的时r0间常数:
此外还有两个定子电压方程和一个附加的转子电压方程:
式（13）中s为转差率，Tr0为 双馈电机在同步点运行时，有约束条件 Npωm=ωs，ωr=0。将约束条件代入式（12），同步化双馈电机三阶方程就变成了同步电动机的三阶方程［8，15］。
4.2 双馈电机与同步电机的比较
通过上面的分析可以看到，双馈电机和同步电机有相似的地方也有不同之处，归纳如下:
a）相同点:
1）从q轴暂态内电势的角度来看，双馈电机和隐极同步电机等效;
2）都可以通过励磁控制来调节定子输出的无功功率。
b）不同点:
1）励磁调节:同步电机的励磁电压为直流，只有其幅值可以调节;但双馈电机的励磁电压为交流，有电压幅值、频率和相位三个可调量，控制更加灵活;
