基于MATLAB仿真分析的风电系统双馈电机矢量控制研究

引言

近年来,由于世界各国日益重视发展新的可再生能源,风力发电技术得到快速发展。由于双馈电机风电机组具有功率变换器容量低,其定子侧输出功率因数可调,同时还可以补偿电网扰动等优点,逐渐成为近年来各国风电机组制造厂家争相开发研制的主流风电机组。

图1为双馈感应发电机(后文简称为双馈电机）风电机组原理图,变换器为交-直-交电压源型功率变换器,DFIG即为双馈感应发电机。

1双馈电机矢量控制方案

对于双馈调速而言,在矢量控制理论出现以前,只有一些简单的控制方案,不能充分发挥双馈调速的优点。采用矢量控制后,可以独立调节有功功率和无功功率,系统的动、静态性能优越,因此双馈电机矢量控制方案的应用日益广泛。

1.1磁场定向的数学模型

双馈电机在同步速d-g坐标系统的电压方程如下:

式中,下标s代表定子有关变量:下标r代表转子有关变量:下标d、g分别代表d轴分量与g轴分量。

其转矩方程为:

式中,P代表电机极数。

1.2双馈电机矢量控制数学模型

假设式(1）中的状态变量为定子磁通和转子电流,则有下式:

定义滑差角速度os=o1-or,并把d轴定位在定子磁链方向上,即有定子磁链ws=wds,则wgs=0,系统状态方程如下:

因此,转距方程可简化为:

根据式(6）,在采用定子磁场定向时,转距的大小与定子磁链的幅值和转子电流g轴分量有关,如果定子磁链幅值稳定,可以说转矩仅由igr控制,可以定义igr为转子电流力矩分量,同时定义idr为转子电流励磁分量。

1.3定子侧无功功率调节

定子瞬时无功功率表达式为:

将式(3）、式(4）代入式(7）,同时考虑到定子磁链幅值恒定时,定子磁链的导数项为0,即可得到

式(8）表明在定子磁链幅值恒定的情况下,定子侧无功功率大小仅取决于idr。

2转子电流解耦控制

转子电流d,g分量由转子电压d,g分量分别控制,但idr,igr存在严重的交叉耦合项,这些耦合干扰了转子电压对转子电流的控制,可以看成是系统的扰动。由转子电流和定子磁链

内部变量计算出扰动补偿量:

式(10）表明加入补偿扰动后,uEQ \* jc3 \* hps10 \o\al(\s\up 3(r,uEQ \* jc3 \* hps10 \o\al(\s\up 3(r均实现了转子电流d,g轴解耦控制。同时,电压对电流的方程为简单的一阶惯性环节,因此得到了很好的电流控制特性。

3仿真参数及结果分析

双馈电机风力发电系统是大型的电控系统,为降低成本,在实际工程硬件系统尚未完成之前,通常利用MATLAB软件中的SIMULINK仿真工具对系统进行仿真分析,以验证理论研究的正确性及可行性。本系统仿真参数设置为:最大步长0.001,最小步长0.0005,初始步长0.0005。仿真结果如图2所示。

图2所示为双馈电机在风速"=8m/s,速调比例增益为13,积分增益为13,流调积分增益为1,O*s=300Var时的定子侧有功功率和无功功率波型。

4结语

仿真实验结果验证了文中提出的双馈电机风力发电系统控制策略的正确性,对实际系统的软硬件开发和调试运行具有指导意义。但需要说明的是,本文所做的仿真分析是建立在诸多理想假设基础上的,实际系统要复杂得多。在设计实际控制系统时,除了考虑励磁电源和双馈电机的匹配问题,还应考虑风轮、齿轮箱、励磁系统和双馈电机的机械及电气损耗,以及系统实际运行工况(包括地理及气候条件等）,这样才能使系统在实际生产中发挥最大效能。