第26卷第23期 中国电机工程学报 Vol.26 No.23 Dec.2006 2006年12月 Proceedings of the CSEE 2006 Chin.Soc.for Elec.Eng. 文章编号：0258-8013(2006)23-0109-06 中图分类号：TM310 文献标识码：A 学科分类号：47040 并网型交流励磁变速恒频风力发电系统控制研究 刘其辉，贺益康2，张建华1 (1.电力系统保护与动态安全监控教育部重点实验室（华北电力大学），北京市昌平区102206； 2.浙江大学电气工程学院，浙江省杭州市310027) Investigation of Control for AC-exited VSCF Wind Power Generation System Connected to Grid LIU Qi-hui',HE Yi-kang2,ZHANG Jian-hua' (1.Key Laboratory of Power System Protection and Dynamic Security Monitoring and Control under Ministry of Education (North China Electric Power University),Changping District,Beijing 102206,China; 2.College of Electrical Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027.Zhejiang Province.China) ABSTRACT:There are different operation areas of AC- 馈异步发电机数学模型的基础上，将磁场定向矢量控制技术 excited VSCF(variable-speed constant-frequency)wind power 应用于发电机控制，探讨了基于定子磁链定向矢量控制的并 generation system connected to grid,of which the 网型交流励磁变速恒频风力发电系统功率解耦控制策略和 corresponding control modes are also different.By discussing 并网控制策略。构建了1台10kW的实验机组，对并网控制 the operation areas,the paper pointed out that grid-connection 和功率解耦控制进行了完整的稳态、动态实验研究。实验结 control and decoupled power control were important control 果表明，风力发电机控制性能优良，不但可在变速情况下可 modes of the generator.Based on analysis of the mathematic 靠并网，而且并网后还能在变速恒频运行的基础上实现有功 model of DFIG field-oriented vector control technique was 功率、无功功率的解耦控制。 transplanted into DFIG control.Later,the strategies of 关键词：交流励磁：变速恒频：风力发电：磁场定向矢量控 decoupled power control and grid-connection control were 制；并网 discussed independently.These strategies are all based on 0引言 stator flux linkage oriented vector control method.Furthermore. a 10kW experimental set was built,on which the steady and 变速恒频(variable speed constant frequency, dynamic experimental research of grid-connection control and VSCF)风力发电是20世纪末发展起来的新型风能 decoupled power control was conducted.The experimental 开发技术，具有运行效率高、机组磨损小、电能质 results show that DFIG not only can be connected to grid safely 量佳等诸多优点1，对开发绿色能源、解决能源危 at variable speed,but also can achieve decoupled control of 机具有重要的意义4。 active power and reactive power on the basis of VSCF 变速恒频风力发电有多种方案，其中采用双馈 operation after grid-connection 异步发电机(doubly-fed induction generator,DFIG) KEY WORDS:alternating current-excitation;variable-speed 的并网型交流励磁变速恒频(AC-exited variable- constant-frequency:wind power generation;field-oriented speed constant--frequency,AEVSCF)风力发电系统是 vector control;grid-connection 最具优势的方案之一I6。在该方案中，DFIG定子 摘要：并网型交流励磁变速恒频风力发电系统存在不同的运 接入电网，转子由电力变换器提供励磁，通过变换 行区域，各运行区域对应的控制方式有所不同。文中讨论了 器可改变转子电流的频率、幅值和相位，实施“交 并网型交流励磁变速恒频风力发电系统的运行区域，指出并 流励磁”。通过转子励磁控制，不但可实现变速恒 网控制和功率解耦控制是发电机重要的控制模式。在讨论双 频运行，而且还能实现输出有功、无功功率的解 基金项目：国家863高技术基金项月(2001AA512023)。 耦-2。另外，转子施加交流励磁的DFIG与电网之 Supported by the National High Technology Research and 间构成了“柔性连接”，可在变速情况下顺利并 Development of China(863 Programme)(2001AA512023). 网。 C 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
第 卷 第 期 年 月 中 国 电 机 工 程 学 报 〕 。 文章编号 一 一 一 中图分类号 文献标识码 学科分类号 并网型交流励磁变速恒频风力发电系统控制研究 刘其辉 ‘, 贺益康 , 张建华 ‘ 电力 系统保护 与动 态安全监控教育部重点 实验室 华北 电 力 大学 , 北京市 昌平 区 浙江大学电气工程 学院 , 浙江省 杭州市 一 川 一加 ’, 现 矶 一 , 一 ’ 〕 , , , , 血 , , 】 , 一 一 , , 一 一叭 , 一 〕 , , 一 , 一 一 一 一 一 一 摘要 并网型交流励磁变速恒频风力发电系统存在不 同的运 行区域 , 各运行区域对应的控制方式有所不 同 。 文中讨论了 并网型交流励磁变速恒频风力发 电系统的运行区域 , 指 出并 网控制和功率解祸控制是发 电机重要的控制模式 。 在讨论双 基金项 目 国家 高技术基金项 目 。 馈异步发 电机数学模型 的基础上 , 将磁场定 向矢量控制技术 应用于发 电机控制 , 探讨了基于定子磁链定 向矢量控制的并 网型交流励磁变速恒频风力发 电系统功率解藕控制策略和 并网控制策略 。 构建了 台 的实验机组 , 对并网控制 和功率解藕控制进行 了完整的稳态 、 动态实验研究 。 实验结 果表明 , 风力发电机控制性能优 良 , 不但可在变速情况下可 靠并网 , 而 且并网后还能在变速恒频运行的基础上实现有功 功率 、 无功功率的解祸控制 。 关键词 交流励磁 变速恒频 风力发电 磁场定 向矢量控 制 并网 引言 变速恒频 丽 明 , 风力发 电是 世纪末发展起来的新型风能 开发技术 , 具有运行效率高 、 机组磨损小 、 电能质 量佳等诸 多优点 ’ 一 , 对开发绿色能源 、 解决能源危 机具有重要 的意义阵 。 变速恒频风力发 电有多种方案 , 其中采用双馈 异步发 电机 一云。 , 的并 网型交流励磁变速恒频 一 一 , , 风力发 电系统是 最具优势的方案之一卜 、 在该方案中 , 定子 接入 电网 , 转子 由电力变换器提供励磁 , 通过变换 器可改变转子 电流的频率 、 幅值和相位 , 实施 “ 交 流励磁 ” 。 通过转子励磁控制 , 不但 可实现变速恒 频运行 , 而 且还 能实现输 出有功 、 无 功功率 的解 藕 ’ 一 。 另外 , 转子施加交流励磁 的 与 电网之 间构成 了 “ 柔性连接 ” ’ , 可在变速情况下顺利并 网
110 中国电机工程学报 第26卷 并网型AEVSC℉风力发电系统是一个庞大的 m、1轴分量；im1、i、im2、i2为定、转子电流m、 机电能量转换系统，运行情况复杂，对其分析研究 t轴分量；1、41、n2、2为定、转子磁链m、 应该从系统的角度进行。文献11-12]指出，并网型 t轴分量：、，及0，分别为发电机的同步角速度、 AEVSCF风力发电系统的运行包括启动区、风能追 角速度和转差角速度：D为微分算子。 踪区、转速恒定区、功率恒定区四大区域。启动区 空载时DFIG定子电流为零，将im1=i=0代入 指当风速大于切入风速时DFIG开始并入电网的运 式(1)(4)可得到DFIG空载数学模型。 行区域：风能追踪区指并网后风速大于切入风速而 为获得较好的控制性能，将磁场定向矢量控制 小于额定风速时的追踪最大风能的运行区域：转速 技术移植到DG控制中，。DFIG的控制对象是 恒定区和功率恒定区分别指当风速超过额定风速 定子量（电压或功率），因此采用定子磁链定向矢量 并继续上升时机组进行转速和功率限制的运行区 控制，将m轴定于定子磁链矢量忻方向)。工频条 域。4个运行区域内DFIG的控制模式有所不同： 件下DFG定子电阻可忽略不计，即R1=O。因此定 启动区需调节DFIG输出电压符合并网要求，因此 子电压矢量u,近似等于感应电动势矢量e1,相位上 采取并网控制：其他三个运行区域内DFG发电运 比定子磁链矢量巧滞后90°，即位于1轴负方向。 行，要求DFG输出电能可控，能实现有功、无功 根据这些假定有以下关系成立： 功率的解耦控制。尤其在风能追踪区，DFIG功率 9m1=1 解耦是最大风能追踪控制的前提，。因此，并网 (5) 9,=0 控制和功率解耦控制是并网型AEVSCF风力发电 机的两大主要控制模式。 4ma=0 (6) 本文建立了两相旋转坐标系下DFIG数学模 41=-41 型。在此基础上，将磁场定向矢量控制技术应用到 式中巧、41分别为、41的幅值。根据式(5)、(6) DIG控制上，提出了基于定子磁链定向矢量控制 及R10,式(1)可化为 的功率解耦控制策略和并网控制策略。最后在1台 P4=0 (7) 10kW机组上对并网控制和功率解耦控制进行了实 4,=4, 验研究。 由上式知，定子磁链定向且忽略定子电阻情况 1DFIG的数学模型及定子磁链定向 下，DFIG定子磁链为山与仙之比，是一个常数。 为推导DFIG的矢量控制策略，文献[1]分析了 2定子磁链定向的DFIG的矢量控制 几套坐标系的空间关系，并建立了两相同步速旋转 2.1DFIG功率解耦控制 坐标系下的DFIG数学模型。mt坐标系下基于发电 DFIG的控制包括并网控制和发电运行控制（功 机惯例的DFIG数学模型如下I314 率解耦控制)。下面首先分析DFIG的功率解耦控 定、转子电压方程： 制，然后在此基础上讨论并网控制。 4ml=-Rm1-Dm1+,@ (1) DFIG输出有功、无功率分别为 41=-Ri-D41-4m10 P=umtil+urin 4nm2=R2in2+Dym2-9,20 (8) (2) 2 =uniml-umin 42=R2+D92+9m20, 计及式(6)，式(8)化为 定、转子磁链方程 P=-uin Vm =Lim-Loim2 (9) 3) 2=-uim Vn =Lin -Loin2 由上式可知，DFIG输出有功功率P1、无功功 Wm2 Laim2-Lmiml (4) 率Q1分别与定子电流m、t轴分量、im1成正比， 42=L2i2-Ln1 调节、im可分别独立地调节P、Q1。 式中：R1、R2分别为定、转子电阻(1代表定子，2 因为P1、Q,的调节是通过DFIG转子侧电压型 代表转子)：L、L2、Lm为mt坐标系中定、转子等 变换器实现的，应推导转子电压与、im1之间的关 效自感及互感：4ml、1、4m2、4n为定、转子电压 系。将式(5)代入式(3)后得到 C 1994-2010 China Academie Journal Electronic Publishing House,All rights reserved.http://www.cnki.net
中 国 电 机 工 程 学 报 第 卷 并 网型 风力发电系统是一个庞大的 机 电能量转换系统 , 运行情况复杂 , 对其分析研 究 应该从系统 的角度进行 。 文献 一 指 出 , 并 网型 风力发 电系统 的运行包括启动区 、 风能追 踪区 、 转速恒定区 、 功率恒定区四大 区域 。 启动 区 指当风速大于切入风速时 开始并入 电网的运 行区域 风能追踪 区指并 网后风速大于切入风速而 小于额定风速时的追踪最大风能的运行区域 转速 恒定 区和 功率恒 定 区分别 指 当风速超过额定风速 并继 续上 升 时机组进行转速和 功率限制的运行 区 域 。 个运行区域 内 的控制模式有所不 同 启动区需调节 输 出电压符合并 网要求 , 因此 采取并 网控制 其他三个运行 区域 内 发 电运 行 , 要求 输出电能可控 , 能实现有功 、 无功 功率的解祸控制 。 尤其在风能追踪 区 , 功率 解藕是最大风 能追踪控制的前提 ’川 。 因此 , 并网 控制和功率解祸控制是并网型 风力发电 机 的两大主要控制模式 。 本文建立 了两相旋转坐标系 下 数学模 型 。 在此基础上 , 将磁场 定向矢量控制技术应用到 控制上 , 提 出了基于定子磁链定 向矢量控制 的功率解祸控制策略和并网控制策略 。 最后在 台 机组上对并网控制和功率解祸控制进行 了实 验研究 。 的数学模型及定子磁链定 向 为推导 的矢量控制策略 , 文献【 分析了 几套坐标系的空 间关系 , 并建立 了两相 同步速旋转 坐标系下 的 数学模型 。 坐标系下基于发 电 机惯例的 数学模型如下日 一 。 定 、 转子 电压方程 , 、 轴分量 , 。 、 , 、 , 、 为定 、 转子 电流 。 、 轴分量 娇 、 奸 、 娇 、 物 为定 、 转子磁链 二 轴分量 助 、 琳 及 勿 分别为发 电机的 同步角速度 、 角速度和转差角速度 为微分算子 。 空载 时 定子 电流为零 , 将 称 , , 代入 式 书 可得到 空载数学模型 ‘ 。 为获得较好的控制性能 , 将磁场定向矢量控制 技术移植到 控制 中 ’ ’ 。 的控制对象是 定子量 电压或功率 , 因此采用定子磁链 定 向矢量 控制 , 将 轴定于定子磁链矢量 娜 方向川 。 工频条 件下 定子 电阻可忽略不计 , 即 , 。 因此定 子 电压矢量 , 近似等于感应 电动 势矢量 , , 相位上 比定子磁链矢量 俩 滞后 , 即位于 轴负方 向 。 根据这些假定有以下关系成立 诚 。 晰 试 胡 了一 一 了厂 、 式中晰 、 。 , 分别为 俩 、 的幅值 。 根据式 、 及 一 , 式 可化为 姗 一 , 码哟 一 风‘ 护 一 ”残 , 】十 试 】码 , 一 毛 、一 诚 , 一 残 码 由上式知 , 定子磁链定 向且忽略定子 电阻情况 下 , 定子磁链为 与以 之 比 , 是一个常数 。 定子磁链定 向的 的矢量控制 功率解祸控制 的控制包括并网控制和发电运行控制 功 率解祸控制 下面首先分析 的功率解祸控 制 , 然后在此基础上讨论并网控制 。 输出有功 、 无功率分别 为 , 一 势少汽 一 , 乓 , ”诚 甄 晒 叭 二 一 “ 一 ’‘ ’十 “‘ ’‘’ 汹 , , 一 一 , 计及式 , 式 化为 ·‘ 召乌一 一一 内 厂、 、 定 、 转子磁链方程 黔淤粱 羚之公介 ’ 式中 , 、 分别为定 、 转子 电阻 代表定子 , 代表转子 、 肠 、 为 坐标系中定 、 转子等 效 自感及互感 、 , 、 ,了, 、 二 为定 、 转子 电压 由上式可知 , 输出有功功率 尸 、 无功功 率 分别与定子 电流 。 、 轴分量 小 吞 。 成正 比 , 调节 心, 、 俪 可分别独立地调节 尸 , 、 , 。 因为 尸 、 的调节是通过 转子侧电压型 变换器实现的 , 应推导转子 电压与 心 、 茹 之间的关 系 。 将式 代入式 后得到
第23期 刘其辉等： 并网型交流励磁变速恒频风力发电系统控制研究 111 m2=1/Ln(Lm1-9） [4m2=(R2+aD)im2 (10) (13) =L/Lain 42=(R2+a2D)i2 再将上式代入式(4)中得到 △4m2=-a20,i2 (14) Ψm2=a1+am2 (11) △2=a,0,斯1+a20,im2 42=a2i2 4,2、42为实现转子电压、电流解耦挖制的解耦项， 其中：a,=-Lm/L,a2=L2-n/L。 △4m2、△42为消除转子电压、电流交叉耦合的补 将式(11)代入式(2)后得到 偿项。将转子电压分解为解耦项和补偿项，既简化 [4m2=hm2+△um2 (12) 了控制，又能保证控制的精度和动态响应的快速性。 42=42+△4,2 根据式(5)(14)可导出DIG功率解耦控制策 其中 略，如图1所示。 PWM 驱动 SVPWM脉冲 调制一 日-8 1 电压长 光电 E 参考有功← 码盘 功率计算 Q 模型 磁 参考无功 功率计算 模型 图1DFIG功率解耦控制策略 Fig.1 Power decoupled control strategy of DFIG DFIG功率解耦控制策略为双闭环结构，外环2.2DFIG并网控制 为功率环，内环为电流环。图2为DFIG功率解耦 并网控制是对并网之前的DFIG定子输出电压 控制时转子电流控制原理。 进行调制，使其与电网电压在幅值、频率和相位上 一致，以抑制并网时的冲击电流1。功率解耦控 制是对功率潮流进行控制，而并网控制则是对电压 Gn(S) R:+as 进行调制。并网控制时DFG脱网空载运行，定子 电流为零（没有功率输出）。当DFIG定子电压和电 网电压相同时，DFG脱网空载运行状态和并网后 但输出功率为零（并网空载运行）情况下的运行状态 Gpo(S) R3+S 是一样的，因此可认为并网控制是功率解耦控制的 DFIG爱电转子控和孩型 一个特例(P=0、Q1=0) 并网控制时DFIG不存在功率控制，将图1的 图2DIG功率解耦控制转子电流控制原理图 Fig.2 Control principle block diagram of rotor current 功率控制环去掉后可构成DFIG并网控制策略。具 of DFIG under decoupled power control 体的处理方法是用零代替原功率调节器的输出，作 C1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
第 期 刘其辉等 ‘ 一“ 几 ,‘石毛 , , 】一 哟 ’ 毛 乌 八 ,袱‘, , 并网型交流励磁变速恒频风力发电系统控制研究 召, 内︸、 、尹少 、 ‘ 、、‘ 少戈‘ 再将上式代入式 中得到 试 , , 一叭 , , , 试 , 二 , 之 , , 几 人 心 △气 一几鱿心 △ , “ 一吼叭 叭 , 其 中 。、 一 , 石 , 几 一 嵘 , 乌 。 将式 代入式 后得到 ,、 二 , △ 。, , 几 △ , 其 中 呱 、 几为实现转子 电压 、 电流解祸控制的解祸项 , △气 、 △ 为消除转子 电压 、 电流交叉祸合 的补 偿项 。 将转子 电压分解为解藕项和补偿项 , 既简化 了控制 , 又能保证控制 的精度和动态响应的快速性 。 根据 式 代 可 导 出 功率解藕控制策 略 , 如 图 所示 。 平士盛 班时 耸倒 币讯一止止 械 补计电压偿算 参考有功 功率计算 模型 碧厘 丁。 ‘ 参考无功 功率计算 模型 磁链 观测 风 力机 毅了脸功率 线 派 』 令」 弓 〕 林代 调 制 兰 厂 万 民 , 、 口 光 电 码盘 不二厂圆圈巨, 、 巨 电 网 图 功率解藕控制策略 妇 】 功率解藕控制策略为双 闭环结构 , 外环 为功率环 , 内环 为 电流环 。 图 为 功率解祸 控制时转子 电流控制原理 。 头 ‘ 电 压 补 偿 计 算 △“ 。 】 , , 十 伪 图 功率解藕控制转子 电流控制原理图 · 并网控制 并网控制是对并网之前 的 定子输 出电压 进行调制 , 使其与 电网 电压在幅值 、 频率和相位上 一致 , 以抑制 并网时的冲击 电流 ’ , ’” 。 功率解祸控 制是对功率潮流进行控制 , 而并 网控制则是对 电压 进行调制 。 并网控制时 脱 网空载运行 , 定子 电流为零 没有功率输出 。 当 定子 电压和 电 网 电压相 同时 , 脱 网空载运行状态和 并网后 但输 出功率为零 并 网空载运行 情况下 的运行状态 是一样的 , 因此可认 卜 为并 网控制是功率解祸控制的 一个特例 二 、 二 。 并 网控制时 不存在功率控制 , 将 图 的 功率控制环 去掉后可构成 并网控制策略 。 具 体 的处理方法是用零代替原功率调节器 的输出 , 作
112 中国电机工程学报 第26卷 为后面电流控制环节的输入量。此外，并网控制时 进行了研究。实验装置中，直流电动机模拟风力机 的补偿电压△um2、△2也与功率解耦控制时有所不 拖动DFIG变速运行16，采用基于全控器件IGBT 同。并网控制时DFIG定子电流为零，其通过互感 和SVPWM调制方式的双PWM变换器作为DFIG 对转子电压造成的影响为零，可等效认为LmO。将 的转子励磁电源。实验参数见附录。 Lm0代入式(14)，得到并网控制时的DFIG转子补 图4、图5为DFIG并网控制实验情况，图中 偿电压 nm表示DFIG转速(r/min),n,表示电网电压。图4 △4nm2=-L20i2 为DFIG并网前不同转速（亚同步速、同步速、超同 (15) △u2=L20,iw2 步速)下定子调制电压和转子励磁电流。转子电流的 图3为DFIG并网控制时转子电流控制原理。 频率随转速改变而改变，为转差频率，同步转速时 演变为直流励磁。DFIG定子电压的频率与转速无 DL: 关，保持恒定（工频），实现了“变速恒频”，体现了 并网控制不受转速影响的优点。图5(a)、b)、(c) R3+LS 分别为并网控制时DFIG电网电压和定子电压对比 L2 波形、定子电压频谱特性、并网瞬间的定、转子电 流。可以看出，并网控制下DFIG定子电压满足并 网要求，并网过程平稳，电流冲击小。 凡+LS 图6~8为DFIG功率解耦控制的实验情况。 D1G空线转子控制模亚 图6为不同转速（亚同步速、同步速、超同步速）下 的定、转子电流。随着机组变速运行，定子电流频 图3DFIG并网控制转子电流控制原理图 率保持恒定，转子电流为变化的转差频率，实现了 Fig.3 Control principle block diagram of rotor current “交流励磁”与“变速恒频”。图7与图8分别从 of DFIG under grid-connection control 稳态和动态两个角度考察了DFIG功率解耦控制效 3实验研究 果。图7为稳态下DFIG不同输出时的定、转子电 本文构建了1OkW并网型AEVSCF风力发电实 流，图8为当DFIG输出突变时定、转子电流的变 验装置，分别对DFIG的并网控制和功率解耦控制 化情况。可以看出，在功率解耦控制下，DG输 Mww Mw 25ms/格 25ms/格 25ms/格 (a)n-850r/min (b)rw=1000r/min (/min 图4DG并网控制时不同转速下定子电压和转子电流 Fig.4 Stator voltage and rotor current of DFIG grid-connection control at deferent speed M 25ms/格 100Hz/格 50ms/格 (an,与m波形对比 (bw频谱特性 (c)网时的t.2 图5并网前的定子电压和并网瞬间的定、转子电流 Fig.5 Stator voltage before grid-connection and stator/rotor current at the moment of grid-connection C 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
中 国 电 机 工 程 学 报 第 卷 为后面 电流控制环节 的输入量 。 此外 , 并 网控制时 的补偿 电压 △“ 脚 、 △ 也与功率解祸控制时有所不 同 。 并 网控制时 定子 电流为零 , 其通过互感 对转子 电压造成的影 响为零 , 可等效认为 鸟尸 。 将 编习 代入式 , 得到并 网控制时的 转子补 偿 电压 卿 一妞姚 △ 乌以骗 图 为 并 网控制时转子电流控制原理 。 气汪 凡 十 乙 、 叹 十 么 图 并网控制转子 电流控制原理图 · 由 一 实验研究 本文构建 了 并 网型 风力发电实 验装置 , 分别对 的并网控制和功率解藕控制 进行 了研究 。 实验装置 中 , 直流电动机模拟风力机 拖动 变速运行 ’“ 」, 采用基于全控器件 和 调制方式的双 变换器作为 的转子励磁电源 。 实验参数见 附录 。 图 、 图 为 并 网控制实验情况 , 图中 , 表示 转速 , 、 表示 电网电压 。 图 为 并网前不 同转速 亚 同步速 、 同步速 、 超同 步速 下定子调制 电压和 转子励磁 电流 。 转子 电流的 频率随转速改变而改变 , 为转差频率 , 同步转速 时 演变为直流励磁 。 定子 电压 的频率与转速无 关 , 保持恒定 工频 , 实现了 “ 变速恒频 ” , 体现 了 并 网控 制不受转速影 响 的优 点 。 图 、 、 分别为并 网控制时 电网 电压和 定子 电压对比 波形 、 定子 电压频谱特性 、 并 网瞬间的定 、 转子 电 流 。 可 以看出 , 并网控制下 定子 电压满足并 网要求 , 并网过程平稳 , 电流冲击小 。 图 侣 为 功率解藕控制的实验情况 。 图 为不 同转速 亚 同步速 、 同步速 、 超同步速 下 的定 、 转子 电流 。 随着机组变速运行 , 定子 电流频 率保持恒定 , 转子 电流为变化 的转差频率 , 实现 了 “ 交流励磁 ” 与 “ 变速恒频 ”。 图 与图 分别从 稳态和动态两个角度考察 了 功率解祸控制效 果 。 图 为稳态下 不 同输出时的定 、 转子电 流 , 图 为 当 输出突变时定 、 转子 电流 的变 化情况 。 可 以看 出 , 在功率解祸控制下 , 输 李沐冷叫 寒们闪卜 寒受吟卜 寒之哟卜 而办对毅气 与幼 广场 ’ ’ 拼芍 · 「 一 、 礴 … 丫 、 、味 一尸 , 厂 勺伽而八叭 二 , 尸子 一 、 一 气 , , 、 、 , 川 , 一 , 一 ’ 咋 戈喊加八叭 一 ” ’ 厂趟 望、 从夕 二 、 、 二 、、 尸之 龚闪卜的 理吟卜决 格 格 格 , 月 ,尸 尸 图 并网控制时不同转速下定子 电压和转子 电流 诚 一 “ 玲卜叭币 叭介 幼 口竹 … 「 , 二 , 「 一 一 , 气 似叭 六 们 二 「 一 一 门 一 「 一 ‘ 人 山 ‘ , ‘ 玉 一一 — 卜 一 一 ‘ 一 戈心久人 龚牌零闪 十二 聋之卜咬 忌硫 李沐冲闪 格 、 与 。 波形对 比 格 山 “ 频 潜特性 格 并 网时的 。 , 赴 二 。 郎 邹妙舒 电辱畔畔间的定 、 节华 流 , , 刃 力 以 】 一 沉 一
第23期 刘其辉等：并网型交流励磁变速恒频风力发电系统控制研究 113 八八 444+4 25ms/格 25ms格 25nms/格 (a)nn=850r/min (b)=1000r/min c)n=1100r/min 图6DFIG功率解耦控制时不同转速下的定、转子电流 Fig.6 Stator/rotor current of DFIG decoupled power control at deferent speed Mww imhw hwwww 搜 SL 10ms/格 10ms/格 0mms/格 (a)P2000W.Q1-0va (b)P-0w,Q1-3000va (cP,=2000W.Q=3000var 图7DFIG功率解耦控制时不同输出条件下的定子电压、电流 Fig.7 Stator voltage/current of DFIG decoupled power control with deferent output condition www n 25ms/格 20ms/格 25ms/格 (a)P从0W突变到2000w,g-0var (b)P=0W,Q1从-2000var突变到2000var (cP,=1000w,Q1从2000var突变到-2000vam 图8DFIG功率解耦控制输出突变时的定子电压、定子电流 Fig.8 Response of staior voltage/current t of DFIG decoupled power control with the sudden change of output of DFIG 出有功、无功功率可以很好地实现稳态和动态上的 域，本文重点讨论了风力发电机的并网控制和功率 解耦。 解耦控制。将磁场定向矢量控制技术移植到DG 图9表示了DFIG功率控制中的转子电流im2、 并网控制和功率解耦控制中，建立了对应的控制策 i2之间的良好的解耦情况。由前面的推导可知，im2、 略，最后进行了实验研究。实验结果表明，本文提 i2之间的解耦意味着DFIG输出有功、无功功率实 出的DFIG并网控制和功率解耦控制具有良好的稳 现了解耦控制。 态和动态性能：并网控制时，变速情况下发电机的 定子电压恒幅恒频，满足并网条件，并网冲击电流 小：功率解耦控制时，在转速变化和输出功率变化 两种情况下发电机均能实现变速恒频稳定运行，得 到良好的有功功率、无功功率解耦特性。 参考文献 图9DFIG功率解耦控制中的转子电流im2、2 Fig.9 Rotor current (im2,i)of DFIG [】刘其辉，贺益康，张建华，交流励磁变速恒频风力发电机的运行 decoupled power control 控制及建模仿真(.中国电机工程学报，2006,26(5)：43-50. 4结论 Liu Qihui,He Yikang,Zhang Jianhua.Operation control and modeling simulation of AC-excited variable-speed constant- 根据并网型AEVSCF风力发电系统的运行区 frequency(AEVSCF)wind power generator[J].Proceedings of the C 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
第 期 刘其辉等 并网型交流励磁变速恒频风力发电系统控制研 究 科 乳 广 磨 蟾晒卜叫 尸 遭决即阶 哟两 一 一 ︸ 丫人、 卜火 ‘ 、 十厂 与 厂 了 丈 丫 ‘七气 滤之口 班之卜晌 目卜︸︺ 一升 万 一厂 丫 ’ 一 、、 厂 产 、二 一 … · 洲 广 、 一 , 、 戈 ‘ 丫、一 ’一 八卜 了 二 一 曳 」 火厂 厂 一 女 。厂廿一 仪 、一 窦之巴 格 格 格 , , , 尸 , 尸 图 功率解祸控制时不同转速下的定 、 转子 电流 , 御办川叭似 李卜哟叫 而哺竹准习介刀丫 一 ’ 一 「 一 聋哟卜叫 垮泛喻卜闪 您蔺价的 久俄亏准助丫六 一 之 执 匕 一 一从 之 生 、、 、、人 争 一 华们卜内 您决叭卜州 格 格 潞 , 一 , 二 一 , 一 图 功率解藕控制时不同输出条件下 的定子 电压 、 电流 , 一 由 寒孚次闪 扮价协 丫价 叭八水心丫协 刀加 而俩叭 叭灿川 代句以厂 寒卜们叫 李之哟卜价 磨碗晌卜巴 扒成哪扒助八仔 一 ’ , 之 户下 、 沪‘ 孙认 洲协 针 切 习 , 垮冬冲凶 寒之妈巴卜 格 护 , 从 突变到 , ,二 格 格 , , 从一 突变到 护 一 , , , 从 突变到 一 名 出有功 、 解祸 。 图 功率解祸控制输出突变时的定子 电压 、 定子 电流 、 无功功率可 以很好地实现稳态和动态上 的 图 表示 了 功率控制中的转子 电流 编 、 如 之间的 良好的解藕情况 。 由前面的推导可知 , 编 、 之间的解祸意味着 输 出有功 、 无功功率实 现 了解祸控制 。 图 , 功率解藕控制 中的转子电流 爪 、 坛 编 孟 川 】 结论 根据并网型 风力发 电系统 的运行 区 域 , 本文重 点讨论 了风力发 电机的并网控制和功率 解祸控制 。 将磁场定 向矢量控制技术移植到 并网控制和 功率解藕控制 中 , 建立 了对应 的控制策 略 , 最后进行 了实验研究 。 实验结果表 明 , 本文提 出的 并 网控制和功率解祸控制具有 良好 的稳 态和动态性能 并网控制 时 , 变速情况下发 电机的 定子 电压恒幅恒频 , 满足并 网条件 , 并网冲击 电流 小 功率解祸控制时 , 在转速变化和输出功率变化 两种情况下发电机均 能实现变速恒频稳定运行 , 得 到 良好的有功功率 、 无功功率解藕特性 。 参考文献 刘其辉 , 贺益康 , 张建华 交流励磁变速恒频风力发 电机 的运行 控制及建模仿真 中国电机工程学报 , , 一 , 姜 , 注 一 一 飞〕
114 中国电机工程学报 第26卷 CSEE,2006,26(5):43-50(in Chinese). Chinese). [2]Tang Y,Xu L.A flexible active and reactive power control strategy for []刘其辉.变速恒频风电系统运行与控制研究D,杭州：新江大学， a variable speed constant frequency generating system[]].IEEE 2005. Transactions on Power Electronics,1996,1014):472-478. [I2]叶机洽.风力发电系统控制技术M.北京：机械工业出版社，1998 [3]Pena R.Clare J C,Asher G M.Doubly fed induction generator'using 13]陈伯时，膝敏逊.交流调速系统M.北京：机械工业出版社，1998 back-to-back PWM converters and its application to variable-speed [14廖勇，杨顺昌.交流励磁发电机励磁控制，中国电机工程学报， wind-energy generation[J].Electric Power Applications,IEE 1998,18(2):87-90. Proceedingss,1996,143(3):231-241. Liao Yong,Yang Shunchang.The excitation control of alternation [4]邱瑞昌，门耀民，姜学东.准稳态转子感应电动势定向的双馈调 current excited generator[J].Proceedings of the CSEE,1998,18(2): 速风力发电机的研究.中国电机工程学报，2003,23(11)： 87-90(in Chinese). 133-139. [15]Datta R,Ranganathan V T.Direct power control of grid-connected Qiu Ruichang,Yan Yaomin,Jiang Xuedong.Research on a wound rotor induction machine without rotor position sensors quasi-stable state rotor EMF_oriented doubly fed winding induction [J].IEEE Trans.on Power Electronics,2001.16t3):390-399. machine in wind-energy generation[).Proceedings of the CSEE. 16)刘其辉，贺益康，赵仁德.基于宜流电动机的风力机特性模拟.中 2003,231l):133-139 in Chinese). 国电机工程学报，2006,267：134139. [⑤]李晶，宋家骅，王伟胜.大型变速恒频风力发电机组建模与仿真 Liu Qihui,He Yikang,Zhao Rende.Imitation of the characteristics of [).中国电机工程学报，2004,24(6)：100105. wind turbine based on DC motorfJ].Proceedings of the CSEE.2006, Li Jing.Song Jiahua,Wang Weisheng.Modeling and dynamic 26(7):134-139(in Chinese). simulation of variable speed wind turbine with large capacity 附录 [J].Proceedings of the CSEE,2004,24(6):100-105(in Chinese). 实验参数 [6]Ion Boldea,Lucian.Tutelea,Ioan Serban.Variable speed electric generators and their contro:an emerging technology(.Joumal of DFIG参数：额定功率为1OkW:定子额定电压为 Electrical Engineering,2002,3:20-28. 380V/50Hz:极对数为3；同步转速为1000rmin:R1-0.3792: 7)黄科远，贺益康，卡松江，矩阵式变换器交流励磁的变速恒频风 R2=0.3142;L1=0.0438H;L=0.0449H:Lm0.0427H. 力发电系统研究U.中国电机工程学报，2002,22(11)：100-105 双PWM变换器参数： Huang Keyuan.He Yikang,Bian Songjiang.Investigation of a matrix 输入交流额定相电压为44V:输入交流额定相电流为 converter-excited variable-speed constant-frequency wind-power 2.5A;直流环节电压为150V:直流环节电容为2200uF;交 generation system[J].Proceedings of the CSEE,2002,22(11): 流滤波电感为5mH:功率开关器件IGBT(PM模块 100-105(in Chinese). [⑧】林成武，王风翔，姚兴佳.变速恒频双缵风力发电机励磁控制技 PM100CVA060)。 术研究[.中国电机工程学报，2003,231)：122-125. Lin Chengwu,Wang Fengxiang.Yao Xingjia.Study on excitation 收稿日期：2006-06-09。 control of VSCF doubly fed wind power generator[J].Proceedings of 作者简介 the CSEE,2003,23(11):122-125(in Chinese). 刘其辉(974一)，男，博士，讲师，主要从事变速恒频风力发电、 [9]Shibashis Bhowmik,Rene Spee,Enslin J H R.Performance FACTS等方向的研究，liuqihuifei@sohu.com: optimization for doubly fed wind power generation systems[J].IEEE 贺益康(1941一)，男，教授，博士生导师，EEE高级会员，主要 Transactions on Industry Applications,1999,35(4):949-958. 从事电机及其控制以及电力电子的研究： [11刘其辉，贺益康，卞松江.变速恒频风力发电机空载并网控制研 张建华(952一)，男，教投，博士生导师，主要研究方向为配电自 究月.中国电机工程学报，2004,243)：6-11. 动化新技术，人工智能在电力系统中的应用。 Liu Qihui,He Yikang,Bian Songjiang.The investigation of cutting-in (责任编辑云爱霞) control of variable-speed constant-frequency wind-power generater with no-load[J).Proceedings of the CSEE,2004,24(3):6-11(in 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House,All rights reserved.http://www.cnki.net
中 国 电 机 工 程 学 报 第 卷 , , 一 手川 , 汇 , , 一 , , 一 一 〕 一 一 , , , 一 邱瑞昌 , 闰耀民 , 姜学东 准稳态转子感应 电动势定 向的双馈调 速 风 力 发 电机 的研 究 中 国 电机 工 程 学 报 , , 川 一 , 丫犯 , 一 一 口 , , 一 李晶 , 宋家弊 , 王伟胜 大型变速恒频风力发 电机组建模与仿真 中国电机工程学报 , , 压 , 山 , 七碑 , , 一 汇 , , 从『 , , 一 · 黄科远 , 贺益康 , 卞松江 矩阵式变换器交流励磁 的变速恒频风 力发 电系统研究 中国电机工程学报 , , 一 · , 的 , 幻 一 一 , , 一 林成武 , 王凤翔 , 姚兴佳 变速恒频双馈风力发 电机励磁控制技 术研究 中国电机工程学报 , , 一 , 自 , 山〕 自 〔 山 , , 一 而 , , 而 , , , 田 刘其辉 , 贺益康 , 卞松江 变速恒频风力发 电机空载并网控制研 究田 中国电机工程学报 , , 《 一 , 习 , 目明 巨 一 硕 一 币祀 一 一 【 , 玻时 , 一 刘其辉 变速恒频风 电系统运行与控制研究 「 杭州 浙江大学 , 「 叶杭冶 风力发 电系统控制技术 , 北京 机械丁业 出版社 , 卯 ‘ 芝 陈伯时 , 陈敏逊 交流调速系统 北京 机械工业出版社 , 四 〔 廖勇 , 杨顺昌 交流励磁发电机励磁控制 中国电机工程学报 , 一 , 、乞 咖 口 已 , , 一 , 雌 一 , , 一 ‘ 口 刘其辉 , 贺益康 , 赵仁德 基于直流电动机的风力机特性模拟 , 中 国电机工程学报 , , 一 , , 月 。 〔 洲…〕石 , 一 附录 实验参数 参数 额 定 功 率 为 从 定 子额 定 电压 为 巧 极对数为 同步转速为 丫力 【幻 乏 石习 一 硬 乙 月 〕 。 双 变换器参数 输入交流额定相 电压为 输入交流额定相电流为 直流环节 电压为 巧 直流环节电容为 砰 交 流 滤 波 电感 为 功 率 开 关 器 件 模块 。 收稿日期 一 一 作者简介 刘其辉 一 , 男 , 博士 , 讲师 , 主要从事变速恒频风力发电 、 队 等方 句的研究 , 一 ￡。 贺益康 月 , 男 , 教授 , 博士牛导师 , 高级会员 , 主要 从事电机及其控制以及 电力 电子 的研究 张建华 一 , 男 , 教授 , 博士生导师 , 主要研究方向为配 电 自 动化新技术 , 人工智能在 电力系统中的应用 。 责任编辑 云 爱霞