对双馈风力发电变流器设计探究

对双馈风力发电变流器设计探究

徐志英

（南瑞集团有限公司（国网电力科学研究院有限公司）江苏南京210003）

摘要：文章对双馈风力电机的功率流动、数学模型、坐标变换等理论和背靠背结构的双PWM双馈风机变流器拓扑结构进行了深入的研究。在双馈风机变流器的控制策略技术上，提出了背靠背结构的双PWM变流器设计，发电机端变流器采用基于定子磁链定向和定子电压定向的控制策略；在并网端变流器PI双闭环结构控制策略。为了验证本文所提出理论的有效性，在由异步电机模拟风轮的1.5MW双馈风电机组实验平台，针对双馈电机的运行状态开展了次同步、超同步和穿越同步速等实验，实验结果证明，文章提出的设计方案可以满足双馈风机并网控制要求，控制系统动态响应快，稳定性好，电流谐波含量少。

关键词：风力发电；双PWM；变换器；矢量控制

1系统变流器的控制策略

在电机端即机侧变流器的控制策略中，需要实现电机转矩和磁链的解耦控制，从而提高整体发电系统的效率。在传统异步电机控制中，定子磁链观测技术可以实现针对电机的精确控制，但由于双馈电机的结构与特性，本文选取定子电压作为控制量（控制框图如图1所示）。设定双馈风机的定子电压矢量在dq同步旋转坐标系中与q轴重合，在此坐标系下电机功率为：

根据上述公式可以看出，在dq同步旋转坐标系中电机无功功率由转子电流的d轴分量决定，有功功率由转子电流的q轴分量决定。因此实现双馈电机有功功率和无功功率的解耦控制，只需要在旋转坐标系中控制相应的转子电流分量。

图1双馈电机定子电压定向矢量控制框图

图2网侧变流器电路拓扑

背靠背型双PWM控制的双馈风机变流器，电机端变流器负责系统发电控制，电网侧并网变流器负责稳定直流母线电压和调节并网功率因数（电路拓扑如图2所示）。其中，ia、ib、ic为交流侧输入电流，ea、eb、ec为三相对称电网，C为直流滤波电容，L、R为交流侧电感和线路电阻，idc为直流母线电流，iL为机侧变流器直流母线电流。在dq坐标系中，网侧变流器瞬时功率为：

上述公式可看出，在dq坐标系中有功功率和无功功率实现了解耦控制，控制id、iq就可以通过控制变流器来控制并网功率。P＞0时电网向变流器直流侧提供能量，变流器工作在整流模式；Q＞0表示变流器为感性从电网吸收感性无功功率；P＜0时变流器直流侧向交流侧电网馈送能量，变流器工作在逆变模式；Q＜0表示变流器呈现容性从电网吸收容性无功功率。如图2所示，在双闭环控制中，d轴分量的控制策略为以电容电压为参考值，输入功率超过负载损耗，直流电容充电，直流电压升高，直流电压反应有功分量状态。q轴分量控制无功分量，无功分量与电网所需的功率因素有关，有功和无功实现解耦，所以为双闭环控制。

2实验及分析

图3双馈电机转子电压和电流波形图4双馈电机定子侧电压电流波形

为了验证本文所提出理论的有效性，在由异步电机模拟风轮的1.5MW双馈风电机组实验平台，针对双馈电机的运行状态开展了次同步、超同步和穿越同步速等实验。

2.1次同步（n=1350rpm）

实验条件为双馈电机20%额定功率时1350rpm，图3为电机转子侧电压和电流的波形。实验结果表明，此时转子B相电流滞后A相电流于，电网变流器向电机提供能量。

图4为电机定子侧A相电压和电流的波形。结果表明，此时定子A相电流和电压同相位，双馈电机定子侧功率因数为1。

2.2超同步（n=1735rpm）

实验条件为双馈电机100%额定功率，1735rpm，电机转子侧电压和电流波形。实验结论为此时转子A相电流滞后B相电流，双馈电机转子通过变流器向电网传输能量。

图5双馈电机转子电压和电流波形

图6双馈电机定子侧电压电流波形

图6为此时电机定子侧A相电压和电流的波形。实验结论为此时，定子A相电流和A相电压同相位，双馈电机定子侧功率因数为1。

2.3穿越同步速

实验条件为为双馈电机空载运行，转速1735rpm，由额定转速降速穿越同步转速时电机转子侧电压和电流的波形。转子侧电流的频率和方向随转速的变化，8.8s时穿越同步转速，此时之前双馈电机处于超同步状态；此时之后为次同步状态，都满足之前实验结论；穿越同步转速时，转子侧电流近似为直流量。

图7双馈电机转子电压和电流波形

3结论

本文对双馈风力电机的功率流动、数学模型、坐标变换等理论和背靠背结构的双PWM双馈风机变流器拓扑结构进行了深入的研究。在双馈风机变流器的控制策略技术上，提出了背靠背结构的双PWM变流器设计，发电机端变流器采用基于定子磁链定向和定子电压定向的控制策略；在并网端变流器PI双闭环结构控制策略。为了验证本文所提出理论的有效性，在由异步电机模拟风轮的1.5MW双馈风电机组实验平台，针对双馈电机的运行状态开展了次同步、超同步和穿越同步速等实验，实验结果证明，本文所提出的设计方案可以满足双馈风机并网控制要求，控制系统动态响应快，稳定性好，电流谐波含量少。

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