F-177
双馈风力发电机功率控制策略的研究
孟令阁
东北电力大学电气工程学院 Email: mlg-20031210@
摘 要：双馈风力发电机的最大风能追踪控制就是对其输出功率的控制，常规的控制方法复杂且性能一般。本文采用一种变环宽恒频率的滞环电流控制方法，该控制方法不仅保留了控制响应速度快、具有内在限流能力和稳定性好等优点，同时又克服了其开关频率不固定的缺点。实现了简化控制过程，提高系统响应性能的目标。仿真结果验证了该方法的正确性和可行性。 关键词：双馈风力发电机；最大风能追踪；滞环电流控制；解耦控制
Study on the Power Control Strategy for Doubly Fed
Wind Generator
Meng Lingge
College of Electric Power Engineering,Northeast Dianli University
Email : mlg-20031210@
Abstract: The control of maximum power point tracking for doubly fed induction generator is the control of output power of doubly fed induction generator. The routine control strategies are very complex and the performance is common 。In this paper, a novel varied hysteresis-band current control approach is proposed. Advantages of traditional constant hysteresis-band current control is remained in this method such as good stability, fast transient and high precision. By the aid of regulation of hysteresis-band, the switching frequency can be kept constant. Achieveing the Simplify of the control process and the
improve of the system performance .System simulation results have confirmed the functionality and performance of this method.
Keywords: doubly fed induction generator; maximum power point tracking; hysteresis current control; decoupled control
1 引言
最大功率跟踪是风力发电机设计中的一项重要指标,其本质是通过控制双馈风力发电机（doubly fed induction generator ,DFIG ）输出的有功功率，控制其电磁阻转矩来实现最佳转速控制[1]。在实际运行中，除了控制有功功率，还要控制DFIG 输出的无功功率，即实现功率的综合控制。
DFIG 励磁变换器由２个背靠背PWM 变换器组成，分别为转子侧变换器和网侧变换器。网侧变换器主要用以保持直流母线电压稳定、保证输入电流正弦和控制输入功率因素，转子侧变换器则用以控制DFIG 定子输出有功、无功功率控制[2]。所以对DFIG 输出功率的控制就是对其转子侧变换器的控制。
DFIG 励磁变换器控制技术很多，其中应用较多的是正弦PWM 和空间矢量PWM ，但需要考虑到电压补偿的环节,转子电流追踪相应较慢。本文采用一种变环宽恒频率的滞环电流控制方法实现直接电流追踪控制，简化控制结构，提高系统性能。仿真结果验证了该控制策略的正确性和有效性。
2 双馈电机控制原理
交流励磁双馈风力发电系统的结构如图１所示。
图1. 双馈电机控制原理图
根据电机学的原理，若要实现稳定的机电能量转换，发电机定、转子旋转磁场必须保持相对静止，即：
60
s r pn
f f =
± (1) 式中：s f 为定子电流频率；r f 为转子电流频率；ｎ
为发电机转速；p 为发电机极对数。
由式(1)可以看出，当发电机的转速变化时，可以通过改变转子侧励磁电
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流的频率实现发电机定子侧输出频率恒定的电能，这就是双馈发电系统变速恒频运行的基本原理[3]。
3 双馈风力发电机组数学模型
3.1 风力机模型
风力发电就是将风能转化为机械能然后再转化为
电能的过程。根据风轮的空气动力学特性，风机叶轮从风能中获得的功率为
23
0.5(,)t p w P C R v πρλβ= (2)
式中：t P 为风轮吸收的机械能；ρ为空气密度；R 为风轮半径；w v 为风速；(,)p C λβ为风力机的风能利用系数，是一个与叶尖速比λ和桨距角β有关的量，其中叶尖速比为桨叶叶尖部的线速度与风速之比，
/r w R v λω=；r ω为风机叶轮的机械角速度。
3.2 发电机模型
DFIG 在两相同步旋转d-q 坐标下的数学模型为: （1）磁链方程
sd s sd m rd sq s sq m rq rd r rd m sd rq r rq m sq
L i L i L i L i L i L i L i L i ψψψψ=+⎧⎪=+⎪⎨=+⎪⎪=+⎩
(3)
式中：sd ψ、sq ψ、rd ψ、rq ψ分别为定、转子磁链的d-q 轴分量; s L 为 d-q 坐标系下定子等效两相绕组的自感；r L 为 d-q 坐标系下转子等效两相绕组的自感；m L 为d-q 坐标系下定、转子同轴等效绕组间的互感；sd i 、sq i 、rd i 、rq i 分别为定、转子电流的d 、q 轴分量。
（2）电压方程
()()sd
sd s sq s sd sq sq s sd s sq
rd rd s r rq r rd
rq rq s r rd r rq
d u R i dt d u R i dt
d u R i dt d u R i dt ψωψψωψψωωψψωωψ⎧=
−+⎪⎪⎪=++⎪⎪⎨⎪=−−+⎪⎪⎪=+−+⎪⎩
(4)
式中：sd u 、sq u 、rd u 、rq u 分别为定子电压的d-q 轴分量；s R 、r R 分别为定、转子绕组电阻；s ω为同步转速；r ω为转子转速。
定子输出的有功和无功功率分别为：
3()23()2s sd sd sq sq s sq sd sd sq P u i u i Q u i u i ⎧
=+⎪⎪⎨
⎪=−⎪⎩
(5) 由式(5)可以看出，双馈电机的有功功率与无功功
率存在耦合关系，采用普通的控制方法很难实现二者之间的解耦，为此，需要采用电机的矢量控制技术[4]。
4 功率解耦控制
将DFIG 作为理想电机处理后，定子绕组采用发电机惯例，转子绕组采用电动机惯例，定子与工频电网相连，所以可忽略定子电阻。采用定子磁链定向技术[5]，将同步旋转坐标系的d 轴定向于定子磁链s ψ，q 轴超前d 轴90度，此时sd u =0，sq u =s U （s U 为定子相电压），sd ψ=s ψ，sq ψ=0。则DFIG 在两相同步旋转坐标下磁链方程与电压方程可简化为
00sd s s sd m rd sq
s sq m rq sd
sq s s sd L i L i L i L i
u u U ψψψωψ==+⎧⎪==+⎪⎨
=⎪⎪==⎩
(6) 由式(6)可推出定、转子电流间的关系为
sd m rd sd
s m sq rq s L i i L L i i L ψ−⎧=⎪⎪
⎨
⎪=−⎪⎩
(7) 将式(6)、(7)代入功率方程，可以得到用转子电流
来表示的有功和无功功率,即
2
323()2m s
s rq s
s m s s rd s s s L P U i L U L Q U i L L ω⎧
=−⎪⎪⎨⎪=−⎪⎩
(8) 由式(8)可以看出,实现定子磁链定向后,发电机定
子有功功率和无功功率分别与转子电流的转矩分量rq i 和励磁分量rd i 成线性关系。rq i 、rd i 分别为转子电
