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双馈风力发电机组的直流矢量控制研究 摘要：双馈感应发电机（DFIG）是现代风电行业中广泛应用的变速风力发电机。目前，商业双馈风力涡轮机使用的技术是十年前开发研制的。在本文中，我们找出了传统矢量控制技术的一些局限性，介绍了基于的风力能源提取、无功电源和电网电压控制的直流电流矢量综合控制策略的风力发电机组的发展。同时，利用SimPowerSystem工具箱生成瞬时仿真系统，来验证这种控制方法的效率。此外，在阵风和正常运行状态下对传统控制方法和本文采用的控制方法的效果进行了比较。得出结论，基于直流矢量控制的双馈型风力发电机组在各方面都表现出优越的性能。 关键词：直流电压控制、直流矢量控制、双馈感应电机、电网电压控制、最大风能捕获、无功控制。 概述 目前，基于双馈感应发电机的风力发电系统在北美的大多数风场使用。主要有几个原因：它们能更大可能的捕获风能，减轻了对机械结构的压力，减少了噪声污染，对于无功和有功功率的控制更利于并网。 无论如何，在合适的风能条件下，风能从风机侧捕获到转换到电网测的多少很大程度上依赖风机所采取的控制技术。然而，当前商业用途的双馈风力涡轮机使用的标准的d-q矢量解耦控制技术，还是十年前开发研制的。本文指出了对于双馈风力发电机网侧变流器而言传统的控制技术还存在一些局限。尤其，当变流器超出线性调制的限制后，传统控制技术的弱点就更加的明显。针对这种情况也有很多的研究，在不同的应用领域都有必威体育精装版报道。在文献[5]中，通过理论和实验研究发现常规控制技术模型的不确定关系很敏感。文献[6]-[8] 报告了在大量的实践中发现，采用常规矢量控制的风场定期的存在高度不平衡和谐波畸变。在文献[9]中，它指出在应用静止同步补偿器的系统中采取常规矢量控制很难调整 PI 参数。文献[10]指出提高常规控制技术在微电网中的应用是估计电网系统参数的关键。 本文提供的基于直流矢量控制的综合控制机制改善了双馈风力发电系统的控制。同时，基于目前的控制策略，集成控制也有了新的发展，包括最大风能捕捉控制，无功控制，电网电压控制。在接下来的几部分，首先介绍了双馈奋力发电系统的一般结构和整个的控制体系，第三部分针对网侧变流器（GSC）分析了常规矢量控制和直流矢量控制。针对转子侧变流器（RSC）的两种控制在第四部分介绍。第五部分给出了有关最大风能捕获，无功控制，网测电压控制在GSC和RSC中的集成控制。第六部分通过仿真比较了在正常运行状态和阵风状态下两种控制策略的不同之处。最后，总结了本文的主要结论。 DFIG的电气结构和集成控制 双馈风力发电机组主要包括三个部分：风机传动系统，感应电机，电力电子变流器。（图1）在传动系统中，风轮捕获了风能通过齿轮箱传送到感应电机。感应电机是标准的鼠笼型转子，定子绕组输出直接与电网连接，转子通过一个变频调速器和电网相连。这个变频调速器是有两个中间通过直流连接的电压型自整流变换器组成，即GSC和RSC。 图1:DFIG系统的电气结构 针对DFIG风场的控制有三个等级：电机等级，单个机组等级，风场等级。在电机等级，通过RSC调整DFIG达到以下两个目标：1）捕获最大的风能；2）满足风场的控制需求。通过GSC控制使电机输出维持稳点的电压水平，同时调节电机无功，吸收来自电网的多余无功功率。对于机组等级控制，包括调速控制器和功率限制控制器。在低风速条件下，调速控制器根据最大风能捕捉的原则给RSC一个功率参考。在高风速条件下，功率限制控制器通过调节叶片的俯仰角，保证机组的输出不超过额定功率。风场等级的控制中，网侧需求决定了整个风场的发电能力。中心控制系统给每个机组送出功率参考，同时每个机组确定收到来自中心控制系统的功率参考。 GSC的常规矢量控制和直流矢量控制 在一个含有DFIG的发电系统中，GSC控制直流侧电压，对整个DFIG 控制系统的无功功率和网侧电压也有影响。 图2：GSC示意图 GSC的瞬态和稳态模型 图2 给出了GSC的示意图，其中直流电容在左侧，代表交流系统公共连接点电压的三相电压源在右侧。电机以d-q参考模型，网侧变流器的电压平衡方程是 （1） 其中，是角频率，是网侧变化器的电感和电阻。利用空间矢量，1)是一种复杂的表示2）其中是公共连接点的电压，线电流和变化器输出电压的瞬时空间向量。在稳态条件下，2）变成了3）其中公共连接点的电压，线电流和变化器输出电压的稳态空间向量： 在公共连接点电压矩阵中，GSC从电网测吸收的瞬时功率和无功功率与网侧d轴和q轴电流成正比，分别用方程（4）和（5）表示如下： 在稳态条件下，，如果d州的参考矩阵与PCC（point