基于d—q变化的双馈风力发电系统损耗功率研究与控制优化

祁磊

摘 要：基于d-q变化的定子磁场定向矢量控制广泛应用于变速恒频双馈风力发电中，但大部分研究的热点集中变频器的控制策略上。文章从研究降低双馈发电机损耗功率入手，发现通过控制发电机磁链可以有效降低铜耗、铁耗、机械损耗和杂散损耗。重新搭建了损耗功率模型，解耦电磁转矩、有功和无功功率的与定转子电流及转子角速度的关系，并在此基础上提出一种新的最大功率点跟踪控制策略（MPPT）。

关键词：d-q变化；损耗功率；磁链；最大功率点跟踪

中图分类号：TM614 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）28-0013-02

Abstract： Stator field-oriented vector control based on d-q transformation is widely used in wind generation with doubly fed induction generator （DFIG）， but most of the research focuses on the control strategy of frequency converter. According to the research of reducing the loss power of doubly fed induction generator， it is found that the copper consumption， iron loss， mechanical loss and stray loss can be effectively reduced by controlling the generator flux linkage. The loss power model is re-established to decouple the relationship between the electromagnetic torque， active power， reactive power and the stator/rotor current and rotor angular velocity. Based on this， a new maximum power point tracking （MPPT） control strategy is proposed.

Keywords： d-q transformation； loss power； flux linkage； maximum power point tracking （MPPT）

引言

目前，世界各國都在加大对风力发电的投资，其中双馈风力发电机由于有功和无功的可调节、变频器容量小等优点，成为风力发电的主流机型。目前，大量的双馈机组接入电网，对电网的影响越来越大，电网对机组的要求也越来越高。

变流器通过控制转子的励磁电流频率来改变转子磁场的旋转频率，使发电机的输出电压频率和电网保持一致。通过改变转子励磁电流的频率、幅值、和相位可以实现发电机频率、有功、无功的调节。

由于定子和电网直接连接，双馈发电机的磁链几乎恒定，因此降低磁链不能减少发电机的铁耗，只能通过控制变频器“网侧”降低发电机的铜耗。为了降低发电机的损耗功率，提高机组发电量，必须降低发电机磁链。针对此问题，本文结合鼠笼型风力发电机组和双馈发电机的技术特点，提出了一种全新的降低损耗功率的最大风能跟踪控制策略。

1 风能和双馈机组功率损耗模型

1.1 最大风能跟踪

2 基于d-q变化的优化控制策略原理和电路结构

2.1 控制策略

控制逻辑：

第一阶段：风速小于风机切入风速，此时boost变换器使转子三项短路，定子侧变频器动作，晶闸管关断，双馈发电机变成鼠笼电机运行。

第二阶段：风速逐渐增大，大于切入风速，风机进入发电模式，如果转速小于MPPT模式设定的转速，则风机按照此转速稳定运行。

第三阶段：如果系统检测到转速大于MPPT模式设定的转速，则boost变频器开始运行，风机按照MPPT模式运行。

第四阶段：如果风速持续大于MPPT模式设定的转速并且不停增加，系统开始检测定子侧变频器输出的频率是否大于电网频率和转差频率之和。如果前者大于后者之和，定子变频器和boost转化器关断，定子侧电流由晶闸管控制直接流入电网。

4 结束语

本文通过分析双馈风力机的电机损耗功率，从降低发电机损耗入手，提出了在一种即降低损耗功率又能实现最大风能跟踪的控制策略。和传统的双馈机组结构比较，转子侧的四象限背靠背变频器变成了成本更低，效率更高的DC/DC boost整流器。容量更低的四象限背靠背变频器连接在定子上，因为其仅在低风速下运行；高风速时，定子侧变流器断开，定子直接通过晶闸管整流器和电网连接。通过Matlab/Simulink中搭建的样机仿真，验证了策略的有效性，特变对于在山区丘陵地带竖立的风机，对于减少风机频繁偏航，提高风机效率，有风场重要的现实意义。

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