风电翻译作业

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。I.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最新报道。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。II.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。III.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A、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，s是角频率，ffRL和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1,vvdqdqdqi和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1dq,dqdqVIV和公共连接点的电压，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，0jdVVdq，如果d州的参考矩阵与PCC（pointcommoncoupling）电压位置独自对其。假设1q1d1jVVVdq，忽略网侧滤波器的电阻，那么流过GSC和PCC的电流根据（3）可得其中，fX是网侧滤波器的电抗。假设利用无源符号约定，流向PCC的功率为正向，那么GSC从电网吸收的功率是：B、常规GSC控制机制常规矢量控制中针对GSC的控制包含有一套嵌套循环控制，其中有一个快速的内部电流环和一个慢的外部电流环，如图3所示。图3：GSC常规控制结构原理图其中，d电流轴环用于直流电压控制，q轴电流环用作无功控制和网侧电压控制。内部电流环控制策略的方程可以根据（1）重写为：括号中的项可以当做是d轴和q轴电流环从输入电压到输出电压的传递函数，其他项可以认为是补偿项。这么处理的依据是假设在（8）中1vd对1id没有很大的影响，（9）中1vq对1iq没有大的影响。然而，正如下面将要讲的这种假设存在一定的不足。根据图3，最终的输出电压是跟d轴和q轴的电流环的输出电压正比变化部分加上补偿项如方程（10）所示。因此这种控制策略是通过独立的调节来实现的。但是，根据（）（）和（），d轴的电压只对无功功率或di有作用，并且q轴的电压只对有功功率或qi有作用。所以，常规矢量控制是一种主要依赖于补偿项而不是PI环去调节d轴和q轴的电流的负载的控制机制。不过，这些补偿项对于反馈控制没有作用。下面是设计常规嵌套循环控制系统是需要注意的几点：①．为了防止变流器进入非线性调制模式，如果有内环生成的参考电压幅值超出线性调制区的限制，在输出端对电压采取一种饱和机制。一般的策略是设置｜｜*1dqV幅值限制而保持它的相角不变，如方程（11）所示。其中，*new-1dV和*new-1qV是校正后变换器输出电压d轴和q轴分量。maxV是最大允许的输出电压。研究发现其他的饱和机制都会引起系统更大的不平衡和振荡。②．如果由外部环生成的电流幅值超过限制，则通过调整q轴的参考电流来防止GSC电流超过额定值。一般的方法是保持d轴的参考电流*di不变，调整直流侧输出电压。同时，调整q轴的参考电流以确保无功平衡和交流侧输出电压稳定的需求。如方程（12）所示：C、GSC的直流矢量控制针对GSC进行直流矢量控制的理论基础是方程（4）和（5）。利有功和无功d轴和q轴的电流实现功率控制。但是，与常规矢量控制有变换器电流环产生d周和q轴的电压不同，直流矢量控制中输出一个电流信号给d轴和q轴电流环控制器。换句话说，控制器的输出是d轴和q轴的校正电流，而输入的误差信号告诉控制器在动态矫正的过程中校正电流需要多大的调整。这种校正电流控制策略的发展很好的迎合了典型的智能控制理念。这种自适应的控制机制的一个目标就是实现在期望和实际的d轴或q轴电流之间有绝对值最小或均方根值最小的误差。校正电流是不同于实际在d轴和q轴上测得的电流。例如，对于一个给定的d轴参考电流，自适应程序将会不停地运行，直到实际的电流达到给定的参考电流。此外，有必要指出当涉及到GSC的高次谐波和不平衡问题时，快速的电流环控制器对于最大功率的质量实现是很重要的。因此，消除电路环流不是期望的设计选项。但是，由于变换器是电压型的缘故，d轴和q轴的上有电流环控制器生成的电流信号*di和*qi必须通过电压信号*d1v和*q1v来向GSC动作。这可以通过方程（13）实现。这相当于，为了消除直接作用在变换器上的d轴和q轴上参考电压的高次谐波，把d-q方程（1）通过了一个低通滤波器。GSC的整体控制机构如图4所示。它包括为实现直流侧电压控制的d轴环，和为实现无功功率和交流侧电压控制的q轴环。信号处理技术测量直流侧电压和d轴和q轴电流是使用以确保没有高次谐波进如变换器。为了提高GSC的动态性能，集成PI技术，模糊控制以及自适应控制技术在电流环控制技术中使用。控制器的PI部分按直接目标控制的原则运行。控制器的模糊控制和自适应控制根据控制器实际和理想的值之间的误差和变量来调节PI控制器的参数。PI控制器的初始值根据基本智能控制原则来调整，即参考值和测量值之间的误差最小。图4：GSC的直流矢量控制结构另外，如下所示我们还通过非线性规划策略来实现GSC的运行不超过额定电流，同时防止变换器进入非线性调制模式。其中ratedI是GSC额定相电流，*GSCQ是GSC从电网吸收的无功功率。非线性调制策略制定的基本原则是在GSC在额定电流下工作在线性调制模式的情况下，系统能够实现直流电压控制的目标，同时尽量保持无功功率的参考值和测量值之间的误差最小。非线性控制策略以下面的方式实施。如果有外部的直流电压环产生的电流｜｜*dqi超出了额定值，则按照方程（12）来调整*di和*qi。如果够内部电流环产生的｜｜*1dqV超出了变换器线性调制的限制，则按方程（14）调整d轴和q轴的电压。可以看出，这种调整没有改变q轴的电压*1qV，所以q轴的控制环不会受到影响。因此，由方程（7）可以得出，有功效率和直流电压的控制得到了改善。但是，这种调整在另一方面使得d轴的控制电压*-1dnewV不能跟随控制器电流环生成的d轴电压*1dV。因此，还是有方程（7）可以得出，无功效率和母线电压控制会受到影响。在这种情况下，无功功率的控制实际上取决于变换器线性调制需求的约束而不是控制变量。IV.RSC对DFIG的速度和无功控制RSC控制DFIG发电系统的感应电机捕获风能的同时与GSC协同控制整个DFIG系统的无功功率和网侧电压。这种控制通过一个包含内部电流环和外部快速电流环的嵌套循环结构实现。跟GSC控制相似，RSC的电流控制环的重要性在于在高次谐波和DFIG系统不平衡时确保最大的功率输出。因此消除电流环流不是本文涉及内容。图5：RSC对DFIG的速度和无功控制结构图5展示了基于定子磁场定向框架的RSC标准控制结构。直流矢量控制技术不能使用是因为在同步转速的情况下频率几乎为零。在图中，根据最大功率捕获原则给出了参考有功功率，而无功参考是根据风场的无功需求给出的（这将在第五部分讲到的与GSC协同控制时无功参考的确定是一样的）。无功参考是由通过无功控制器的转子上d轴参考电流*rdi转换来的，并且有速度控制器产生的参考转矩则是由转子上q轴参考电流*rqi转换来的。电流环控制器根据转子d轴和q轴上实际电流和参考电流之间的误差信号生成d轴和q轴的电压*rdv和*rqv。最终的d轴和q轴的输出电压等于有控制器产生的电压*rdv和*rqv，加上补偿分量`dv和`qv。另外，如果有外部电流环产生的参考电流幅值超过额定值或无功功率控制环超过额定值，则可以按方程（15）以调节转子d轴上电流参考来防止RSC运行电流高于额定值。实际中，主要是保证*rqi不变来调整风能捕获的效率同时调整*rdi最大可能的满足无功功率控制的需求。超调并不是主要的问题，它只发生在超过DFIG正常速度运行的范围内。V.GSC和RSC对风机的集成控制DFIG风电机组的集成控制最主要包括1）最大风能捕获控制；2）无功功率控制；3）网侧电压控制。A、最大风能捕获控制对于给定的风速，最大功率控制的目标就是调整风机转子在一个理想的转速，能够捕获最大风能。在本文中提到的这方面的已投入商业应用的技术是，通过查功率-转速（P-）表来对DFIG风机进行最大风能捕获设计。峰值功率跟踪算法为速度环控制器以递归方式生成一个参考功率，直到变换器输出达到峰值功率点。B、无功功率控制正如前面第三部分和第