基于型定子磁链观测的风力双馈发电机、解耦控制.docx

基于％-血型定子磁链观测的风力双馈发电机P、0解耦控制摘要：变速恒频双馈风力发电系统中，最常用的控制方法为基于定子磁链定向控制定子 磁链观测模型为控制系统最重要的环节传统的定子磁链观测模型过于依赖系统参数，发电 机运行过程中电机参数易发生改变，定子磁链观测模型的准确度亦降低，同吋存在无法与电 网同步，不利于发电机的软并网分析了弘-⑵磁链观测模型的原理，综合考虑定子电阻、 电流对定子磁链角度影响的基础上，捉出一•种改进型U-CO定子磁链观测模型，详细的仿真 表明改进肩的n磁链观测模型准确输出定子磁链，捉高了电机的解耦合性能关键词：变速恒频风力发电，双馈发电机，PQ解耦，定子磁链观测模型Decoupled Control For P and Q Of DFIG Base OnU—(JD Stator Flux ObserverAbstract: In VSCF-DFIG system, the strategy of DFIG active power and reactive power based on stator flux oriented vector control is widely used・ And the stator flux observer model is very important for system. Generic stator flux observer model is not accurate as it badly depend on parameter of DFIG, and the performance of decoupled control for P and Q become poor. Beside that ,it can not keep pace with the grid and against the cutting-in control. Base on analyse the theory of u — (D the stator flux observer, the u — (D stator flux observer model was put forward. Consider the impact of the stator current on the angle of stator flux , improved stator flux observer model was put forward The simulink results testify the validity of the theory and the accurate of improved u —co stator flux observer model.Key word: VSCF , DFIG, decoupled control for P and Q, u-cd stator flux observer model0引言由于风速的瞬变，发电机输出的有功功 率也随z改变，为提高风能利用效率须追踪 最大风能。

追踪风能变化，发电机PQ解耦 控制性能的优劣显得极为重要将定子磁链 定向矢量控制技术应川于双馈发电机的PQ 解耦控制磁链的准确观测成为发电机解耦 控制的关键环节一般定子磁链观测模型过 于依赖系统参数且无法与电网同步，其准确 性影响了系统解耦控制性能因电网容量无 穷大，电网电压矢量角检测较为简易且不受 参数的影响，在分析电网电压与定子磁链之 间关系的基础上，提出一种基于u-（o改进 型定子磁链观测模型1定子磁链观测模型双馈发电机定子磁链定向矢量控制系 统中，定子磁链矢量的检测是较为重要的一 个环节，磁链观测准确与否将肖接影响到系 统解耦控制的性能双馈发电机定子端连接 电网，转子端连接功率变换器，使其定子电 流、电压和转子电流、电压均可被检测为 此定子磁链也有不同的观测方法其小较为 典型的有基于定子电压与电流的观测方法 （定子电压模型法）、基于定子电流和转子电 流的观测方法（定转子电流模型法）因电压 模型存在积分环节，衣流偏移量対模型影响 较人而定转子电流模型可避免积分环节， 准确性相对提高，但亦易受参数的影响同 时存在另一缺点，不能够与电网同步，不利于风力发电软并网策略的实施为此需要建立一个基于电网信息的发 电机磁链观测器，使之能根据电网信息计算发电机定子磁链的幅值妇和相角Os 02 u-e磁链观测原理2Au-(o磁链观测模型 由双馈发电机运行理论可知，当忽略定子电 阻影响时，双馈发电机定子磁链超前于定子7T电压一，检测出定子端电压相位即可得出定 2子磁链的相位。

因定子端直接连接电网，定 子端电压等同于电网电压基于上述分析参 考文献【1】提出了 “ ⑵型定子磁链观测模 型其基本原理是通过检测出电网电斥矢量Q,进而得出定子磁链的角度q和幅值b该方法不易受电机参数变化的影响，也 不存在积分坏节当定子电流较小时此模型 较为准确，当电机运行过程中造成定子电阻 增人、定子电流增人时，此模型的准确度将降低2.2改进型u - co磁链观测模型原理由上分析可知，"-⑵定子磁链模型是在忽略定子电阻的基础提出的，近似认为定7T 子磁链角与电网电压矢量角相差一2图1为双馈电机矢量图，图中心为定、转子合成励磁电流为忽略定子电阻的影响 时，电网电压矢量角与定子磁链角相差1T近似一当考虑疋子电阻的影响时，如图中 2所示，电网电压矢量位于虚线处，两者之间7T的差值将减小，不再为兰当定子电流增人2或定子电阻因温升阻值增人时，此差值将越TT人因此若粗略以角度差值为兰计算定子磁2链角，模型的精准度将降低，影响控制系统的解耦性能图1双馈电机矢量图为此需要建立改进型的u -定子磁链 观测模型，使其不受定子电阻电流的影响， 从而提高精度由于电网容量无穷大，电网电压矢量角 检测较为简易且不受参数的影响，为此，对 利用电网电压矢量与定子磁链之间的相位 关系间接导出定子磁链模型，沿袭参考文献 【1】的习惯，称这种磁链模型为U-CD改进 型磁链观测模型。

其原理图如2图2电网电压定向矢量图如上图所示图中旋转坐标轴M轴与 电网电乐矢最重合，定子磁链与T轴重合文献认为定子磁链角q与电网电压矢量角a相差兰，即定子磁链与t轴重合由前$ 2分析可知，当定子电流较大或电阻增大时， 定子磁链偏离了 T轴，偏移到图中所示位 萱此刻，定子磁链与电网电压矢量的角度 之差不再为兰，变成如图所示的0'为此2文献【1】所提模型准确度亦下降因此需 要得出考虑定子电阻影响下，定子磁链的观 测模型利用电网电压检测较为准确的优势，将 发电机定转子各电流、电压量变换到此坐标 系下，得出定转子电流在此坐标系下的直流 分量心、—1、»2、心2如上图所示在此坐 标系卜S由于定子电阻的影响，必位于如 图所示位宜，在电网电压矢量坐标下不 为0,定子磁链与电网电压矢量的角度差值 亦不为兰，此时角度差值为要得出定2子磁链与定子A相的夹角目，只需计算出 角度差值0',经公式q=a+0计算厉得 出定子磁链准确的角度q o需特别说明，定 子磁链角度为定子磁链与定子a相轴线的 夹角，磁链角度值与所处坐标系无关采用 上述方法得出的定子磁链模型，其幅值和相 位受外界影响较小，精准度较高当然U-CO 磁链观测模型精准度是建立在电网电压矢 最角仇准确检测的基础z上。

2.3改进型"磁链观测计算方法在旋转坐标系卜，定子磁链M-T轴分最为0加 1 =厶 G - LJaMl =厶从一 L点2由上图可知，定子磁链与电网电压角度/ 、差值为O' = tan-1如仏丿因此定子磁链角为rti定子磁链定向矢最控制ij知，定子磁链的幅值为中严5为此w - e磁链观测结构原理图如下所图3改进型U-O）定子磁链观测模型电网电压矢量角检测较为简易且不受 参数的影响，将定子转子各量转换到电网电 压定向的坐标系中，得出定子磁链的角度与 幅值此模型不易受定子电阻的影响，且动 态过程中亦能准确输出磁链位直角，尤其在 并网前能输出与电网同步的磁链，便于发电 机软并网的实现，适合风力发电特殊背景的 磁链观测模型因控制系统由两个背靠背的整流器组 成，与电网相连的整流器称之为网侧整流 器，与转子相连的柴流器称之为转子侧整流 器因网侧整流器采用电网电压定向控制， 需实时检测电网电压矢量因此上述磁链模 型在实际应用中无需增加检测设备，两个整 流器共用一个检测设备，即检测电网电压矢3定子磁链定向矢量控制采用定子磁链定向控制，将旋转坐标M 轴与定子磁链重合，此时,0加1=01， ua =- U[ , % =0；将 =o, um[ =0,=中\，忤=o代入式1、2中有：1//1 =叱=0(3)知2=(忌+切比2ut2=(R2+bp)it2ul2=R2il2 + py/l2+co5^m2% = 一血見ut2=a(Ds^+b(osim2(4)i机2 =辛-(厶几1 一 “) 厶"・_厶.中m2 — 3加2 -厶爲”10/2 = 9/2 -厶”£1由（3）发现转子解耦后仍然存在交叉 耦合。

为消除转子电压、电流交叉耦合，提 高系统控制精度与动态响应，需要对其进行 补偿由电机电压与磁链方程可以推导出式中：知2、心2为实现转子电压、电 流解耦控制的部分；"沁、色2为消除转 子电压与电流交叉耦合的补偿部分； 4 = 7/厶 b = L2-l3m/L[综合前而分析，建立变速恒频双馈风力 发电最人风能追踪控制框图最人风能追踪 控制框图中有功功率给定P计算方法已有 较多文献进行了详细的讨论，限于篇幅在此m2不再鳌述控制系统框图如图4所示:(5)图5变速恒频风力发电系统最人风能追踪控制框图双馈电机：极对数：2对；额定功率150kW,3仿真对比额定电压：220V,额定频率：50Hz；定子LULm +LMLm3・1系统所用仿真参数：风力机参数：浆叶半径R=14m,额定功 率160kW,最佳风能利用系数Cpinax和最佳 叶尖速比人莎分别为0.468和90空气密度 y9=1.25kg//n3,风力机与发电机的增速比 N=23.936o网侧整流器：进线电感L=5mh,直流侧电容 C=2000pf , R=0.1Qo 电阻尺和漏感厶”分别为:0.03983 Q , 0.00258H；转子电阻R2和漏电感厶”分别为 0.03138Q, 0.00261H；互感 L（ =0.04618H： 转动惯M J=5.18^ m2 o3.2仿真过程及结果：为验定子磁链观测模型的精准度， 仿真系统建立了两组磁链观测模型：U-CD 模型与改进型U-CO模型。

㈣过程设置为：-JLm图8定子有功电流分量（1为“一力型定子磁链下为模拟温升,在t=ls&由0.03983Q变为0.041830为模拟定子电流增大，在t=1.8s风速"由 9m/s 跳变至 1 lm/s观察基于两组不同定子磁链观测模型 下发电机解偶控制性能3.2仿真结果：图6电网电压矢量角从图6可知，在仿真过程中，改变定子 电阻或定子电流增人时，电网电压矢量角的 检测均不受外界影响图7两组磁链观测模型的角度谋差图7为两组磁链模型的角度差值从 图可知，当定子电阻或定子电流增。