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摘要：近年来社会用电需求的不断增大，电力工程建设数量也逐渐增多。随着双馈风力发电技术的日益成熟，单机并网功率越来越大，对风力发电系统运行的稳定性提出了挑战。大功率负载的突投突切，引起电网电压的波动和三相不平衡;非线性负载的投入，会向电网注入大量谐波，从而导致并网电流谐波问题，造成设备寿命缩短甚至损坏。本文就双馈风力发电变流器控制策略展开探讨。
关键词：双馈风力发电；变流器；控制
引言
作为清洁无污染、可持续利用的能源形式，风力发电以其迅猛的产业发展趋势，已成为新能源发电的一种重要利用形式。变流器是风力发电和电网的接口装置，其控制性能对并网系统的安全稳定运行具有重要作用。在一般的风电变流器控制系统中，均假定电网电压是理想的正弦标准信号，但是在实际电网中，由于线路阻抗以及外界干扰的影响，电网电压会出现不平衡现象，如何保证并网变流器在电网电压不平衡条件下正常运行是目前急需解决的关键问题。
1双馈风力发电机数学模型
发电机在d,q坐标系下磁链方程如下:
式中：
分别为定子与转子磁链d,q轴分量;L.为定子等效电感;L}为转子等效电感;L.为定转子互感；分别为定子与转子电流d,q轴分量。系统在d,q坐标系下功率转矩方程如下:
2倍频分量产生机理
在电网电压不平衡条件下，双馈风力发电并网系统的视在功率为
（1）
式中：为电网电压dq轴的正负序分量;为电网电流dq轴的正负序分量;*为取共轭．对应的有功功率和无功功率分别为
（2）
式中:P0、Q0为基波分量馈入电网的有功、无功功率平均值;Pc2、Ps2为有功功率余弦和正弦二倍频谐波分量;Qc2、Qs2为无功功率余弦和正弦二倍频谐波分量．结合式(1)和式(2)可以求得各个功率分量的矩阵表达式，即
（3）
由网侧变流器直流侧功率平衡可得
（4）
式中:udc、idc为直流侧电容的电压和电流;P1为双馈风力发电机侧变流器的输出功率;P2为双馈风力发电网侧变流器的输入功率．根据电容器的特性和式(2)可得功率平衡的表达式，即
（5）
式中，C为直流侧电容。从式（5）可以看出，功率的二倍频谐波分量会引起直流侧母线电压含有二倍频谐波，造成直流侧电容的频繁充放电，影响电容的寿命，从而不利于并网系统的稳定运行。
3系统变流器的控制策略
在电机端即机侧变流器的控制策略中，需要实现电机转矩和磁链的解耦控制，从而提高整体发电系统的效率。在传统异步电机控制中，定子磁链观测技术可以实现针对电机的精确控制，但由于双馈电机的结构与特性，本文选取定子电压作为控制量（控制框图如图1所示）。设定双馈风机的定子电压矢量在dq同步旋转坐标系中与q轴重合，在此坐标系下电机功率为：
根据上述公式可以看出，在dq同步旋转坐标系中电机无功功率由转子电流的d轴分量决定，有功功率由转子电流的q轴分量决定。因此实现双馈电机有功功率和无功功率的解耦控制，只需要在旋转坐标系中控制相应的转子电流分量。
图1双馈电机定子电压定向矢量控制框图
图2网侧变流器电路拓扑
背靠背型双PWM控制的双馈风机变流器，电机端变流器负责系统发电控制，电网侧并网变流器负责稳定直流母线电压和调节并网功率因数（电路拓扑如图2所示）。其中，ia、ib、ic为交流侧输入电流，ea、eb、ec为三相对称电网，C为直流滤波电容，L、R为交流侧电感和线路电阻，idc为直流母线电流，iL为机侧变流器直流母线电流。在dq坐标系中，网侧变流器瞬时功率为：
上述公式可看出，在dq坐标系中有功功率和无功功率实现了解耦控制，控制id、iq就可以通过控制变流器来控制并网功率。P＞0时电网向变流器直流侧提供能量，变流器工作在整流模式；Q＞0表示变流器为感性从电网吸收感性无功功率；P＜0时变流器直流侧向交流侧电网馈送能量，变流器工作在逆变模式；Q＜0表示变流器呈现容性从电网吸收容性无功功率。如图3所示，在双闭环控制中，d轴分量的控制策略为以电容电压为参考值，输入功率超过负载损耗，直流电容充电，直流电压升高，直流电压反应有功分量状态。q轴分量控制无功分量，无功分量与电网所需的功率因素有关，有功和无功实现解耦，所以为双闭环控制。
4控制策略
4.1网侧控制
网侧变流器的拓扑结构通常是一个三相全桥变流器，电网与变流器之间有电感连接，可由基尔霍夫电压定律得回路方程如下:
式中:为电网线电压；和分别为电感和电阻上的电压;为变流器输出电压。电感上电压与电流关系如下:
在d,q坐标系下，得网侧变换器数学模型:
式中:为电网电压角频率。网侧变流器的主要功能是稳定中间直流母线电压和交流侧单位功率因数运行，同时实现能量双向流动，采用电压外环电流内环的双环控制策略，如图3所示。
图3网侧变流器控制框图
4.2机侧控制
机侧采用定子磁链定向控制，其中
并且，可得磁链方程如下：
进而得到定子侧电流和转子侧电流关系为:
将上式代入转子侧的磁链方程中，可得:
转子磁链方程简化后代入转子电压方程得:
式中：采用定子磁链定向进行坐标变换，通过矢量控制方式实现功率控制，控制框图如图4所示，包含功率外环和电流内环。其中，为电网电压相角;为定子电压相角;为补偿角;为发电机定转子匝数比。
图4机械变流器控制框图
2实验及分析
为了验证本文所提出理论的有效性，在由异步电机模拟风轮的1.5MW双馈风电机组实验平台，针对双馈电机的运行状态开展了次同步、超同步和穿越同步速等实验。（1）次同步（n=1350rpm）。实验条件为双馈电机20%额定功率时1350rpm，图5为电机转子侧电压和电流的波形。实验结果表明，此时转子B相电流滞后A相电流于，电网变流器向电机提供能量。
图5双馈电机转子电压和电流波形
图6双馈电机定子侧电压电流波形
图6为电机定子侧A相电压和电流的波形。结果表明，此时定子A相电流和电压同相位，双馈电机定子侧功率因数为1。
（2）超同步（n=1735rpm）。实验条件为双馈电机100%额定功率，1735rpm，电机转子侧电压和电流波形。实验结论为此时转子A相电流滞后B相电流，双馈电机转子通过变流器向电网传输能量。
图7双馈电机转子电压和电流波形
图8双馈电机转子电压和电流波形
图8为此时电机定子侧A相电压和电流的波形。实验结论为此时，定子A相电流和A相电压同相位，双馈电机定子侧功率因数为1。
结语
本文建立了双馈风力发电网侧变流器在电网电压不平衡条件下的同步坐标系数学模型，分析了系统二倍频谐波分量产生的机理，并提出了双馈风力发电变流器控制策略。
参考文献:
[1]刘其辉,贺益康,张建华.交流励磁变速恒频双馈型异步发电机的稳态功率关系[J].电工技术学报,2016,21(2):39-44
[2]李建林,付勋波,胡书举.变速恒频双馈风力发电系统应用研究[J].通用机械,2017(8):90-94
[3]侯庆明.中小型永磁直驱风力发电控制系统的设计和仿真[D].沈阳:沈阳工业大学,2016.
[4]邹旭东.变速恒频交流励磁双馈风力发电系统及其控制技术研究[D].武汉:华中科技大学,2015.
[5]杨淑英.双馈型风力发电变流器及其控制[D].合肥:合肥工业大学,2015.
[6]刘其辉,贺益康,张建华.并网型交流励磁变速恒频风力发电系统控制研究[J].中国电机工程学报,2016,26(23).