1、雙饋風機雙PWM學習Abstract：this report introduces double feed induction generator（DFIG）operation theory、coordinate transformation and dual-PWM. Basing on employing space vector control strategy, dual-PWM converter can actively raise ac-side power factor 、work well with study output voltage and bi-drisctiona

2、l power flow. Key Words：Wind turbine；Dual-PWM converter；DFIGIntroduction雙饋異步發電機實質上是一種繞線式轉子電機，由于其定、轉子都能向電網饋電，故簡稱雙饋電機，采用變速恒頻發電技術，可使發電機組與電網系統之間實現良好的柔性連接，它將電力電子技術、矢量變換控制技術和微機信息處理技術引入發電機控制之中，獲得了一種全新的、高質量的電能獲取方式。采用雙饋發電機的變速恒頻風力發電系統，優點在于：既可單機運行，也可并網發電；并網運行時，通過調節轉子勵磁電流大小來改善電網功率因數；發電機勵磁功率約為轉差功率，控制功率小，因此變換器容量小

3、，系統容易設計與調整；變速運行范圍寬，既可超同步速運行，也可亞同步速運行。其缺點為：轉子上存在滑環和電刷，不能避免滑環和電刷帶來的弊端。采用無刷雙饋發電機的變速恒頻風力發電系統，優點在于：對功率變換器容量需求相對較低，可以實現有功、無功功率的獨立控制；由于無刷雙饋發電機沒有滑環和電刷，既降低了電機的成本，又提高了系統運行的可靠性。其缺點為：需要兩臺繞線式三相異步電機，增加了系統的復雜性和成本，實現難度較大1。1坐標變換2在交流電動機三相對稱的靜止繞組A,B,C中，通過三相平衡的正弦電流iA，iB，iC時，所產生的合成磁動勢是旋轉磁動勢F，它在空間呈正弦分布，以同步轉速 (即電流的角頻率)順著A

4、BC的相序旋轉。當二相繞組和三相繞組產生的兩個旋轉磁動勢大小和轉速都相等，即認為該兩相繞組和三相繞組等效。以產生同樣的旋轉磁動勢為準則，在三相坐標系下的iA，iB，iC和在兩相靜止坐標系下的以及在同步旋轉兩相坐標系下的直流電id，iq都是等效的。當旋轉兩相坐標系的轉速為同步速時，對應兩相繞組就成為與三相交流繞組等效的旋轉直流繞組。這樣，通過坐標系的變換，可以找到與交流三相繞組等效的直流電動機的模型。坐標變換的任務是如何求出iA，iB，iC與和id，iq之間準確的等效關系(進行坐標變換時遵循功率不變的原則)。三相變兩相變換式：矢量旋轉變換式：2 雙饋異步發電機工作原理3根據電機學原理，同步發電機

5、在穩態運行時，它輸出端電壓的頻率與發電機轉速有著嚴格的關系：式中f為發電機輸出電壓頻率；p為發電機的極對數；n為發電機旋轉速度。當轉子三相對稱繞組中通入三相對稱交流電，電機氣隙內將產生旋轉磁場，此旋轉磁場的轉速與所通入的交流電的頻率有關：式中，f2為轉子三相繞組通入的三相對稱交流電頻率；p為繞線轉子異步電機的極對數；n2為轉子三相繞組通入頻率為f2的三相對稱電流后所產生的旋轉磁場相對于轉子本身的旋轉速度。改變頻率f2，就可以改變n2。當改變通入轉子的三相電流的相序時，還可以改變轉子旋轉磁場的方向。因此，若設n1為對應于電網頻率為50HZ時的發電機的同步轉速，而n為電機轉子本身的旋轉速度，則只要

6、維持則異步電機定子繞組感應電勢的頻率將始終維持為f1不變。雙饋異步發電機的滑差率。通入機轉子三相繞組內的電流頻率為： 根據上式分析可知，在雙饋異步電機轉子以變化的轉速轉動時，只要在轉子的三相對稱繞組中通入滑差頻率（即f1s）的電流，在雙饋異步電機的定子繞組中就能產生恒頻電能，實現了變速恒頻。雙饋異步電機運行時的功率關系：式中，是發電機輸入功率；是定子輸出功率；是滑差功率。雙饋異步電機轉子在不同轉速下，具有以下三種運行狀態：（1） 亞同步運行狀態。亞同步運行狀態是變速風力機主要運行狀態。為正值，轉子側輸入有功功率。（2） 超同步狀態。為負值，轉子側輸出有功功率。（3） 同步運行狀態。這個工況下，

7、雙饋異步發電機與普通同步發電機運行原理一致。3 交流勵磁電源工作原理DFIG有亞同步運行、同步運行和超同步運行三種工作狀態。因此要求交流勵磁電源能夠提供幅值、頻率和相位可調的轉子勵磁電流。通過交流勵磁電源的控制可調節發電機的轉速和功率。DFIG采用電力電子變換器作為轉子的勵磁電源。DFIG的運行控制是通過其轉子變換器實現的，根據機組的轉速調節轉子電流的頻率，實現變速恒頻輸出；通過控制轉子電流的d、q軸分量，實現DFIG的P、Q解耦控制和最大風能追蹤運行。由此可知，高質量的轉子勵磁變換器是保證DFIG乃至整個風力發電系統正常運行的關鍵。交流勵磁變速恒頻風力發電系統的運行特點，決定了DFIG對勵磁

8、變換器特有的要求：交流勵磁變速恒頻風力發電系統要求勵磁變換器首先應是一種“綠色"變換器：諧波污染小，輸入、輸出特性好，其次應具有功率雙向流動的功能，最后還要能在不吸收電網無功功率的情況下具備產生無功功率的能力4。4 雙PWM型變換器4圖Back-to-Back PWM變換器雙PWM變換器原理圖如上圖所示。圖中uga、ugb、ugc為三相電網電壓，包括外接電抗器的電感和交流電源內部電感，為包括外接電抗器中的電阻和交流電源的內阻。雙PWM變換器主要由兩個完全相同的電壓型三相橋式PWM變換器構成，他們之間通過直流母線連接。雙PWM變換器是一種交一直一交結構，兩個變換器可以進行獨立控制。由于

9、雙PWM型變換器具有以下特點，使之能較好地滿足交流勵磁變速恒頻風力發電系統對勵磁電源的要求。1雙PWM型變換器由網側和機側兩個PWM變換器組成，各自功能相對獨立。網側變換器的主要功能是實現交流側輸入單位功率因數控制和在各種狀態下保持直流環節電壓穩定，確保機側變換器乃至整個DFIG勵磁系統可靠工作。機側變換器的主要功能是在轉子側實現DFIG的矢量變換控制，確保DFIG輸出解耦的有功功率和無功功率。兩個變換器通過相對獨立的控制系統完成各自的功能，仿真圖機側變換器是通過DFIG定子電壓定向的轉子電流控制方法，網側變換器則是通過電網電壓定向進行控制的。2雙PWM型變換器的兩個變換器的運行狀態可控，均可

10、以在整流逆變(或逆變整流)狀態間實現可逆運行，以此實現變換器能量的雙向流動。3由于雙PWM型變換器采用高頻自關斷器件和空間矢量PWM(SVPWM)調制方法，開關頻率高達IOK-20KHz，消除了低次諧波，輸入輸出特性好，對電網和DFIG造成的影響比較小，在諧波特性上能滿足DFIG的勵磁要求。4雙PWM型變換器具有較強的無功功率控制能力。由于DFIG是異步發電機，空載時轉子需要吸收一部分無功功率進行勵磁，而當定子輸出感性無功功率時，轉子需要吸收更多的無功功率。這就需要轉子變換器具有產生一定無功功率的能力。雙PWM型變換器的直流環節配置有電容，可以發出一定大小的無功功率。5 網側變換器控制5電網側

11、的電壓方程經過坐標變換可得到數學模型如下：式中，ugd、ugq分別為轉換到旋轉坐標系的電網d、q分量；ugcd、ugcq為網側變流器交流側電壓d、q分量；igd、igq為網側變頻器交流側電流d、q軸分量。上式為網側輸入電壓對網側電流的控制公式，若采用PI調節器來控制上式中的網側電流，則控制電壓ugcd、ugcq的控制方程如下：上式ki、kt分別為電流內環控制的比列調節增益和積分調節增益。在附圖中，Udc_ref*是直流母線電壓指令。無功電流指令igq*可調節變換器從電網吸收或輸出無功分量。Udc_ref*和igq*都由機組控制器給出。電壓外環控制直流母線電壓，直流母線電壓指令與反饋的直流母線電

12、壓的誤差送入PI控制器。PI控制器輸出有功電流指令。無功電流指令igq*與反饋的無功電流送入PI控制器，PI控制器輸出無功電流指令。加入和是為了消除d、q分量的耦合，解耦之后網側變換器輸入電流d、q軸分量便可以獨立控制，直接給定為0，確保網側的單位功率因數控制3。6 轉子側變換器控制附圖是DFIG定子電壓定向的轉子電流控制結構圖。由圖看出，內環為轉子電流控制環，電流誤差經PI調節后輸出電壓控制量，再加上補償量，即得到同步旋轉坐標系中的轉子電壓控制量，再變換成兩相靜止坐標系下的電壓控制指令，經SVPWM調制后產生所需的勵磁電壓及電流。控制系統將轉矩指令與測得磁鏈幅值經過有功電流計算輸出轉子有功電流指令。有功電流指令再與轉子有功電流作差后送入PI調節器，輸出未解耦的轉子電壓的d軸分量。此量解耦后得到轉子勵磁電壓指令d軸分量urd*。同理可得到轉子勵磁電壓指令q軸分量urq*。兩者變換坐標后，送入SVPWM進行調制。無功功率的控制與上述控制相似，PI調節器的輸出為無功電流的給定3。參考文獻1 陳成.變速恒頻雙饋風力發電系統雙PWM變換