双馈异步风力发电机的矢量控制

本文通过研究双馈异步风力发电机的控制策略，来实现双馈风力发电机的变速恒频，并对其运行过程进行仿真分析。文中根据建立的双馈风力发电机数学模型研究其控制策略，本文研究的是转子侧基于定子电压定向的控制策略，对双馈异步风力发电机定子侧输出的有功和无功功率进行解耦控制。和转子侧基于定子磁链定向的控制策略相比，这种控制方法减少了定子磁链的计算，减小了误差。通过此控制方式，使用Matlab/Simulink软件搭建了双馈异步风力发电机的仿真模型，通过仿真验证了该控制策略可以有效地对有功和无功进行独立控制。

为了早日实现碳达峰和碳中和的目标，并确保满足人类经济社会的电力需求，需要最大化利用新能源[1] [2]。而新能源发电中，风力发电和光伏发电占比较大[3]。风电作为一类重要的新能源发电形式， 逐渐在电力系统中占据重要地位。由于风能是一种随机性，不稳定的资源，因此双馈风机并网时的电能是波动的。并网时风机输出功率波动会造成电网电压波动，引发停电事故[4] [5]。由于现在新能源发电并网，其中大量的电力电子器件对电网的频率变化较为敏感。因此，对风力发电并网时输出频率提出了更高的要求[6]。在变速恒频风力发电技术成熟后，矢量控制技术广泛应用于变速恒频发电系统中。采用矢量控制可按照捕获最大风能的要求在风速变化的情况下实时地调节风力机转速，实现风力机组最大功率追踪，保证了功率输出的稳定[7]，提高了发电机组的运行效率；双馈风力发电机控制系统通过改变转子侧励磁电流的幅值、频率以及相位角实现输出电能的恒频恒压，并且对双馈异步风力发电机的有功和无功功率进行了解耦控制。采用矢量控制技术提高了风力发电系统的动态稳定性和静态稳定性，让双馈风力发电系统实现了柔性并网[8] [9]。

2. 双馈发电系统的工作原理 2.1. 双馈异步风力发电机的变速恒频原理 风速变化时，为了保持定子侧输出频率和电网频率相同，可以调节转子侧的励磁电流的频率。双馈异步风力发电机的定子侧和电网直接相连，转子侧通过两个变流器和变压器等与电网相连。定子的旋转磁场角速度为12mfω = π ， 1f 为电网频率，若转子励磁电流频率为rf ，电机转子转速为rn ，为了保证变速恒频，上述提到的变量应该满足公式(1)： 160prrn nff=+ (1) 式中pn 为极对数。

当外界风速改变时，通过上述公式可知改变转子励磁电流的频率可以维持定子侧输出的频率稳定。

保证双馈异步风力发电机的稳定运行。同步发电时定子旋转磁场速度等于转子机械旋转速度，给转子通入直流电，在亚同步发电时，给转子通入正相序电流，使转子磁场的旋转速度等于定子磁场旋转速度， 超同步发电时候，给转子通上反相序的电流，使转子磁场速度等于定子磁场旋转速度。在变速恒频[8]的不同工况下，功率流向如下图所示。