Matlab/Simulink双馈风力发电系统的仿真研究(4)
异步发电机变速恒频风力发电系统如图1.1所示，是异步发电机变速恒频风力发电系统。由于风速的不断变化，风力机以及转子的转速也随之变化，所以发电机发出的电能的频率也是变化的。因此，在定子绕组与电网之间增加一个变频器环节，先整流再逆变可以把频率变化的电能转化为与电网频率相同的频率电能送入电网。实现了变速恒频，具有变速运行范围宽的优点，适用于风速变化大的环境，文护简便。但是由于变频器在发电机定子侧，变频器的容量必须与发电机的容量相等，属于全功率变换，导致变频器体积大、重量大，系统成本较高。
图1.1 异步发电机变速恒频风力发电系统
基于上述系统变频器的缺点。又出现了永磁同步发电机变速恒频风力发电系统，其系统结构示意图如图1.2所示。转子为永磁式结构，无需外部提供励磁电源，提高了效率，该系统的控制也是在定子电路实现的，把永磁发电机发出的频率变化的交流电通过交-直-交并网变频器转变为与电网同频的交流电，因此变频器的容量与系统的额定容量相同。采用永磁发电机可省去齿轮箱，是直接驱动式结构，这样减小了系统运行噪声，提高了可靠性。由于直驱型永磁发电机的转速很低，致使发电机体积增大、成本增加，而且这一类型的风力发电机需要变换器容量较大(约为120%的额定容量)。
图1.2 永磁直驱型变速恒频风力发电机
为了解决上述问题又出现了双馈发电机变速恒频风力发电系统，它的变速恒频控制方案是在转子电路实现的。其系统结构示意图如图1.3所示。这一类型的风力发电机的控制是通过对转子绕组进行控制实现的，转子回路流动的功率是发电机转速运行范围所决定的转差功率，因而可以将发电机的同步速设计在整个转速运行范围的中间。这样如果系统运行的转差范围为0.3，则最大转差功率仅为发电机额定功率的30%左右，因此转子侧变换器的容量可仅为发电机容量的一小部分，可以大大降低成本。 变速恒频双馈型风力发电方案除了可实现变速恒频控制、减小变换器的容量外，还可实现有功、无功的解耦控制，可根据电网的要求输出相应的感性或容性无功，这种无功控制的灵活性对电网非常有利。由于转子侧变换器的谐波电流会在定子侧产生相应的谐波电流分量，所以为了保证发电机输出电能质量，转子侧变换器必须要有良好的输出特性。同时，由于网侧变换器直接接到电网上，为了不对电网产生电力谐波污染，变换器还要具有良好的输入特性。此外，由于双馈型感应发电机要运行于同步速上下，所以转子侧变换器必须具有功率双向流动的能力。具有良好的输入、输出特性，同时具有能量双向流动的能力。
图1.3 双馈发电机变速恒频风力发电系统
通过以上介绍，了解了不同风力发电系统的优缺点。目前大型风力发电系统的主要研究热点之一就是绕线转子式双馈风力发电系统，国际上已经出现了兆瓦级大功率的双馈型发电系统，技术相对成熟，而在国内这方面的技术还相对落后。因此，本文将研究重点放在双馈异步发电机系统上。
1．3.3 双馈风力发电机的控制策略
(1) 网侧变换器的控制策略
网侧变换器的组要控制目标是保持直流侧电压恒定和功率因数控制。通常网侧变换器的控制可以分为基于电网电压的矢量控制和直接功率控制以及基于虚拟磁链定向的矢量控制和直接功率控制四种。
电网电压定向的矢量控制将电网输入电压和电流转换到两相同步旋转旋转坐标系下，然后使用双闭环PI调节器来实现对网侧变换器的控制，其中内环PI调节器控制d轴和q轴的电流，外环的PI调节器控制直流侧电压和无功功率。基于电网电压定向的直接功率控制通过检测支流测电压、变换器工作状态以及电网侧电流来计算得到变换器需要从电网吸收有功功率和无功功率，一般为保证其工作在单位功率因数而将无功功率置为零，然后根据功率的差值来选择功率开关管的工作状态，采用直接转矩控制。将PWM变换器系统看成一个虚拟电机，虚拟磁链为电网相电压的积分，滞后于电网电压90度,将电网输入电阻、电抗和电网相电压分别认为是虚拟电机的定子电阻、定子漏抗和反向电动势。从而实现PWM变换器的矢量控制或直接功率控制。
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