变速恒频（VSCF）风力发电系统的自适应控制方法研究(4)
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 ，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。
这四种控制方法各自有其优缺点，基于电网电压定向的矢量控制和直接功率控制具有固定的开关频率，可以使用各种先进的控制方法，但是它的算法比较复杂，对参数的依赖性比较强；而基于虚拟磁链定向的矢量控制和直接功率控制具有很好的动态响应，功率因数高，对参数的敏感性比较低，但是需要较高的开关频率，需要高档的处理器和A/D转换器。它们都可以实现有功功率和无功功率的解耦控制，理论上都可以应用于风力发电中的网侧变换器的控制。但是由于风电中的网侧变换器的功率都比较大，而直接功率控制所需要的高开关频率及其不固定的开关周期限制了它的使用，所以在实际的风力发电中，网侧变换器控制主要还是使用基于电网电压定向的矢量控制。