基于电网电压定向的双馈异步发电机定子侧变流器矢量控制系统

图3-29a中，定子侧变流器Ⅰ输出电压V₁经R、L接至电网电压V_s（R、L代表定子变流器输出滤波器和升压变压器总的等效电阻、电感）。若电网流入定子变流器的电流为I·，坐标系和矢量图如图3-29b所示，即取定子电压V_s在d轴方向，V_s=V_ds，V_qs=0，则由定子A、B、C系统电压平衡方程为v_1A=v_sA-（Ri_A+Ldi_A/dt）。

经三相静止-两相旋转坐标变换后得到d、q系统电压平衡方程为

式中，V_1d1=（R+PL）i_d、V_1q1=（R+PL）i_q分别是R、L的阻抗电压降。

电网输入定子变流器的有功功率为

P₁=V_dsi_d+V_qsi_q=V_si_d（i_d与V_s同相是有功电流） （3-55）

电网输入定子变流器的无功功率为

Q₁=V_qsi_d-V_dsi_q=-V_si_q（i_q与V_s正交是无功电流） （3-56）

图3-29c中采用电网电压定向对双馈异步发电机定子侧变流器进行矢量控制实现了两个功能：一是使直流电压V_dc跟踪指令值V_d∗_c，另一个是使电网流入定子变流器的无功Q₁或从定子变流器输出到电网的无功-Q₁跟踪指令值Q₁∗。

由图3-29a所示电流方向和功率流向以及图3-29b中的矢量I·、、相位可知，这时双馈发电机运行在次同步工况，即N<N_s，电流I_d与同相，故P₁为正值，即定子变流器从电网吸取有功功率P₁，经两个变流器AC-DC-AC变换，将频率为f_s的电功率变为频率为f_r的电功率对转子绕组供电，转差频率f_r在转子上形成速度为N_r=60f_r/N_p的旋转磁场。由于转子速度为N，故这个旋转磁场对定子的相对转速为N_r+N，在定子绕组中产生频率为f_s的交流电，f_s=（N_r+N）N_p/60=N_sN_p/60，N=N_s-N_r<N_s，电网输入定子变流器的功率为P₁，再从转子变流器输送功率P_r给转子，P_r与风力机的功率P_m相加，使风力发电机在次同步转速下（N<N_s）变速恒频发电。若风力发电机在超同步工况下运行，即转速N>N_s，则图中P_r、P₁，应为负值，即功率流反向。这时图3-29b中的电流I·的有功分量I_d应为负值，即Id与方向相反。图3-29b中当P₁为正时滞后，当P₁为负时超前。从电网输入到定子变流器的有功功率P₁取决于功角δ的正负和δ的大小。图3-29b中的超前，即电网向定子变流器输入超前的容性无功功率，或者说这时定子变流器向电网输出滞后的感性无功功率，这种工况时大于V_s。反之当的无功分量滞后，即电网向定子变流器输出滞后的感性无功功率时，V₁<V_s。因此调控定子侧变流器交流电压相对于电网电压的相位角δ，可调控变流器与电网交换的有功功率P₁的大小和方向，调控定子变流器交流电压相对于电网电压V_s的大小即可调控变流器与电网交换的无功功率Q₁的大小和方向。

图3-29 并网双馈异步发电机定子变流器按电网电压定向控制原理图

图3-29c中定子变流器从电网吸收的有功功率经变流器交流-直流变换后，从其直流侧输出功率P_d，输出电流为i₁，P_d=i₁V_dc。V_dc变化时，直流电容C的充电电流i_c=CdV_dc/dt，充电功率为(www.xing528.com)

P_C=V_dci_c=V_dcCdV_dc/dt （3-57）

若流入转子变流器的直流电流为i₂，功率P_r=i₂V_dc，则电网输入定子变流器的功率P₁应为：

P₁=I²R+P_d=I²R+P_r+P_c=I²R+P_r+V_dcCdV_dc/dt=V_si_d

当稳态运行V_dc恒定不变时，dV_dc/dt=0，P₁=I²R+P_r≈P_r=V_si_d。

当V_dc变化时，dV_dc/dt≠0，P_c≠0，这时有

当V_dc增大时，i_C>0，C充电，P_c>0，P₁=I²R+P_r+P_c=V_si_d；当V_dc减小时，i_c为负值，C放电，P_c<0，P₁=I²R+P_r-|P_c|=V_si_d。

图3-29c中将直流电容电压的指令值V_d∗_c与运行中的实测值V_dc的差值ΔV_dc送入PI调节器，其输出作为电网向定子变流器输入有功电流的指令值I_d∗。

I_d∗=K_p（V_d∗_c-V_dc）+K_i∫（V_d∗_c-V_dc）dt （3-58）

由式（3-58）可知，只要直流电压V_dc与其指令值V_d∗_c有偏差（例如当V_dc<V_d∗_c时），则I_d∗不停地增大，电网送入定子变流器的功率P₁不停地增大，图3-29c中的定子变流器直流侧输出电流i₁和功率P_d也不停地增大，i₁>i₂，V_dc不停地增高，直到V_dc=V_d∗_c为止，于是I_d固定为I_d∗，i_c=0，i₁=i₂，P_c=0，P₁=I²R+P_r=I_d∗ V_S。若V_dc>V_d∗_c，则I_d∗将不停地减小，电网送入定子变流器的功率P₁不停地减小，P_d减小，i₁减小，i₁<i₂，i_c为负，即C放电，使V_dc减小，直到V_dc=V_d∗_c为止，于是I_d固定为I_d∗，i_c=0，i₁=i₂，P_c=0，P₁=I²R+P_r=I_d∗ V_s。

稳态运行时V_dc=V_d∗_c恒定不变，i_c=0，P_c=0，i₁=i₂，P₁=P_r，电网输入定子变流器的有功电流I_d∗恒定，其值供变流器运行时的功耗I²R和送给转子绕组的功率P_r。N<N_s次同步运行时，I_d∗为正值，P_r为正值；当N>N_s超同步运行时，I_d、P、P_r均为负值，功率流反向，在V_dc≠V_d∗_c的调节过程中I_d的指令除对应P_r外还要应付电容C充放电的要求，图3-29c中设置直流电压闭环PI控制器正好满足这一运行要求。

图3-29c为按式（3-53）、式（3-54）所构成的控制系统原理性框图。图中检测定子电压V_sA、VsB、VsC和电流iA、iB、iC，经3/2和两相直角坐标/极坐标变换后得到定子电压V_s及其相位角θ，用于实现两相静止α、β和两项旋转d、q变量之间的变换，由两相静止坐标系电流i_sα、i_sβ得到d、q坐标的电流实测值i_d、i_q。图中由定子变流器输入的无功功率指令Q₁∗和电网电压V_s可得到无功电流指令i_q∗（Q∗/V_S），无功电流指令i_q∗与实例值i_q相减，经PI调节器输出电压V_1q1，只要Δi_q=i_q∗-i_q≠0，V_1q1随差值Δi_q不停的改变直到i_q=i_q∗为止，即PI的输出V_1q1最终补偿q轴电压降（R+PL）i_q，实现V₁∗_q=-V_1q1-ωLi_d∗=-（R+PL）i_q∗-ωLi_d∗。同时，图中由电容器C直流电压指令值V_d∗_c与实测值V_dc之差值ΔV_dc=V_d∗_c-V_dc，经PI调节器后的输出作为定子从电网输入有功电流指令值i_d∗，与检测值i_d相比较后，差值Δi_d=i_d∗-i_d经PI调节器后，输出V_1d1作为定子变流器d轴阻抗电压降的补偿量V₁∗_d=（R+PL）i_d。由式（3-53）将-V_1d1与V_s和ωLi_q相加后，形成定子变流器d轴电压的指令值V₁∗_d=-（R+PL）i_d+V_S+ωLi_q。在图3-29c中的T/S变换环节，将V₁∗_d、V₁∗_q变为V_1α、V_1β；再由2/3静止变换环节得到定子A、B、C相电压指令V₁∗_A、V₁∗_B、V₁∗_C，控制定子变流器的开关器件的通、断工况，使定子变流器交流侧的端电压PWM波形的基波分量V_1A、V_1B、V_1C跟踪指令值V₁∗_A、V₁∗_B、V₁∗_C，使电网输入定子变流器的电流I·和功率Q₁∗跟踪指令值，且维持V_dc=V_d∗_c，使双馈异步发电机在变速恒频下稳定运行。