磁场定向控制技术在DFIG风电中的应用

矢量控制的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量（励磁电流）和产生转矩的电流分量（转矩电流），并分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式为矢量控制方式。

1.最大风能追踪的发电机控制策略

最大风能追踪的机理就是通过控制DFIG输出有功功率，控制DFIG的电磁阻转矩来实现最佳转速控制。在实际发电运行中，除了要控制DFIG的输出有功功率以外，还需控制DFIG的输出无功功率，综合称之为DFIG的功率控制。DFIG功率控制的优劣直接影响最大风能追踪的效果以及电网或发电机运行的经济性和安全性。要实现DFIG功率控制，首先需要计算DFIG参考功率（参考有功功率和参考无功功率）。本节以DFIG功率关系为基础，详细讨论基于最大风能追踪的参考有功功率和基于DFIG优化运行的参考无功功率计算。

2.基于磁场定向矢量控制的发电机的P，Q解耦控制

计算出和后，就可实施对DFIG的功率控制，以期实现变速恒频运行和P，Q解耦控制，进而实现最大风能追踪。众所周知，DFIG是一个高阶、多变量、非线性、强耦合的机电系统，采用近似单变量处理的传统标量控制无论在控制精度还是动态性能上远不能达到要求。为了实现DFIG的高性能控制，应采用磁场定向的矢量变换控制技术。

矢量变换控制一般用于交流电动机的高性能调速控制上，是交流传动调速系统实现解耦控制的核心技术。它通过电机统一理论和坐标变换理论，把交流电动机的定子电流分解成磁场定向旋转坐标系中的励磁分量和与之相垂直的转矩分量。分解后的定子电流励磁分量和转矩分量不再具有耦合关系。对它们分别进行控制，就能实现交流电动机磁通和转矩的解耦控制，使交流电动机得到可以和直流电动机相媲美的控制性能。

借鉴这一思想，可以将矢量变换控制技术移植到对DFIG的控制上。电动机的控制对象是磁通和转矩，而DFIG的控制对象为输出有功功率和输出无功功率。通过坐标变换和磁场定向，将DFIG定子电流分解成为相互解耦的有功分量和无功分量，分别对这两个分量控制就可以实现P，Q解耦。

DFIG定子绕组直接连在无穷大电网上，可以近似地认为定子的电压幅值、频率都是恒定的，所以DFIG矢量控制一般选择定子电压或定子磁场定向方式。我们将同步速旋转dq坐标系中的d轴定在DFIG定子磁链方向，并将磁场定向后的坐标系重新命名为mt坐标系，如图7-13所示。图中α1β1为定子两相静止坐标系，α1轴取定子a相绕组轴线正方向；α2β2为转子两相坐标系，α2取转子a相绕组轴线正方向。α2β2坐标系相对于转子静止，相对于定子绕组以转子角速度ωr逆时针方向旋转。mt坐标系以同步速ωl逆时针旋转。α2轴与α1轴的夹角为θr，m轴与α1轴夹角为θs。

图7-13　定子磁场定向坐标变换

将式（7-7）～式（7-10）的下标d，q改为相应的m，t，可得mt坐标系中DFIG的电压和磁链方程：

定子绕组电压方程

转子绕组电压方程

式中　um1，ut1，um2，ut2——定、转子电压的m，t轴分量；

im1，it1，im2，it2——定、转子电流的m，t轴分量；

ωs=ω1-ωr——mt坐标系相对于转子的角速度。

定子磁链方程

转子磁链方程(www.xing528.com)

式中　ψm1，ψt1，ψm2，ψt2——定、转子磁链的m，t轴分量。

mt坐标系中的DFIG定子输出功率方程为

定子磁链定向时，定子磁链矢量ψ1与m轴方向一致，因此mt轴上的磁链分量分别为：ψm1=ψ1，ψt1=0。由于DFIG定子侧频率为工频，定子电阻远小于定子绕组电抗，可以忽略，即R1=0，因而DFIG感应电动势近似等于定子电压。因为感应电动势矢量e1落后ψ190°，故e1和定子电压矢量u1位于t轴的负方向，从而有um1=0，ut1=-u1，其中u1为定子电压矢量u1的幅值，当DFIG连接到理想电网上时，u1为常数。将um1=0，ut1=-u1代入式（7-16）可得

由式（7-17）可知，在定子磁链定向下，DFIG定子输出有功功率P1、无功功率Q1分别与定子电流在m、t轴上的分量im1、it1成正比，调节im1、it1可分别独立调节有功功率P1、无功功率Q1。

因为对于有功功率、无功功率的控制是通过DFIG转子侧的变换器进行的，应推导转子电流、电压和im1、it1之间的关系。

将R1=0，um1=0，ut1=-u1及ψm1=ψ1，ψt1=0代入式（7-12）和式（7-14）有

由式（7-18）可知，并入理想电网后，DFIG定子磁链将保持恒定，其值为定子电压与同步角速度之比。

将式（7-19）代入式（7-15）可得

将式（7-20）代入式（7-13）得到

其中u′m2、u′t2是分别与im2、it2具有一阶微分关系的电压分量，Δum2、Δut2为电压补偿分量。即

u′m2、u′t2为实现转子电压、电流解耦控制的解耦项，Δum2、Δut2为消除转子电压、电流交叉耦合的补偿项。将转子电压分解为解耦项和补偿项后，既简化了控制，又能保证控制的精度和动态响应的快速性。

根据以上分析，可设计出交流励磁变速恒频风力发电系统的DFIG矢量控制策略，如图7-14所示。

图7-14　交流励磁变速恒频风力发电系统DFIG矢量控制框图

整个控制系统采用双闭环结构，外环为功率控制环，内环为电流控制环。在功率环中，和分别由参考有功功率计算模型和参考无功功率模型计算得出，和与功率反馈值P1、Q1进行比较，差值经PI型功率调节器运算，输出定子电流无功分量及有功分量参考指令和。根据和计算得到转子电流的无功分量和有功分量参考指令和和转子电流反馈量im2和it2比较后的差值送入PI型电流调节器，调节后输出电压分量加上电压补偿分量Δum2、Δut2就可获得转子电压指令和和经坐标变换后得到DFIG转子电压在两相静止α2β2坐标系的控制指令和根据和进行空间电压矢量PWM（SVPWM）调制后输出对机侧变换器的驱动信号，实现对DFIG的控制。

根据上面的推导过程和图7-14，可以绘出P，Q解耦控制中DFIG转子电流的控制框图，如图7-15所示，图中GPI（S）为电流PI调节器的传递函数。

图7-15　P、Q解耦控制中DFIG转子电流控制框图