DFIG控制

对DFIG的控制

经过PARK变换之后，定转子绕组均转换为dq轴上：

b1ub1ib1qa2ruq1b2ub2irib2q11ia2ua2ia1a1ic2uua1uq2c2iuiq2dc12d1c1id2idc2d1c1ud2ud1则根据转换前的发电机方程得到转换后的发电机方程：

usdRsisdpsddqssqusqRsisqpsqdqssdurdRrirdprddqrrq电压方程：

urqRrirqprqdqrrd sdLsisdLmirdsqLsisqLmirqrdLmisdLrird与 磁链方程：

rqLmisqLrirq 转矩方程：

TenpLm(isqirdisdirq) （1）2） 3）

（

（

转子运动方程：

JdTeTmnpdt （4）

其中：

dqsdqr

机侧变流器的控制策略

利用基于定子磁链定向的DFIG矢量控制策略，d-q为两相同步速旋转坐标系，d轴定在定子磁链矢量s的方向上，则q轴上没有磁链：sds,sq0。由于定子绕组电阻远小于电抗，电阻可以忽略，即Rs=0；因为感应电动势E0落后于定子磁链s90度，所以Es和定子电压Us位于q轴负向：

usd0,usqus。

sr定子磁链d轴ss定子磁链q轴srrrsris图1 定子磁链定向的坐标轴

sE0Us

利用前提条件sds,sq0,usd0,usqus,Rs0化简park变换后的方程：

usdRsisdpsddqssq0定子电压方程

usqRsisqpsqdqssdus （5）

psd0，变为

sdusdqsdqsusq （6）

sdLsisdLmird通过定子磁链方程

sqLsisqLmirq i1rdL(Lsisdsd)miLrqs可以将转子电流表示为Lisqm i1sdL(Lmirdsd)siLm从而得到用转子电流表示的定子电流为

sqLirqs rdLmisdLrird转子磁链方程rqLmisqLrirq 将定子电流用转子电流表示则磁链方程为：

rdLmLrLsL2LsdmirdSLsL2rqrLsLmLirqs （7）

（8）

（9）

（10）

11）

（

定子侧输出功率的方程可以转化为：

PusdisdusqisqusisqQusqisdusdisqusisd （12）

LmPirqdqssLsQsLmirddqssLs将公式（6）和（9）带入得： （13）

通过定子磁链定向之后，有功功率﹑无功功率分别与转子电流在q、d轴上的分量成正比，调节转子电流的转矩电流分量irq和励磁电流分量ird可分别调节有功和无功功率，从而实现了解耦控制。

urdRrirdprddqrrq转子电压方程

urqRrirqprqdqrrd （14）

urdurqLrLsL2LrLsL2mmRrirdpirddqrirqLsLsLrLsL2LrLsL2LmmRrirqpirqdqrirddqrmsdLsLsLS （15）

将公式（11）和（6）带入

urdurdurdurdLrLsL2mRrirdpirdLsLrLsL2mRrirqpirqLs，

我们把电压的dq分量拆成两部分，

urqurqurq，

urqurddqrurqdqrLrLsL2mirqLsLrLsL2LmirddqrmsdLsLS

我们发现前一部分是分别与itd、itq具有一阶微分关系的解耦分量，后者为补偿分量。由此可设计出基于定子磁链定向的DFIG的P、Q解耦矢量控制策略，如下图所示:

sd1isqLmPPILsirqLsirdPS*QLmLmPIPIurqurqPIQSurdurdisdiirqu*a2dqu*b2abcu*c2irdPWM转子侧变流器rddqir补偿电压计算urqirqdqrirABCurd光电编码器DFIGsd磁链计算isdisq功率P、Q计算usdusqdqisisususABC电网

图2 基于定子磁链定向的DFIG的P、Q解耦矢量控制策略

这是一个功率、电流双闭环系统。在功率闭环中，有功功率P*的参考值可以根据风力机和双馈电机的特性按捕获最大风能的原则给出，无功Q*的参考值可以根据电网要求的最大功率因数需求设定，也可从发电机功率框图消耗的角度求得。反馈功率P，Q则是通过对发电机定子输出电压、电流检测和坐标旋转变换后计算求得；P*、Q*的参考值与反馈值先进行比较、差值再经过PI型功率调节器运算，输出定子电流有功分量及无功分量的参考值，通过计算又可得出转子电流的有功分量和无功分量的参考值和，将它们与转子电流反馈值进行比较后的差值再送入PI电流调节后，这一结果加上电压补偿Δuq2和Δud2分量就可以获得转子电压量，经过坐标旋转变换之后就得出转子三相电压控制量。

网侧变流器的控制策略

图3 变流器的结构

网侧PWM变换器的主要功能是保持直流母线的电压稳定、输入电流正弦和控制输入功率因数。这直接取决于直流侧和交流侧有功功率是否平衡。如果能控制交流侧输入的有功功率，就能保持直流母线电压的稳定。由于电网电压基本上是恒定，所以对交流侧有功功率的控制实际上就是对输入电流有功分量的控制。输入功率因数的控制就是对输入电流无功分量的控制。

将网侧变流器等效成下图：

图4 网侧变流器的等效结构图

图中的S为开关函数，每一相的整流桥的开关函数取值为1或0。

diauaLRiaSaudcdtubLdibRiSubbdcdtucLdicRiSuccdcdtduCdcSaiaSbibSciciloaddt （16）

整理得

diaRSaSbScdtLia1LSu1ua3dcLadibRSaSbScib1Sbu1udtLL3dcLbdicRi1SaSbScu1udtLcLSc3dccLdudcdt1CS1aiaSbibScicCiload 利用park的步骤将方程组化成矩阵形式，然后进行坐标轴的转化：

dia211dtdiia333SauabRi1121Su1ubdtLdiiL333bdcLbcc11Scucdt3233dudc1iaS1aSbScibiloaddtCiCc 将三相静止坐标系转化到两相静止坐标系下：

17）

18）

（ （

diRdtLdi0dtdudc3S2Cdt0RL3S2C1iLi0Ludc00SLS01L00u0uiload1C （19）

将两相静止坐标系转化为两相旋转坐标系下：

didRdtLdiqdt1dudc3Sd2Cdt1RL3Sq2CSd1LiLdSqiq0Ludc0001L00ud0uqiload1C （20）

因为

udconSdudcuqconSqudc是对应于图4的网侧变流器交流侧电压，可将上式变化为：

didLRid1LiqududcondtLdiqRiLiuuq1dqqcondt （21）

变化为：

udconududconudconudconuquqconuqcon （22）

diduLRiddcondtudconuLdiqRiuqconqconqdt其中： ，

1Liq1Lid。

为简化控制算法，可采用电网电压定向矢量控制，将同步速旋转dq坐标系的d轴定向于电网电压矢量方向上如图5所示：

q1diusuc0u

图5 电网电压定向dq坐标系

通过电网电压定向之后我们得到udusuq0

网侧变换器的数学模型变为：

udconudconudconusuqconuqconudcon 网侧变换器的从电网吸收的有功功率和无功功率为：

23）

（

PgcudiduqiqusidQgcuqidudiqusiq （24）

转子侧消耗的功率为：

Prcudciload

当交流侧输入的功率大于转子侧消耗的功率时，多余的功率会使直流母线电压升高；反之，会使电压降低。只要能快速地控制交流侧输入的有功电流分量，就可以控制有功功率的平衡，从而保持直流母线电压的稳定。

因此，控制id与iq可分别控制有功和无功功率，从而控制直流环节电压和交流侧功率因数。

uaubN网侧变换器机侧变换器LLLuabubciaibicSaSbScudcDFIGucabcuu*SVPWMudc*iiKPuusururdq*uqr*udc*udr-udriqudqidddt+-uPIqrPIidPIiq*iq1udruqr-*id-电压补偿计算图6 DFIG定子侧变流器的控制系统原理

DFIG定子侧变流器的控制系统原理如图6所示，它采用双闭环控制，外环是直流侧母线电压控制环，其主要目的是保持直流母线电压稳定；内环是电流控制环，其主要目的是通过跟踪电压外环输出实现对电流的快速控制。