变速恒频风电系统直接功率控制策略的仿真研究

      当采用定子磁链矢量定向后，转子的T轴分量只影响发电机的有功功率，而M轴分量只影响发电机的无功功率[4]。以次同步速运行为例，在图2.1(a)中，令转子电流分量iMr=0，转子电流分量iTr从0增加到满载，转子磁链的轨迹由B到A，此时转子磁链与定子磁链之间的角度变化，而转子磁链的幅值基本不变。在图1.1(b)中，令转子电流分量iTr为常数，电流分量iMr从0增加到额定值时，转子磁链的轨迹由C到D，此时转子磁链幅值变化，而转子磁链与定子磁链之间的角度基本不变[5]。
      图2.2 (a)是在MT坐标系下，某一输入条件下仿真计算所得的有功无功输出波形，图2.2 (b)是同一条件下转子磁链与定子磁链夹角与幅值波形，由图可知，转子磁链相角与幅值的变化，基本上对应于有功功率与无功功率的变化。

      

      由上述理论分析与仿真均可知，在MT坐标系统上，转子电流iTr变化，则定子侧的有功功率变化，同时转子磁链矢量和定子磁链矢量的夹角亦随之变化；转子电流iMr变化，则定子侧的无功功率变化，同时转子磁链的幅值亦随之变化。因此，可以通过控制转子磁链矢量的角度和幅值来实现有功无功的调控。

3 直接功率控制的实施方法
      转子侧的变换器一般为电压源型变换器，能控制的电量是转子侧电压。为了实现直接功率控制，必须分析转子侧变频器输出的电压在次同步速和超同步速运行状态对转子磁链矢量相位和幅值的影响，才能对电机定子有功功率和无功功率实施有效的控制。仍以次同步速运行状态为例分析转子电压对转子磁链的影响。
     在MT坐标系统里，忽略转子电阻压降后，转子侧有关系式(3-1)；两边求积分后，式(3-1)可以化为(3-2):

      由式(3-2)可知，在一个极短的时间内，转子磁链MT分量的变化，主要由两项分量引起，分别是同轴的电压分量与异轴的磁链分量。在实际中，由于电压分量远远大于磁链分量，所以电压分量对磁链产生主要影响，其变化的方向与电压方向相同。
      另外，从空间矢量的角度分析，也可以得到相同的结论。转子侧的相量表达式为式(3-3)[6]；由于转子侧的输入电压远大于电阻上的压降，所以当忽略转子电阻上的压降项后，有式(3-4)：

      由式(3-4)可知，在一个极短的时间段内，作用某一电压矢量后所产生的转子磁链矢量的改变量与该电压矢量具有相同的方向。这就为在实际系统中如何利用电压控制转子磁链提供了理论依据。

4直接功率控制的坐标变换
      上述直接功率控制理论是在MT坐标系统中进行分析的，而实际上对双馈发电机的控制是在转子侧进行的。因此，在实际的系统中，还需要加入坐标变换与反变换的模块，才能对电机实现有效的控制。
为了取得转子磁链幅值与角度，需要由从电机的可用电量中构造出转子磁链来。转子磁链可以由定子电压与电子电流经过运算得到的。由文献[7]可以得到在MT定向下定子电流与转子电流的关系式（4-1），转子电流与转子磁链的关系式（4-2）：
 

      由上述两式可知，为了计算转子磁链，首先必须计算出定子电流的MT分量。以双馈电机运行于次同步速为例，此时电机各量的相量关系如图4.1所示。

图4.1 电机各量的相量关系图 
      由相量图的位置关系，首先利用3s/2s变换计算出定子三相电压与定子三相电流相对于定子a相的夹角，两者之差即为定子电压相量与电流相量的夹角。又由于在忽略定子电阻后，M轴滞后Us90o，故用此角度加上90o就得到了定子电流相对于M轴的夹角，用此夹角就可以计算出定子电流的MT分量，进而计 算出转子电流与转子磁链。
      在转子侧，施加到转子上的六个电压矢量是以转子a相轴线为基准的，而由上面构造的转子磁链观测器却是以M轴定向的，因此还要把MT分量转化到转子三相坐标系下，转子侧变换器才能对转子磁链实施有效的控制。由图4.1可知，在任意时刻，转子与定子电压矢量的角度差为 ，同时又由于M轴滞后定子电压矢量90o，故M轴与转子a相轴线的夹角为 。这就是MT坐标系与转子三相坐标系的转换依据。
       当求得转子磁链在转子三相坐标系中的幅值与夹角后，就可以对电机实施直接功率控制。如图4.2所示，设在某一时刻，输出有功功率大于容许范围，无功功率小于容许范围，则由上节的分析可知，转子磁链夹角要减小，而转子磁链的幅值要增大。若此时转子磁链处于图中的扇区，向转子施加电压矢量U1可以达到控制要求。同理，U6作用时，可以使转子磁链与定子磁链夹角增加且转子磁链的幅值增加，因此U6可以增大输出有功并且增大输出无功。将转子磁链在每一个扇区的情况一一列举，制成控制表，

图4.2 转子侧电压矢量示意图　　依滞环比较器的输出状态与转子所在扇区实时查表，决定逆变器的输出，从而实现直接功率控制。

5 直接功率控制的系统仿真
      实际系统中的直接功率控制的实现与直接转矩控制相似，有功功率和无功功率分别由两个砰-砰控制器将检测值与给定值进行滞环比较，依据输出量查表，确定转子变频器的开关状态，从而实现双馈电机的直接功率控制。

图5.1 直接功率控制的双馈发电系统仿真模型

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