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摘要：在双馈感应风力发电机组中的变流器通常采用双PWM型变流器，该变流器是由网侧变流器、转子侧变流器和中间直流环节构成，网侧变流器是通过定子电压外环、电流内环双闭环控制实现交流侧输入单位功率因数控制和保持中间直流环节电压的稳定，转子侧变流器是通过转速外环和电流内环控制实现有功和无功功率的解耦。简要介绍双馈感应风力发电机组中变流器的作用和表达式，基于控制系统的理论基础，通过Hypersim和Matlab/simulink等实时仿真软件建立控制系统的数字模型，并在1.5MW的双馈感应风力发电机组模型上进行有功、无功功率的独立控制的仿真研究。在仿真结果中表明该控制系统的正确性，使得整个风电系统拥有良好的动态特性，并能有效的跟踪风速变化，满足变速恒频的要求。
关键词：电压源变流器；网侧变流器；机侧变流器；双馈感应发电机；变速恒频
【中图分类号】TM315
引言
随着人类对风能的认知和利用逐渐走向成熟，风电场的建设也越发的趋于规模化。当今风力发电市场上主要有两大类风电机组，一个是直驱式风力发电机组，另一个是双馈感应式风力发电机组，两类机组各有其特点。双馈感应式风力发电机组采用的是双馈异步发电机，它有转子和定子两套绕组，其中定子与电网直接相连，转子则通过变流器与电网相连[1-3]。与直驱式风力发电机组采用的同步发电机相同的是，它们同样具有独立励磁的装置，可以按需要改变功率因数，只不过双馈异步发电机采用的是交流励磁，而同步发电机采用的是直流励磁。而与同步发电机不同的是，同步发电机只能用调节励磁电流的幅值的方式来调节无功功率。而双馈异步发电机通过交流励磁调节励磁电流的幅值、频率、相位，从而实现双馈风力发电机的变速恒频运行，并调节发电机的有功功率[4-6]。
电压源变流器（Voltage Source Converter， VSC）在双馈感应风力发电机组中是必不可少的，它的功能是向转子绕组提供交流励磁，通过改变交流励磁电压电流幅值、相位和频率来控制定子绕组的输出频率和电压恒定的电能[7-8]。双馈感应风力发电机中的变流器具有能量双向流动的功能。根据发电机的转速的不同，变流器的工作方式也不同，當电机运行于亚同步速时，转子从转子侧变流器吸收能量；当电机运行于同步速时，变流器对转子进行直流励磁；当电机运行于超同步速时，变流器电机转子向外输送能量，发电机通过变流器将电能馈送到电网[9-12]。网侧变流器的工作原理与转子侧变流器工作原理类似，只是控制目标不同。网侧变换器主要控制直流母线电压稳定及调节电网侧的功率因数，可以实现风力发电系统的无功调节灵活控制。另外转子侧变流器也是与电网侧变流器进行协调控制，实现能量双向流动的重要环节。
本文主要是基于加拿大魁北克公司研发的Hypersim软件上调用VSC控制模块，建立双馈感应风力发电机组数字模型，并进行仿真分析，研究其控制策略是否满足理论要求。在Hypersim上建立模型的特点是可以通过设计软硬件接口与VSC物理机柜连接并网，研究结果有助于进一步实现数模混合仿真实验研究。
1 电压源变流器（VSC）的控制策略
本文的VSC是基于双馈感应风力发电机的电压源变流器，它主要分为网侧变流器（GSC），转子侧变流器（RSC）和直流电容部分。GSC和RSC均为结构相同的电压源变流器所构成，直流电容可以向GSC和RSC输出稳定的直流电压，以确保VSC的正常工作。
1.1网侧变流器数学模型
网侧变流器的原理图大致如图2-1所示：
图1-1 网侧变流器原理图
图1-1中 ， ， 为电网的三相电压 ， ， 为流进网侧变流器的三相电流， 为滤波电感， 为负载电阻， 为直流侧电容， 为直流侧电容电压， 为负载电流。VSC在dq坐标系下的表达式为[11]：
（1-1）
式中 ， 为开关函数。
1.2网侧变流器控制策略
一般情况下，网侧变流器的任务分为以下两个方面：一是通过为转子侧变流器提供工作条件和配合其变流器的运行进行能量双向流动的实现来控制直流环节电压稳定。二是通过对其与电网无功交换的调节，最终实现交流侧功率因数可控。对于风电机组来说，网侧交换器能否可靠并高效的运行不仅为其提供了重要的保障，也是其正常运转的前提条件。因此，细致并深入的对网侧变流器运行控制进行研究，是提高风机并网运行能力的重要途径，也是完善相关领域的点睛之笔。
网侧变流器一般都采用电压、电流双闭环控制策略，经过三相静止abc坐标转换成同步旋转dq轴，并进行电压定向矢量控制，使 ， 分别控制有功和无功功率， 的正负可控制有功功率的双向流动。其关系表达式为：
（1-2）
从上面的式子中可知，控制量 、 ，耦合项 、 和 、 都可以影响d，q轴的电流，因此，解决电网电压的扰动和电流耦合项是控制方法的重点。令：
（1-3）
（1-4）
则由（2-3）和（2-4）可得：
（1-5）
在上面各式中， ， 为解耦项， ， 为电压耦合补偿项，为了满足d，q轴电流的独立控制并提高系统动态性能，同一时间引入 ， 电压前馈补偿项。
网侧变流器输入的有功功率和无功功率由下式表示[12]：
（1-6）
其中， = ， =0。
当P>0时，网侧变流器从电网中吸收能量为整流状态；P<0时，电网吸收直流侧回馈的能量为逆变状态。Q>0时，表示变换流器相对于电网呈感性，吸收滞后无功电流；Q<0时，表示变流器相对于电网呈容性，吸收超前无功电流。从上式可以看出，调节 ， 就可以分别控制网侧变流器吸收的有功功率和无功功率。从而达到有功和无功的解耦。网侧变流器在simulink中的控制系统如图1-2所示： 图1-2 网侧VSC控制图
如上图所示，该系统采用雙闭环结构，分别为电压外环和电流内环。直流侧电压参考指令 和 进行减法器得出误差后经过PI调节器调节得出 ，而 是由功率因数决定的。同样的 ， 分别于它们的参考指令 、 相比较后所得的误差经过PI调节器调节后得出 、 ，再与各自的解耦补偿项 、 和 、 进行运算后再经过坐标变换后所得到的分量值并进行SPWM调制，输出的调制信号便可实现对网侧变流器的控制。
2 转子侧变流器控制策略
转子侧变流器的控制方法与网侧变流器不相同，但是它们的结构是一样的。所以，在这里只介绍转子侧变流器的控制策略，其主要目的就是通过对风机转速的控制，使其转速跟随风速的变化而变化，使定子侧输出的电流频率能够满足变速恒频的目的，并且实现有功和无功功率的解耦，确保有功和无功功率能够独立调节。其中，电流内环和转速外环是其主要的控制策略。
2.1电流内环网侧变流器控制策略
转子电压方程为：
（2-1）
式中 是漏抗系数， 为微分算子， 为转子电阻， 为转子电感， 为互感， 为定子磁链电流且为常数， 为同步角速度。通过PI调节控制，则式（2-1）可变为：
（2-2）
式中 ， 分别为转子电流比例、积分调节增益， ， 分别为转子电流dq轴参考指令值。
2.1转速外环
双馈电机的电磁转矩为：
（2-3）
通过PI调节器控制之后，电磁转矩的表达式变为：
（2-4）
式中 ， 分别为转速比例、积分增益， 为转子转速参考指令，它与齿轮的传动比、风速和风机叶片半径有关，其最大值要根据风机最大可承受的转速而定。由式（2-3）（2-4）可得出 的参考指令 的值，如下所示：
（2-5）
由于调节 可以控制定子的无功功率 ，所以在控制 的同时会有相应 的参考指令 ，其表达式为：
（2-6）
式中 ， 分别为功率环节的比例、积分增益， 为定子无功功率 的参考指令值，可通过电网的需要而确定。如图2-1所示为转子侧变流器在simulink中的建模。
图2-1 转子侧VSC控制图
根据图2-1可以看出，转子侧变流器的控制系统也是由双闭环的控制结构构成，内环由电流内环所构成，而外环则分别由转速外环和功率外环所构成。通过无功功率外环的调节，可以得到 的参考指令 ，通过转速外环的控制可以得到 的参考指令 ， 和 再经过电流内环的控制便可得到转子电压参考指令 ， ，然后再经过坐标变换和SPWM调制便获得各开关信号。
3 仿真实验
本实验采用的是加拿大魁北克公司研发的Hypersim仿真软件和Matlab/simulink进行仿真研究的。Hypersim的特点是，它是一款基于并行计算技术、采用模块化设计、面向对象编程的电磁暂态实时仿真软件，其中的各类模型都经过实际电力系统及仿真研究中心的试验验证。先用Matlab/simulink搭建双馈风力发电机组模型，再用Hypersim调用Matlab/simulink所建立的风机模型，并搭建输电线路并网进行仿真研究。相关参数为：额定容量 =1.5MW，极对数P=3，额定功率f=50Hz，双馈风力发电机定子输出电压 =690V，定子电阻 =0.023p.u，定子电感 =0.18p.u，转子电阻 =0.016p.u，转子电感 =0.16p.u，互感 =2.9p.u，直流侧电压 =1100V，直流电容 =15000 。令 =0.05p.u，当风速 =8m/s时，仿真波形如下图所示：
图3-1 定子单项电流
图3-2 转子单项电流
图3-3 有功功率
图3-4 无功功率
图3-5 中间直流环节电压
从图3-3、图3-4、图3-5中可以看出，当风速维持恒定时，风力发电机输出的有功、无功功率和直流侧电压保持不变。
当风速从 =8m/s 阶跃到 =11m/s时，仿真波形如下图所示：
图3-6 转子单项电流
图3-7 定子单项电流
图3-8 有功功率
图3-9 无功功率
图3-10 中间直流环节电压
从图3-6、图3-7中可以看出，当风速从8m/s阶跃到11m/s是转子电流的幅值、频率都增大，定子的幅值增大，但是频率保持不变，实现了变速恒频的目的。对比图3-8与图3-3可以看出，风力发电机输出的有功功率达到了额定值1p.u，而且当风速再次升高时，其输出的有功功率仍然保持为1p.u不变。从图3-9、图3-10中看出，风力发电机输出的无功功率和直流侧电压依然保持在设定值不变，因此，实验验证了该控制系统的设计方案的运行结果与理论吻合，满足要求。
4 结论
文根据基于双馈感应风力发电机中换流器的控制结构和基本原理，并基于Hypersim和Matlab/simulink软件进行双馈感应风力发电机组的数字建模，然后对该模型进行数字仿真，结果证明了该套换流器的控制模型能够满足系统的理论要求，并且能够很好的达到功率解耦的控制，对接下来进一步的仿真实验奠定了基础。
参考文献
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关键词：电压源变流器；网侧变流器；机侧变流器；双馈感应发电机；变速恒频
【中图分类号】TM315
引言
随着人类对风能的认知和利用逐渐走向成熟，风电场的建设也越发的趋于规模化。当今风力发电市场上主要有两大类风电机组，一个是直驱式风力发电机组，另一个是双馈感应式风力发电机组，两类机组各有其特点。双馈感应式风力发电机组采用的是双馈异步发电机，它有转子和定子两套绕组，其中定子与电网直接相连，转子则通过变流器与电网相连[1-3]。与直驱式风力发电机组采用的同步发电机相同的是，它们同样具有独立励磁的装置，可以按需要改变功率因数，只不过双馈异步发电机采用的是交流励磁，而同步发电机采用的是直流励磁。而与同步发电机不同的是，同步发电机只能用调节励磁电流的幅值的方式来调节无功功率。而双馈异步发电机通过交流励磁调节励磁电流的幅值、频率、相位，从而实现双馈风力发电机的变速恒频运行，并调节发电机的有功功率[4-6]。
电压源变流器（Voltage Source Converter， VSC）在双馈感应风力发电机组中是必不可少的，它的功能是向转子绕组提供交流励磁，通过改变交流励磁电压电流幅值、相位和频率来控制定子绕组的输出频率和电压恒定的电能[7-8]。双馈感应风力发电机中的变流器具有能量双向流动的功能。根据发电机的转速的不同，变流器的工作方式也不同，當电机运行于亚同步速时，转子从转子侧变流器吸收能量；当电机运行于同步速时，变流器对转子进行直流励磁；当电机运行于超同步速时，变流器电机转子向外输送能量，发电机通过变流器将电能馈送到电网[9-12]。网侧变流器的工作原理与转子侧变流器工作原理类似，只是控制目标不同。网侧变换器主要控制直流母线电压稳定及调节电网侧的功率因数，可以实现风力发电系统的无功调节灵活控制。另外转子侧变流器也是与电网侧变流器进行协调控制，实现能量双向流动的重要环节。
本文主要是基于加拿大魁北克公司研发的Hypersim软件上调用VSC控制模块，建立双馈感应风力发电机组数字模型，并进行仿真分析，研究其控制策略是否满足理论要求。在Hypersim上建立模型的特点是可以通过设计软硬件接口与VSC物理机柜连接并网，研究结果有助于进一步实现数模混合仿真实验研究。
1 电压源变流器（VSC）的控制策略
本文的VSC是基于双馈感应风力发电机的电压源变流器，它主要分为网侧变流器（GSC），转子侧变流器（RSC）和直流电容部分。GSC和RSC均为结构相同的电压源变流器所构成，直流电容可以向GSC和RSC输出稳定的直流电压，以确保VSC的正常工作。
1.1网侧变流器数学模型
网侧变流器的原理图大致如图2-1所示：
图1-1 网侧变流器原理图
图1-1中 ， ， 为电网的三相电压 ， ， 为流进网侧变流器的三相电流， 为滤波电感， 为负载电阻， 为直流侧电容， 为直流侧电容电压， 为负载电流。VSC在dq坐标系下的表达式为[11]：
（1-1）
式中 ， 为开关函数。
1.2网侧变流器控制策略
一般情况下，网侧变流器的任务分为以下两个方面：一是通过为转子侧变流器提供工作条件和配合其变流器的运行进行能量双向流动的实现来控制直流环节电压稳定。二是通过对其与电网无功交换的调节，最终实现交流侧功率因数可控。对于风电机组来说，网侧交换器能否可靠并高效的运行不仅为其提供了重要的保障，也是其正常运转的前提条件。因此，细致并深入的对网侧变流器运行控制进行研究，是提高风机并网运行能力的重要途径，也是完善相关领域的点睛之笔。
网侧变流器一般都采用电压、电流双闭环控制策略，经过三相静止abc坐标转换成同步旋转dq轴，并进行电压定向矢量控制，使 ， 分别控制有功和无功功率， 的正负可控制有功功率的双向流动。其关系表达式为：
（1-2）
从上面的式子中可知，控制量 、 ，耦合项 、 和 、 都可以影响d，q轴的电流，因此，解决电网电压的扰动和电流耦合项是控制方法的重点。令：
（1-3）
（1-4）
则由（2-3）和（2-4）可得：
（1-5）
在上面各式中， ， 为解耦项， ， 为电压耦合补偿项，为了满足d，q轴电流的独立控制并提高系统动态性能，同一时间引入 ， 电压前馈补偿项。
网侧变流器输入的有功功率和无功功率由下式表示[12]：
（1-6）
其中， = ， =0。
当P>0时，网侧变流器从电网中吸收能量为整流状态；P<0时，电网吸收直流侧回馈的能量为逆变状态。Q>0时，表示变换流器相对于电网呈感性，吸收滞后无功电流；Q<0时，表示变流器相对于电网呈容性，吸收超前无功电流。从上式可以看出，调节 ， 就可以分别控制网侧变流器吸收的有功功率和无功功率。从而达到有功和无功的解耦。网侧变流器在simulink中的控制系统如图1-2所示： 图1-2 网侧VSC控制图
如上图所示，该系统采用雙闭环结构，分别为电压外环和电流内环。直流侧电压参考指令 和 进行减法器得出误差后经过PI调节器调节得出 ，而 是由功率因数决定的。同样的 ， 分别于它们的参考指令 、 相比较后所得的误差经过PI调节器调节后得出 、 ，再与各自的解耦补偿项 、 和 、 进行运算后再经过坐标变换后所得到的分量值并进行SPWM调制，输出的调制信号便可实现对网侧变流器的控制。
2 转子侧变流器控制策略
转子侧变流器的控制方法与网侧变流器不相同，但是它们的结构是一样的。所以，在这里只介绍转子侧变流器的控制策略，其主要目的就是通过对风机转速的控制，使其转速跟随风速的变化而变化，使定子侧输出的电流频率能够满足变速恒频的目的，并且实现有功和无功功率的解耦，确保有功和无功功率能够独立调节。其中，电流内环和转速外环是其主要的控制策略。
2.1电流内环网侧变流器控制策略
转子电压方程为：
（2-1）
式中 是漏抗系数， 为微分算子， 为转子电阻， 为转子电感， 为互感， 为定子磁链电流且为常数， 为同步角速度。通过PI调节控制，则式（2-1）可变为：
（2-2）
式中 ， 分别为转子电流比例、积分调节增益， ， 分别为转子电流dq轴参考指令值。
2.1转速外环
双馈电机的电磁转矩为：
（2-3）
通过PI调节器控制之后，电磁转矩的表达式变为：
（2-4）
式中 ， 分别为转速比例、积分增益， 为转子转速参考指令，它与齿轮的传动比、风速和风机叶片半径有关，其最大值要根据风机最大可承受的转速而定。由式（2-3）（2-4）可得出 的参考指令 的值，如下所示：
（2-5）
由于调节 可以控制定子的无功功率 ，所以在控制 的同时会有相应 的参考指令 ，其表达式为：
（2-6）
式中 ， 分别为功率环节的比例、积分增益， 为定子无功功率 的参考指令值，可通过电网的需要而确定。如图2-1所示为转子侧变流器在simulink中的建模。
图2-1 转子侧VSC控制图
根据图2-1可以看出，转子侧变流器的控制系统也是由双闭环的控制结构构成，内环由电流内环所构成，而外环则分别由转速外环和功率外环所构成。通过无功功率外环的调节，可以得到 的参考指令 ，通过转速外环的控制可以得到 的参考指令 ， 和 再经过电流内环的控制便可得到转子电压参考指令 ， ，然后再经过坐标变换和SPWM调制便获得各开关信号。
3 仿真实验
本实验采用的是加拿大魁北克公司研发的Hypersim仿真软件和Matlab/simulink进行仿真研究的。Hypersim的特点是，它是一款基于并行计算技术、采用模块化设计、面向对象编程的电磁暂态实时仿真软件，其中的各类模型都经过实际电力系统及仿真研究中心的试验验证。先用Matlab/simulink搭建双馈风力发电机组模型，再用Hypersim调用Matlab/simulink所建立的风机模型，并搭建输电线路并网进行仿真研究。相关参数为：额定容量 =1.5MW，极对数P=3，额定功率f=50Hz，双馈风力发电机定子输出电压 =690V，定子电阻 =0.023p.u，定子电感 =0.18p.u，转子电阻 =0.016p.u，转子电感 =0.16p.u，互感 =2.9p.u，直流侧电压 =1100V，直流电容 =15000 。令 =0.05p.u，当风速 =8m/s时，仿真波形如下图所示：
图3-1 定子单项电流
图3-2 转子单项电流
图3-3 有功功率
图3-4 无功功率
图3-5 中间直流环节电压
从图3-3、图3-4、图3-5中可以看出，当风速维持恒定时，风力发电机输出的有功、无功功率和直流侧电压保持不变。
当风速从 =8m/s 阶跃到 =11m/s时，仿真波形如下图所示：
图3-6 转子单项电流
图3-7 定子单项电流
图3-8 有功功率
图3-9 无功功率
图3-10 中间直流环节电压
从图3-6、图3-7中可以看出，当风速从8m/s阶跃到11m/s是转子电流的幅值、频率都增大，定子的幅值增大，但是频率保持不变，实现了变速恒频的目的。对比图3-8与图3-3可以看出，风力发电机输出的有功功率达到了额定值1p.u，而且当风速再次升高时，其输出的有功功率仍然保持为1p.u不变。从图3-9、图3-10中看出，风力发电机输出的无功功率和直流侧电压依然保持在设定值不变，因此，实验验证了该控制系统的设计方案的运行结果与理论吻合，满足要求。
4 结论
文根据基于双馈感应风力发电机中换流器的控制结构和基本原理，并基于Hypersim和Matlab/simulink软件进行双馈感应风力发电机组的数字建模，然后对该模型进行数字仿真，结果证明了该套换流器的控制模型能够满足系统的理论要求，并且能够很好的达到功率解耦的控制，对接下来进一步的仿真实验奠定了基础。
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