雙饋風力發電機的運行控制特性的仿真研究＊

劉大貴 王維慶 王海云，2 張新燕，2 趙海嶺

（1.新疆大學電氣工程學院，新疆烏魯木齊 830047;2.西安交通大學電氣工程學院，陜西西安 710049）

0 引言

最近二十年間，風力發電技術發展迅速，兆瓦級變速恒頻雙饋風力發電機組在風力發電中得到了廣泛的應用，目前已經成為世界各國風力發電場的主流機型[1]。將電力電子變流技術、矢量變換控制技術和微機信息處理技術移植于雙饋風力發電機組之中，獲得了一種全新的、高質量的電能。因此，本文研究對雙饋風力發電機組實現最大風能捕獲，以及采用定子磁鏈定向矢量控制策略對發電機的有功、無功功率進行獨立調節，并進行了仿真驗證，為實現實際的控制策略提供理論指導意義。

1 雙饋風力發電機組的基本原理

圖1 雙饋風力發電系統結構框圖

雙饋風力發電系統結構框圖如圖（1）所示。由風速模型、風力機、齒輪箱、雙PWM變頻器、雙饋異步發電機、濾波器和控制系統等幾部分構成。

當風力機轉速 ωr變化時，為了保證發電機輸出的定子電壓頻率 ω1不變，應按式（1）調節交流勵磁電源的頻率 ω2

即當發電機的轉速小于定子旋轉磁場的轉速時，電機處于亞同步運行狀態，變頻器向發電機轉子供電，定子輸出電能至電網，式（1）取正號;當電機處于超同步運行狀態時，發電機定子和轉子同時輸出電能至電網，變頻器能量反向流動，式（1）取負號。

圖中雙PWM變頻器能夠滿足交流勵磁雙饋風力發電機的運行要求，實現轉差功率在發電機轉子與電網之間的雙向流動。從式（1）中可以看出，若要使得定子電壓頻率 ω1不變，保持與電網頻率一致，需要采取控制策略調節交流勵磁電源的頻率 ω2發生相應的變化，這就是變速恒頻雙饋風力發電機組運行的基本原理。

雙饋風力發電機組輸出功率與風速的3次方成正比:

圖2 在槳矩角為0°的功率特性曲線

式中，ρ為空氣密度;v為風速;A為風力機掃掠面積;CP為風力機的輸出功率系數。由于風力機的輸出功率系數CP在某一確定的尖速比 λ（葉輪尖的線速度與風速之比）下可達最大值，因此，當風速在一定范圍變化時，變速恒頻雙饋風力發電機組由于風力機轉速可變，通過控制可使其尖速比等于或接近最佳值，從而可最大限度地利用風能。顯然恒速恒頻運行不可能使得CP保持為最大值，風能得不到充分利用。圖（2）為本文中研究機組在槳矩角為0°的功率特性曲線。在轉速 ωr達到1.2pu，風速12m/s時，功率特性曲線在C點處，輸出功率P取得最大值0.73pu。

2 風速模型

為了模擬作用在風力機上風速隨時間變化的特征，風速變化的時空模型原則上可由四部分組成:

1）基本風

基本風在風力機正常運行過程中一直存在，它決定了風力發電機向系統輸送額定功率的大小，基本上反映了風電場平均風速的變化。它可以由風電場測風所得的威布爾分布參數近似確定:

2）陣風

在風速變化的過程中，描述風速突然變化的特性，一般用陣風來表示。

式中VWG、TG、maxG分別為陣風風速 （m/s）、陣風作用時間（s）、陣風啟動時間（s）和陣風最大值（m/s）。

3）漸變風

對風速的漸變特性可以用漸變風成分來模擬。

式中VWR、T1R、T2R、TR、maxR分別為漸變風風速（m/s）、漸變風起始時間（s）、漸變風終止時間（s）、漸變風保持時間（s）和漸變風最大值（m/s）。

4）隨機噪聲風速

為反映風速變化的隨機特性，在風速模擬中可以用隨機噪聲風速成分來表示。

式中，N為統計風速總數，一般取50;Δω為風速頻率間距，一般取 0.5～2.0rad/s; φi為 0－2 π 之間均勻分布的隨機變量;KN為地表粗糙系數，一般取0.004;F為擾動范圍尺度（m），μ為相對高度的平均風速（m/s）。

綜上述四種風速成分，模擬實際作用在風力機上的風速為:

3 雙饋風力發電機組的矢量控制策略

為了最大限度地捕獲風能，在變速恒頻雙饋風力發電機組中，采用定子磁通定向的矢量變換控制策略，通過調節定子電流經坐標變換后的有功電流分量iqs和無功功率電流分量ids，實現對發電機輸出的有功功率P和無功功率的獨立調節。

雙饋異步電機從本質上講是一個非線性、強耦合、多變量的系統。由于雙饋電機定子三相對稱繞組在空間的相對位置是固定的，以A相軸線為參考軸，轉子三相對稱繞組軸線以角速度 ωr逆時針旋轉，轉子a軸和定子A軸之間的夾角 θr是一個空間角，隨時間變化而變化。因此，需要進行坐標變換和去耦處理，由電壓方程、磁鏈方程、轉矩方程和運動方程組成的雙饋電機經過3s/2r坐標變換到二相旋轉d－q坐標系下的電機模型基本方程如下:

式中:usd，usq——分別為定子電壓的d，q軸分量;urd，urq——分別為轉子電壓的d，q軸分量;isd，isq——分別為定子電流的d，q軸分量;ird，irq——分別為轉子電流的d，q軸分量;Ψsd，Ψsq，Ψrd，Ψrq——分別為定、轉子磁鏈d，q軸分量;Rs，Ls——分別為定子繞組的電阻和自感;Rr，Lr——分別為轉子繞組的電阻和自感;Lm——定、轉子間的互感;Ps，Qs——定子有功、無功功率;ωs——同步旋轉角速度;ωr——轉子角速度;p——微分算子。

采用定子磁鏈定向的矢量控制，有約束條件:

略去定子繞組電阻后，定子電壓方程為

整理得:pΨs=0Us= ωsΨs

將（13）代入轉子磁鏈方程整理可得:

將（14）代入轉子電壓方程，進一步整理可得:

式中:為實現轉子電壓、電流解耦控制的解耦項;Δurd，Δurq為消除d，q軸轉子電壓、電流分量間交叉耦合的補償項。

基于定子磁場定向的矢量控制策略簡圖如圖（3）所示。將轉子電壓分解為解耦項和補償項后，既簡化了控制，又能保證控制的精度。

4 仿真分析

利用Matlab/Simulink進行仿真，仿真參數如下:三相繞線式異步電機，額定功率為1.5WM，定子額定電壓為575V，額定頻率為 60Hz，轉動慣量為 5.04kg.m2，極對數為 3，定子電阻為 0.00706（pu），定子電感為 0.171（pu），轉子電阻為 0.005（pu），轉子電感為0.156（pu）（已折算到定子側），互感為 2.9（pu）。

設基本風8m/s，在20s時受到陣風的干擾，風速上升到最大值14m/s，30s后陣風消失。在此種仿真情況下，雙饋風力發電機組風速的變化后，得出相應的轉軸轉速的變化和有功、無功功率的變化，仿真結果如圖（4）所示。定子電流經坐標變換后有功電流分量iqs和無功功率電流分量ids的變化波形，仿真結果如圖（5）所示。

圖4 風速變化時風力發電機組參數變化曲線

圖3 基于定子磁場定向的矢量控制策略簡圖

圖5 風速變化時相應的定子電流有功電流分量 iqs和無功功率電流分量 ids的變化波形

在20s－30s范圍內，隨著風速的變化，風力發電機組轉子轉速，以及發電機組有功功率P和無功功率Q保持了較平穩的變化。因此，在風速出現較大變化時，雙饋風力發電機組的輸出有功、無功功率都能自動跟隨風速變化進行調節，特別是有功功率的調節在額定風速15m/s以下，可以實現風速變化時最大風能捕獲，以提高風能轉化率。仿真結果與圖（2）中的功率特性相吻合。對圖（4）、（5）對比分析，圖（5）中風速變化時相應的定子電流有功電流分量iqs和無功功率電流分量ids的變化波形與圖 （4）中發電機有功功率P和無功功率Q的變化波形相一致，也就是說采用的控制策略可實現有功功率P和無功功率Q的獨立調節。

5 結論

本文通過仿真對風速15m/s以下的風速進行了研究，實現雙饋風力發電機組的最大功率捕獲，并采用了定子磁鏈定向的矢量控制策略得到了有功、無功獨立調節，為實際的控制策略提供理論指導意義。

[1]苑國鋒，李永東，柴建云，姜新建.1.5MW變速恒頻雙饋風力發電機組勵磁控制系統試驗研究[J].電工技術學報，2009，24（2）:42～47

[2]黃科元，賀益康，卞松江.矩陣式變換器交流勵磁的變速恒頻風力發電系統研究[J].中國電機工程學報，2002，11:100～105

[3]Anderson PM， Bose Anjan.Stability simulation of wind turbine system.IEEE Trans.on Power Apparatus and Systems，1983，102（12）

[4]王榮熙，林飛，郝瑞祥等.變速恒頻雙饋異步發電機的控制策略及仿真[J].電機與控制應用，2009，36（4）

[5]卞松江，呂曉美，相會杰，劉連根，梁冰.交流勵磁變速恒頻風力發電系統控制策略的仿真研究[J].中國電機工程學報，2005，25（16）:57～62