雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)控制仿真研究

范立新，向張飏

(1.江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇南京211102；2.東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇南京210096)

隨著能源危機(jī)的不斷惡化，以風(fēng)能為代表的新能源利用技術(shù)受到越來(lái)越多的關(guān)注[1]。雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為目前風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)使用的主要機(jī)型，其并網(wǎng)運(yùn)行的控制策略研究是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)能夠廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)多采用雙PWM變換器為轉(zhuǎn)子提供勵(lì)磁電流，網(wǎng)側(cè)變換器主要負(fù)責(zé)穩(wěn)定直流側(cè)電壓和實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)控制，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器則通過(guò)控制勵(lì)磁電壓達(dá)到功率解耦控制和最大風(fēng)能追蹤的效果[2]。本文在分析雙饋電機(jī)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上對(duì)其控制策略進(jìn)行了研究，之后在Matlab/simulink軟件中建立了相應(yīng)模型，通過(guò)仿真計(jì)算驗(yàn)證控制策略的控制效果。

1 雙饋?zhàn)兯俸泐l發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型

1.1 dq坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型

建立數(shù)學(xué)模型時(shí)規(guī)定定子、轉(zhuǎn)子側(cè)電流采用發(fā)電機(jī)慣例，將雙饋電機(jī)三相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為dq坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型，變換時(shí)采用恒功率變換。數(shù)學(xué)模型表達(dá)式如下[3]。

電壓方程：

磁鏈方程：

運(yùn)動(dòng)方程：

式（1—3）中：下標(biāo)s為定子側(cè)參數(shù)，下標(biāo)r為轉(zhuǎn)子側(cè)參數(shù)。

1.2 簡(jiǎn)化模型

在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下DFIG的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)5階模型，在一些場(chǎng)合下需要更進(jìn)一步地簡(jiǎn)化，比如在研究DFIG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的影響時(shí)，或者研究DFIG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)自身的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性時(shí)，通常假定電網(wǎng)電壓恒定，而且穩(wěn)態(tài)時(shí)DFIG的定子磁鏈也可認(rèn)為是恒定的，這樣可以忽略定子繞組勵(lì)磁電流的動(dòng)態(tài)過(guò)程，于是式（1）變?yōu)椋?/p>

由式（4）可見，DFIG的電壓方程由4階變?yōu)?階，整個(gè)DFIG的數(shù)學(xué)模型也變?yōu)?階，這可以大大降低DFIG模型的復(fù)雜程度，有利于并網(wǎng)控制策略的設(shè)計(jì)。

2 雙饋電機(jī)控制策略

2.1 網(wǎng)側(cè)PWM變換器控制策略

PWM整流器的主要優(yōu)點(diǎn)有：（1）功率可以雙向流動(dòng)。（2）輸入電流正弦而且諧波含量少。（3）功率因數(shù)可調(diào)，可運(yùn)行在單位功率因數(shù)下。（4）在輸入電網(wǎng)電壓固定的情況下直流母線電壓可以調(diào)節(jié)，且直流母線電壓抗負(fù)載擾動(dòng)的穩(wěn)定性好。網(wǎng)側(cè)變換器可用以下數(shù)學(xué)模型表示：

式（5）中：L，R為進(jìn)線電感和電阻；ur為控制電壓；u為網(wǎng)側(cè)電壓。為了實(shí)現(xiàn)解耦控制，可對(duì)式（5）進(jìn)行改寫，且為：

根據(jù)式（6）可以確立網(wǎng)側(cè)變換器控制策略，通過(guò)調(diào)節(jié)變換器輸出電壓達(dá)到調(diào)節(jié)電流的目的，控制框圖如圖1所示。

2.2 轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變換器控制策略

根據(jù)式（4）給出的簡(jiǎn)化模型，在忽略定子電阻的情況下，將同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸定向于定子電壓矢量us時(shí)，有：

轉(zhuǎn)子電壓方程可改寫為：

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)定槳距運(yùn)行時(shí)的最大風(fēng)能追蹤與風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速密切相關(guān)。由于DFIG的轉(zhuǎn)速氣是風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速心的N倍倒為齒輪箱的變比，故也就與DFIG的轉(zhuǎn)速密切相關(guān)。只要有效地控制DFIG的轉(zhuǎn)速，就可以使得風(fēng)力機(jī)運(yùn)行于某一風(fēng)速所對(duì)應(yīng)的最佳的轉(zhuǎn)速點(diǎn)上，對(duì)應(yīng)著最大的輸出功率和最佳的葉尖速比。隨著風(fēng)速的變化，最佳轉(zhuǎn)速與最大功率在坐標(biāo)系中所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)就成為一條最佳功率曲線。最佳功率與風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速和DFIG轉(zhuǎn)速有如下關(guān)系[5]：

由于風(fēng)速難以準(zhǔn)確測(cè)量，故電角速度參考值的計(jì)算精度不能得到保證。因此，采用有功功率信號(hào)參考值進(jìn)行最大風(fēng)能追蹤，在不計(jì)機(jī)械損耗的情況下，DFIG定子發(fā)出功率的指令為：

轉(zhuǎn)子電流內(nèi)環(huán)解耦控制中d軸為有功分量，q軸為無(wú)功分量，一般來(lái)說(shuō)q軸功率給定值由風(fēng)電場(chǎng)控制給出，這里取iq*=0。d軸功率給定值則由式（10）給出，與實(shí)際定子輸出功率相減后送入PI調(diào)節(jié)器給出d軸電流給定值id*。結(jié)合式（8）可以得到如圖2所示的基于定子電壓定向矢量控制的轉(zhuǎn)子電流閉環(huán)控制的框圖。這種控制方式在電網(wǎng)電壓恒定的情況下能獲得較好的性能，具有良好的動(dòng)靜態(tài)特性。

2.3 槳距角控制

當(dāng)雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速或功率接近限額時(shí)需要對(duì)原動(dòng)機(jī)槳距角進(jìn)行控制，以保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行[6]。槳距角控制同樣采用PI調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)，將功率與轉(zhuǎn)速值與給定值比較之后經(jīng)PI調(diào)節(jié)器送出槳距角給定值，再通過(guò)槳距角伺服系統(tǒng)對(duì)槳距角進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而壓抑原動(dòng)機(jī)出力達(dá)到控制功率和轉(zhuǎn)速的目的，其控制框圖如圖3所示。

3 仿真分析

采用雙PWM變換器實(shí)現(xiàn)交流勵(lì)磁的變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，仿真在Matlab/simulink中建立了器件和控制系統(tǒng)模型，對(duì)雙饋電機(jī)運(yùn)行特性進(jìn)行了模擬。

3.1 網(wǎng)側(cè)變換器仿真結(jié)果

網(wǎng)側(cè)變換器主要實(shí)現(xiàn)功率的雙向流動(dòng)和對(duì)直流環(huán)節(jié)電容電壓的控制。取三相電網(wǎng)電壓的相電壓為220V，直流環(huán)節(jié)的電壓參考值Vdc*為600V，進(jìn)線電感為5m H，進(jìn)線電阻為0.2Ω，直流環(huán)節(jié)電容為2000μF。為了驗(yàn)證PWM變換器的功率雙向流動(dòng)功能，令負(fù)載電流在0.5s時(shí)由10 A躍變?yōu)?10 A（以流入負(fù)載為正方向）。直流環(huán)節(jié)電壓的變化波形如圖5所示。可以看到電壓在0.5s時(shí)有一個(gè)上升。這是由于0.5s時(shí)負(fù)載電流從流出電容變?yōu)榱魅腚娙荩瑢?dǎo)致電容電壓升高。電容電壓經(jīng)過(guò)0.2s后又恢復(fù)到給定值600V，說(shuō)明電容積累的電能通過(guò)網(wǎng)側(cè)PWM變換器輸送給了電網(wǎng)，驗(yàn)證了控制策略穩(wěn)定直流環(huán)節(jié)電容電壓的能力。

3.2 轉(zhuǎn)子側(cè)變換器仿真結(jié)果

變速恒頻雙饋電機(jī)參數(shù)為：定子電阻Rs=0.287Ω，轉(zhuǎn)子電阻Rr=0.228Ω，定子繞組漏感Lls=0.8mH，轉(zhuǎn)子繞組漏感Llr=0.8mH，定轉(zhuǎn)子繞組互感Lm=0.8mH。極對(duì)數(shù)np=2，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.09 （為了使DFIG快速達(dá)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量取得較小）。風(fēng)力機(jī)參數(shù)為：齒輪傳動(dòng)比N=8，葉片半徑R=4 m。仿真系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)風(fēng)速為7m/s，直流環(huán)節(jié)電壓給定為600V，此時(shí)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)處于亞同步狀態(tài)運(yùn)行。定子側(cè)相電壓為220V。發(fā)電機(jī)電角速度波形如圖6所示。定子A相電壓、電流波形如圖7所示。

由圖6可以看出變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行后電角速度穩(wěn)定在270rad/s左右，此時(shí)發(fā)電機(jī)處于亞同步運(yùn)行狀態(tài)。由圖7可以看出定子電流隨角速度的增大而增大，最終也進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，且電壓和電流同相位（圖中電流是以流入定子為正方向，故與電壓反相），只發(fā)出有功功率。

3.3 雙饋電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)仿真結(jié)果

變換器和DFIG參數(shù)與前兩小節(jié)保持一致，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行0.5s時(shí)風(fēng)速發(fā)生7～12m/s的躍變，這樣可以觀測(cè)到風(fēng)力發(fā)電機(jī)由亞同步轉(zhuǎn)為超同步運(yùn)行的變化過(guò)程以及最大風(fēng)能追蹤的效果，此時(shí)雙饋發(fā)電機(jī)運(yùn)行于變速恒頻區(qū)，為了觀察控制效果未考慮槳距角控制動(dòng)作的因素。轉(zhuǎn)子電流的波形如圖8所示。可以看出轉(zhuǎn)速?gòu)拇瓮睫D(zhuǎn)為超同步的過(guò)程中轉(zhuǎn)子電流有一段近似直流的過(guò)程，說(shuō)明電機(jī)轉(zhuǎn)速正在超越同步速。雙饋電機(jī)輸出功率波形如圖9所示。轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變換器采取用功率信號(hào)作為反饋的最大風(fēng)能追蹤策略，在槳距角不發(fā)生變化的情況下，定子輸出的有功功率應(yīng)和角速度的立方成正比。從圖9可以看出雙饋電機(jī)的輸出功率與理論計(jì)算的最佳轉(zhuǎn)速和輸出功率基本吻合，驗(yàn)證了控制策略的正確性。

當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出功率或轉(zhuǎn)速增大到一定程度時(shí)需要啟動(dòng)槳距角控制對(duì)其進(jìn)行限制，以保護(hù)發(fā)電機(jī)器件安全，取定子側(cè)輸出功率作為反饋信號(hào)，仿真中取圖10 給出了風(fēng)速0.1s發(fā)生7～12m/s躍變時(shí)雙饋電機(jī)定子輸出功率波形。從波形中可以看出槳距角控制起到了較好效果，將定子輸出功率限制在給定值20kW左右。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)建模和控制策略研究，得到了如下結(jié)論：

（1）網(wǎng)側(cè)PWM變換器仿真驗(yàn)證了控制策略可以實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)控制，實(shí)現(xiàn)功率雙向流動(dòng)，此外通過(guò)指定q軸電流的給定值可以為電網(wǎng)提供一定的無(wú)功支持。

（2）轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變換器仿真驗(yàn)證了控制策略可以實(shí)現(xiàn)功率的d，q解耦控制，達(dá)到變速恒頻運(yùn)行和無(wú)功控制的目的。此外通過(guò)對(duì)d軸電流給定值的公式推導(dǎo)，可以實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能追蹤，確保最大限度利用風(fēng)能資源。

（3）槳距角控制仿真驗(yàn)證了槳距角調(diào)節(jié)對(duì)抑制雙饋電機(jī)定子輸出功率的作用，達(dá)到了保護(hù)雙饋發(fā)電機(jī)的目的。

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