雙饋變速恒頻風力發電機并網控制仿真研究

范立新，向張飏

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

隨著能源危機的不斷惡化，以風能為代表的新能源利用技術受到越來越多的關注[1]。雙饋變速恒頻風力發電機作為目前風力發電系統使用的主要機型，其并網運行的控制策略研究是風力發電系統能夠廣泛應用的基礎。雙饋風力發電機多采用雙PWM變換器為轉子提供勵磁電流，網側變換器主要負責穩定直流側電壓和實現單位功率因數控制，轉子側變換器則通過控制勵磁電壓達到功率解耦控制和最大風能追蹤的效果[2]。本文在分析雙饋電機數學模型的基礎上對其控制策略進行了研究，之后在Matlab/simulink軟件中建立了相應模型，通過仿真計算驗證控制策略的控制效果。

1 雙饋變速恒頻發電機數學模型

1.1 dq坐標系下數學模型

建立數學模型時規定定子、轉子側電流采用發電機慣例，將雙饋電機三相旋轉坐標系下的數學模型轉化為dq坐標系下數學模型，變換時采用恒功率變換。數學模型表達式如下[3]。

電壓方程：

磁鏈方程：

運動方程：

式（1—3）中：下標s為定子側參數，下標r為轉子側參數。

1.2 簡化模型

在同步旋轉坐標系下DFIG的數學模型是一個5階模型，在一些場合下需要更進一步地簡化，比如在研究DFIG風力發電系統對整個電力系統的影響時，或者研究DFIG風力發電系統自身的穩態運行特性時，通常假定電網電壓恒定，而且穩態時DFIG的定子磁鏈也可認為是恒定的，這樣可以忽略定子繞組勵磁電流的動態過程，于是式（1）變為：

由式（4）可見，DFIG的電壓方程由4階變為2階，整個DFIG的數學模型也變為3階，這可以大大降低DFIG模型的復雜程度，有利于并網控制策略的設計。

2 雙饋電機控制策略

2.1 網側PWM變換器控制策略

PWM整流器的主要優點有：（1）功率可以雙向流動。（2）輸入電流正弦而且諧波含量少。（3）功率因數可調，可運行在單位功率因數下。（4）在輸入電網電壓固定的情況下直流母線電壓可以調節，且直流母線電壓抗負載擾動的穩定性好。網側變換器可用以下數學模型表示：

式（5）中：L，R為進線電感和電阻；ur為控制電壓；u為網側電壓。為了實現解耦控制，可對式（5）進行改寫，且為：

根據式（6）可以確立網側變換器控制策略，通過調節變換器輸出電壓達到調節電流的目的，控制框圖如圖1所示。

2.2 轉子側PWM變換器控制策略

根據式（4）給出的簡化模型，在忽略定子電阻的情況下，將同步旋轉坐標系的d軸定向于定子電壓矢量us時，有：

轉子電壓方程可改寫為：

風力發電系統定槳距運行時的最大風能追蹤與風力機的轉速密切相關。由于DFIG的轉速氣是風力機轉速心的N倍倒為齒輪箱的變比，故也就與DFIG的轉速密切相關。只要有效地控制DFIG的轉速，就可以使得風力機運行于某一風速所對應的最佳的轉速點上，對應著最大的輸出功率和最佳的葉尖速比。隨著風速的變化，最佳轉速與最大功率在坐標系中所對應的點就成為一條最佳功率曲線。最佳功率與風力機轉速和DFIG轉速有如下關系[5]：

由于風速難以準確測量，故電角速度參考值的計算精度不能得到保證。因此，采用有功功率信號參考值進行最大風能追蹤，在不計機械損耗的情況下，DFIG定子發出功率的指令為：

轉子電流內環解耦控制中d軸為有功分量，q軸為無功分量，一般來說q軸功率給定值由風電場控制給出，這里取iq*=0。d軸功率給定值則由式（10）給出，與實際定子輸出功率相減后送入PI調節器給出d軸電流給定值id*。結合式（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子電流閉環控制的框圖。這種控制方式在電網電壓恒定的情況下能獲得較好的性能，具有良好的動靜態特性。

2.3 槳距角控制

當雙饋發電機的轉速或功率接近限額時需要對原動機槳距角進行控制，以保證風力發電機安全運行[6]。槳距角控制同樣采用PI調節器實現，將功率與轉速值與給定值比較之后經PI調節器送出槳距角給定值，再通過槳距角伺服系統對槳距角進行調節，從而壓抑原動機出力達到控制功率和轉速的目的，其控制框圖如圖3所示。

3 仿真分析

采用雙PWM變換器實現交流勵磁的變速恒頻雙饋風力發電系統的結構圖如圖4所示，仿真在Matlab/simulink中建立了器件和控制系統模型，對雙饋電機運行特性進行了模擬。

3.1 網側變換器仿真結果

網側變換器主要實現功率的雙向流動和對直流環節電容電壓的控制。取三相電網電壓的相電壓為220V，直流環節的電壓參考值Vdc*為600V，進線電感為5m H，進線電阻為0.2Ω，直流環節電容為2000μF。為了驗證PWM變換器的功率雙向流動功能，令負載電流在0.5s時由10 A躍變為-10 A（以流入負載為正方向）。直流環節電壓的變化波形如圖5所示。可以看到電壓在0.5s時有一個上升。這是由于0.5s時負載電流從流出電容變為流入電容，導致電容電壓升高。電容電壓經過0.2s后又恢復到給定值600V，說明電容積累的電能通過網側PWM變換器輸送給了電網，驗證了控制策略穩定直流環節電容電壓的能力。

3.2 轉子側變換器仿真結果

變速恒頻雙饋電機參數為：定子電阻Rs=0.287Ω，轉子電阻Rr=0.228Ω，定子繞組漏感Lls=0.8mH，轉子繞組漏感Llr=0.8mH，定轉子繞組互感Lm=0.8mH。極對數np=2，轉動慣量J=0.09 （為了使DFIG快速達到穩態運行狀態，轉動慣量取得較小）。風力機參數為：齒輪傳動比N=8，葉片半徑R=4 m。仿真系統穩態運行時風速為7m/s，直流環節電壓給定為600V，此時風力發電系統處于亞同步狀態運行。定子側相電壓為220V。發電機電角速度波形如圖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力發電機進入穩態運行后電角速度穩定在270rad/s左右，此時發電機處于亞同步運行狀態。由圖7可以看出定子電流隨角速度的增大而增大，最終也進入穩態，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），只發出有功功率。

3.3 雙饋電機發電系統仿真結果

變換器和DFIG參數與前兩小節保持一致，穩態運行0.5s時風速發生7～12m/s的躍變，這樣可以觀測到風力發電機由亞同步轉為超同步運行的變化過程以及最大風能追蹤的效果，此時雙饋發電機運行于變速恒頻區，為了觀察控制效果未考慮槳距角控制動作的因素。轉子電流的波形如圖8所示。可以看出轉速從次同步轉為超同步的過程中轉子電流有一段近似直流的過程，說明電機轉速正在超越同步速。雙饋電機輸出功率波形如圖9所示。轉子側PWM變換器采取用功率信號作為反饋的最大風能追蹤策略，在槳距角不發生變化的情況下，定子輸出的有功功率應和角速度的立方成正比。從圖9可以看出雙饋電機的輸出功率與理論計算的最佳轉速和輸出功率基本吻合，驗證了控制策略的正確性。

當發電機輸出功率或轉速增大到一定程度時需要啟動槳距角控制對其進行限制，以保護發電機器件安全，取定子側輸出功率作為反饋信號，仿真中取圖10 給出了風速0.1s發生7～12m/s躍變時雙饋電機定子輸出功率波形。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 結束語

通過對雙饋風力發電系統建模和控制策略研究，得到了如下結論：

（1）網側PWM變換器仿真驗證了控制策略可以實現單位功率因數控制，實現功率雙向流動，此外通過指定q軸電流的給定值可以為電網提供一定的無功支持。

（2）轉子側PWM變換器仿真驗證了控制策略可以實現功率的d，q解耦控制，達到變速恒頻運行和無功控制的目的。此外通過對d軸電流給定值的公式推導，可以實現最大風能追蹤，確保最大限度利用風能資源。

（3）槳距角控制仿真驗證了槳距角調節對抑制雙饋電機定子輸出功率的作用，達到了保護雙饋發電機的目的。

[1] PENA R, CLARE J C, ASHER G M. A Doubly Fed Induction Generator Using Back to Back PWM Converters Supplying an Isolated Load from a Variable Speed Wind Turbine [J]. IEEEProc.-Electr Power Appl, 1996，143（5）：380-387.

[2] PENA R, CLARE J C, ASHER G M. Doubly Fed Induction Generator Using Back-to-Back PWM Converters and its Applicationto Variable-Speed Wind-Energy Generation [J]. IEEEProc.-Electr. Power Appl, 1996，143（3）：231-241.

[3] 趙仁德.變速恒頻雙饋風力發電機交流勵磁電源研究[D].杭州：浙江大學，2005 .

[4] 楊淑英.雙饋型風力發電變流器及其控制[D].合肥：合肥工業大學，2007 .

[5] 葉杭冶.風力發電機組的控制技術[M].北京：機械工業出版社，2006 .

[6] 葉杭冶.風力發電系統的設計、運行與維護[M].北京：電子工業出版社，2010 .