雙饋式變速恒頻風力發電機的空載及負載并網策略

劉其輝 謝孟麗

（華北電力大學電氣與電子工程學院 北京 102206）

1 引言

并網是風力發電機安全、高效運行的重要前提和條件。首先，并網是風電機組的一種運行工況，是后續功率解耦控制的基礎[1,2]。當風速變化時發電機可能會發生多次并（脫）網操作。其次，隨著單機容量逐漸增大，并網安全性也將更加突出。如海上風機單機容量一般在2～3MW以上，大功率機組的定子漏阻抗很小，微小的并網壓差就可能產生破壞性的沖擊電流，從而引起電網電壓的大幅下降，導致較大的沖擊和震蕩，嚴重時甚至會損壞發電機，對電網安全造成威脅[3]。因此，深入研究風電機組并網技術，對于保障其安全穩定運行具有重要的意義。

傳統的風電并網技術主要有同步發電機整步與同步并網、異步發電機直接并網、準同期并網、捕捉式準同步并網等[2,4,5]，這些技術對調速性能要求較高，實現復雜，只適用于恒速恒頻機組。相對于恒速恒頻，變速恒頻（Variable Speed Constant Frequency，VSCF）風電技術具有效率高、磨損小和電能質量佳等諸多優點。采用雙饋異步發電機（Doubly-Fed Induction Generator，DFIG）的雙饋式變速恒頻風力發電機是目前應用最廣泛的機型[6-9]。如圖1所示，DFIG定子直接接入電網，轉子通過變換器接入電網，通過變換器對轉子施加頻率、幅值和相位均可調的“交流勵磁”，不但可實現有功、無功功率的解耦，而且還可實現轉速、頻率的解耦，使DFIG與電網之間構成“柔性連接”，為機組的安全并網提供了條件。因此，DFVSCF風電機組并網技術近年來得到了廣大學者的重視和研究[10-15]。文獻[10]總結了DFVSCF風電機組的現有并網方式，指出空載并網實現簡單，是應用最廣的并網技術；文獻[11]采用電網電壓定向建立了DFVSCF風力發電機空載并網控制策略，并進行了實驗驗證；文獻[9,12]采用了定子磁鏈定向矢量控制實現DFVSCF風力發電機并網；文獻[13]采用虛擬磁鏈定向技術實現了DFVSCF風力發電機的柔性并網，無需檢測電網電壓，但需要網側變換器的配合和額外的硬件設計；文獻[14,15]在常規矢量控制基礎上，分別采用了自抗擾和模糊控制技術，提出了不需要精確發電機參數的并網策略，目的是提高魯棒性和穩定性，但是算法復雜，實際性能缺乏實驗驗證。

圖1 DFVSCF風力發電系統Fig.1 DFVSCF wind power generation system

從上述分析看出，空載并網是目前DFVSCF風力發電機并網研究的主要內容，各文獻已經提出了多種控制策略和實現方案。但是還存在一些不足，表現在：①大部分文獻僅采用數字仿真來驗證策略的可行性，缺乏更深入的實驗研究；②沒有建立DFIG空載并網時的轉子控制模型；③并網策略的前提是并網前DFIG空載，定子沒有電流，沒有考慮并網前已有負載的情況。實際上有時由于本地負荷的存在，風力發電機并網前定子有電流，此時上述各種空載并網技術不再適用，需要研究負載并網技術，這在目前國內外文獻中鮮有提及。本文在分析DFIG空載、負載數學模型的基礎上，同時研究了DFVSCF風力發電機空載、負載兩種并網技術，并基于定子磁鏈定向構建了空載、負載并網矢量控制策略，建立了兩種并網方式下的轉子控制模型，為控制器的設計提供了依據，最后對兩種并網控制技術的性能特征進行了實驗對比分析。實驗研究表明：兩種并網控制技術均不受機組轉速的影響，調節迅速，并網電流沖擊較小，適合于不同運行條件下的DFVSCF風力發電機并網。

2 并網控制原理

DFIG并網條件是定子電壓與電網電壓的幅值、頻率、相位相同[9]。并網控制就是控制定子電壓滿足并網條件，盡可能減小并網沖擊電流。

DFIG并網前可運行于空載和負載兩種情況，為了方便，對應的并網方式分別簡稱為空載并網和負載并網，控制結構如圖2所示。空載并網前發電機定子沒有電流，以電網電壓信息（頻率，相位，幅值）為依據，通過轉子勵磁控制定子電壓與電網電壓在頻率、相位和幅值上達到一致。負載并網前DFIG帶有負載，定子繞組有電流流過，此時需根據電網信息和發電機定子電壓、電流對發電機進行勵磁控制和電壓調節，實現安全并網。

圖2 DFVSCF風力發電機并網控制結構Fig.2 Grid-connection structures of DFVSCF wind power generator

3 DFIG常規模型及空載模型

為了推導兩種并網控制策略，首先建立了兩相旋轉坐標系下DFIG常規模型和空載模型[1,9]。

采用發電機慣例時，mt坐標系下DFIG常規模型（運動、轉矩方程略）為

式中R1，R2——定、轉子電阻（下標1代表定子，2代表轉子）；

L1,L2,Lm——mt坐標系下定、轉子等效自感及互感；

um1,ut1,um2,ut2——定、轉子電壓m、t軸分量；

im1,it1,im2,it2——定、轉子電流m、t軸分量；

ψm1,ψt1,ψm2,ψt2——定、轉子磁鏈m、t軸分量；

ω1,ωr及ωs——同步、轉子和轉差角速度；

p——微分算子。

空載時DFIG定子電流為零，將im1=it1=0代入式（1）～式（4）可得到DFIG空載模型

4 DFIG空載及負載并網策略

4.1 定子磁鏈定向及磁鏈觀測

并網控制的實質是根據電網信息及DFIG運行參數，計算出建立符合并網條件的定子電壓所需的參考定子磁鏈，并通過變換器對轉子電流進行有效控制。為了獲得較好的動態性能，可采用磁場定向矢量控制技術。本文采用定子磁鏈定向，將m軸定于定子磁鏈矢量ψ1方向。工頻下DFIG定子電阻可忽略不計（R1=0），定子電壓矢量u1等于定子電動勢矢量e1，且滯后于ψ190°，位于t軸負方向，即

式中，ψ1、u1分別為ψ1、u1的幅值。

根據式（9）、式（10）式及R1=0，式（1）可化簡為

由式（11）知，定子磁鏈幅值恒定，為u1與ω1之比。

定子磁鏈的準確估算是并網控制的關鍵，需要建立高性能磁鏈觀測器。磁鏈觀測器有多種類型，如電壓型、電流型、混合型等。電壓型觀測器存在積分誤差，電流型觀測器易受發電機參數的影響，而混合型觀測器實現復雜。因此，本文構造了一種u-ω型磁鏈觀測器。如前所述，ψ1相角θs與u1相角θu滿足

根據式（11）、式（12）可設計DFIG磁鏈觀測器如圖3所示。該觀測器只檢測電網電壓，既不依賴于發電機參數，也無積分運算，簡單高效。

圖3 u-ω 型DFIG定子磁鏈觀測器Fig.3 u-ω type stator flux linkage obvserver of DFIG

4.2 空載并網控制策略

根據式（9）、式（10），式（7）、式（8）化為

可見，此時it2=0。將式（14）代入式（2），得

式中，um′2、ut′2為解耦項，Δum2、Δut2為補償項，且

由式（9）～式（17）可建立DFVSCF風力發電機空載并網控制策略，該策略采用轉子電流單閉環控制結構，通過電網電壓計算出DFIG參考定子磁鏈并對轉子電流進行控制。該策略及相應的轉子電流控制模型可參見文獻[9]，本文不再贅述。

4.3 負載并網控制策略

負載并網思路：并網前DFIG負載運行（如電阻性負載），根據電網信息和定子電壓、電流對DFIG進行控制，滿足并網條件時實現安全并網。

將式（9）代入式（3）得

定義ims為定子等效勵磁電流，滿足

則ims與ψ1成正比關系，改變ims可以調節u1。由式（18）、式（19）可得出im2和ims的關系為

將式（18）代入式（4）可得

將式（21）代入式（2）得到

由式（9）～式（12）、式（18）～式（24）可建立DFVSCF風力發電機負載并網控制策略，如圖4所示。負載并網策略采用電壓、電流雙閉環控制結構，外環為定子電壓環，內環為轉子電流環。與空載并網相比，負載并網除采集電網電壓外，還需要采集定子電壓和定子電流。

圖4 DFIG負載并網控制策略Fig.4 Strategy of grid-connection of DFIG with load

圖5 為DFIG負載并網時的轉子控制模型，不考慮耦合項時，轉子電壓到電流為一階傳遞函數，其時間常數為T2=a2/R2，據此可進行圖4中電流PI控制器的設計。

圖5 DFIG負載并網轉子電流控制原理圖Fig.5 Control model of rotor current of DFIG grid-connection with load

負載并網在并網前DFIG有電功率輸出，可以參與機組的功率平衡控制和速度調節。設DFIG并網前接有三相星形聯結的純阻型負載，每相阻值為R，電網相電壓有效值為U1rms，則DFIG輸出功率為

DFIG功率關系可表示為[1]

式中Pcu1，Pfe1為——DFIG定子銅耗和鐵耗；

Pe——電磁功率；

s1——轉差率；

PM，Pm′，Pm——輸入發電機機械功率、機械損耗和發電機獲得的凈機械功率。

由式（25）、式（26）可得到

如果DFIG的變速范圍為同步速的±30%，則風力機輸出的穩定范圍為

4.4 兩種并網策略的比較

空載并網的控制結構簡單，檢測量少，適用于DFIG并網前不帶負載的情況。并網控制過程中DFIG無電功率輸出，完全由風力機控制轉速。風力機需吸收少量風能以提供機組的機械、電氣損耗功率，如果吸收風能過多，則會造成功率失衡而導致機組飛車。

相對于空載并網，負載并網的控制結構復雜，檢測量較多，適用于DFIG并網前帶有本地獨立負荷的情況。并網過程中DFIG有電功率輸出，可以參與風力機的能量控制，既能通過改變發電機的負載來調節發電機能量輸出，又能通過改變發電機的轉速來改變能量在發電機內部的分配關系，實現了發電機能量的“粗調”和“細調”。

5 實驗研究

本文對DFVSCF風力發電機的兩種并網控制策略進行了實驗研究。實驗裝置采用電動機模擬風力機，以雙PWM變換器作為DFIG的轉子勵磁電源，實驗參數如下：額定功率：15kW；定子額定電壓:380V/50Hz；極對數：pn=3；R1=0.379Ω,R2=0.314Ω,L1=0.0438H,L2=0.0449H,Lm=0.0427H；變換器開關頻率：10kHz；變換器直流電壓：150V；負載電阻：100 Ω/Δ。圖6～圖8為空載并網實驗結果，圖9～圖11為負載并網實驗結果。圖中nm、P1、Q1分別為DFIG轉速、輸出有功、無功功率。

圖6與圖9分別為DFIG空載并網和負載并網時三種典型轉速（亞同步速、同步速、超同步速）下的定子電壓與轉子電流波形。圖中，在轉速變化時，DFIG轉子電流的頻率發生變化，實現了轉子側的“交流勵磁”，定子電壓的頻率保持恒定，實現了“變速恒頻”。圖7與圖10分別為空載并網時的電網電壓和定子電壓的對比波形以及定子電壓的頻譜圖。可以看出，在兩種并網方式下DFIG定子電壓與電網電壓在幅值、頻率、相位上高度一致，滿足并網條件。圖8、圖11為并網瞬間的DFIG定、轉子電流波形，其中圖8為空載并網后DFIG無功率輸出和有功率輸出的情況，圖11為負載并網后DFIG無功率輸出和有功率輸出的情況。可以看出，兩種并網控制方式下的并網過程均平穩，定、轉子電流沖擊較小，動態過渡迅速。

圖6 DFIG不同轉速下空載并網控制的定子電壓和轉子電流波形Fig.6 Stator voltage and rotor current of DFIG grid-connection control with no-load at different speed

圖7 空載并網時電網電壓、DFIG定子電壓波形和定子電壓頻譜Fig.7 Grid voltage and DFIG stator voltage and the frequency spectrum of stator voltage of grid-connection with no-load

圖8 （并網后）DFIG不同輸出情況下空載并網瞬間的定、轉子電流波形Fig.8 DFIG stator current and rotor current at the moment of grid-connection with no-load with different output（after grid-connection）

圖9 DFIG不同轉速下負載并網控制定子電壓和轉子電流波形Fig.9 Stator voltage and rotor current of DFIG grid-connection control with load at different speeds

圖10 負載并網時電網電壓、DFIG定子電壓波形和定子電壓頻譜Fig.10 Grid voltage and DFIG stator voltage and the frequency spectrum of stator voltage of grid-connection with load

圖11 （并網后）DFIG不同輸出情況下負載并網瞬間的定、轉子電流波形Fig.11 DFIG stator current and rotor current at the moment of grid-connection with load with different outputs（after grid-connection）

6 結論

本文根據DFVSCF風力發電機與電網之間的“柔性連接”特性，基于定子磁鏈定向矢量控制技術，研究了DFVSCF風力發電機空載、負載兩種并網技術，主要工作和結論如下：

（1）在兩相旋轉坐標系下建立DFIG空載模型和常規模型，基于兩種模型分別推導了空載并網和負載并網策略，并進行了詳細的實驗研究。

（2）空載并網、負載并網的實質均是通過轉子勵磁建立符合并網條件的定子電壓。其中，定子磁鏈的準確觀測是關鍵環節，本文設計了不依賴于發電機參數、沒有積分誤差的u-ω型觀測器，建立了并網轉子控制模型，為轉子電流控制器設計提供了依據。

（3）空載并網策略采用轉子電流單閉環控制結構，并網前發電機定子無電流，轉速僅由風力機控制，該策略實現簡單，適用于并網前DFIG無負載的情況；負載并網采用電壓、電流雙閉環控制結構，并網前發電機有電流，可參與機組的功率及轉速控制，該策略相對復雜，適用于并網前DFIG有負載的情況。

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