變速恒頻雙饋風力發電機空載并網控制策略

劉新宇，楊慧麗

(華北水利水電大學，河南鄭州450011)

0 引言

世界上的煤炭、石油等不可再生能源日益枯竭，風力發電作為一種清潔可再生的新能源，對于緩解能源危機、保護環境具有非常重要的意義［1］。目前，除了水電以外的任何可再生能源中，風力發電的潛力最大。風電不僅發電成本在逐漸降低，而且在技術上也日趨成熟，已經成為電力系統中增長最快的新能源發電方式之一［2］。變速恒頻雙饋風力發電技術由于具有風能轉換效率高、機電系統柔性連接、功率因數可調、勵磁變換器容量小等特點，已在風力發電系統中占據主導地位，并引領了風力發電的發展方向［3］。

在風力發電機組啟動前，需要對發電機進行并網前調節，使發電機定子電壓和電網電壓在幅值、頻率、相位上均保持一致，以滿足并網條件。風力發電機組單機容量越來越大，目前已經發展到MW 級水平，機組并網電流對電網的沖擊已不能忽視，它不但會引起電網電壓大幅下降，而且會對發電機組各部件造成損壞，甚至還會威脅其他發電機組的正常運行。因此，必須通過合理的并網技術來抑制并網沖擊電流。并網技術己成為風力發電技術中的一個不可忽視的問題［4］。

本文將建立雙饋風力發電機在d-q 旋轉坐標系下的空載數學模型，在定子磁場定向矢量控制原理的基礎上，建立變速恒頻雙饋風力發電機空載并網控制策略，應用Matlab/Simnlink軟件對其進行仿真分析。

1 變速恒頻雙饋風力發電系統

圖1 變速恒頻雙饋風力發電系統圖

由圖1 看出，雙饋風力發電機的定子直接連接到電網上，轉子通過三相勵磁變換器進行交流勵磁，電磁功率通過定子、轉子雙通道與電網進行交換。為了實現變速恒頻運行，當風速變化、發電機轉速相應變化時，應調節轉子勵磁電流的頻率以保證定子輸出頻率恒定。根據電機學的知識可知［5］，DFIG 穩定運行時，定、轉子旋轉磁場相對靜止，即

因 f1=n1/60 及 f2=n2/60，故有

其中f1、f2分別為DFIG 定、轉子電流的頻率;n1為定子磁場的轉速，即同步轉速;n2為轉子磁場相對于轉子的轉速;nr為DFIG 轉子的電轉速。

從式(2)可知，當發電機轉速nr變化時，可通過調節轉子勵磁電流頻率f2保持定子輸出電能頻率f1恒定，這是變速恒頻運行的原理。當發電機亞同步運行時，f2＞0，轉子繞組相序與定子相同;當發電機超同步運行時，f2＜0，轉子繞組相序與定子相反;當發電機同步運行時，f2=0，轉子進行直流勵磁。

2 雙饋風力發電機空載數學模型

為了研究DFIG 空載并網控制原理，需要推導DFIG 的空載數學模型。空載并網前，其定子側為開路，定子各分量電流為零，故存在約束關系:isd=0，isq=0，將此約束條件代入同步旋轉d-q-0 坐標下用于矢量控制的DFIG 電機數學模型［6］，可得DIFG 空載時方程。

定子磁鏈方程:

轉子磁鏈方程:

定子電壓方程:

轉子電壓方程:

(3)～(6)式即為DFIG 空載運行的數學模型。為了分析方便，下標s 代表定子量;下標r 代表轉子量;下標d 代表d 軸分量;下標q 代表q 軸分量。其中Rr為轉子繞組各相電阻;Lm為定、轉子同軸等效繞組間的互感;Lr為轉子等效兩相繞組的自感;isd、isq、ird、irq為定、轉子電流的 d 軸和 q 軸分量;ψsd、ψsq、ψrd、ψrq為定、轉子磁鏈的 d 軸和 q 軸分量。usd、usq、urd、urq為定、轉子電壓的d 軸和q 軸分量;ω1為發電機的同步旋轉速度;ωr為轉子的旋轉速度;ωs=ω1-ωr為坐標系相對與轉子的旋轉速度。

3 定子磁場定向下發電機空載并網控制策略

根據DFIG 空載運行時的數學模型，可以推導基于定子磁鏈定向的DFIG 空載并網控制策略。因為工頻50 Hz，定子繞組的電阻比其電抗要小得多，通常可以忽略電機定子繞組電阻，采用定子磁鏈定向，則有［7］

將(7)代入式(5)中，可得

由此可得

將(8)和(10)式代入(3)式可得

即空載并網時，DFIG 定子磁鏈保持恒定，其值為定子電壓(電網電壓)與同步角速度之比。再將式(10)代入式(6)，同時忽略其動態過程，可得

式(12)可以作為電網電壓定向的變速恒頻雙饋風力發電空載并網前DFIG 轉子電流內環控制器的設計依據。根據(7)～(12)式，可確定變速恒頻雙饋風力發電機空載并網控制策略，其控制原理如圖2 所示。

圖2 基于定子磁場定向的空載并網控制原理框圖

圖2 中，空載并網控制是從檢測三相電網電壓 uA、uB、uC開始的，根據檢測的三相電壓計算出電網電壓空間矢量的幅值Us和相角θ1。θ1和轉子角位置角θr一起用于矢量控制中的坐標變換。Us和同步角速度ω1通過(11)式可計算出DFIG 的參考定子磁鏈，然后根據(10)式計算出轉子d 軸電流參考分量，同時可知q 軸電流參考分量應該強制為零。

由(12)式可見，urd和ird之間的傳遞函數存在一階微分環節，所以可以通過對參考值與ird的誤差經過PI 調節后直接得到轉子d 軸電壓參考分量;按式(12)求得轉子q 軸電壓參考分量經過坐標變換后得到轉子電壓分別在αr軸和βr軸上的參考分量根據進行 SVPWM調制，產生轉子側變換器的控制信號，實現對DFIFG 的空載并網控制，其控制原理框圖如圖2 所示。

4 仿真分析

在工程技術領域，運用計算機作為輔助工具進行仿真研究已經受到廣泛的歡迎。近年來，在電氣控制方面比較流行使用MATLAB 軟件作為仿真工具，因為它具有非常強大的功能，作為一種編程語言和可視化工具，MATLAB 可以解決工程科學計算和數學學科中的許多問題。其中的Simulink 組件更是針對實現工程問題的模型化和動態仿真而設計出的產品，具有模塊化、可重載、可封裝、面向結構圖編程及可視化等優點，省去了算法分析和程序編制的過程，因此大大提高了系統仿真的效率和可靠性。

本文利用MATLAB 7.1/Simulink 軟件建立系統主要部分的仿真模型并設置相應系統仿真參數如下:

雙饋感應電機:功率6 kw，轉子側輸入電壓380 V，電流3.2 A，定子側輸入電壓380 V，電流6.8 A，極對數2，最大轉速1 800 轉/min。Rs=1.37 Ω，Rr=1.65 Ω，Lls=0.0033 Η，Llr=0.0043 Η，Lm=0.158 Η。

圖3 并網前定子端電壓與電網電壓波形圖

圖4 并網瞬間定子端電流的過渡過程波形圖

圖3 為并網前定子端與電網端電壓的對比仿真波形圖。由此仿真結果圖可以看出，采用本文的空載并網控制策略下，在0.5 s 并網前定子端電壓與轉子端電壓在幅值、相位、頻率上達到一致。

圖4 為并網瞬間雙饋電機定子端電流的波形圖。可以看出，采用本文的空載并網控制策略下，在0.5 s 并網瞬間的沖擊電流大大減小，且并網瞬間的沖擊電流僅為并網后定子端電流的1.5 倍。

5 結語

本文重點討論了雙饋風力發電機的空載并網控制策略，將磁場定向矢量控制技術應用到雙饋風力發電機的空載并網控制中，在Matlab/Simnlink 環境下建立了空載并網仿真模型，并進行了仿真分析。仿真結果表明，該控制策略可以在變速情況下有效調節發電機定子側電壓的頻率、幅值和相位，使其與電網電壓保持一致，從而滿足并網條件，使雙饋風力發電機與電網之間實現無沖擊并網。

［1］Shahabi M，Haghifam M R，Mohamadian M，et al .Microgrid dynamic performance improvement using a doubly fed induction wind generator［J］.IEEE Trans on Energy Conversion，2009，24(1):139 -141.

［2］Chowdhury B H，Chellapilla S.Double-fed induction generator control for variable speed wind power generation［J］.Electric Power Research，2006，76(9):786 -800.

［3］劉其輝，賀益康，卞松江. 變速恒頻風力發電機空載并網控制研究［J］.中國電機工程學報，2007，27(3):6 -11.

［4］Muller S，Deicke M，De Doncker R W .Doubly -fed induction generator systems for wind turbines［J］.IEEE Industry A pplications Magazine，2008，8(3):26 -33.

［5］賀益康，胡家兵，徐烈. 并網雙饋異步風力發電機運行控制［M］.北京:中國電力出版社，2011.

［6］田濤. 雙饋變速恒頻風力發電空載并網控制策略研究［D］.銀川:寧夏大學，2009.

［7］任永峰，安中全，李靜立，等.雙饋式風力發電機組柔性并網運行與控制［M］.北京:機械工業出版社，2011.