雙饋異步風電機組自啟動運行控制策略

馮士睿，蔣 平，范立新，顧 文

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

雙饋異步風電機組自啟動運行控制策略

馮士睿1，蔣 平1，范立新2，顧 文2

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

隨著分布式風力發電的發展，風機的自啟動和孤島運行成為分布式發電的重難點。針對雙饋異步風電機組自啟動過程的機電暫態特性，引入了考慮定子磁鏈變化的雙饋風機模型，并在此基礎上設計了基于反饋線性控制的自啟動控制器和自啟動控制策略。該策略將自啟動控制過程分為自激啟動、帶載運行、頻率調整3個階段，各階段對變流器采用不同的控制策略和開關規則，能夠有效地實現雙饋風機的快速啟動以及電壓、頻率的穩定控制。在MATLAB/Simulink中搭建的仿真模型驗證了所述方法的有效性。

自啟動；反饋線性控制；電壓控制；頻率調整

分布式風力發電可以彌補大電網安全穩定性的不足，在電網停電發生時恢復孤島供電。為了更好地實現分布式風力發電，首先必須研究風電機組在孤島運行下具備自啟動的能力。利用風電機組快速響應的特點，先啟動風電機組，隨后實現孤島運行。

目前國內外關于風力發電孤島運行的研究主要集中在風電機組脫網后穩定運行的領域[1-6]，對風機自啟動國外已有一定研究，國內研究相對較少。文獻[7-9]在雙饋異步風電機組DFIG（doubly-fed induction generator）的直流電容側加裝儲能裝置，由儲能裝置提供直流電壓，進而實現風電機組的自啟動過程。文獻[10-11]通過采用基于PQ解耦的變流器控制技術以及追蹤定子磁場轉速變化的PLL技術，實現了頻率的穩定。文獻[12]將風電機組接入已經建立電壓的微電網，提出了面對微電網的可變負荷的頻率控制技術。文獻[13]在計及風電功率波動和儲能系統的荷電狀態等條件的基礎上，提出一種基于變滑動平均濾波項數的風電功率波動平滑控制策略。文獻[14]提出了雙應用的儲能容量配置策略及計算方法，并基于全壽命周期成本理論構建儲能系統的經濟模型，對儲容配置方案進行經濟性評估及經濟靈敏度分析。

針對當前風機運行主要研究并網條件下的電壓頻率控制的不足，本文以孤島運行下的DFIG為研究對象，引入了考慮定子磁鏈變化的DFIG模型，并在此基礎上設計了基于反饋線性控制算法的DFIG自啟動控制策略。該策略將自啟動控制過程分為自激啟動、帶載運行、頻率調整3個階段，各階段對變流器采用不同的控制策略和開關規則。在Simu-link中搭建的仿真模型驗證了所述策略的有效性。

1 雙饋異步風電機組控制模型

在傳統風機矢量控制中，其控制都基于電網電壓恒定、忽略DFIG定子勵磁電流動態過程的簡化模型。然而在DFIG自啟動時，電網電壓變化較為劇烈，簡化模型不再適用，需要加以修正。考慮定子勵磁電流Ims、定子側電壓Us以及定子磁鏈ψs的情況下，DFIG的控制模型[15]為

式中：Lm為dq軸坐標系中定、轉子互感；Rs和Ls分別為dq軸坐標系中定子繞組電阻和自感；Rr和Lr分別為dq軸坐標系中轉子繞組電阻和自感；為發電機漏磁系數；ω1為定子磁場同步轉速；ωr為轉子磁場轉速；ωslip=ω1-ωr為轉差率；Ur為轉子電壓；Is和Ir為定、轉子電流；為定子的等效勵磁電流矢量。

將式（1）中的第1個方程代入第2個方程，消去定子勵磁電流變化量進一步變換可得在dq坐標系下的轉子側變流器控制模型為

式中，urd1和urq1分別為考慮轉子勵磁電流變化的補償項。

式（1）～式（3）為設計DFIG自啟動變流器控制策略提供了依據。

2 自啟動PI控制器的改進設計

自啟動控制過程中，PI控制器容易出現遲滯性大、易飽和的缺點。反饋線性控制器FBLC（feedback linearization controller）將變流器開關型非線性系統轉化為線性系統，提高了在暫態條件下的控制性能，可以用于自啟動期間的變流器控制。針對式（2）和式（3）的轉子側變流器RSC（rotor-side converter）的模型，將其改寫成用于線性化的差分方程為

由于Er(x)為對角陣且對角元素不為零，故Er(x)可逆。因此可以依據式（4）設計轉子電壓控制器為

式中，vrd和vrq為轉子電壓的跟蹤控制信號。為了實現線性控制以及消除靜差，vrd和vrq由轉子電流控制器給出，即

式中：y1ref、y2ref為轉子電流d軸與q軸參考值；e1=y1-y1ref、e2=y2-y2ref分別為轉子d、q軸電流分量與轉子電流d、q軸參考值之差；krd_p、krd_i為轉子d軸電流PI控制器參數；krq_p、krq_i為轉子q軸電流PI控制器參數。最終RSC參考電壓為風機轉子實際電壓urd、urq與控制器輸出值u1、u2之差，即

依據式（5）～式（7），改進后的自啟動PI控制器框圖如圖1所示。控制器的轉子電流參考值將在第3部分給出。

圖1 FBLC框圖Fig.1 Block diagram of FBLC

3 風電機組自啟動控制策略

在DFIG實現自啟動之前，由于風機無法從網側獲取電壓，DFIG的直流電容必須配備儲能系統為其充電，如圖2所示。自啟動控制策略將自啟動過程分為自激啟動、帶載運行、頻率調整3個階段，各階段對RSC和網側變流器GSC（grid-side converter）采用不同的控制策略。

圖2 DFIG自啟動結構Fig.2 Self-start structure of DFIG

3.1 DFIG自激啟動控制策略

DFIG的功率輸出主要依賴于轉子側變流器。在風機啟動初期，自啟動控制策略將GSC的并網開關brk_grid斷開，將儲能系統的開關brk_bat閉合，使儲能系統為直流電平充電，控制策略檢測直流電容電壓，若直流電壓達到電容電壓額定值，即Udc≥Udc_nom，啟動DFIG。

在GSC斷開的條件下，DFIG成為他勵異步發電機。傳統異步發電機需要在機端并入電容實現機組的自啟動[16]，因此在DFIG機端并入電容器組，使得DFIG能夠通過自激建立磁場，其轉子側電壓控制策略為

式中：P*、U*為風電機組有功功率、電壓參考值；Ps為風電機組輸出有功功率；krp_p、krp_i為轉子功率PI控制器參數；krv_p、krv_i為轉子電壓PI控制器參數；為轉子電流控制器參考值。由于自激啟動過程中只并入電容器組，并不消耗有功，可令DFIG的RSC自啟動控制框圖如圖3所示。

圖3 DFIG的RSC自啟動控制框圖Fig.3 Block diagram of theself-start control of RSC in DFIG

3.2 DFIG帶載運行控制策略

在DFIG自激啟動后，自啟動控制策略檢測機端電壓，若滿足Us≥Us_nom條件，即閉合GSC并網開關brk_grid，同時解鎖GSC的SVPWM控制信號，GSC開始工作，保證直流側電容電壓穩定以及為網側電壓提供無功支撐。檢測直流電容電壓偏差值為直流電容電壓最大偏差值，則認定直流電壓恒定，并斷開開關brk_bat，儲能系統退出工作。GSC控制策略為

式中：Udc_nom為風電機組直流電容電壓參考值；Udc為風電機組直流電容電壓；ksdc_p、ksdc_i為定子直流電容電壓PI控制器參數，ksv_p、ksv_i為定子電壓PI控制器參數；為定子電流控制器參考值。

GSC自啟動控制框圖如圖4所示。

圖4 DFIG的GSC自啟動控制框圖Fig.4 Block diagram of the self-start control of GSC in DFIG

對于孤島運行的DFIG而言，系統有功的輸出應與系統的負荷相匹配，將開關brk_load閉合，接入負荷，系統實現帶載運行。

3.3 DFIG頻率調整控制策略

為了保證輸出電壓頻率穩定，如圖3所示，頻率控制器由轉速控制器和附加頻率控制器組成，頻率控制器控制框圖如圖5所示。其中轉速控制器將轉子轉速ωr輸入至ωr-P曲線中產生有功功率參考值曲線功能由機組的功率轉速特性決定。風電機組通過控制有功功率輸出來控制頻率，附加頻率控制器的控制策略為

式中：fs、fref分別為風電機組輸出電壓頻率以及頻率參考值；kfp1、kfp2、kfi1、kfi2為附加頻率控制器的比例系數以及積分系數；為附加頻率控制器的參考值。

圖5 頻率控制器控制框圖Fig.5 Block diagram of the frequency controller

3.4 DFIG總體自啟動控制策略

在頻率調整階段，自啟動控制策略檢測到風電機組電壓、直流電平電壓、頻率以及功率輸出均滿足電能質量要求以后，DFIG由頻率調整狀態轉為穩態運行狀態。RSC采用PQ控制策略，將此時負荷側所需功率作為RSC參考值，即GSC采用直流電壓控制策略，其無功輸出系統由頻率調整狀態轉為穩定運行狀態。

由于DFIG處于孤島運行狀態，系統抗干擾能力差，自啟動控制策略將持續檢測系統的電壓以及頻率穩定，以便在以上3種控制策略中作切換，3種控制策略的相互切換關系見圖6。

圖6 DFIG自啟動控制策略切換關系Fig.6 Switching relationship between self-start control strategies for DFIG

DFIG在不同的運行狀態中采取不同的GSC、RSC控制策略和開關策略，因此需要建立自啟動控制策略規則，如表1所示。

表1 自啟動控制策略規則Tab.1 Rules in self-start control strategies

4 仿真分析

4.1 仿真參數

本文在MATLAB/Simulink中搭建了如圖2所示的DFIG自啟動模型。其中，風電機組的額定電壓為575 V，額定容量為1.5 MV·A，額定頻率為50 Hz。孤島運行負載的額定功率為1 MW，機端提供無功支撐的電容額定無功功率為0.5 Mvar。DFIG轉子電阻為Rr=0.016 p.u.，轉子電抗Lr=0.16 p.u.；定子電阻為Rs=0.023 p.u.，定子電抗為Ls=0.18 p.u.；勵磁電抗為Lm=2.9 p.u.；慣性系數為H=0.095 26；網側變流器進線電阻為Rg=0.003 p.u.，進線電抗為Lg=0.000 91 p.u.。在自啟動過程中，認為風速恒定且風速為v=12 m/s，設置仿真時間為4 s。

4.2 仿真算例分析

如圖7所示，自啟動控制策略發出自啟動指令以后，儲能系統投入運行，在較短的時間內將直流電容電平充電至額定電壓1 150 V。隨后控制策略將GSC控制信號閉鎖，斷開GSC并網開關brk_grid以及負荷側開關brk_load。DFIG進入自激啟動過程，從圖7中可以看出，自激啟動時，風電機組與機端電容相互配合，電壓小幅振蕩，隨后幅值呈現指數型增長。在自激啟動的過程中，RSC一直采用電壓控制策略，，風電機組只提供無功支撐，不提供有功功率。

DFIG通過自激啟動建立電壓，在自啟動控制策略檢測到電壓達到系統額定電壓以后，網側變流器啟動，閉合GSC并網開關brk_grid和負荷側開關brk_load，DFIG由自激啟動狀態切換至帶載運行狀態。

圖7 DFIG自激啟動與帶載運行Fig.7 Self excitation and load operation of DFIG

DFIG進入帶載運行狀態后，轉子變流器采用PV控制模式，即有功功率采用轉速控制器控制，無功功率采用電壓控制器控制。GSC有功輸出采用直流電平電壓控制，無功輸出采用電壓控制，進一步為電網提供電壓支撐。在接入負荷后有功輸出在1 MW周邊有小幅振蕩，在FBLC控制器的控制下振蕩漸漸衰減，直至到達穩定狀態。

如圖8所示，DFIG實現帶載運行之后，自啟動控制策略檢測直流側保持穩定，于2 s時斷開儲能系統開關brk_bat，儲能系統退出工作。同時為了保證自啟動中直流電平的穩定，GSC不再增發無功，即直流電容電平在儲能系統退出之后出現小幅振蕩，隨后在GSC控制器的的作用下回歸穩定狀態。在自啟動控制策略檢測到定子電壓穩定以及直流電平電壓穩定之后，DFIG由帶載運行階段轉為頻率調整階段。

圖8 DFIG頻率調整與穩態運行Fig.8 Frequency adjustment and steady-state operation of DFIG

在頻率調整階段，RSC有功控制在轉速控制器的基礎上增加附加頻率控制器，從仿真結果中可以看出，附加頻率控制器使得風電機組有功輸出更加穩定，系統頻率也同時趨于額定頻率。自啟動控制器檢測到風電機組電壓、直流電平電壓、頻率以及功率輸出均滿足電能質量要求以后，DFIG由頻率調整狀態轉為穩態運行狀態。RSC采用PQ控制策略，GSC采用直流電壓控制策略，系統處于穩定運行狀態，DFIG自啟動控制結束。

5 結 語

本文以孤島運行下的DFIG為研究對象，結合其自啟動過程的機電暫態特性，引入了考慮定子磁鏈變化的DFIG模型，并在此基礎上設計了基于反饋線性控制器的風電機組自啟動控制器。為了保證DFIG快速啟動以及電壓頻率的穩定控制，本文提出了一種DFIG自啟動控制策略，其自啟動控制過程分為自激啟動、帶載運行、頻率調整3個階段，各階段對變流器采用不同的控制策略和開關規則。在MATLAB/Simulink中搭建DFIG自啟動仿真模型，仿真結果表明：通過對于風機自啟動采用分段控制，在各個階段的變流器控制策略均能夠快速有效地實現目標，實現了風電機組快速穩定地自啟動與孤島運行，同時有效地保證了電壓、頻率以及功率的穩定。

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Self-start and Operation Control Strategies for Doubly-fed Induction Generator

FENG Shirui1，JIANG Ping1，FAN Lixin2，GU Wen2
（1.School of Electrical Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China；2.Jiangsu Frontier Electric Technologies Co.，Ltd，Nanjing 211102，China）

With the development of distributed wind power generation，the self-start and islanding operation of wind turbines become the key points in distributed generations．In light of the electromechanical transient characteristics of the self-start process，a doubly-fed induction generator（DFIG）model is set up with the consideration of the variation of stator flux.On this basis，a self-start controller based on feedback linear control and a self-start control strategy are designed：the self-start control process is divided into three stages，i.e.，self-excitation，load operation and frequency adjustment；different control strategies and switching rules of the converters are adopted at each stage，which can ensure the rapid start-up of DFIG and the stable control of voltage and frequency．A simulation model built in MATLAB/Simulink verifies the effectiveness of the proposed method．

self-start；feedback linearization control（FBLC）；voltage control；frequency adjustment

TM761；TM614

A

1003-8930（2017）10-0079-06

10.3969/j.issn.1003-8930.2017.10.014

2016-05-12；

2017-07-24

馮士睿（1992—），男，碩士研究生，研究方向為電力系統運行控制。Email：fsr199264@126.com

蔣 平（1954—），男，博士，教授，研究方向為電力系統運行控制和電力電子在電力系統中的應用。Email：jping@seu.edu.cn

范立新（1966—），男，碩士，高級工程師，研究方向為繼電保護和新能源研究。Email：ept_flx@163.com