雙饋風力發電機并網運行控制及仿真

張冬冬 韓順杰 于佳文 付香雪

摘 要：結合雙饋異步風力發電機的運行特點，將矢量控制技術應用到雙饋異步風力發電機并網控制中。構建了風力發電機空載并網與最大追蹤控制策略，設計了基于LabVIEW、PXI8840及Compact RIO9035的硬件在環仿真系統。通過PXI能夠觀測到并網前、后定、轉子電流、電壓、功率等變化情況，為新型風力發電并網控制策略的研究提供了一個公共平臺。

關鍵詞：雙饋；矢量控制；最大風能追蹤；LabVIEW；PXI

中圖分類號：TM315 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）16-0010-03

Abstract： According to the operational characteristics of doubly-fed asynchronous wind turbine， vector control technology is applied to grid-connected control of doubly-fed asynchronous wind turbine. The no-load grid-connected and maximum tracking control strategy of wind turbine is constructed， and the hardware in loop simulation system based on LabVIEW， PXI8840 and Compact RIO9035 is designed. The changes of current， voltage， power and so on before and after the grid connection can be observed by PXI， which provides a common platform for the research on the grid-connected control strategy of new wind power.

Keywords： doubly-fed； vector control； maximum wind energy tracking； LabVIEW； PXI

1 概述

風能作為一種可再生能源，具有高效，清潔等特點。風力發電技術在世界范圍內也得到迅速發展[1，2]。

雙饋異步風力發電機（Doubly-Fed Induction Generator，DFIG）機組，通過控制發電機勵磁，實現在發電機轉速可調情況下的并網運行。采用矢量控制技術調節勵磁，可以有效的調節發電機輸出功率，在實現最大風能利用效率的同時，還可以調節電網的功率因數，提高電網的穩定性等[3-6]。

本文分析了DFIG機組運行特性，將定子磁鏈定向的矢量控制技術運用到機組控制策略中，制定控制策略。建立了基于LabVIEW的仿真系統，驗證采用矢量控制技術對DFIG并網控制和最大風能追蹤控制的精準性。

2 發電機的運行控制

2.1 發電機空載數學模型

為了準確調節DFIG并網前、后的端電壓，本文采用磁場定向的矢量控制。為此，首先建立發電機內磁場定向旋轉d-q坐標系的數學模型。

設s、r分別代表定、轉子；Rs、Rr為定、轉子繞組電阻；Lm、Ls、Lr為d、q坐標軸下互感及定、轉子等效自感；uds、uqs、udr、uqr分別為定、轉子電壓在d、q軸的分量；ids、iqs、idr、iqr分別為定、轉子電流在d、q軸的分量；？鬃ds、？鬃qs、？鬃dr、？鬃qr分別為定、轉子磁鏈在d、q軸的分量；np為極對數。發電機正常運行下，d-q坐標系中DFIG的電壓方程為：

定子電壓方程

轉子電壓方程

定子磁鏈方程

轉子磁鏈方程

電磁轉矩方程

由定子磁場定向得：

將式（6）及式（7）代入式（1），得

發電機空載時定子各分量電流為零，即ids=iqs=0，由式（3）得

將式（8）代入式（9）得

在工頻條件，Rs可忽略不計，發電機定子電壓矢量？鬃1比u1超前90°，則上式可整理得

（11）

綜上分析，得出DFIG空載控制策略，如圖1所示。

并網控制要依據電網，為此采用三相鎖相環3PLL。三相鎖相的是q軸相位，所以加為電壓的相位，又因為采用的是定子磁鏈定向控制，定子磁鏈相位超前電壓90°，由此得？鬃1的相角？茲s。

2.2 并網控制策略

依然采用定子磁鏈定向，？鬃ds=？鬃1，uqs=-u1得

其中deltaUd、deltaUq為補償量。對于每相繞組的磁通是互感磁通和漏感磁通的疊加，因此，轉子自感為Lr=Llr+Lm，定子自感為Ls=Lls+Lm、Llr、Lls為漏感。其中？棕為風輪角速度、p為風輪吸收功率、r為風輪半徑、？籽為空氣密度、cp為風能利用系數、im為定子的等效勵磁電流矢量、？啄為電機的漏磁系數。由于本文采用標幺值計算，系統參數確定后都是常數，所以推出，功率和風速的三次方成正比。

由以上公式可設計出交流勵磁雙饋風力發電系統的并網控制策略，如圖2所示。

3 雙饋風力機運行控制的建模與仿真

3.1 仿真模型的建立

基于LabVIEW的風力發電機的并網系統結構圖如圖3。

3.2 DFIG并網前、后控制控制策略仿真

仿真參數為：雙饋異步發電機極對數為3，風機容量1.5MW，額定電壓575V為基準電壓，定子電阻0.00635？贅，轉子電阻0.00453？贅，定子漏感0.1285mH，轉子漏感0.1173mH，互感2.18mH，cp=0.41。

在變流器控制中先使能網側逆變器，可以觀測到網側逆變器開始有電流，當直流電壓穩定后，使能轉子側逆變器，轉子側電流產生勵磁電壓，通過控制算法來控制轉子電流，從而控制DFIG的定子電壓使雙饋電機達到并網條件。

點擊并網，則雙饋電機定子側與電網連接，可以觀測到定子側電流慢慢趨于穩定，并網后電流如圖4。

并網后，控制策略切換至最大風能追蹤控制，可觀測到當風速不同時，通過調節轉子側電流來達到變速恒頻的效果；隨著風速的變化，定子側電流改變，有功功率也隨之改變。設計中10m/s對應同步轉速，此時轉子電流基本是直流，當電機轉速低于同步轉速時，轉子側從電網吸收功率情況，當電機轉速大于同步轉速時，轉子側功率反向，改為向電網發出功率，如圖5。

4 結束語

本文基于LabVIEW平臺進行設計，在實時仿真平臺PXI上進行仿真，驗證了所給出的并網方式的合理性，為新型風電系統并網控制設計提供了一種可行的方案。

參考文獻：

[1]周建強，孫為民，李玉娜.可再生能源利用技術[M].北京：中國電力出版社，2015：58-81.

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