基于PSCAD的雙饋風電機研究

摘要：隨著國家工業(yè)經(jīng)濟的迅速發(fā)展，對電能的需求越來越高，在環(huán)境形勢日益嚴峻的背景下，可再生環(huán)保能源的開發(fā)越來越重要，在此契機下，風電能得到了迅猛發(fā)展。雙饋風電機是目前風電場的主要機型，現(xiàn)對雙饋風力發(fā)電機進行研究，建立了以定子磁鏈為參考坐標的旋轉(zhuǎn)矢量方程，利用PSCAD進行建模仿真驗證，能夠?qū)崿F(xiàn)最大風能捕獲以及定子側(cè)的功率解耦，為后續(xù)的風電并網(wǎng)研究打下了堅實的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：雙饋風電機;風能捕獲;解耦

0? ? 引言

隨著經(jīng)濟及工業(yè)迅猛發(fā)展，電能的應用越來越廣泛，已成為人類生活和發(fā)展不可或缺的一部分。電能的容量及供給是衡量一個國家工業(yè)發(fā)展和人民生活水平的重要指標之一[1]。在今天我們所使用的電能中，火電、水電和核電占據(jù)了主要部分。由于制造、控制技術(shù)的發(fā)展應用比較成熟，這類發(fā)電廠生產(chǎn)的電能能夠穩(wěn)定地供給運行，并變送供給公共電網(wǎng)進行輸電配送。

近些年來，可持續(xù)發(fā)展成為人們對生活提出的更高要求，環(huán)境保護和可再生能源是重中之重，以風力發(fā)電為代表的可再生能源發(fā)展迅速，應用前景大好[2]。從風能資源的形成來看，其具有典型的可再生性和無污染性，而且風能資源總量大，在全世界廣泛分布，是實現(xiàn)清潔能源戰(zhàn)略的重要路徑。

在我國，火力發(fā)電是電能的主要構(gòu)成部分，但火電廠的大量排放是造成溫室效應的主要原因之一，在國家政策的大力扶植下，我國風電場建設的結(jié)構(gòu)已趨于完整[3]。但風能資源具有隨機性和波動性，發(fā)出的電能不穩(wěn)定，這就造成大部分風電場不能并網(wǎng)運行。目前，雙饋風電機是風電場的主要機型，故研究雙饋風電機對研究風電并網(wǎng)，解決并網(wǎng)電壓不穩(wěn)定問題具有較高的應用價值。

1? ? 雙饋風電機

1.1? ? 雙饋風電機結(jié)構(gòu)

雙饋風電機（DFIG）是風電場的主要機型，風機通過連接機構(gòu)帶動雙饋風電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)子繞組通過變換器組與電網(wǎng)連接，通過調(diào)節(jié)控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速實現(xiàn)最大風能捕獲。定子繞組與電網(wǎng)連接，發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)速的變化調(diào)節(jié)勵磁電流的頻率，實現(xiàn)電機的變速恒頻運行，同時可以通過改變勵磁電流的幅值和相位來實現(xiàn)發(fā)電機輸出有功和無功功率的獨立控制[4]。雙饋風電機結(jié)構(gòu)如圖1所示。

當風速較高，雙饋電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大于同步轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場方向與轉(zhuǎn)速方向相反，電機在超同步狀態(tài)運行，電能通過變換器從轉(zhuǎn)子側(cè)反饋到電網(wǎng);當風速較低，雙饋電機轉(zhuǎn)速小于同步轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場方向與轉(zhuǎn)速方向相同，發(fā)電機運行在次同步轉(zhuǎn)速狀態(tài)，轉(zhuǎn)子將通過變流器從電網(wǎng)吸收功率[5]。

1.2? ? 變換器

變換器主要包括轉(zhuǎn)子側(cè)變換器和網(wǎng)側(cè)變換器，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

變換器給電機提供轉(zhuǎn)差功率，調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。

2? ? 風電機的建模

雙饋風電機的運行是通過控制變換器來實現(xiàn)的，以定子磁鏈為坐標，建立雙饋電機模型方程，來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的控制，使轉(zhuǎn)子跟隨風速變化，實現(xiàn)風能的最大捕獲應用，同時使定子側(cè)電流頻率恒定，實現(xiàn)變速恒頻運行。

2.1? ? 風電機模型

2.2? ? 變換器控制

轉(zhuǎn)子側(cè)變換器根據(jù)風機功率調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)最大風能捕獲。采用外環(huán)功率控制、內(nèi)環(huán)電流控制策略[6]，控制框圖如圖3所示。

網(wǎng)側(cè)變換器的功能是在轉(zhuǎn)子的任何狀態(tài)下維持直流側(cè)電壓恒定，通過電流的調(diào)節(jié)實現(xiàn)與電網(wǎng)無功功率轉(zhuǎn)換。控制框圖如圖4所示。

3? ? 仿真分析

依據(jù)以上模型及控制框圖，利用PSCAD/EMTDC平臺建立仿真模型進行仿真。其中，風機模型利用系統(tǒng)自有模型，系統(tǒng)參數(shù)設置[7]：頻率50 Hz，額定功率3.6 MW，額定電壓13.8 kV，額定角頻率314.16 rad/s，Rr=0.001 5 p.u.，Lm=0.15 p.u.。仿真結(jié)果如圖5所示。

圖（a）中，風速在1 s時由10 m/s階躍到15 m/s，在1 s以前風電機處于平穩(wěn)運行狀態(tài)，當風速階躍到高于額定風速的15 m/s時，由圖（b）可知風機機械轉(zhuǎn)矩立即增加且大于電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速增加。風電機控制器處于恒功率控制模式，輸出總有功功率（為定子有功和轉(zhuǎn)子有功功率之和）增加并保持在1 p.u.，雙饋發(fā)電機運行在超同步模式，轉(zhuǎn)子向電網(wǎng)饋入功率，如圖（c）所示。圖（d）中，在轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器的控制下，定子與電網(wǎng)交換的無功嚴格控制為零，在風速波動時仍保持不變;轉(zhuǎn)子電流q軸分量和d軸分量跟隨定子有功和無功功率的變化而變化。

4? ? 結(jié)語

在風速波動狀態(tài)下，利用所建模型對雙饋風電機進行仿真，結(jié)果驗證實現(xiàn)了最大風能的捕獲以及電機有功和無功功率的解耦控制，說明所建風電機模型正確有效，可為以后的風電研究奠定基礎(chǔ)。

[參考文獻]

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收稿日期：2019-12-09

作者簡介：耿秀明（1982—），女，內(nèi)蒙古赤峰人，副教授，工程師，從事電氣控制、機械控制及教學研究工作。