并网型双馈风力发电机组的动态模型仿真研究

凌志刚 李含善 高绢绢

（内蒙古工业大学电力学院，呼和浩特 010080）

1 引言

近年来，随着风电机组单机容量的不断扩大，对并网型风电机组的运行要求也日益严格。在DFIG风力发电机组中，双馈风力发电机组的定子直接与电网连接，并通过励磁变频器控制转子电流的频率、相位、幅值来间接调节定子侧的输出功率。变速恒频双馈异步发电机的优点有：①调速范围宽，即超同步运行和亚同步运行；②有功和无功功率可独立调节；③励磁变频器容量较小等。随着DFIG风电机组在电力系统中所占容量的增大，发电机与局部电网之间影响越来越大，必须将风力发电机与电网看做一个整体，要求风电机组在电网电压跌落时不能脱离电网即要求DFIG风电机组具备低电压穿越能力。双馈电机的定子直接接入电网，转子AC-DC-AC双PWM双向变流器与电网连接。为了了解双馈电机在风速变化和故障情况下的暂态特性，本文以PSCAD为平台建立了DFIG的动态模型，转子侧和网侧变流器模型以及控制策略。最后通过仿真验证模型的有效性[1-4]。

2 双馈电机的数学模型

根据双馈电动机的特点，选择两相旋转坐标系dq代替三相静止ABC坐标系上的真实变量，通过坐标变换得到同步旋转坐标系下的双馈电机数学模型。

将磁链式代入电压方程式，得到dq坐标系下的电压—电流方程

式中，R1和R2为定、转子绕组电阻；Ls、Lr、Lm为分别为定转子间的自感、漏感、互感；ud1、uq1、ud2、uq2为定转子电压d、q轴分量；ψd1、ψq1、ψd2、ψq2为定转子磁链d、q轴分量；ω11为定子旋转磁场速度；ω12为转差角速度；p为微分算子；LL为发电机输入转矩；Te为发电机电磁转矩；J为发电机转动惯量；np为极对数。根据发电机惯例，电磁转矩的方向与旋转方向相反，得出双馈电机同步旋转参考坐标系下的动态等效电路图，如图1所示。双馈电机动态模型对双馈电机风电发电系统的仿真有很重要的作用。

图1 双馈电机的d-q轴动态等效电路

3 网侧变换器控制模型

网侧变换器的直流电压由电压外环控制，电压控制器的输出作为电流内环给定。电流控制器使交流侧电流快速跟踪给定电流，同时由于对电流指令的限幅，能够对变流器进行过流保护。电流控制器的输出再与各自的解耦项和电网电压扰动前馈补偿项运算后得到变换器交流侧参考电压，再进行坐标变换，利用该信号进行脉宽调制，产生驱动信号实现对网侧变换器的控制。根据双馈感应风力发电系统的要求，网侧变换器的控制目的是：保持输出直流母线电压恒定具有良好动态响应能力的同时，确保交流侧输入电流正弦，功率因数为 1。直流母线电压的稳定与否取决于交流侧与直流侧的有功功率是否平衡，如果有效地控制交流侧输入有功功率，则能保持直流母线电压稳定。而输入电流波形正弦与否主要与电流控制的有效性和调制方式有[5-10]。其控制如图2所示。

图2 网侧变换器控制框图

4 转子侧变换器控制模型

转子侧PWM变流器矢量控制如图3所示。感应发电机被控制在同步旋转dq坐标系下，将同步旋转d轴定向在定子磁链的方向上，以确保定子侧向电网的有功和无功功率的解耦控制。为发电机提供了比较广泛的速度运行范围，实现风能最大捕获的最优速度追踪。定子侧流向电网的有功功率和无功功率

整个控制系统采用双闭环结构，外环为功率控制环，内环为电流控制环。在功率环中P按照风力机的最大风能捕获功率计算给出，Q根据双馈感应发电机不同的无功功率控制策略计算给出：当要求双馈电机按恒功率因数控制时，控制机组的无功功率，使机组按规定的功率因数运行；当要求剧组恒电压控制时，则根据系统的无功功率要求，调节机组的无功功率，可使机端电压在设定值。在计算出Ps和Qs后，分别与功率反馈值P、Q进行比较，差值送入带积分和输出限幅的PI型控制器，输出转子电流的有功分量和无功分量的参考指令值idr和iqr，idr和iqr与转子电流反馈量id2和iq2比较后的差值送入带积分和输出限幅值的PI型控制器，调节后输出转子电压分量与r，在加上电压补偿量，即可得到转子电压指令和，经坐标变换后得到三相静止坐标系下的控制指令ua、ub和uc，经SVPWM调制后控制变流器的开关状态，使变流器输出的电压为输出电压的期望值。

图3 转子侧变换器矢量控制结构图

5 并网风力发电机组仿真分析

本文基于双馈感应风力发电机模型，采用定子磁链定向的矢量控制策略进行仿真，仿真参数表1所示。

表1

根据运用，在PSCAD上建立的模型分别对风速变化和电压跌落进行仿真分析。

5.1 风速变化时的仿真分析

初始风速为10m/s，当t=3s时风速变为13m/s，在这种情况下得到仿真结果如图4所示。

图4 速变化仿真结

由图 5可知，风速低于额定风速时，桨距角β= 0，风速超过额定风速时，桨距角发生变化，调节系统起动，使 DFIG输出功率稳定在额定功率附近，风电机组输出的无功功率基本保持不变，有功功率跟随风速的变化进行调节，有功的调节使风机可以实现最大风能追踪，在整个过程中转子电流的频率发生变化，而定子电流的频率保持不变，实现DFIG的变速恒频，P、Q得到解耦。

5.2 电网电压跌落的仿真分析

在电网电压发生跌落之前，双馈感应风力发电机组以恒功率因数运行。机组工作在额定运行状态，此时风速为10m/s，系统在t=3s时发生三相短路故障，导致电网电压跌落50%，故障持续时间为0.2s，t=3.2s时电网电压恢复，则双馈风电机组运行特性曲线如图5所示。

从图5可知，当电网电压发生跌落和电网电压恢复时，发电机的定子和转子绕组产生较大的电流，同时直流母线电压也发生波动，对于双馈感应电机的定子绕组，只要故障期间短路电流不超过双馈感应发电机定子绕组所允许的极限值，故障期间的过电流是允许的，而双馈感应电机的转子侧与变流器相连。受变流器中电力电子器件的耐压和过流能力的限制，转子侧变换器将很难承受双馈感应发电机这一严重的电磁暂态过程。为了保护转子侧变换器和直流耦合电容，需要对其采取相应的保护措施。

图5 电网电压跌落50%时的仿真结果

6 结论

本文建立了双馈感应发电机的动态模型、变换器模型。变换器控制采用定子磁链定向矢量控制，本文分别对风速变化和电网电压跌落情况下，并网运行的风力发电机组进行仿真，从所得到的仿真结果可以看出，风速变化可以对有功功率进行调节，从而实现最大风能追踪以及双馈电机的变速恒频和有功功率和无功功率的解耦控制。从电网电压跌落仿真表明制约双馈感应风力发电机组低电压穿越能力的两个因素是转子侧变换器输出电流的上限和直流母线电压的上、下限，还可以看出双馈感应发电机使用矢量控制策略能够提高变速风力发电机组的低电压穿越能力。当电网电压发生跌落时，双馈感应发电机能够实现不脱网运行，持续并网，为风电机组的故障穿越提供了一些理论依据。

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