双馈风电机组的功率控制技术研究

2013-08-15 07:46鲁志平王东

电气技术 2013年7期

鲁志平王东

（保定天威风电科技有限公司，河北保定 071051）

近年来，我国风电产业发展迅速，引人瞩目。2010年，我国风电新增装机容量1890万kW，居世界第一位。截至2010年底，我国已建成风电场800多个，风电总装机容量（除台湾省外）4473.33万kW，超过美国，居世界第一位。截至 2011年底，我国风电总装机容量达到6256.42万kW[1]。首个海上项目上海东海大桥风电场安装34台国产3.0MW风电机组，也于2010年6月实现并网发电。“十二五”期间，我国还将规划建设6个陆上和两个海上及沿海风电基地。

但是，由于风力发电的输出功率具有波动性和间歇性，大规模风电并网容易引起系统的频率、电压的波动，严重影响系统的安全运行。在国家电网公司的推动下，我国对风电场接入系统的条件进行了研究，在《GB/Z 19963—2005风电场接入电力系统的技术规定》的基础上，于2011年12月颁布了新的国家标准：《GB/Z 19963—2011风电场接入电力系统的技术规定》，2012年6月开始实施，对风力发电机组的有功和无功功率控制能力要求更加严格。因此，对风力发电机组的有功和无功功率控制方法进行研究，对风力发电的快速发展具有重要意义[2]。

本文首先建立了变速恒频双馈风力发电机组的数学模型，进一步对双馈风力发电机组的有功和无功调控能力进行了分析。在此基础之上，本文对实现风力发电机组实现有功功率和无功功率控制的方法进行了研究，并利用PSCAD/EMTDC仿真平台验证了该方法的可行性。

1 双馈风力发电机组动态数学模型

双馈风力发电机组（DFIG）以其风能利用率高、变频器额定容量小等优势成为目前国内外风电市场上的主流机型，主要由风力机、传动系统、双馈异步发电机、双 PWM变频器、机舱和塔架等构成。风力机从风中捕获能量，将之转化成机械能，通过传动系统将机械能传递给发电机，发电机将机械能转变成电能输送至电网。发电机的定子直接与电网相连，转子通过双 PWM变频器与电网相连。靠近发电机转子的变频器称为转子侧变频器，与电网相连的变频器称为网侧变频器[3]。双馈风力发电机组的结构图如图1所示。

图1 双馈风力发电机组的结构示意图

1.1 风力机数学模型

根据动量理论，风力机的空气动力学模型[4]可表示为

式中，Pm为风力机输出的机械功率；ρ为空气密度；A为风轮的扫掠面积；V为风速；ωm为风力机的转速；λ为叶尖速比；β为叶片的桨距角；Cp为叶片的风能利用系数，Cp是λ与β的函数。

1.2 双馈风力发电机组动态数学模型

双馈电机动态数学模型的定子侧以发电机惯例为正方向，转子侧以电动机惯例为正方向，于是得

电压方程：

磁链方程：

式中，下标s、r分别代表定子和转子；rs、rr分别为定子和转子电阻；Ls、Lr分别为定子和转子电感；Lm为定子和转子互感；ωn为同步转速；ωs=ωn-ωm。

发电机转子运动方程为

式中，J为发电机转子转动惯量；Tm为风力机对发电机的机械转矩；Te为电磁转矩；ω为发电机转速；p为发电机极对数。

1.3 双馈风力发电机组控制系统数学模型

1）变频器控制系统数学模型

双 PWM变频器是由两个背靠背的三相电压源型整流/逆变器构成，连接于发电机定子和转子之间，如图2所示。在本文所建立的单机全仿真模型中，电网侧变频器采用定子电压定向控制技术，转子侧变频器采用定子磁链定向控制技术。通过对双PWM变频器采用矢量控制技术，可使能量在发电机定子和转子之间双向流动。风速变化时，调节发电机的转速能使风力发电机追踪最大风能，维持系统频率恒定，并实现有功功率和无功功率的解耦控制。

图2 双PWM变频器主电路结构图

图2中，ua、ub、uc是电网三相交流电压，rg、Xg分别为变频器电网侧的等效输入电阻和等效电感，ia、ib、ic分别为电网侧变频器三相输入电流，idcg是电网侧输入的总电流，C为变频器直流环节的储能电容，udc、idc分别为直流环节电容电压和电流，r2、X2是转子侧变频器与双馈发电机转子之间的等效电阻和等效电感，ea2、eb2、ec2是双馈发电机转子侧的感应电压。

电网侧变频器采用电压定向控制技术，控制模型为

式中，ugd、ugq为电网电压的d-q轴分量；ugsd、ugsq、igd、igq分别为电网侧变频器的电压、电流的 d-q轴分量。

转子侧变频器采用定子磁链定向控制技术，控制模型为

电网侧变频器采用SPWM脉冲触发技术控制可关断器件，使直流环节电容电压保持不变；转子侧变频器采用电流滞环控制技术产生触发脉冲控制可关断器件，实现有功功率和无功功率解耦控制。

2）变桨距控制系统数学模型

变桨距控制系统能通过控制桨距角的大小调节双馈风力发电机组的功率输出。当风速超过额定风速时，桨距角动作，使发电机输出功率维持在最大功率以内，以免造成电气、机械等设备损坏。同时，变桨距系统也可参与系统的有功调控，满足电网对风电场功率输出要求。

变桨距控制系统的数学模型为

式中，β为桨距角动作值；βref为桨距角动作参考值；τ为桨距角控制器伺服机构的时间常数。

变桨距控制系统的控制框图如图3所示。

图3 桨距角控制框图

2 双馈风电机组的功率控制

2.1 有功功率控制

一般情况下，当风速低于额定风速时，风力发电机组的桨距角保持为零，通过调整机组的转速，使风力发电机组保持最佳叶尖速比，进行最大风能追踪；当风速高于额定风速时，风力发电机组的转速保持不变，通过调整风力机的桨距角，使风力发电机组的输出恒定的额定功率。在特殊情况下，风力发电机组需要根据调度的要求，对风力发电机组的有功功率输出进行主动控制。必要时，还可将风力发电机组从系统中切除，以满足系统的有功功率平衡[5-6]。

由式（1）可得，当风速V不变时，风力机输出的机械功率为风能利用系数Cp的函数。对于变桨距风力发电机组，Cp的可近似表示为

风能利用系数Cp与叶尖速比λ和桨距角β之间的关系曲线如图4所示。

图4 风能利用系数曲线图

因此，风力发电机组的有功功率可通过两种方式进行控制：调整风力机的叶尖速比；调整风力机的桨距角。

调整风力机的叶尖速比，即是通过控制双馈电机转子绕组的励磁电流，增加发电机的励磁转矩，使机组的转速减小，从而达到调整风力机输出功率的目的。但是，随着发电机电磁转矩的增大，流过变频器的电流也相应增大，而变频器的容量较小，较大的电流会对器件的寿命产生影响。因此，利用此方式控制风电机组有功功率输出的能力非常有限，并且容易损坏机组，故实际中该方式较少采用。

调整风力机的桨距角，即是通过改变叶片的桨距角，控制叶片的气动受力，从而调整风力机从风中吸收的能量，达到调整风力机输出功率的目的。变桨系统能使叶片的桨距角在0～90°范围内大范围变动，调整幅度较大，能够有效调整风力机的输出功率。因此，本文选用通过调整风力机桨距角的方式，对风力发电机组的有功功率输出进行控制。

2.2 无功功率控制

双馈风力发电机组能够通过采用矢量定向控制技术，实现对组有功功率和无功功率的解耦控制。转子侧和网侧变频器一般分别采用基于定子磁链定向和基于电网电压定向的矢量控制技术。通常情况下，为了最大限度的利用风电机组的容量，使机组输出功率的功率因数保持为1，即风电机组与电网没有无功交换。但是，根据有关风电场接入电网的技术规定，要求在特殊情况下，风力发电机组能够发出无功功率，调节风电场的并网点电压。

根据分析，双馈风电机组定子侧无功功率的调节范围为

式中，Qsmax、Qsmin分别为发电机定子侧无功功率输出的最大值和最小值；Ps为发电机定子侧的有功功率输出；Us为电网电压的幅值；Irmax为转子侧变频器最大允许电流值；Xm为发电机的激磁电抗；Xs为发电机定子绕组电抗。

双馈风电机组转子侧无功功率的调节范围为

式中，Qcmax、Qcmin为网侧变频器无功功率极限；Pcmax为网侧变频器设计的最大功率；s为发电机的转差率。

因此，双馈风电机组的无功功率调节范围为[7]

在特殊情况下，通过调整风力发电机组输出功率的功率因数，即可在一定范围内实现对风电机组无功功率的控制。

3 仿真算例

仿真一：风机运行在13m/s风速下，假设风速保持不变，3s时，风电机组执行调度指令，有功输出降为1.2MW，功率因数恒为1，未投入无功补偿装置，通过桨距角进行调控，仿真结果如图5－图8所示。

图5 风电机组有功功率输出

图6 风电机组无功功率输出

图7 风电机组出口电压

图8 电网频率

当风机执行调度指令，将输出功率降为1.2MW，无功功率输出仍保持在0附近波动，线路上输送总功率减小，电压降减小，无穷大电源电压不变，所以机端出口电压下降；桨距角增大，功能利用系数减小，吸收的功率减小，而风电机组转速不变，所以为达到新的平衡，电磁转矩和机械转减小；电网频率在允许范围内波动，实现了调度指令，各种动态特性满足要求。

仿真二：风电机组运行在10m/s风速下，假设风速保持不变，未投入补偿装置，风机按定子侧出口功率因数为1运行，3s时，定子侧出口功率因数变为0.98，仿真结果如图9－图12所示。