变速恒频双馈风力发电系统并网控制仿真

高 扬，于会群，张 浩，彭道刚

0 引言

风能作为一种可再生的清洁能源，近年来越来越受到各国的重视。风力发电由于具有零污染、投资周期短、占地少等优点，故装机速度近年来迅速提升。风力发电机组的控制技术，目前有变桨距调节技术、定桨距失速调节技术、主动失速调节技术、变速恒频技术4 种［1～13］。变速恒频风力发电系统，因其具有风能转换效率较高、可灵活调节有功和无功等特点，近年来得到了广泛应用。本文就其控制策略建立模型并仿真，力求得出具有指导意义的理论结果。

1 变速恒频风力发电系统基本原理

目前，国内外已建或新建的大型风电场中的风电机组多采用变速恒频(Variable Speed Constant Frequency，VSCF)风电系统运行方式。当风速改变时，VSCF 风电系统可适时地调节风力机转速，使之保持最佳状态，使风能利用系数Cp接近或达到最佳，可实现对风能最大限度地捕获。与恒速恒频(Constant Speed Constant Frequency，CSCF)风电系统相比，系统的发电效率大为提高，转速运行范围也较宽，而且可灵活地调节系统的有功和无功。

交流励磁变速恒频风力发电系统的结构框图如图1 所示，系统主要由风力机、增速箱、双馈异步发电机、变压器、双PWM 变频器、滤波器、控制系统、桨距角控制等几部分构成。由交流异步发电机的基本原理可得下列关系:

式中:fs为定子电流频率，Hz;n 为转子转速，r/min;p 为电机极对数;fr为转子电流频率，Hz。

图1 双馈异步发电机系统

双馈发电机的结构与绕线式异步电机结构相类似，运行时定子绕组通过变压器与电网相连，转子则通过双PWM 变频器和变压器与电网相连接。设定子电流产生的旋转磁场的同步速为ns，根据双馈电机转子转速的变化，双馈发电机可有以下3 种运行状态:当转子转速n ＜ns时，转子绕组相序和定子绕组的相序相同，双PWM 变频器向转子提供交流励磁电流，产生的旋转磁场的旋转方向与转子的旋转方向也相同，fr前取正号，定子向电网发出电能;当n ＞ns时，转子绕组相序和定子绕组的相序相反，产生的旋转磁场的旋转方向与转子的旋转方向也相反，fr前取负号，同时由定子和转子向电网发出电能，能量在双PWM 变频器中逆向流动;当n =ns时，fr=0，变频器向转子提供直流励磁，发电机作同步发电机运行，定子向电网发出电能。由以上分析可知，当发电机转速n 伴随着风速的改变而变化时，若通过变频器随时调节转子励磁电流的幅值、频率、相位，使发电机能在亚同步速、同步速、超同步速作变速恒频运行，这就是发电机变速恒频运行的基本原理［1，14～15］。

2 交流励磁风力发电机功率特性及其风能捕获策略

2.1 功率特性

交流励磁风力发电机的机械功率为［2］:

式中:ρ 为风力机所在处的空气密度;R 为风力机的风轮半径;Cp为风力发电机将风能转化成电能的转换效率，即风能转换系数;λ 为叶片顶端的速度(圆周速度)除以风接触叶片之前很远距离上的速度，即叶尖速比;β 为风机叶片与风轮平面的夹角，即桨距角;v 为即时风速;n 为风力机叶片的转速。当桨距角固定时，风能转换效率Cp与叶尖速比λ 的关系曲线如图2 所示。

图2 叶尖速比λ与风能转换效率Cp 关系曲线

设定一种风速，然后取不同的转速n，根据式(3)计算出相应的叶尖速比λ，由图2 找到对应的风能转换效率Cp值，根据公式(2)，就可得到这种风速下风力机的输出机械功率。以风力机的机械角速度ωm为横轴，输出的机械功率Pm为纵轴，得到如图3 所示的关系曲线。改变风速，得到的风力机在不同风速v 时输出的机械功率Pm和风力机机械角速度ωm的关系如图3 所示［2～3］。

图3 风力机输出的机械功率和机械角速度关系曲线

图3 中A，B，C 3 点分别为风速v1，v2，v3时风力机输出的机械功率Pm的最大点，其中v1＜v2＜v3。由图3 可以看出: (1)在相同的机械角速度ωm下，瞬时风速v 越大，风力机输出的机械功率Pm也就越大;(2)在相同的瞬时风速v 下，风力机输出的机械功率Pm在某一特定的机械角速度ωm下存在着极大值;(3)增大瞬时风速v，风力机的机械功率Pm的最大值所对应的机械角速度ωm也随之增大［4］。

2.2 最优风能捕获策略

风速v 为定值时，由图3 可以看出，此时存在着唯一的最大机械功率输出点，相应的风能转换效率Cp也最大。但实际风速是经常变化的、随机的，且规律性很差。当实际风速小于额定风速时，风力机按照图2 所示的某一固定的桨距角β运行，调节发电机反转矩使其机械角速度ωm跟随风速v 的变化而变化，保持发电机在最佳的叶尖速比λ 下运行，输出机械功率最大，从而追踪最优的功率曲线，实现最大风能的捕获。当实际风速大于额定风速时，采取改变风力机机械角速度ωm与改变桨距角β 的双重调节，依靠机械调节桨距角β，改变风能转换效率Cp，限制风力机获得的能量，使风电机组的转速和功率得到控制，从而保证发电机功率输出的稳定性，风电机组就不会超出转速极限和功率极限运行，从而保护风机和发电机不受损坏［5～6，14］。

2.3 变桨控制

在风速低于额定风速情况下，桨距角设定为0°，保持恒定的最佳叶尖速比，从而实时追踪最佳功率曲线;当风速超过额定风速时，增大桨距角，失速调节，发电机保持额定功率输出。

3 双馈电机变换器的控制系统

3.1 网侧PWM 变换器控制策略

网侧PWM 变换器控制策略如图4 所示［9～12］。

本系统采用双环控制，外环为电压环，内环为电流环，并在定子绕组上建立静止坐标系a1－b1，同步旋转坐标系d －q;同时设q 为定子绕组上静止坐标系α1轴与d 轴的夹角;ea，eb，ec为网侧PWM 变换器交流侧的三相电压;id，iq是网侧三相电流ia，ib，ic经派克变换得到的两个分量;L，R 分别为交流侧进线的电感和电阻。

图4 网侧变换器控制策略图

在进行单位功率因数调节时，设iq=0，由功率因数所决定;和分别为电压分量，为解耦项;Δud和Δuq分别为d，q 轴电压耦合补偿项;电流反馈值id，iq分别与，相比较，经PI 调节，输出电压，，再与电压的解耦补偿项Δud，Δuq，及前馈补偿项ed，eq进行运算，得到的，作为指令电压;指令电压，再经坐标变换，得到a－b 坐标系中的电压分量，，然后输入到网侧变流器，进行PWM 调制，从而产生的驱动信号，对网侧变流器进行控制［7～8］。

在这里引入电网电压ed和eq进行前馈补偿的目的，是为了实现d 轴和q 轴电流的解耦控制，从而可以对无功功率和有功功率进行有效的独立控制。原理式如下:

3.2 转子侧PWM 变换器控制策略

双馈风力发电系统在变速恒频方式下运行时，矢量控制需要选取的定向参考矢量较多，最常见的是定子磁链定向与定子电压定向［13～15］。本文采取定子磁链定向矢量控制。控制策略如图5 所示。

图5 转子侧变换器的控制图

在转子上建立两相静止坐标系α2－β2，设α2轴和α1轴的夹角为θr。θ 与θr相减得到α2轴与α轴的夹角。根据当前的风速v 计算出相应的风力机最佳叶尖速比λ 的机械角速度ω 值，作为转速参考值，再与转速反馈值ωref相比较，将比较后所得到的值送入PI 控制器，从而得到转子电流给定值。根据风电系统对无功的要求计算出无功电流的给定值。系统整体无功功率由网侧变换器来调节［13］。

以上控制策略是基于以下原理制定的。

假设将ω1定向在同步坐标系d-q 的d 轴上，ω1为定子磁链ωs的幅值。ωds=ω1为d 轴上的磁链分量，ωqs=0 为q 轴上的磁链分量，u 为定子电压矢量的幅值，根据电动机惯例，则有uds=0 和uqs=u。按照瞬时功率理论，交流励磁双馈风力发电机定子侧发出的有功、无功功率可写为:

由上式可以看出，定子侧输出的有功功率和无功功率分别与转子电流分量iqr和idr成线性关系，分别调节iqr和idr就可以调节有功功率和无功功率。

4 变速恒频风力发电系统并网控制运行仿真

4.1 仿真参数设置

双馈风力发电系统的仿真模型如图6 所示，参数如下:发电机的额定功率是1 500 kW，额定电压是0.575 kV，额定频率f =50 Hz，定子电阻Rs和定子漏感Lls分别为0.023 p．u．，0.18 p．u．;转子电阻Rt和转子漏感Llr分别为0.016 p．u．，0.16 p．u．;激磁电感LM为2.9 p．u．，转子的极对数为3。风机输入平均风速为9.8 m/s 时的最佳叶尖速比为λopt=6.5。

图6 双馈风力发电系统的仿真模型

4.2 仿真结果及分析

图7 为风速的仿真模型，图8 和图9 分别为定、转子三相电流仿真结果，图10 为定子侧有功功率和无功功率仿真结果，图11 为直流母线电压的调节控制结果。从图10 可以看出，经过短暂的调节过程之后，定子侧有功功率和无功功率实现了解耦控制。随着发电机转速的变化，定子侧有功功率虽然发生了改变，但能快速跟踪转速的变化，动态响应很快，而无功功率却不受影响，基本维持在0 附近，说明定子侧有功功率和无功功率实现了解耦控制。从图11 看出，直流母线电压随着风速的波动，很快达到了平衡，说明了定子侧对其进行了很好的控制。

图7 风速模型

图8 定子三相电流

图9 转子三相电流

图10 定子侧有功功率、无功功率

图11 直流母线电压

5 结论

本文首先介绍了交流励磁变速恒频风力发电机的基本运行原理;然后对风力机的功率特性和风能捕获策略进行了分析;其次，在建立数学模型的基础上，对追踪最大风能的控制策略进行了研究;再次，在双馈电机变换器的控制系统中，采用定子磁场定向的矢量变换控制技术，控制发电机输出有功功率，来调节电磁转矩和转速，从而获得了发电机有功功率和无功功率的解耦控制，为追踪与捕获最大风能创造了条件，并且对直流母线电压进行了很好的调节;最后，设置了系统仿真参数，对所建立的模型进行了计算机仿真，并对仿真结果进行了分析。仿真结果证明，所建模型正确，所提出的控制策略恰当。

目前该项控制研究中只应用了简单的PID 控制，其对于线性系统控制性能较为良好，但是对于参数经常变化系统、非线性系统的控制仍有不足，下一步将要对于桨距控制引入智能控制、并网控制进行调节。

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