VSCF双馈风电机组并网控制的研究

徐春雷，李建康，张 章

（国网阿克苏供电有限责任公司，新疆 阿克苏 843000）

1 引言

在新能源发电快速发展的今天，风力发电与其他发电方式相比有其显著优势，其具有装机容量灵活、操作简单、施工周期短、对土地要求低、实际占地少等诸多优点。风力发电既可以独立运行，也可以联网运行，研究开发风力发电具有很好的经济效益和社会效益。本文将从运行特性方面对VSCF双馈风力发电机进行全面分析和研究，并根据相应的软件仿真分析VSCF风力发电机组的并网控制策略，构建出一个大型的完整的变速恒频风电机组并网控制平台。

2 VSCF双馈风力发电机组的结构和相关数学模型的建立

2.1 双馈异步发电机和VSCF双馈风力机组的结构

如图1所示为双馈感应发电机的结构简图，工频电网直接和定子侧的三相对称绕组相连接，工频电网经变频器后也和转子侧的三相对称励磁绕组相连接，并且根据运行要求可以调节励磁电压的频率、相位、幅值、相序。

图1 双馈异步发电机的结构图

图2 VSCF双馈风力机组的结构图

如图2所示，由风力机桨距角控制部分、叶片、齿轮箱、轮毅、联轴器、变频器及电气控制部分、双馈感应发电机等共同构成了变速恒频双馈风电机组。根据图2可以明显看出，当风作用到风力机叶片上之后，风力机叶片上会有转矩产生，这个转矩就会发生作用，使得轮毅开始转动，风力机叶片感受到的风能就转化为轮毅的动能。

2.2 双馈发电机数学模型的建立

如图3所示，设定电机的转子侧和定子侧的绕组是按照星型连接法连接的。

图3 交流励磁双馈发电机的定子回路、转子回路示意图

根据图3得到三相静止坐标系下的电压方程、磁链方程、运动方程、转矩方程等式（1）：

2.3 变速恒频双馈风电机组运行特性分析

如等式（2）所示为风电机组总有功功率和风电机组注入到系统的总无功功率：

如上面的等式（2）所示，代表了变速恒频双馈风力发电机组的功率特性。

如图4所示为VSCF双馈风电机组的风功率特性曲线图。包括风功率特性曲线、发电机效率曲线、不同风速下风力机的齿轮箱等传动部分传输效率曲线和转速特性曲线、风力机最大输出功率曲线等。

图4 双馈风电机组的相关特性曲线

3 VSCF双馈感应风力机组的并网运行

3.1 VSCF双馈感应风力机组的并网

VSCF 双馈风力机组并网时要求 ω＋ωs＝ω0，其中，ω代表转子角频率，ωs代表转子励磁电流角频率，ω0代表电网角频率。当风速超过风力发电起动风速时，风轮机起动，当发电机至同步转速附近时，励磁调节器动作向发电机供给励磁并调节励磁电流使发电机的端电压等于电网电压，这时检测发电机转子转速ω，并调节励磁电流的角频率ωs，使得 ωs＝ω0－ω，这时发电机的端电压的大小和频率己经与电网电压完全相等，可以并网运行。

图5 基于分段分层控制的风电机群控制策略的实施流程图

3.2 VSCF双馈感应风力机组的并网控制策略［1］

本文以追求效率的最大化、安全稳定完成风电机群与全网系统的无功优化运行为控制目标，提出并网运行的风电机群分段分层的实时优化控制策略，分析了该控制策略的具体实施过程，达到了系统要求的电压稳定性，实现了全网运行目标的优化。

低风速时最大效率捕获风能［3］，高风速时保持系统额定功率，这种按照风速的高低来划分风电机群的运行控制策略称为分层分段控制。高风速时为恒功率控制阶段，低风速时为跟踪最大风能阶段。在恒功率控制阶段，风电机组定子侧的有功功率参考值将保持额定运行的参考值不变，而由风电机组桨距角控制部分来实现风电机组的恒功率保持。

风电机群分段分层控制策略的实施流程图如图5所示。

4 VSCF双馈风电机组的MATLAB仿真分析

4.1 网侧变换器的程序控制和转子侧的程序控制图

图6 网侧和转子侧变换器的主程序流程图（左1右1）和中断程序流程图（左2右2）

如图6所示，系统程序采取SVPWM控制方法调制，系统检测到网侧的三相电流和三相电压之后进行三相坐标到两相坐标的变换，得到两相坐标系下的电压和电流。把直流电压给定值和直流电压的测定值进行比较，并把差值进行PI调节，对电流也做同样的处理，进行电压补偿，电压补偿之后得到的指令形成电压指令矢量送入SVPWM中生成程序。

图7 仿真实验图

4.2 仿真实验

采用Matlab仿真软件进行系统的仿真［2］。仿真所用到的参数有：Pn＝3000W，Un＝220V，In＝6.9A，f＝50Hz，R1＝1.873Ω，L1＝240mH，L2＝240mH，Lm＝234mH，np＝2。

（1）网侧变换器实验仿真

采用测试直流侧等效电动势的突变情况来验证网侧变压器的双向流动能力，如图 7（a）、7（b）所示，交流侧的电压基本保持不变，电流变化的时候，可以工作在单位因数逆变和整流中，能够迅速使得直流侧的电压保持稳定状态。

（2）并网实验

VSCF双馈感应风力发电机空载运行1秒钟之后进行并网运行，给定有功功率值为1.8kW，给定无功功率值为0W。

根据图 8（a）、8（b）可以明显看出，转子电流和定子电流都在短时间内响应，定子的有功功率输出比较平滑，在很短的时间内响应，而无功功率的值的变化范围很小，并网的过程中，转子的电流过渡平滑，对电网造成的影响非常小，完全满足了电网并网运行的条件。

图8 并网仿真实验图

5 结束语

本文根据VSCF双馈风电机组的物理器件的特性，建立起整体数学模型［4］，表征了VSCF双馈风电机组的特性，对大型VSCF双馈风力机组的运行特性进行了详细的分析研究，在大型VSCF双馈风力机组并网的问题上提出了一种方便有效的控制方法—实时优化控制策略即分段分层运行控制策略，分段分层控制方法可以充分发挥风力发电机组的无功调节能力和电压控制能力，最后利用Matlab/Simulink软件仿真分析和验证了控制策略的正确性和有效性。论文虽然做了以上诸多内容的研究，但还是有很多问题没有涉及到，譬如风电并网后的安全问题、经济问题、稳定问题、运行问题等，如何解决并网后出现的电压闪变、电压波动、谐波污染等等问题，都还需要进一步的研究。

［1］李 晶.变速恒频双馈风力机组动态模型机并网控制策略的研究［A］.博士毕业论文集［C］.

［2］吴学光.风电场并网运行的数学模型及遗传算法模型的优化研究［A］.博士学位论文集［C］.武汉：武汉水利电力大学出版社，2000.

［3］刘其辉，贺益康，赵仁德.变速恒频风力发电系统最大风能追踪控制［J］.电力系统自动化，2003，27（20）：62－67.

［4］申 洪.变速恒频风电机组建模及其在电力系统分析中的应用［A］.博士学位论文集［C］.北京：中国电力科学研究院出版社，2003.