双馈式风力发电机运行与控制的数字仿真研究

郑景文，秦 亮，刘开培

(武汉大学，武汉 430072)



双馈式风力发电机运行与控制的数字仿真研究

郑景文，秦 亮，刘开培

(武汉大学，武汉 430072)

首先对双馈风机的数学模型进行了详细的分析介绍，以此为基础，对双馈风机的运行方式与控制策略进行全面而深入的研究。然后基于PSCAD/EMTDC仿真实验，对理论分析结果进行验证。仿真结果实现了双馈风机的柔性并网、稳态以及暂态情况的功率独立稳定控制、最大风能追踪控制、软切出控制。仿真结果可以有效地证明所给出的双馈风机模型以及系统有较好的动态响应与控制特性，与理论分析相吻合。

双馈风力发电机；起动并网；运行控制策略；有功无功解耦；解列切出；动态仿真验证

0 引 言

随着世界各国对风电产业的重视，风电在电力生产中所占比重越来越大[1-2],双馈式风力发电机组作为热门的新型风力发电机组，具有显著的优越性。随着其单机容量向MW级水平发展，大容量的风电机组与电网系统中的相互作用，相互适应、有效整合成为一个重要而突出的问题，决定了近期风电技术发展的主要走向，构成风电技术研究中重要的研发内容[3]。

目前关于兆瓦级变速恒频双馈式风力发电机组的模型与仿真国内外已展开了一些研究。文献[4-8]将定子磁链定向矢量控制运用在风机并网中，建立了双馈风机的柔性并网控制策略，实现了双馈风机的柔性无冲击并网；文献[9-12]中的双馈风力发电系统采用传统矢量控制技术，其中网侧采用电网电压定向控制，同时转子侧采用定子磁链定向控制；文献[13-15]对电网对称故障情况下双馈式发电机控制策略进行了研究，针对电网故障条件下电压跌落提出了改进的控制策略，针对电压不平衡情况提出新型矢量控制策略。文献[16-20]研究了发电机组的最大风能追踪的控制策略， 对最佳叶尖速比控制、功率反馈法和爬山法进行了详细的综述与仿真研究。文献[21-23]对面向直流输电的双馈风力发电机运行控制进行了研究。

由于双馈式风力发电机起动并网、解列切出、运行与控制特性的研究是双馈式风力发电机接入系统后与电网相互影响、相互作用等问题的基础，同时较少有单独的文献能系统全面的对其进行完整介绍和分析。本文在分析双馈式风力发电机动态数学模型的基础上，系统地给出双馈式风力发电机组的起动并网、运行控制策略。基于PSCAD/EMTDC仿真平台，建立包含各个部件的双馈风力发电机组空载并网、运行控制的完整的电磁暂态模型，并对双馈式风力发电机起动并网、解列切出、稳态暂态运行控制进行系统、完整的仿真，以验证理论及对比分析的正确性。

1 双馈式风力发电机组数学模型

本文按照传统电动机正方向规定，得到双馈发电机d-q同步旋转坐标系下的定子电压、定子磁链，转子电压、转子磁链，定子输出有功无功功率的数学模型[3]。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：usd，usq，ψsd，ψsq为双馈风机定子电压、定子磁链的d，q分量；urd，urq，ψrd，ψrq为双馈风机转子电压、转子磁链d，q分量；Lm为d-q坐标系下定，转子绕组等效互感，Lm=3/2Lms；Lms为静止三相坐标系下定转子一相绕组等效互感；Ls为d-q坐标系定子绕组自感，Ls=Lm+Ll1，Ll1为定子漏感；Lr为d-q坐标系转子绕组自感，Lr=Lm+Ll2，Ll2为转子漏感；Ps，Qs为双馈风力发电机定子侧输出有功和无功功率；ω1为同步旋转角速度；ωs为转差频率，ωs=ω1-ωr；ωr为转子角速度；p为微分算子。

并网前，发电机空载，定子电流为0。将此条件代入式(1)～式(5)，得到双馈风力发电机空载状态下的数学模型[4-8]：

(6)

(7)

(8)

(9)

2 双馈式风力发电机组起动并网控制策略

本文采用定子磁链定向矢量控制策略，其原理框图如图1所示[9-10]。

图1 定子磁链定向矢量原理图

基于以上讨论，有ψsd=ψs，ψsq=0，usq=us，usd=0，其中ψs为定子磁链幅值，us为定子电压幅值。忽略电压、磁链暂态变化，将式(8)代入式(6)得：

(10)

由式(10)看出，忽略暂态变化时，定子电压的d，q轴分量分别由转子励磁电流q，d轴分量控制，考虑到电网电压发生波动时，需要考虑暂态过程，故采用电压闭环控制。控制框图如图2所示。

图2 定子电压闭环控制策略

如图2所示，电压瞬时值闭环控制分为定子电压外环控制和转子电流内环控制。依据式(6)、式(8)、式(10)，电压外环控制中将定子电压与电网电压的d轴分量以及q轴分量的差值，经过PI控制器的调节，输出转子电流参考值分量；转子电流内环控制中，通过滞环比较控制器，输出对应的触发脉冲，控制转子侧变流器IGBT的通断，实现励磁电流追随参考值的变化过程。通过双闭环控制策略，实现准同期并网的条件，最后实现双馈风机的柔性并网。

3 双馈式风力发电机组运行与控制策略

3.1 网侧PWM电压矢量定向控制策略

图3为网侧PWM变换器的主电路图[11]。

图3 网侧PWM变换器的主电路图

网侧PWM采用电网电压矢量定向方式，根据网侧PWM的d-q轴数学模型，可得到控制方程:

(11)

图4 网侧PWM电压矢量定向控制框图

3.2 双馈式风力发电机最大风能追踪控制

双馈式风力发电机运行与控制的一个重要目标就是充分利用风能，实现最大风能的追踪控制。风力机的输出功率可表达[16]：

(12)

式中:ρ为空气密度；SW为风力机叶片迎风面积；v为风速；Cp为风能利用率。要充分利用风能，即Cp最大。图5给出了转矩角恒定时不同风速下风力机输出功率(或Cp)与风力机转速的关系曲线。

如图5所示，E,M,G点分别为v1,v2,v3风速下风力机输出的最大功率点，对应的转速为最佳转速。将每个风速下的最佳功率点连接即为最佳风能追踪曲线Pmax。功率追踪曲线为Pmax=kω3，Pmax为某一风速下定子侧输出的最大有功功率，k是与风力机有关的常数[17,20]。

图5 风力机输出功率与风力机转速的关系曲线

本文采用的最大风能追踪控制方法是功率反馈法。其核心策略是测量风力机的转速ω，通过最大功率曲线，计算出相应转速下风力机的最大输出功率Pmax，将它作为风力机的输出功率给定值Pref，忽略电机损耗，稳定运行时风力机输出功率与发电机输出功率相等，通过控制策略让发电机输出有功追随给定值Pref，以实现对最大功率点的跟踪。控制框图如图6所示。

图6 最大风能追踪控制框图

3.3 转子侧PWM有功、无功解耦控制

采用定子磁链定向矢量控制，整理式(1)～式(5)可得DFIG定子输出有功、无功功率与转子d-q轴电流间关系式[3]：

(13)

由式(13)可以看出，双馈式风力发电机定子侧输出有功功率和无功功率分别由转子电流q轴和d轴分量控制，实现了有功无功解耦控制,其控制框图如图7所示。该控制中外环为功率环控制，内环为电流控制。当风机运行于最大风能追踪状态时，外环通过最大风能跟踪曲线，输入风力机转速，得到相应的定子侧有功参考值，将功率差值通过PI调节器的控制，输出转子电流的参考值。内环电流控制中，将实际电流与参考电流比较，差值经过PI控制，经过解耦与前馈补偿后，输出转子侧电压，控制IGBT的通断，从而实现有功无功解耦控制与最大风能追踪[20]。

图7 DFIG有功无功解耦控制框图

3.4 双馈式风力发电机切出控制

双馈式风力发电机的切出过程是切入过程的逆过程，切出过程的关键是对双馈电机的定子电流进行控制[11]。通过对定子电流进行闭环控制，使其逐渐减小为零，从而在零电流的情况下将双馈电机从电网切出，即完成双馈电机的软解列过程。采用定子磁链定向矢量控制，由式(3)得到：

(14)

定子电流d-q分量分别由转子电流d-q分量控制，由式(14)得到双馈式风力发电机软解列控制策略如图8所示。外环定子电流闭环控制，通过下垂控制将定子电流的q轴参考分量逐渐减小至零，经过PI环节得到内环电流参考值，再通过转子电流励磁分量的调整，使得定子电流实际值减小为零。

图8 软解列控制框图

4 双馈风力发电机运行与控制仿真及分析

本文基于PSCAD /EMTDC仿真环境对双馈式风力发电系统的运行与控制过程和策略进行仿真及对比分析。仿真具体参数如表1所示。

表1 系统仿真参数表

4.1 双馈风力发电系统起动并网运行仿真

为验证本文给出的DFIG起动并网过程以及控制策略的正确性，对双馈电机的并网过程进行仿真验证。仿真结果如图9所示。

图9 是DFIG起动并网前后定子电压、定子电流、直流电压仿真波形图。并网采用定子电压瞬时值闭环控制，t=0.02 s时，系统提供励磁，定子电压逐渐增大；t=0.08 s时定子电压跟随电网侧电压，在整个空载运行阶段，定子电压的幅值波动量为6%。当定子侧与网侧电压三要素完全一致，满足准同期并网条件，在t=0.5 s时并网，并网瞬间基本没有冲击电流产生，经过短时间振荡，达到稳定。在起动并网前后，直流母线电压始终保持稳定值10 kV。

(a) 定子电压

(b) 直线母线电压

(c) 定子电流

对以上仿真结果进行分析可得到以下结论：电压闭环控制的电压幅值波动小，控制精度高，响应迅速，同时实现定子电流的无冲击并网以及直流母线侧电压的稳定。仿真验证了本文给出的空载并网控制的有效性、优越性以及本文提出的起动并网控制策略的正确性。

4.2 双馈风力发电机有功、无功解耦仿真

为了进一步验证DFIG的动态响应与控制特性，对双馈式风力发电机有功、无功解耦控制策略进行仿真验证。仿真波形如图10所示。

t=0.5 s通过斜率控制，令DFIG的输出功率参考值从0逐步上升至1.7 MW，t=1 s之后保持不变，有功功率实际值较好地跟随参考值的变化，随着功率的改变，定子电流也进行同步改变。图10中控制发电机的无功参考值在3 s时由0突变为0.1 MVar，无功功率实际值较好地跟随参考值的变化。实验结果显示，当有功指令单独变化时，DFIG输出的有功功率随之相应变化，无功功率输出保持不变；无功指令单独跃变时，DFIG输出的无功功率随之相应变化，有功功率输出保持不变，说明风力发电系统基于PQ解耦的控制模型具有良好的鲁棒性。

(a) 定子侧电流

(b) 定子侧有功功率

(c) 定子侧无功功率

(e) 直流母线电压

(f) 转子励磁电流

(g) 转子转速

仿真中，风速设定为10 m/s，由图5可知，仿真过程转速变化微小，对风能利用率Gp影响不大，可假定为风力机输出的机械功率恒定，随着转速的微小变化，风力机输入的机械转矩TM也相应成反比变化。发电机有功参考值改变，通过控制励磁电流控制发电机的电磁转矩TE变化，图10的TE的绝对值随着发电机有功参考值的改变而相应的改变，最终与TM绝对值大小相等。在此阶段随着TE,TM协同作用，风机转速标幺值由1.2逐渐上升至1.26，然后下降至1.15，当TE=TM时保持稳定。在整个运行控制阶段直流母线电压始终保持稳定值10 kV。仿真分析结果验证了所建立的大容量双馈式风力发电机有较好的动态响应与控制特性。

由图10转速与励磁电流的关系可以看出：选取转速标幺值为1.26时，风机运行于超同步状态，换算成频率为1.26×50 Hz=63 Hz，此时由波形测得励磁电流频率约为13.2 Hz，忽略测量误差，转子旋转频率与励磁电流频率差值即为定子电压电流频率f=50 Hz(工频)。仿真结果表明，所建立的大容量双馈式风力发电机实现了变速恒频的特点。

4.3 双馈风力发电机最大风能追踪仿真

由图11可以看出，稳定状态下，系统输出的有功功率随转子角速度变化的曲线与风机的风能追踪曲线基本吻合，对比PSCAD仿真结果，可以验证本模型达到了最大风能跟踪的目标，系统最大风能追踪控制模块的设计是准确和有效的。

图11 DFIG输出功率与转子角速度坐标图

表2 双馈式风力发电机最大风能追踪实验数据

本文在MATLAB中对搭建的风力机模型的风能利用系数Cp曲线函数进行拟合分析，得到当λ=8.32时，Cpmax=0.417。分析结果与表1中的计算、测量结果相符，验证了本模型最大风能跟踪理论与仿真的正确性。

4.4 双馈风力发电机解列切出仿真

当风速过大或者过小时，需要对双馈式风力发电机进行解列操作。本文解列切出实验的操作步骤：t=1 s通过斜率控制令DFIG的输出功率参考值从2.1 MW逐步减小，t=2 s下降为0，此时将DFIG与电网平滑解列。图12为DFIG解列时相应的变量仿真波形图。

(a) 定子侧电流

(b) 功率实际值

(c) 转子励磁电流

(d) 直流母线电压

(e) 电磁转矩

由图12可以看到，当有功功率参考值变化时，功率实际值较好地跟随参考值的变化，同时随着功率的下降，定子电流也同步下降，在t=2 s时下降为零，此时将DFIG定子侧与电网平滑解列。此过程中，通过控制励磁电流控制发电机的电磁转矩TE随着功率同步变化，在整个解列过程直流母线电压在风机正常运行时稳定为10 kV，证明网侧变流器控制效果良好。t=2s时，通过减小转子电流进行风机灭磁操作，当转子电流下降为0时，将网侧PWM变频器与电网断开，实现双馈式风力发电机的解列切出操作。在t=2 s风机从电网中切出后，直流测电容电压通过放电，逐渐衰减为0。

仿真结果验证了本文给出的解列切出控制策略的正确性，同时验证了本模型有较好的动态响应能力，与理论分析相吻合。

5 结 语

本文在分析双馈式风力发电机动态数学模型的基础上，系统地给出双馈式风力发电机组的起动并网、运行控制策略。基于PSCAD/EMTDC仿真平台，建立包含各个部件的双馈风力发电机组空载并网、运行控制的完整的电磁暂态模型，并对双馈式风力发电机起动并网、稳态暂态运行控制、解列切出过程进行系统、完整的仿真，以验证理论及对比分析的正确性：

1)电压闭环控制的电压幅值波动小，控制精度高，响应迅速，实现了定子电流的无冲击并网以及直流母线侧电压的稳定。验证了本文给出的空载并网控制的有效性、优越性以及本文提出的起动并网控制策略的正确性。

2)本文实现了有功无功的解耦控制，说明风力发电机基于PQ解耦的控制模型具有良好的鲁棒性。通过对并网后DFIG定转子电流、转速等一系列变量的监测以及仿真分析，结果表明所建立的大容量双馈式风力发电机实现了变速恒频的特点，同时验证了所建立的大容量双馈式风力发电机有较好的动态响应与控制特性。

3)本文实现了双馈风力发电机最大风能追踪仿真，并通过数据的采集、监测以及MATLAB的拟合，将理论值与实际值对比分析。实际的计算、测量结果与理论分析结果相符，验证了本模型最大风能跟踪理论与仿真的正确性。

4)本文实现了双馈式风力发电机的软解列以及快速灭磁过程，使电机从电网中能快速平稳脱离。验证了文中所给控制策略和方案的正确性。

本文系统全面地对双馈式风力发电机起动并网、解列切出、运行与控制特性进行完整的介绍和分析。验证了相应控制策略的正确性、有效性，验证了所建立的大容量双馈式风力发电机较好的动态响应与控制特性。为双馈式风力发电系统接入系统后与电网相互影响、相互作用等问题的研究打下基础， 为后续有关双馈式风力发电机特性的研究提供一定的参考。

[1] 施跃文,高辉,陈钟.国外特大型风力发电机组技术综述[J].电网技术,2008,32(18):87-91.

[2] 贺益康,胡家兵.双馈异步风力发电机并网运行中的几个热点问题 [J].中国电机工程学报, 2012,32(27):1-15.

[3] 贺益康,胡家兵,徐烈.并网双馈异步风力发电机运行控制[M].北京：中国电力出版社，2012.

[4] 周宏林.大容量双馈式风力发电系统并网关键问题研究 [D].北京：清华大学,2011.

[5] 孙元章,林今,李国杰,等.采用变速恒频机组的风电场并网问题研究综述[J].电力系统自动化,2010，34(3):75-80.

[6] 刁统山,王秀和,魏蓓.永磁双馈风力发电机的并网控制策略[J].电网技术,2013,37(8):2278-2283.

[7] TAPIA G,SANTAMARIA G,TELLERIA M,et al.Methodology for smooth connection of doubly fed induction generators to the grid[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2009,24(4): 959-971.

[8] 刘其辉,谢孟丽.双馈式变速恒频风力发电机的空载及负载并网策略[J].电工技术学报,2012,27(10):60-67.

[9] 颜敏,张昌凡,罗成,等.一种基于变结构控制的双馈风机空载并网方法[J].电工技术学报, 2013,28(S1):174-178.

[10] 贺益康,郑康,潘再平,等.交流励磁变速恒频风电系统运行研究[J].电力系统自动化,2004,18(13):55-59.

[11] 杨淑英.双馈型风力发电变流器及其控制 [D].合肥:合肥工业大学,2007.

[12] 姚骏,廖勇,李辉,等.电网电压不平衡下采用串联网侧变换器的双馈感应风电系统改进控制[J].中国电机工程学报,2012,32(6):121-130.

[13] 童宁,林湘宁,李正天,等.对称电压跌落条件下双馈风电机群馈出电流与线路电流保护的交互影响[J].中国电机工程学报,2014,34(22):3806-3814.

[14] ROLAN A,CORCOLES F,PEDRA J.Doubly fed induction generator subject to symmetrical voltage sags[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2011,26(4):1219-1229.

[15] PANNELL G,ATKINSON D J,ZAHAWI B.Minimum-threshold crowbar for a fault-ride-through grid-code-compliant DFIG wind turbine[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2010, 25(3):750-759.

[16] 钟沁宏,阮毅,赵梅花,等.变步长爬山法在双馈风力发电系统最大风能跟踪控制中的应用[J].电力系统保护与控制,2013,41(9):67-73.

[17] 吴政球,干磊,曾议,等.风力发电最大风能追踪综述[J].电力系统及其自动化学报,2009,21(4):88-93.

[18] 匡洪海,吴政球,李圣清.基于同步扰动随机逼近算法的最大风能追踪控制[J].电力系统自动化,2012,36(24):34-38.

[19] 张文娟,高勇,杨媛.基于风力机参数辨识的最大风能捕获[J].电网技术,2009,33(17):152-156.

[20] 赵梅花,范敏,陈军,等.双馈风力发电系统 MPPT 控制[J].电气传动,2014,44(3):32-35.

[21] 年珩,易曦露.面向直流输电的双馈风电机组并网拓扑及控制技术[J].电网技术,2014,38(7):1731-1738.

[22] 李琦,宋强,刘文华,等.基于柔性直流输电的风电场并网故障穿越协调控制策略[J].电网技术,2014,38(7):1739-1745.

[23] 李文津,汤广福,康勇,等.基于 VSC-HVDC 的双馈式变速恒频风电机组启动及并网控制[J].中国电机工程学报,2014,34(12):1864-1873.

Research on Digital Simulation of Running and Controlling of Doubly-Fed wind Power Generation System

ZHENGJing-wen，QINLiang，LIUKai-pei

(Wuhan University，Wuhan 430072,China)

A detailed analysis of the mathematical model of the double fed wind turbine was introduced. Based on this, the operation mode and control strategy of the double fed wind turbine were studied comprehensively and deeply. Then based on the PSCAD/EMTDC simulation experiment, the theoretical analysis results were verified. Simulation results show that the flexible grid connection, steady state and transient state of the double fed wind turbine are independent and stable control, the maximum wind energy tracking control, soft cut out control. The simulation results and simulation analysis of the system can effectively prove that the model and the system have good dynamic response and control characteristics.

doubly-fed induction generator (DFIG); starting and network; operation control strategy; active and reactive power decoupling; splitting cut out; dynamic simulation

2015-07-16

国家自然科学基金项目(51207115)

TM315

A

1004-7018(2016)01-0027-07