双馈异步风电机组自启动运行控制策略

冯士睿，蒋 平，范立新，顾 文

（1.东南大学电气工程学院，南京 210096；2.江苏方天电力技术有限公司，南京 211102）

双馈异步风电机组自启动运行控制策略

冯士睿1，蒋 平1，范立新2，顾 文2

（1.东南大学电气工程学院，南京 210096；2.江苏方天电力技术有限公司，南京 211102）

随着分布式风力发电的发展，风机的自启动和孤岛运行成为分布式发电的重难点。针对双馈异步风电机组自启动过程的机电暂态特性，引入了考虑定子磁链变化的双馈风机模型，并在此基础上设计了基于反馈线性控制的自启动控制器和自启动控制策略。该策略将自启动控制过程分为自激启动、带载运行、频率调整3个阶段，各阶段对变流器采用不同的控制策略和开关规则，能够有效地实现双馈风机的快速启动以及电压、频率的稳定控制。在MATLAB/Simulink中搭建的仿真模型验证了所述方法的有效性。

自启动；反馈线性控制；电压控制；频率调整

分布式风力发电可以弥补大电网安全稳定性的不足，在电网停电发生时恢复孤岛供电。为了更好地实现分布式风力发电，首先必须研究风电机组在孤岛运行下具备自启动的能力。利用风电机组快速响应的特点，先启动风电机组，随后实现孤岛运行。

目前国内外关于风力发电孤岛运行的研究主要集中在风电机组脱网后稳定运行的领域[1-6]，对风机自启动国外已有一定研究，国内研究相对较少。文献[7-9]在双馈异步风电机组DFIG（doubly-fed induction generator）的直流电容侧加装储能装置，由储能装置提供直流电压，进而实现风电机组的自启动过程。文献[10-11]通过采用基于PQ解耦的变流器控制技术以及追踪定子磁场转速变化的PLL技术，实现了频率的稳定。文献[12]将风电机组接入已经建立电压的微电网，提出了面对微电网的可变负荷的频率控制技术。文献[13]在计及风电功率波动和储能系统的荷电状态等条件的基础上，提出一种基于变滑动平均滤波项数的风电功率波动平滑控制策略。文献[14]提出了双应用的储能容量配置策略及计算方法，并基于全寿命周期成本理论构建储能系统的经济模型，对储容配置方案进行经济性评估及经济灵敏度分析。

针对当前风机运行主要研究并网条件下的电压频率控制的不足，本文以孤岛运行下的DFIG为研究对象，引入了考虑定子磁链变化的DFIG模型，并在此基础上设计了基于反馈线性控制算法的DFIG自启动控制策略。该策略将自启动控制过程分为自激启动、带载运行、频率调整3个阶段，各阶段对变流器采用不同的控制策略和开关规则。在Simu-link中搭建的仿真模型验证了所述策略的有效性。

1 双馈异步风电机组控制模型

在传统风机矢量控制中，其控制都基于电网电压恒定、忽略DFIG定子励磁电流动态过程的简化模型。然而在DFIG自启动时，电网电压变化较为剧烈，简化模型不再适用，需要加以修正。考虑定子励磁电流Ims、定子侧电压Us以及定子磁链ψs的情况下，DFIG的控制模型[15]为

式中：Lm为dq轴坐标系中定、转子互感；Rs和Ls分别为dq轴坐标系中定子绕组电阻和自感；Rr和Lr分别为dq轴坐标系中转子绕组电阻和自感；为发电机漏磁系数；ω1为定子磁场同步转速；ωr为转子磁场转速；ωslip=ω1-ωr为转差率；Ur为转子电压；Is和Ir为定、转子电流；为定子的等效励磁电流矢量。

将式（1）中的第1个方程代入第2个方程，消去定子励磁电流变化量进一步变换可得在dq坐标系下的转子侧变流器控制模型为

式中，urd1和urq1分别为考虑转子励磁电流变化的补偿项。

式（1）～式（3）为设计DFIG自启动变流器控制策略提供了依据。

2 自启动PI控制器的改进设计

自启动控制过程中，PI控制器容易出现迟滞性大、易饱和的缺点。反馈线性控制器FBLC（feedback linearization controller）将变流器开关型非线性系统转化为线性系统，提高了在暂态条件下的控制性能，可以用于自启动期间的变流器控制。针对式（2）和式（3）的转子侧变流器RSC（rotor-side converter）的模型，将其改写成用于线性化的差分方程为

由于Er(x)为对角阵且对角元素不为零，故Er(x)可逆。因此可以依据式（4）设计转子电压控制器为

式中，vrd和vrq为转子电压的跟踪控制信号。为了实现线性控制以及消除静差，vrd和vrq由转子电流控制器给出，即

式中：y1ref、y2ref为转子电流d轴与q轴参考值；e1=y1-y1ref、e2=y2-y2ref分别为转子d、q轴电流分量与转子电流d、q轴参考值之差；krd_p、krd_i为转子d轴电流PI控制器参数；krq_p、krq_i为转子q轴电流PI控制器参数。最终RSC参考电压为风机转子实际电压urd、urq与控制器输出值u1、u2之差，即

依据式（5）～式（7），改进后的自启动PI控制器框图如图1所示。控制器的转子电流参考值将在第3部分给出。

图1 FBLC框图Fig.1 Block diagram of FBLC

3 风电机组自启动控制策略

在DFIG实现自启动之前，由于风机无法从网侧获取电压，DFIG的直流电容必须配备储能系统为其充电，如图2所示。自启动控制策略将自启动过程分为自激启动、带载运行、频率调整3个阶段，各阶段对RSC和网侧变流器GSC（grid-side converter）采用不同的控制策略。

图2 DFIG自启动结构Fig.2 Self-start structure of DFIG

3.1 DFIG自激启动控制策略

DFIG的功率输出主要依赖于转子侧变流器。在风机启动初期，自启动控制策略将GSC的并网开关brk_grid断开，将储能系统的开关brk_bat闭合，使储能系统为直流电平充电，控制策略检测直流电容电压，若直流电压达到电容电压额定值，即Udc≥Udc_nom，启动DFIG。

在GSC断开的条件下，DFIG成为他励异步发电机。传统异步发电机需要在机端并入电容实现机组的自启动[16]，因此在DFIG机端并入电容器组，使得DFIG能够通过自激建立磁场，其转子侧电压控制策略为

式中：P*、U*为风电机组有功功率、电压参考值；Ps为风电机组输出有功功率；krp_p、krp_i为转子功率PI控制器参数；krv_p、krv_i为转子电压PI控制器参数；为转子电流控制器参考值。由于自激启动过程中只并入电容器组，并不消耗有功，可令DFIG的RSC自启动控制框图如图3所示。

图3 DFIG的RSC自启动控制框图Fig.3 Block diagram of theself-start control of RSC in DFIG

3.2 DFIG带载运行控制策略

在DFIG自激启动后，自启动控制策略检测机端电压，若满足Us≥Us_nom条件，即闭合GSC并网开关brk_grid，同时解锁GSC的SVPWM控制信号，GSC开始工作，保证直流侧电容电压稳定以及为网侧电压提供无功支撑。检测直流电容电压偏差值为直流电容电压最大偏差值，则认定直流电压恒定，并断开开关brk_bat，储能系统退出工作。GSC控制策略为

式中：Udc_nom为风电机组直流电容电压参考值；Udc为风电机组直流电容电压；ksdc_p、ksdc_i为定子直流电容电压PI控制器参数，ksv_p、ksv_i为定子电压PI控制器参数；为定子电流控制器参考值。

GSC自启动控制框图如图4所示。

图4 DFIG的GSC自启动控制框图Fig.4 Block diagram of the self-start control of GSC in DFIG

对于孤岛运行的DFIG而言，系统有功的输出应与系统的负荷相匹配，将开关brk_load闭合，接入负荷，系统实现带载运行。

3.3 DFIG频率调整控制策略

为了保证输出电压频率稳定，如图3所示，频率控制器由转速控制器和附加频率控制器组成，频率控制器控制框图如图5所示。其中转速控制器将转子转速ωr输入至ωr-P曲线中产生有功功率参考值曲线功能由机组的功率转速特性决定。风电机组通过控制有功功率输出来控制频率，附加频率控制器的控制策略为

式中：fs、fref分别为风电机组输出电压频率以及频率参考值；kfp1、kfp2、kfi1、kfi2为附加频率控制器的比例系数以及积分系数；为附加频率控制器的参考值。

图5 频率控制器控制框图Fig.5 Block diagram of the frequency controller

3.4 DFIG总体自启动控制策略

在频率调整阶段，自启动控制策略检测到风电机组电压、直流电平电压、频率以及功率输出均满足电能质量要求以后，DFIG由频率调整状态转为稳态运行状态。RSC采用PQ控制策略，将此时负荷侧所需功率作为RSC参考值，即GSC采用直流电压控制策略，其无功输出系统由频率调整状态转为稳定运行状态。

由于DFIG处于孤岛运行状态，系统抗干扰能力差，自启动控制策略将持续检测系统的电压以及频率稳定，以便在以上3种控制策略中作切换，3种控制策略的相互切换关系见图6。

图6 DFIG自启动控制策略切换关系Fig.6 Switching relationship between self-start control strategies for DFIG

DFIG在不同的运行状态中采取不同的GSC、RSC控制策略和开关策略，因此需要建立自启动控制策略规则，如表1所示。

表1 自启动控制策略规则Tab.1 Rules in self-start control strategies

4 仿真分析

4.1 仿真参数

本文在MATLAB/Simulink中搭建了如图2所示的DFIG自启动模型。其中，风电机组的额定电压为575 V，额定容量为1.5 MV·A，额定频率为50 Hz。孤岛运行负载的额定功率为1 MW，机端提供无功支撑的电容额定无功功率为0.5 Mvar。DFIG转子电阻为Rr=0.016 p.u.，转子电抗Lr=0.16 p.u.；定子电阻为Rs=0.023 p.u.，定子电抗为Ls=0.18 p.u.；励磁电抗为Lm=2.9 p.u.；惯性系数为H=0.095 26；网侧变流器进线电阻为Rg=0.003 p.u.，进线电抗为Lg=0.000 91 p.u.。在自启动过程中，认为风速恒定且风速为v=12 m/s，设置仿真时间为4 s。

4.2 仿真算例分析

如图7所示，自启动控制策略发出自启动指令以后，储能系统投入运行，在较短的时间内将直流电容电平充电至额定电压1 150 V。随后控制策略将GSC控制信号闭锁，断开GSC并网开关brk_grid以及负荷侧开关brk_load。DFIG进入自激启动过程，从图7中可以看出，自激启动时，风电机组与机端电容相互配合，电压小幅振荡，随后幅值呈现指数型增长。在自激启动的过程中，RSC一直采用电压控制策略，，风电机组只提供无功支撑，不提供有功功率。

DFIG通过自激启动建立电压，在自启动控制策略检测到电压达到系统额定电压以后，网侧变流器启动，闭合GSC并网开关brk_grid和负荷侧开关brk_load，DFIG由自激启动状态切换至带载运行状态。

图7 DFIG自激启动与带载运行Fig.7 Self excitation and load operation of DFIG

DFIG进入带载运行状态后，转子变流器采用PV控制模式，即有功功率采用转速控制器控制，无功功率采用电压控制器控制。GSC有功输出采用直流电平电压控制，无功输出采用电压控制，进一步为电网提供电压支撑。在接入负荷后有功输出在1 MW周边有小幅振荡，在FBLC控制器的控制下振荡渐渐衰减，直至到达稳定状态。

如图8所示，DFIG实现带载运行之后，自启动控制策略检测直流侧保持稳定，于2 s时断开储能系统开关brk_bat，储能系统退出工作。同时为了保证自启动中直流电平的稳定，GSC不再增发无功，即直流电容电平在储能系统退出之后出现小幅振荡，随后在GSC控制器的的作用下回归稳定状态。在自启动控制策略检测到定子电压稳定以及直流电平电压稳定之后，DFIG由带载运行阶段转为频率调整阶段。

图8 DFIG频率调整与稳态运行Fig.8 Frequency adjustment and steady-state operation of DFIG

在频率调整阶段，RSC有功控制在转速控制器的基础上增加附加频率控制器，从仿真结果中可以看出，附加频率控制器使得风电机组有功输出更加稳定，系统频率也同时趋于额定频率。自启动控制器检测到风电机组电压、直流电平电压、频率以及功率输出均满足电能质量要求以后，DFIG由频率调整状态转为稳态运行状态。RSC采用PQ控制策略，GSC采用直流电压控制策略，系统处于稳定运行状态，DFIG自启动控制结束。

5 结 语

本文以孤岛运行下的DFIG为研究对象，结合其自启动过程的机电暂态特性，引入了考虑定子磁链变化的DFIG模型，并在此基础上设计了基于反馈线性控制器的风电机组自启动控制器。为了保证DFIG快速启动以及电压频率的稳定控制，本文提出了一种DFIG自启动控制策略，其自启动控制过程分为自激启动、带载运行、频率调整3个阶段，各阶段对变流器采用不同的控制策略和开关规则。在MATLAB/Simulink中搭建DFIG自启动仿真模型，仿真结果表明：通过对于风机自启动采用分段控制，在各个阶段的变流器控制策略均能够快速有效地实现目标，实现了风电机组快速稳定地自启动与孤岛运行，同时有效地保证了电压、频率以及功率的稳定。

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Self-start and Operation Control Strategies for Doubly-fed Induction Generator

FENG Shirui1，JIANG Ping1，FAN Lixin2，GU Wen2
（1.School of Electrical Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China；2.Jiangsu Frontier Electric Technologies Co.，Ltd，Nanjing 211102，China）

With the development of distributed wind power generation，the self-start and islanding operation of wind turbines become the key points in distributed generations．In light of the electromechanical transient characteristics of the self-start process，a doubly-fed induction generator（DFIG）model is set up with the consideration of the variation of stator flux.On this basis，a self-start controller based on feedback linear control and a self-start control strategy are designed：the self-start control process is divided into three stages，i.e.，self-excitation，load operation and frequency adjustment；different control strategies and switching rules of the converters are adopted at each stage，which can ensure the rapid start-up of DFIG and the stable control of voltage and frequency．A simulation model built in MATLAB/Simulink verifies the effectiveness of the proposed method．

self-start；feedback linearization control（FBLC）；voltage control；frequency adjustment

TM761；TM614

A

1003-8930（2017）10-0079-06

10.3969/j.issn.1003-8930.2017.10.014

2016-05-12；

2017-07-24

冯士睿（1992—），男，硕士研究生，研究方向为电力系统运行控制。Email：fsr199264@126.com

蒋 平（1954—），男，博士，教授，研究方向为电力系统运行控制和电力电子在电力系统中的应用。Email：jping@seu.edu.cn

范立新（1966—），男，硕士，高级工程师，研究方向为继电保护和新能源研究。Email：ept_flx@163.com