双馈风力发电机并网运行控制及仿真

张冬冬 韩顺杰 于佳文 付香雪

摘 要：结合双馈异步风力发电机的运行特点，将矢量控制技术应用到双馈异步风力发电机并网控制中。构建了风力发电机空载并网与最大追踪控制策略，设计了基于LabVIEW、PXI8840及Compact RIO9035的硬件在环仿真系统。通过PXI能够观测到并网前、后定、转子电流、电压、功率等变化情况，为新型风力发电并网控制策略的研究提供了一个公共平台。

关键词：双馈；矢量控制；最大风能追踪；LabVIEW；PXI

中图分类号：TM315 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）16-0010-03

Abstract： According to the operational characteristics of doubly-fed asynchronous wind turbine， vector control technology is applied to grid-connected control of doubly-fed asynchronous wind turbine. The no-load grid-connected and maximum tracking control strategy of wind turbine is constructed， and the hardware in loop simulation system based on LabVIEW， PXI8840 and Compact RIO9035 is designed. The changes of current， voltage， power and so on before and after the grid connection can be observed by PXI， which provides a common platform for the research on the grid-connected control strategy of new wind power.

Keywords： doubly-fed； vector control； maximum wind energy tracking； LabVIEW； PXI

1 概述

风能作为一种可再生能源，具有高效，清洁等特点。风力发电技术在世界范围内也得到迅速发展[1，2]。

双馈异步风力发电机（Doubly-Fed Induction Generator，DFIG）机组，通过控制发电机励磁，实现在发电机转速可调情况下的并网运行。采用矢量控制技术调节励磁，可以有效的调节发电机输出功率，在实现最大风能利用效率的同时，还可以调节电网的功率因数，提高电网的稳定性等[3-6]。

本文分析了DFIG机组运行特性，将定子磁链定向的矢量控制技术运用到机组控制策略中，制定控制策略。建立了基于LabVIEW的仿真系统，验证采用矢量控制技术对DFIG并网控制和最大风能追踪控制的精准性。

2 发电机的运行控制

2.1 发电机空载数学模型

为了准确调节DFIG并网前、后的端电压，本文采用磁场定向的矢量控制。为此，首先建立发电机内磁场定向旋转d-q坐标系的数学模型。

设s、r分别代表定、转子；Rs、Rr为定、转子绕组电阻；Lm、Ls、Lr为d、q坐标轴下互感及定、转子等效自感；uds、uqs、udr、uqr分别为定、转子电压在d、q轴的分量；ids、iqs、idr、iqr分别为定、转子电流在d、q轴的分量；？鬃ds、？鬃qs、？鬃dr、？鬃qr分别为定、转子磁链在d、q轴的分量；np为极对数。发电机正常运行下，d-q坐标系中DFIG的电压方程为：

定子电压方程

转子电压方程

定子磁链方程

转子磁链方程

电磁转矩方程

由定子磁场定向得：

将式（6）及式（7）代入式（1），得

发电机空载时定子各分量电流为零，即ids=iqs=0，由式（3）得

将式（8）代入式（9）得

在工频条件，Rs可忽略不计，发电机定子电压矢量？鬃1比u1超前90°，则上式可整理得

（11）

综上分析，得出DFIG空载控制策略，如图1所示。

并网控制要依据电网，为此采用三相锁相环3PLL。三相锁相的是q轴相位，所以加为电压的相位，又因为采用的是定子磁链定向控制，定子磁链相位超前电压90°，由此得？鬃1的相角？兹s。

2.2 并网控制策略

依然采用定子磁链定向，？鬃ds=？鬃1，uqs=-u1得

其中deltaUd、deltaUq为补偿量。对于每相绕组的磁通是互感磁通和漏感磁通的叠加，因此，转子自感为Lr=Llr+Lm，定子自感为Ls=Lls+Lm、Llr、Lls为漏感。其中？棕为风轮角速度、p为风轮吸收功率、r为风轮半径、？籽为空气密度、cp为风能利用系数、im为定子的等效励磁电流矢量、？啄为电机的漏磁系数。由于本文采用标幺值计算，系统参数确定后都是常数，所以推出，功率和风速的三次方成正比。

由以上公式可设计出交流励磁双馈风力发电系统的并网控制策略，如图2所示。

3 双馈风力机运行控制的建模与仿真

3.1 仿真模型的建立

基于LabVIEW的风力发电机的并网系统结构图如图3。

3.2 DFIG并网前、后控制控制策略仿真

仿真参数为：双馈异步发电机极对数为3，风机容量1.5MW，额定电压575V为基准电压，定子电阻0.00635？赘，转子电阻0.00453？赘，定子漏感0.1285mH，转子漏感0.1173mH，互感2.18mH，cp=0.41。

在变流器控制中先使能网侧逆变器，可以观测到网侧逆变器开始有电流，当直流电压稳定后，使能转子侧逆变器，转子侧电流产生励磁电压，通过控制算法来控制转子电流，从而控制DFIG的定子电压使双馈电机达到并网条件。

点击并网，则双馈电机定子侧与电网连接，可以观测到定子侧电流慢慢趋于稳定，并网后电流如图4。

并网后，控制策略切换至最大风能追踪控制，可观测到当风速不同时，通过调节转子侧电流来达到变速恒频的效果；随着风速的变化，定子侧电流改变，有功功率也随之改变。设计中10m/s对应同步转速，此时转子电流基本是直流，当电机转速低于同步转速时，转子侧从电网吸收功率情况，当电机轉速大于同步转速时，转子侧功率反向，改为向电网发出功率，如图5。

4 结束语

本文基于LabVIEW平台进行设计，在实时仿真平台PXI上进行仿真，验证了所给出的并网方式的合理性，为新型风电系统并网控制设计提供了一种可行的方案。

参考文献：

[1]周建强，孙为民，李玉娜.可再生能源利用技术[M].北京：中国电力出版社，2015：58-81.

[2]夏长亮.双馈风力发电系统设计与并网运行[M].北京：科学出版社，2014：5-25.

[3]刘其辉，贺益康.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]Tang Y ，Xu L. A flexible active and reactive power control strategy for a variable speed constant frequency generating system[J]. IEEE Transactions on Power Electronics，1996，10（4）：427-478.

[5]吴峰.风力发电机并网技术综述[J].风力发电，1992（1）：5-8.

[6]赵斌，许洪华.大型风力发电机组的软并网控制系统[J].新能源，2000，22（12）：45-47.

[7]尚井鑫.风力发电并网逆变控制系统的设计要点研究[J].科技创新与应用，2012（17）：21.