直流并网型双馈风力发电系统限转子功率运行控制方法

崔学深 张恒 刘其辉 詹阳 吴浩

摘  要：本文针对双馈风力发电系统并入直流微网拓扑，提出一种全风速范围都能限制转子馈送功率的控制方法，从而可以降低系统中转子换流器的成本。实现该控制方法的关键点在于，在实现最大风能追踪控制的同时，对并入直流微网的双馈机的定子频率进行调整，在风速较高时通过矢量控制的磁链环增大定子频率，以一定的负转差将转子侧功率限制在较小的恒定功率下，风速较低时以低于工频的恒定子频率运行，使转差率在较小范围内正负变化，则限制了转子侧功率的绝对值。本文在定子侧不控整流、转子侧经换流器接直流微网的拓扑下，对1.5MW双馈风力机限转子功率的控制方法进行仿真，结果表明从切入风速到额定风速的区域，均可限制转子侧功率的绝对值在70kW之内。

关键词：限转子功率;双馈风力发电机;宽频率运行;最大风能追踪

DOI：10.15938/j.emc.（编辑填写）

中图分类号：TM 721             文献标志码：A          文章编号：1007 -449X（2017）00-0000-00（编辑填写）

Abstract： For the topology of doubly-fed wind power generation system integrated into DC microgrid， this paper proposed a control method which limited the rotor power in the full range of wind speed， and thus reduced the cost of rotor side converters in the doubly-fed wind power generation system. The key to this control method is that the stator frequency of doubly-fed generators prior to the rectification is adjusted properly， and the maximum wind power tacking is realized in the meanwhile. When the wind speed is high， the stator frequency is increased by the vector control loop of flux， and the rotor power is limited to a small and constant value with a negative slip. When the wind speed is low， the stator frequency is kept constant at a value slightly smaller than the grid frequency， and the slip varies in a small range of positive and negative values， so that the absolute value of the rotor power is limited. Under the topology of stator-side uncontrolled rectifier and rotor-side converter connected to DC microgrid， the scheme and control method of limiting rotor power was simulated on a 1.5MW doubly-fed wind turbine. The results shew that the absolute value of rotor power can be limited to 70kW in the maximum wind power tracking range from the cut-in wind speed to the rated wind speed.

Keywords： limited rotor power ; doubly-fed induction generation （DFIG） ; wide frequency range operation ; maximum power point tracking （MPPT）

0 引  言

相較于传统的交流电网，直流电网具有没有无功潮流、损耗低、并联过程简单等优点[1-4]，目前，风能、太阳能等分布式可再生能源发电并入直流微电网已经在国内外有很多成功范例并成为研究热点[5]。风能在可再生能源中占据比较大的比例，其中双馈感应发电机（DFIG）由于其具有灵活的有功和无功的调节能力以及对转换器的容量要求不高的优点，已经广泛的应用于风力发电系统中。风力发电并入直流微电网时，其发电频率不必限制为工频，可以通过控制跟随风速和转速变化在一定范围内调节，因此需要找到适用于风力发电系统与直流微电网连接的拓扑，并在此基础上研究如何在宽风速范围运行中调节频率的控制方法。

传统的DFIG系统一般用于并入交流电网[6-7]，转子侧采用背靠背PWM变换器实现有功和无功的解耦控制。如果将DFIG并入直流微网，一般来说，DFIG-DC系统拓扑主要有下图1和图2两种形式。可以看出图1采用的是DFIG转子侧连接可控换流器，定子侧通过不控整流桥连接到直流微网[8-12]，所以只需要对转子换流器（RSC）进行矢量控制来实现控制目标，控制简单明晰。此拓扑的定子侧采用二极管整流桥元件，可使系统的成本大幅度降低，但此拓扑中定子电压高度畸变，因此定转子电流也产生了畸变，最终表现为转矩的脉动增大。对于这一问题的解决方案，可以通过在控制策略中加入了抑制转矩脉动的反馈环节来实现[13-15]。另外，由于定子电压通过不控整流桥被直流电网电压钳制为一恒定值，因此宽频率范围运行时可能会出现在低频运行的磁链饱和以及高频运行的弱磁过深等现象，所以图1拓扑不宜在过宽的频率范围运行。

图2采用的是DFIG定子接可控换流器SSC和转子接可控换流器RSC的拓扑结构[16-17]，由于定子电压也能够通过SSC进行一定范围的调控，因此可以避免出现磁链过饱和弱磁过深等现象，于是系统在图2拓扑下可以运行在较宽的频率范围。但在此拓扑下需要对定子侧换流器和转子侧换流器分开控制增加了控制的难度，降低了控制的可靠性，而且系统定子侧换流器的成本大大高于图1的模式。

从成本角度出发，图1拓扑具有明显优势，本文在此基础上进一步研究频率调节控制方法，在宽风速范围下有效地限制转子功率的绝对值，从而能够进一步降低转子侧换流器的成本。

DFIG一般在转子侧换流器的矢量控制中采用转矩与定子磁链解耦的控制策略[7-9]，由转矩控制环来实现最大风能追踪，由磁链控制环将定子电压的频率控制为工频。G. D. Marques 和 M. F. Iacchetti在对DFIG-DC系统的研究中提出了通过磁链间接调节定子频率的方法[9-10]，以及在弱磁运行中优化系统的效率[18]，但却没有从降低DFIG-DC系统成本的角度研究频率调节的方法。文献[19]提出在宽风速运行范围下的宽频率运行控制方法，始终以恒定的负转差率跟随转子转速的变化，避免了转子侧流入功率造成的功率环流。此方法虽然能够将转差率限制为一个较小的恒定值，但转子功率在风速较高时也会与输入功率成比例地增大，无法最大程度地降低转子侧换流器容量和成本。

本文针对以上问题，充分考虑全风速范围下双馈风机的数学模型以及DFIG-DC系统的拓扑，提出在全风速范围下限制转子功率的双模式控制方法。具体是在低风速范围内通过恒频率控制使转子功率在风速逐渐从小增大的过程中从正逐渐变为负，然后在特定风速切换为恒转子功率控制使转子功率在风速增长的过程中恒定在这一负值下，实现限制转子侧换流器的容量进而大幅度降低系统的成本这一目标。

1 直流并网结构

下图1和图2为适用于全直流型风电场的双馈风力发电系统拓扑，与传统交流型并网结构拓扑不同的是其少了网侧变换器。从下图的拓扑可以看出图1和图2拓扑的不同就体现在定子所连接换流器种类的差别。根据本文的研究问题所以选用图1的拓扑结构。

从以上的分析得出矢量控制双闭环外环的控制思想，对定子磁链环和功率环采用解耦控制，其分别由转子电流d轴分量和q轴分量控制。定子磁链由定子频率间接控制，功率环负责追踪最大功率P*s即MPPT模式。

3.3 限转子功率控制的两种模式

一般的双馈风力发电系统都将运行在转子额定转速或最高转速设定在同步速的1.2倍以上，转子侧换流器的容量更是按照转差率在-0.3～+0.3来设计。以1.5MW双馈风力发电系统为例，换流器容量至少需要配置350kW，这主要是因为频率被交流电网钳制在50Hz的情况下，风速转速较高时转差大以及转子功率大造成的结果。DFIG直接并联直流微网时，通过本文的频率外环控制方法可以在转速较高时抬高定子频率，以较小的负转差率运行于超同步状态，这时大部分功率从定子侧注入直流电网，转子侧功率就可以限制在给定值Prc的范围内，（本文针对1.5MW雙馈电机，转子侧功率在整个风速范围内可以限制为Prc=70kW），从而在配置转子侧换流器时可以大幅度地降低成本。对于这种转速较高的情况，本文采用的控制策略是将转子功率保持在恒定的限制值-Prc的方法（负功率表示超同步发电状态转子功率流出转子），以Pr*=-Prc计算出此时所需的频率作为外环给定值fs*，实现‘恒转子功率控制模式。

这种‘恒转子功率控制模式本质上对定子磁链在一定程度上进行了调节，在风速以及由MPPT所决定的转速高时，定子频率以一定的负转差跟随转速也会较高，此时磁链较小不会超过额定值，主要关注定子电流是否会超过额定电流。但在风速转速降低时，定子频率减小到磁链达到饱和值附近，就不能够再降低了，将这一频率定义为临界频率fc。以此为临界点如果风速转速再下降，本文的控制策略将切换为——按照频率给定值fs*=fc采用‘恒定子频率控制模式，这时随着转速的下降转差率将由负值逐渐变化为正值，转子功率由-Prc逐渐增大到0，进而再增大到+Prc时，也不会超过转子功率限定值。本文将两种控制模式统称为限转子功率运行控制方法。

3.3.1 恒转子功率控制模式

本小节就如何在高风速范围内实现恒转子功率控制方法进行一系列的数学公式推导，最后得出一个确定定子频率的公式来作为给定值算出定子磁链的给定值作用于磁链外环。

在不考虑定转子铜损时，定、转子之间的有功功率关系为式（24），则电机经由定转子对外输出功率 可用式（25）表示。

由上式频率给定值的公式可以看出，除了转子功率给定值Pr*和转速ωr其余量都是常数。在给定转子功率Pr*和根据转速测量仪测出的转速ωr后，便可得出频率给定值fs*，再带入式（14）可得定子磁链参考值，最后代入磁链控制环中应用到矢量控制中实现恒转子功率控制。则根据式（29）可控制转子功率恒定，且可以设置转子功率数值为负，这样系统的发电效率也会增高，本次仿真根据电机容量等实际情况设置恒转子功率运行下转子功率为-Prc。

3.3.2 恒定子频率控制模式

在图1的拓扑中定子电压被直流微网电压钳制为一恒定值，且由式（12）可知定子角频率和定子磁链成反比，因此为保证定子磁链不会超过饱和值，在恒转子功率控制模式下定子频率不能小于临界值fc，如果由Pr*=-Prc根据式（29）计算得到的fs*

在这种模式下转子功率的范围运行在-Prc和+Prc之间，如果切入风速所对应的转速、按fc计算的转差以及此时的转子功率在此限定范围内，则整个恒定子频率控制模式期间转子功率的绝对值就都运行在该功率限制值之内。再考虑高风速转速区域采用的恒转子功率控制模式，转子功率保持为-Prc，直流并网型双馈风电系统就在整个风速范围内都达到了限制转子功率的目的，在配置转子侧换流器时就可以降低容量，从而降低系统的成本。

3.4 RSC控制框图

图3同时给出了双馈风力发电机系统恒转子功率和恒定子频率控制模式的RSC控制框图，根据式（29）计算得到的fs*

4 仿真实现及分析

基于MATLAB/simulink仿真平台搭建如图1的直流并网型双馈风力发电系统模型，双馈风机的额定功率为1.5MW，额定线电压为690V。在频率为工频50Hz时可以计算得到定子饱和磁链是1.794Wb，当直流电压Udc为750V时，由式（14）可得在此该饱和磁链下临界频率为fc=42.4Hz。

在低风速范围内采用定子频率为fc的恒定子频率控制方法，在风速高于7.94m/s时切换为恒转子功率控制方法。这样在整个全风速范围下，转子功率的绝对值都限制在Prc=70kW内，实现了限转子功率运行控制，本文的仿真为了能够看到全风速范围变化的控制效果，将风速的变化设置为随时间以一定的斜坡值正比增加，因此以下波形均用风速作为横坐标，可以更加直观地观察到全风速范围下各物理量的变化。

由下图4可以看出，图3的控制策略成功的实现了磁链、转矩解耦控制。电磁转矩基本和风力机的输入转矩一样大。定子磁链的实际值也基本和给定值相等。在如图4的宽风速范围下，随着风速的增大风力机的转矩在增大，所以电磁转矩的绝对值也要随着增大。由于DFIG采用电动机惯例，电磁转矩是制动转矩所以电磁转矩在仿真中为负值，为了方便把电磁转矩和输入转矩做直观比较，所以把输入转矩人为变成负值。在MPPT模式控制下， DFIG的转速和风速成正比例关系，与公式（19）推导的结论一致。实现了宽转速范围运行。以风速7.94m/s为分界线在全风速范围内分为图（a）和图（b）两种控制方法。从图中可以看出在整个全风速范围内控制定子磁链在低于1.794Wb，使双馈电机没有饱和运行。但其弱磁深度稍低于额定值，所以在最高风速区间内定子电流会稍高于双馈电机的定子额定电流值。

在风速增大的过程中，定子功率绝对值也在增大。如果不对其进行控制，转子功率绝对值也会随之增大，所以转子侧换流器需要较大的容量，那么换流器的成本会大幅度增加。所以就要在全风速范围内限制轉子功率的数值。如下图5（c）波形图可以看出，在风速大于7.94m/s时随着定子频率的增大转子功率基本控制在-Prc，这时转子也向电网发电避免了功率的环流效率高。从图5（b）可以看出在风速低于7.94m/s时，采用恒频率控制（42.4Hz）随着风速的增大转子功率从Prc逐渐变化到-Prc。在低风速范围内也充分的利用了转子侧换流器的容量。这样在整个全风速范围下，转子功率的绝对值都限制在Prc内。图（a）是传统工频控制下全风速范围的定转子功率，这时转子功率变化非常大，明显较‘恒转子功率 和‘恒定子频率两种控制模式下的转子功率变化范围大，那么转子侧换流器容量也要相应的增大。所以在全风速范围下采取恒频率控制（42.4Hz）和恒转子功率控制来限制转子功率是很有必要的。

从下图可以看出随着风速的增大，定转子电流也随之增大。在风速10m/s时定子电流峰值将近2000A，其有效值将近1414A略大于1.5MW双馈电机的额定电流（1255A）。这是由于按照恒转子功率控制模式在转速为1800r/min时定子频率为57Hz，在一定的功率和转矩的情况下，定子磁链值小于其额定值，所以定子电流略大于额定值。这种情况的出现也是由于设置的恒转子功率的绝对值偏小所导致的。

由于随着风速的增大，从图4可以看出转矩在增大，所以电流要随着增大，则系统的损耗也要增大。从下图7可以看出随着风速的增大，系统的总损耗（定子铁耗和定转子铜耗）逐渐增大，即使损耗在不断增加但系统的效率却存在一个最高点并且全风速范围运行下系统的效率都在90%以上。这对于DFIG-DC系统的实际运行具有重要的指导意义。

5 结  论

直流并网型DFIG系统的拓扑采用定子侧通过不控整流并联直流微网时，定子频率可通过转子侧换流器的控制进行调节，基于定子磁链定向的矢量控制方法，在频率外环设置‘恒转子功率和‘恒定子频率两种控制模式。在MPPT控制下的低风速区以fc为给定值通过‘恒定子频率实现转子功率在一定范围内的变化，在高风速区通过‘恒转子功率模式控制转子功率为恒定值，实现了在全风速范围下的限转子功率运行控制方法。在整个过程中DFIG-DC系统较好地实现了限制转子功率的目标，进而降低了转子侧换流器的容量，在定子侧通过不控整流器件连接直流微网的拓扑下进一步降低了系统的成本。

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