变速恒频风力发电机空载并网控制研究

宋铮 吕敬高

摘 要：文章通过对变速恒频风力发电机发电原理研究的基础上，运用矢量变换控制技术对空载并网进行控制，并探讨了控制策略;通过仿真实验证明了空载并网方式对变速恒频发电机的有效性，本文所开发的空载并网技术是变速恒频风力发电机的一种较理想并网方式。

关键词：风力发电机;变速恒频;空载并网

中图分类号：TM614 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）20-0142-02

0 引言

变速恒频发电是二十世纪末期研发的一种适用于可再生能源开发的新型发电方法，该种发电方式对于风力发电的效果尤为明显。其优势主要体现在以下几方面：第一，能够提高风能转化为电能的效率，降低风力施的机械应力，有效的保护涡轮机的运作;第二，本次空载并网中运用的矢量控制措施，可以实现电网的有功和无功功率的输出，实现变速下恒定频率操作，并且，可以根据发电情况，对发电转子进行交流励磁，从而调节电流的幅度、频率等，最终提升电力系统的灵活性和稳定性。

1 VSCF风力发电原理

1.1 发电原理

如图1所示，变速恒频风力发电系统的转子由PWM逆变器作用，该逆变器可以实现双向能量流。在风速变化时，要想将定子频率稳定在电网频率中，就必须要改变转子逆磁电流的频率。

（1）

式中：代表的是电网频率;

代表的是转子的机械旋转角频率;

代表的是转子励磁电流频率;

P代表的是极对数。

的符号变换会影响转子励磁电流的相序，当>0时，次步运行的相序为正，简单来说，转子电磁电势的旋转方向与机械旋转方向呈正相关关系;当<0时，转子电磁电势的旋转方向与机械旋转方向呈负相关关系，即次步运行的相序为负。而恒压控制在此时发挥作用，通过调节转子绕组电流的幅度值、相位来实现矢量方程。

通过调整发电机输出电压的幅值和相位，检测电网电压和电机的转速，并根据电压和电机转动的实际情况来调节转子电流，从而满足电网连接需求，实现灵活并网。

1.2 磁场定向下发电机空载并网控制策略

空载并网的前提条件是，发电机在电网连接之前不参与能量和速度的控制，即没有任何负载，其原动机完全控制发电机速度。由于电压对定子端子的作用，在连接电网时，定子电流逐渐减小，直至与电网电压相同。电网连接后，为例实现最大功率点，有必要切换到稳态并网控制方案。

本次空载并网系统主要是由DFIG的功率控制，转子侧PWM变换器实现。所以，对于转子侧PWM变换器的研究也是十分有必要的。空载电网连接之前，定子侧是开路的，其约束管辖表现为：，将其带入方程：

（2）

如果采用电网电压定向且忽略定子电阻，因为并网过程对定子侧动态性要求不高，故忽略其动态过程，只考虑起静态模型，有：

（3）

由此可得：

（4）

上述公式可以作为DFIG转子电流内环控制器的设计依据，在电网电压定向变速恒频风电并网之前。

2 空载并网仿真与实验研究

通过仿真和实验来检验空载并网措施的效用，使用参数为：P=3kW代表的是双馈电机额定功率;f=50Hz代表的是频率;定子联结方式Y接，电阻1.95Ω，电感9.04mH;转子联结方式Y接，电阻3.54Ω，电感9.04mH;励磁电阻9.42Ω;激磁电感258.5mH;参数均折算到定子侧。

如图1-4所示，是t=0.5s时的并网控制模拟波形。其中，图2显示的是定子的有功和无功功率。在电网连接过程中，由于定子和转子之间磁场的波动，加上电源发送到电网P=3kW，Q=0kvar的作用下，使得定子和转子产生无功功率的交换;图3显示的是电机速度和电磁转矩情况。其中，=0时表示的是发电机带了负载，当的数值稳定在-38N.m上，P值会产生一定的波动，其转速会由原来的1400r/min降低到1000r/min。图4显示的是定子的电压和转子的电流变换情况。定子的电压相对稳定，不会受电网连接的影响，而转子电流频率会随着电动机速度的波动而波动。仿真实验表明，本次电机空载并网设计具有较好的动静态性能和控制精度，且并网过程相对稳定。

如图5所示，实验的整个系统由TMS-320LF2407A定点DSP控制。其中，直流电动机模拟风机，完成变速恒频双馈电机控制系统的功能性实验。

本次实验中使用的不是专门设计的发电机，而是一种普通的绕线异步电动机—DFIG。在转子激励发电增强情况下，转子磁路达到饱和状态，导致转子电流失真，定子电压也因此无法发挥作用。要解决这一问题，就必须以等效地降低定子端电压和相应磁路的饱和，只需要在DFIG的网格中增加一个200V/380V升压变压器即可。

当定子AB、转子ab相上直流电压增加时，便可确定转子的起始角度，这时候的定子和转子相当于两个磁铁，处于一个相对固定的位置。此时用光电编码器记录下的位置便是转子的起始角。

并网前电机速度的增加对电网连接的影响较小。转子电流外的电压增加，能够影响定子电压和电网电压匹配的精确程度。由于控制模型中Lm的影响，使得抑制定子电压上升的负反馈允许系统的作用范围更加宽泛，Lm参数的动态识别，能够促使负反馈系统实现灵活的电网连接。

3 结语

本文主要采用了PWM逆变结构实现变速恒频风力发电机的空载并网，在矢量控制技术的支撑下，简化了控制环节，实现了定子磁链矢量控制的功能。通过DFIG有功、无功功率的控制，有效的补偿了电网中的无功功率需求，并提升了电力系统调节的灵活性。在换挡的情况下，空载并网系统中几乎没有涌入电流，而发电机和电网之间的连接，有效的控制了发电机的定子电压，从而满足并网需求。仿真实验证明，该种并网方式是最理想的。

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