面向LCC中压直流接入的双馈风力发电系统宽频率范围控制*

罗慧达, 崔学深, 崔存岗, 申旭辉, 汤海雁

(1.华北电力大学 电气与电子工程学院,北京 102206；2.中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司，北京 102209)

0 引 言

海上风电因其具有风速相对稳定、更加靠近负荷中心等优势，逐渐成为世界各国的研究热点之一[1-2]。对于离岸距离远、容量大的海上风电，传统的交流输电无法满足其输电需求。而直流输电因其输电线路造价低、无相位功角问题、运行稳定性好以及调度管理简便等优点，适合海上风电这样的远距离输电[3-7]。对于应用于海上直流风电场中的风电机组，永磁直驱风电系统因其控制相对简单且故障维护率低，成为大容量海上风电机组的首选机型[8]，但成本很高。而对于在风力发电中占有较大比重的双馈风电机组(DFIG)[9-12]，在发电机和变流器成本方面均远低于直驱风电系统，且没有转子退磁风险，仍具有不错的应用前景。

研究表明，众多直流风电场拓扑结构中，并联型海上直流风电场采用中压直流(MVDC)汇聚，高压直流传输最容易实现[13-15]。风电机组可以单独经交流变压器升压，整流后直接接入风电场中压直流汇集网络，这种中压直流并联型海上风电场各风力发电机组的控制独立。这里若选用永磁直驱，需要经过整流逆变再交流升压再整流，换流器过多，或先整流再经过DC/DC升压，DC/DC升压器的成本也较高。因此，本文选择对单台DFIG系统接入中压直流电网的控制策略和方法展开研究，在DFIG经整流环节单独直流并网的条件下，交流侧频率可以在一定范围内调节，通过控制DFIG的定子频率实时跟随风速转速的变化进行调节，就可以大大减小转差功率，减小损耗，提高系统运行效率。

在DFIG的直流并网研究中，主要有以下三种拓扑结构：(1)基于定子不控整流的DFIG直流并网结构；(2)基于电网换相换流器(LCC)的DFIG直流并网结构；(3)基于电压源型换流器(VSC)的DFIG直流并网结构。首先基于不控整流直流并网的拓扑结构虽然在换流器成本上最低，但由于采用的是不控整流，存在定子电压不可控的问题，在电机宽频率范围运行时会出现低频运行时的磁链饱和及高频运行时的弱磁过深等现象[16-17]。而VSC直流并网换流器成本较高。因此，本文选择针对基于LCC直流并网的拓扑结构的控制策略展开研究，既能控制定子电压跟随频率变化，成本也相对较低。

传统的基于LCC直流输电的双馈风力发电系统的转子侧换流器(RSC)大多直接采用与交流并网相似的控制策略，控制发电频率为50 Hz，没有充分发挥直流输电中发电频率不必严格控制为工频的优势。而传统LCC的控制大多采用定直流电流控制，除此之外，还有定直流电压控制、定有功功率控制等[18-20]。

本文针对基于LCC直流输电的DFIG系统，提出一种DFIG系统宽频率范围的控制策略。该控制策略主要通过RSC和LCC的协调控制实现，其中LCC可采用12脉波整流，从而减小谐波，提高电能质量[21]。具体控制策略就是在实现最大风能追踪控制和保持定子磁链不变的同时，对双馈风力发电机的定子频率进行适当调整，最终实现宽频率范围控制，从而提高电机运行效率。

1 系统拓扑和数学模型

1.1 双馈风力发电系统LCC-MVDC系统拓扑

图1所示是本文所研究的双馈风力发电系统LCC-MVDC拓扑结构。换流器与变压器一同集成于风电机组平台，单台DFIG经各自的换流器整流后，经过直流电缆接入海上中压直流换流站汇集。

图1 双馈风力发电系统LCC-MVDC结构

图1的DFIG系统拓扑结构中，本文设计采用的是1.5 MW双馈风力发电机，出口电压为690 V，经690 V/30 kV/30 kV的三绕组变压器升压输送至换流站，再经LCC整流与±30 kV中压直流网相连。

1.2 DFIG数学模型

本文采用异步电机在两相同步速旋转dq坐标系下的数学模型，该模型由三相静止abc坐标系经恒幅值坐标变换得到。因为d轴和q轴相互垂直，相互之间没有磁的耦合，极大地简化了DFIG的数学模型。本文在讨论DFIG数学模型时定转子侧均使用电动机惯例，即电流流入DFIG的方向为正，则以同步速旋转的dq坐标系下的定子和转子电压方程分别为

(1)

(2)

式中：Rs和Rr分别为定子和转子电阻；ωs为定子角频率(同步速)；ωs1为转差角频率，ωs1=ωs-ωr，而ωr为转子角频率；p为微分算子。下标s，r分别为定子和转子，下标d、q分别表示d、q轴。

定转子磁链方程为

(3)

(4)

式中：Ls为定子绕组自感，Ls=Lm+Lss；Lr为转子绕组自感，Lr=Lm+Lsr；Lss、Lsr和Lm分别为定子漏感、转子漏感和定转子互感。

dq坐标系下转矩方程为

(5)

式中：p为DFIG的极对数。

1.1 资料来源 选择2015-2016年嘉兴市妇幼保健院收治的卵巢储备功能低下不孕症患者74例随机分为观察组和对照组各37例。观察组患者年龄20～38岁，平均年龄(31.29±5.46)岁；病程6个月～13年，平均病程(5.08±1.24)年；其中原发型24例，继发型13例。对照组患者年龄21～40岁，平均年龄(31.89±5.78)岁；病程8个月～12年，平均病程(5.14±1.38)年；其中原发型22例，继发型15例。两组患者一般资料差异无统计学意义(P>0.05)，具有可比性

2 换流器控制策略

本文针对风力发电系统运行于最大功率跟踪(MPPT)工作模式下的控制策略展开研究。RSC基于定子磁链定向的矢量控制，实现最大风能追踪同时控制定子磁链保持恒定。LCC通过对触发角α进行调节控制定子频率随风速变化而变化。网侧换流器(GSC)则基于电网电压定向的矢量控制，实现两换流器间的直流母线电压的稳定及网侧无功功率的控制。由于与交流并网控制策略相同，本文不再赘述GSC控制策略。

2.1 RSC控制策略

在传统的DFIG矢量控制中，RSC通常是将定子有功无功进行解耦控制，两个外环分别控制有功和无功功率，实现最大风能追踪和定子侧功率因数的控制。本文中在同步旋转的dq坐标系下，RSC的矢量控制中将定子磁链和定子有功功率作为外环，转子电流ird和irq作为内环，控制有功功率是为了实现最大风能追踪，与传统控制相似，其原理这里不再赘述，而控制定子磁链是实现DFIG的宽频率范围控制的关键，下面重点介绍其控制原理。

将定子磁链定向在同步旋转dq坐标系的d轴方向后，得到以下定子磁链和定子电压方程：

(6)

(7)

由于本文采用恒定子磁链的控制，在忽略定子绕组上的压降的前提下，可近似得到：

usd≈0，usq≈us1=ωsψs

(8)

从式(6)～式(8)可以看出，定子磁链由定子侧相电压幅值us1和定子角频率ωs决定。因此，随着风速的增加通过调节晶闸管整流的触发角α，使得定子电压适当增加，同时控制RSC磁链环保持定子磁链为额定条件下的磁链不变，即可实现DFIG的宽频率范围控制。RSC具体控制框图如图2所示。

图2 RSC控制框图

从图2的控制框图可以总结出RSC矢量控制双闭环外环的控制思想，即对定子磁链环及功率环实施解耦控制，分别由转子d轴和q轴电流进行控制。功率除以转速等于转矩，因此实现功率控制也就实现了对DFIG转矩的控制。

图3 宽频率范围控制电机转速、定子磁链、转矩变化

2.2 LCC控制策略

LCC采用的是晶闸管整流，直流输电实际运行中为了提高功率因数，触发角α一般尽量控制得比较小。然而，为了确保触发前阀上有足够的电压，LCC有一个最小触发角的限制[19]。世界上大部分直流输电工程采用的最小触发角α均5°。因此，当风速为切入风速时，控制定子电压为触发角为5°时所对应的电压，此时电压小于DFIG的额定电压；当风速为DFIG转速恰好为额定转速所对应的风速时，控制定子电压为DFIG的额定电压。由此建立风速与定子电压之间的线性关系，再将此电压参考值按照式(8)计算得到定子频率参考值，当风速发生变化时，频率参考值与实际值的差值通过PI调节器输出作为触发角α的相关信号，从而实现定子频率的控制。而由于MPPT模式下风速与转速之间也是线性关系，因此，实际应用中将风速与参考频率的关系转变成电机转速与参考频率之间的关系更为实用。LCC控制框图如图4所示。

图4 LCC控制框图

12脉波整流后的直流电压与定子电压及触发角之间的关系为

(9)

式中：Ud为直流电压；U2为定子相电压有效值。

根据式(8)可知，定子磁链由定子侧相电压幅值us1和定子角频率ωs决定，也就是说，当风速增大时，通过调节触发角使得定子电压增大，同时RSC控制定子磁链保持不变，两者协调控制就能使定子频率与定子电压成比例增大，从而实现DFIG宽频率范围控制。全风速范围内定子频率与风速之间的关系如图5所示。

图5 全风速范围定子频率变化

2.3 RSC和LCC协调控制关系

图6给出了双馈风力发电系统RSC和LCC协调控制关系图。对于LCC的控制，因其为晶闸管装置，只需对其触发角进行控制即可。频率参考值和实测频率计算值之间的误差经PI调节器输出作为触发角α，并将该输出作为脉冲发生器的输入来产生控制LCC的脉冲信号。

图6 RSC与LCC协调控制框图

3 仿真实现

基于MATLAB/Simulink仿真平台搭建中压直流输电的双馈风力发电系统模型，其中DFIG的额定功率为1.5 MW，额定线电压为690 V，极对数为2，经690 V/30 kV/30 kV三绕组变压器升压后再经12脉波LCC整流与±30 kV直流输电线相连。在频率为工频50 Hz时可以计算得到定子饱和磁链是1.794 Wb。仿真模型中风速5.1 m/s为切入风速，对应发电机转速为900 r/min，定子频率参考值取触发角α=5°时的定子相电压418.8 V所对应的定子频率37.2 Hz；额定转速1 800 r/min对应的风速为10.2 m/s，定子频率参考值为50 Hz，此时电压为额定电压。下面通过比较本文所提出的宽频率范围控制与传统的恒压恒频控制的仿真结果来证明宽频率范围控制的优越性。

图7显示了两种控制策略全风速范围内转差率及定转子功率的变化。因为本文定转子采用的都是电动机惯例，所以仿真中功率为负表示向外发出功率。采用宽频率范围控制时由于控制频率随着风速增加而增加，使得转差在一个更小的范围内变化，转子功率的变化范围也更小，从而减小低风速时定转子之间的功率环流。

图7 两种控制策略全风速范围转差及定转子功率变化

图8显示了两种控制策略下DFIG定转子铜耗和定子铁耗随风速的变化。由于两种控制策略都运行于MPPT模式，转矩相同，而且全风速范围内磁链都保持额定磁链，因此电机铜耗基本相同。而宽频率范围控制在低风速时降低了频率，从而有效地减小了电机铁耗，提高了电机的运行效率。

图8 电机铜耗及电机铁耗

图9 DFIG总损耗及效率

图9给出了两种控制策略的DFIG的总损耗及效率。从图中可以看出，宽频率范围控制的损耗在全风速范围内都小于恒压恒频控制，从而证明宽频率范围控制能够提高电机效率，实现节能的目标。这对于发电领域有着十分重要的意义。

4 结 语

双馈风力发电系统宽频率范围控制策略，随着风速提高，在保持定子磁链不变的同时，通过调节晶闸管整流的触发角提高定子侧频率。仿真结果证明，宽频率范围控制的运行特性明显优于恒压恒频控制，能够使得转差率在一个较小的范围内变动，从而减小定转子间的功率环流。此外，宽频率范围控制还能降低能耗，使系统更加经济、高效地运行，这对于双馈风力发电系统的实际运行有着十分重要的意义。