双馈变速恒频风电系统控制研究

陈诚　钱磊　苏俊

摘 要：文章以双馈异步电机为风力发电的变流器，分析了双馈式变速恒频风电系统在功率因数校正、电网电压畸变及无功补偿方面的控制策略，重点介绍了双馈变速恒频风电场系统，基于功率因数校正的控制方法分析了双馈异步发电机并网运行时电网电压畸变对风力发电系统运行稳定性和电能质量的影响，最后通过仿真验证了控制策略的正确性。仿真结果表明：文章提出的双馈变速恒频风电系统可以有效改善双馈异步电机并网运行时因电压畸变带来的性能下降问题。

关键词：风力发电 调速控制 变速恒频 并网控制

1 引言

根据国家能源局的统计数据，2022年我国用电量继续保持上升势头，全年用电量达到8.4万亿千瓦时，同比增长2.2％。2030年，我国一次能源消费预计将达到60亿吨标准煤左右，若希望其中传统能源占比不超过80％，则意味着二十年内非化石能源需增加一倍之多[1]，任务依旧十分艰巨。随着风电技术和风力发电机组技术水平的提高，风电机组单机容量不断增加，风电行业向着大功率、高功率密度方向发展。

目前双馈风电机组的主流控制方式为电流源型矢量控制方式，但其缺乏自主的频率与电压支撑能力，而电压源型虚拟同步机控制方式能解决上述缺点，通过一种双馈风电机组电压源电流源双模式运行平滑切换控制策略，分析以上两种控制方式，使控制模式切换问题转变为保证电流内环输入与相位平滑切换问题[2]。薛利晨等[3]在DSPACE环境中实时实现基于双馈感应发电机（DFIG）的风能转换系统（WECS）的自适应非线性控制策略，而且DSPACE-DS1104板与风力发电系统的实验台直接相关[4]。目前，非线性反步控制器已经实现，用于控制通过两个转换器（电网侧和机器侧）直接连接到电网的双馈风电机组的转子动能和减载功率。针对双馈异步风力发电机组的特点，孙浩宁等[5]从转子动能入手，通过控制减载运行方式，协调风机的转子动能与减载功率之间的关系，控制转子能量的释放过程，充分利用转子的旋转动能，可以提升风机电网调频能力；从另一个方面来说，随着风电渗透率的不断提高，双馈风电机组能够快速响应电网频率的变化，具有重要的惯性响应特性。

有学者从双馈感应发电机的励磁控制原理入手，对比了同步发电机在故障下的瞬态频率特性，提出双馈感应发电机可以通过励磁来控制发电机的转速或有功功率[6]。为了减少风电场节点电压偏差和网络损耗，王耀翔等[7]基于双馈风电机组有功功率数据，估算出机组的无功功率极限，并分析了风电场的无功容量构成及计算方法以减小风电场节点电压偏差、降低网络损耗和利用风电机组无功潜力为目标，构建多目标问题，最后利用优化算法求解。针对变速恒频双馈风力发电励磁控制问题，彭睿等[8]基于控制算法和控制技术对变速恒频风力发电关键技术进行研究分析，减少了波动电压、电流的影响。为了解决原风电模型中存在的部分耦合和非线性问题，不少学者[9-11]有效地开展了这方面的工作，为研究高性能控制策略打下了基础。针对风电机组参与电力系统调频、风电功率预测等问题，徐鹏超等[12]通过研究双馈风电机组参与系统惯量和一次调频分析，提出了附加转速优化虚拟惯量控制，为电力系统持续提供有功功率支撑，阻止系统频率进一步下跌。Liu Zhichao等[13]提出一种自适应VSPS动态虚拟惯量控制策略，通过动态补偿双馈变换器的参考功率，该策略能够有效提高电网的频率稳定性。张宇森等[14]针对电网电压定向的双闭环控制策略设计了一种模糊控制算法以优化其控制效果，經仿真实验验证控制效果良好。

可以发现，双馈电机具有结构简单、低噪声、无机械运动部件等优点，在风力发电中得到了广泛的应用，目前已有许多学者研究了双馈电机的控制策略。本文所提出的控制方法是将一台双馈异步电机和一台永磁同步发电机串联起来组成两个变速恒频风电系统，分别采用矢量控制方式实现功率补偿和电压调整。基于 PSCAD/EMTDC平台搭建仿真模型验证控制策略的正确性。

2 双馈变速恒频风电场系统介绍

本文所提出的双馈变速恒频风电系统是一种通过改变发电机转子的转速来控制双馈异步发电机转子的转速，实现风机最大功率运行的风电系统。双馈调速系统主要由双馈异步电机、三相交流同步发电机、三相逆变升压变换器及 SVPWM调制方法等组成，双馈异步电机采用了定子电阻较小，定子电流不对称的永磁同步电机。

风机额定转速下的功率和转速关系如图1所示。

通过双馈式变流器和三相逆变升压变换器可以实现风机在额定转速下最高发电功率最大且变速恒频运行，并保持并网逆变器最大电流输入功率为零。

对于电网电压畸变问题，根据双馈异步电机功率因数校正原理和矢量控制原理，利用双馈式变流器将额定负载条件下并网逆变器输出电压波形中直流侧电压进行正序分量变换得到有功分量和无功分量。

3 双馈风电机组的数学模型及参数

考虑到风的随机性和不确定性，为了使整个风电系统具有较好的稳定性，应采用非线性模型。本文研究的双馈风电机组数学模型为两台异步电机，其转子和定子绕组均由对称型绕组场形成，转子电流矢量方向与定子场矢量方向相同。转子转矩为ω=0的情况下，当转速低于某一固定值时，电机旋转方向保持不变。在双馈风电机组中，永磁同步电机（PMSM）工作于低频转矩模式（LF）并联运行方式；而定子绕组（GH）通过电感耦合方式实现高频运行。从上述数学模型可以看出，风电机组具有较好的解耦性能和稳定性。

本文根据双馈风电机组的具体结构及电机学原理，建立了如下所示的双馈风电机组数学模型，有：

式中，——同步转速（r/min）；——转子磁场在空间的旋转速度（r/min）；——转子磁场相对于转子的旋转速度（r/min）；——转子的旋转速度（r/min）。

将上式可以化成：

式中，，频率的单位为HZ。

由上式可知，不管转子的旋转速度怎么变化，双馈风电机组都可以通过改变其变流器转子绕组的电流频率，使定子侧电流频率维持稳定，因此达到了变速恒频的目的。

4 双馈风电系统的变速恒频控制策略

通过建立风电机组的数学模型，并对其进行分析后建立双馈风电机组的最大功率点跟踪控制策略。

风电机组的风能利用系数是叶尖速度比λ的函数，图2为某一固定风速下的与λ的关系图。图中，即为最大功率点追踪控制的最大输出功率点。可通过控制风电机组的转速调节叶片角速度，实现风电机系统的最大功率点追踪。此时，风电机的转矩参考值可利用描述，如式（3） 所示。

式中：ρ为空气密度，kg/m3；R为叶片半径；为最佳叶尖速比；为风机风轮角速度。

即式（3）可根据风速、风能利用系数计算最大功率点处风电机组的转矩，作为控制策略的转矩参考值。

为使双馈风电系统在变速恒频运行下更稳定运行，本文提出一种双馈式风力发电系统结构，如图3所示。

4.1 功率因数控制策略

对于双馈异步永磁同步发电机，功率因数校正策略可以采用控制方法实现。在实际的双馈风力发电系统中，随着双馈异步发电机的单机容量增大，其有功功率和无功功率会随之增大。此时在双馈异步电机中可以用电压矢量的控制方法来实现。电压矢量与有功功率控制可以采用矢量切换方式或者电压矢量与有功功率的切换方式进行。但是传统的电压矢量切换方式存在以下问题：由于双馈异步发电机具有复杂的非线性模型和非线性特性，同时，系统中存在两个独立工作点，使得传统的电压矢量法很难实现两个稳定解耦；另外，如果所采用的电压矢量数目过多或者控制信号发生突变时，双馈异步发电机将无法进行有效地解耦。

针对上述问题提出了一种基于两点坐标同步调节方法来实现双馈异步发电机的解耦控制；同时提出了一种改进的双馈式转矩控制方法来实现双馈式电机转速与有功功率和无功功率之间相互解耦。

4.2 电网电压畸变控制策略

并网运行时，双馈式变速恒频风电系统和双馈异步发电机的控制策略如下：

1）双馈异步发电机的有功功率由风机发电功率决定，在一定风速范围内其出力随电网电压升高而减小，不会引起机组失速；

2）风力发电系统具有较大的容量，双馈异步发电机有功功率与风机输出有功相匹配，可有效提高风机在额定风速下的输出功率；

3）双馈异步发电机有功侧与无功侧之间没有交互作用；

4）双馈异步风机、双馈同步发电机具有较好的动态性能；

5）并网运行时，不存在因电网电压畸变引起风力机出力和转速波动，也不会因电压畸变引起功率波动和电压偏差。

电网电压畸变控制原理如图4所示。

由图4可知：双馈风机和双馈异步电机在额定风速下并网运行时对电网电压的影响较大，但由于风力机在额定风速下并未与风电机组同时并网发电，因此对系统影响最大的环节为两台风机并网运行。

4.3 无功补偿控制策略

在无功补偿方面，由于风机容量大，功率因数低，风机的转速较高，所以为了防止电机过负载会产生的负序电流影响系统电压稳定，应进行无功补偿。

在传统的 PSCAD仿真软件中可以建立风机与变流器之间的虚拟样机并进行仿真。仿真前首先通过 Matlab搭建风机模型，然后根据系统模型对变流器的控制策略进行设计，包括并网变流器电压电流闭环控制方案设计和功率补偿方案设计以及有功无功功率的闭环控制方案设计。当电网电压发生畸变时，在并网变流器输入端加入无功调节器可以有效地减少网侧功率因数降低，抑制谐波产生。通过对风机的虚拟样机进行仿真研究发现：当风机并网时其输入为正弦波时风电场在额定风速下可获得较高功率因数。根据双馈式变速恒频风电系统中风机与双馈异步发电机间有功和无功转换关系仿真曲线图可以看出：在给定风速下并网运行时有功功率和无功功率的差值较小。另外，根据仿真结果可以发现当网压升高时并网逆变器电压会出现负序现象这一现象也得到了有效改善。

5 仿真研究结果与分析

本文以双馈风电系统为研究对象，建立了如下的仿真模型：

风机转速为[12，12]；电网电压为[12，5]，电压畸变指数分别为[0.003，0.005]、[0.007，0.006]，其中电压畸变指数均与额定电压偏差不超过5%；风速为[12，18]。

根据仿真模型的参数设置进行仿真试验：

1）风机转速和风机有功功率、无功功率变化率曲线图见图5：

2）風电机组输出功率曲线随风速和额定风速变化：风速增加至30m/s时最大功率点的输出功率增加到6800kW左右。

3）网侧电压畸变指数随着电网输入电压畸变率的增加而减小：当输入电流为500A、220V时，电网电压畸变率分别为0.35%、0.08%；当输入电流为1A、110V、380V时，电网电压畸变率分别为0.03%、0.02%和0.006%。

6 结论

本文针对双馈异步式风电系统，提出了一种双馈式变速恒频风电系统的功率因数校正控制策略，重点研究了双馈异步电机输出电流的谐波分析方法，并根据该方法设计了双馈式变速恒频风电系统功率因数和电压的控制策略。通过仿真验证表明，该双馈风机系统功率因数可以达到0.95以上。但是，由于双馈异步电机采用双速运行，使双馈异步电机在额定转速下并网会导致电网电压发生畸变。因此针对双闭环功率因数校正控制所带来的电能质量问题，本文提出了一种无功补偿算法以解决上述问题。通过设计一种基于功率因数校正的无功补偿算法来实现双馈式风电系统与电网电压畸变的隔离。仿真结果表明：在额定风速下可以有效地抑制电网电压畸变。通过对双馈风机并网控制系统进行设计分析，建立了一套完整的双馈风力发电系统数学模型。

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