并網型雙饋風力發電機組的動態模型仿真研究

凌志剛 李含善 高絹絹

（內蒙古工業大學電力學院，呼和浩特 010080）

1 引言

近年來，隨著風電機組單機容量的不斷擴大，對并網型風電機組的運行要求也日益嚴格。在DFIG風力發電機組中，雙饋風力發電機組的定子直接與電網連接，并通過勵磁變頻器控制轉子電流的頻率、相位、幅值來間接調節定子側的輸出功率。變速恒頻雙饋異步發電機的優點有：①調速范圍寬，即超同步運行和亞同步運行；②有功和無功功率可獨立調節；③勵磁變頻器容量較小等。隨著DFIG風電機組在電力系統中所占容量的增大，發電機與局部電網之間影響越來越大，必須將風力發電機與電網看做一個整體，要求風電機組在電網電壓跌落時不能脫離電網即要求DFIG風電機組具備低電壓穿越能力。雙饋電機的定子直接接入電網，轉子AC-DC-AC雙PWM雙向變流器與電網連接。為了了解雙饋電機在風速變化和故障情況下的暫態特性，本文以PSCAD為平臺建立了DFIG的動態模型，轉子側和網側變流器模型以及控制策略。最后通過仿真驗證模型的有效性[1-4]。

2 雙饋電機的數學模型

根據雙饋電動機的特點，選擇兩相旋轉坐標系dq代替三相靜止ABC坐標系上的真實變量，通過坐標變換得到同步旋轉坐標系下的雙饋電機數學模型。

將磁鏈式代入電壓方程式，得到dq坐標系下的電壓—電流方程

式中，R1和R2為定、轉子繞組電阻；Ls、Lr、Lm為分別為定轉子間的自感、漏感、互感；ud1、uq1、ud2、uq2為定轉子電壓d、q軸分量；ψd1、ψq1、ψd2、ψq2為定轉子磁鏈d、q軸分量；ω11為定子旋轉磁場速度；ω12為轉差角速度；p為微分算子；LL為發電機輸入轉矩；Te為發電機電磁轉矩；J為發電機轉動慣量；np為極對數。根據發電機慣例，電磁轉矩的方向與旋轉方向相反，得出雙饋電機同步旋轉參考坐標系下的動態等效電路圖，如圖1所示。雙饋電機動態模型對雙饋電機風電發電系統的仿真有很重要的作用。

圖1 雙饋電機的d-q軸動態等效電路

3 網側變換器控制模型

網側變換器的直流電壓由電壓外環控制，電壓控制器的輸出作為電流內環給定。電流控制器使交流側電流快速跟蹤給定電流，同時由于對電流指令的限幅，能夠對變流器進行過流保護。電流控制器的輸出再與各自的解耦項和電網電壓擾動前饋補償項運算后得到變換器交流側參考電壓，再進行坐標變換，利用該信號進行脈寬調制，產生驅動信號實現對網側變換器的控制。根據雙饋感應風力發電系統的要求，網側變換器的控制目的是：保持輸出直流母線電壓恒定具有良好動態響應能力的同時，確保交流側輸入電流正弦，功率因數為 1。直流母線電壓的穩定與否取決于交流側與直流側的有功功率是否平衡，如果有效地控制交流側輸入有功功率，則能保持直流母線電壓穩定。而輸入電流波形正弦與否主要與電流控制的有效性和調制方式有[5-10]。其控制如圖2所示。

圖2 網側變換器控制框圖

4 轉子側變換器控制模型

轉子側PWM變流器矢量控制如圖3所示。感應發電機被控制在同步旋轉dq坐標系下，將同步旋轉d軸定向在定子磁鏈的方向上，以確保定子側向電網的有功和無功功率的解耦控制。為發電機提供了比較廣泛的速度運行范圍，實現風能最大捕獲的最優速度追蹤。定子側流向電網的有功功率和無功功率

整個控制系統采用雙閉環結構，外環為功率控制環，內環為電流控制環。在功率環中P按照風力機的最大風能捕獲功率計算給出，Q根據雙饋感應發電機不同的無功功率控制策略計算給出：當要求雙饋電機按恒功率因數控制時，控制機組的無功功率，使機組按規定的功率因數運行；當要求劇組恒電壓控制時，則根據系統的無功功率要求，調節機組的無功功率，可使機端電壓在設定值。在計算出Ps和Qs后，分別與功率反饋值P、Q進行比較，差值送入帶積分和輸出限幅的PI型控制器，輸出轉子電流的有功分量和無功分量的參考指令值idr和iqr，idr和iqr與轉子電流反饋量id2和iq2比較后的差值送入帶積分和輸出限幅值的PI型控制器，調節后輸出轉子電壓分量與r，在加上電壓補償量，即可得到轉子電壓指令和，經坐標變換后得到三相靜止坐標系下的控制指令ua、ub和uc，經SVPWM調制后控制變流器的開關狀態，使變流器輸出的電壓為輸出電壓的期望值。

圖3 轉子側變換器矢量控制結構圖

5 并網風力發電機組仿真分析

本文基于雙饋感應風力發電機模型，采用定子磁鏈定向的矢量控制策略進行仿真，仿真參數表1所示。

表1

根據運用，在PSCAD上建立的模型分別對風速變化和電壓跌落進行仿真分析。

5.1 風速變化時的仿真分析

初始風速為10m/s，當t=3s時風速變為13m/s，在這種情況下得到仿真結果如圖4所示。

圖4 速變化仿真結

由圖 5可知，風速低于額定風速時，槳距角β= 0，風速超過額定風速時，槳距角發生變化，調節系統起動，使 DFIG輸出功率穩定在額定功率附近，風電機組輸出的無功功率基本保持不變，有功功率跟隨風速的變化進行調節，有功的調節使風機可以實現最大風能追蹤，在整個過程中轉子電流的頻率發生變化，而定子電流的頻率保持不變，實現DFIG的變速恒頻，P、Q得到解耦。

5.2 電網電壓跌落的仿真分析

在電網電壓發生跌落之前，雙饋感應風力發電機組以恒功率因數運行。機組工作在額定運行狀態，此時風速為10m/s，系統在t=3s時發生三相短路故障，導致電網電壓跌落50%，故障持續時間為0.2s，t=3.2s時電網電壓恢復，則雙饋風電機組運行特性曲線如圖5所示。

從圖5可知，當電網電壓發生跌落和電網電壓恢復時，發電機的定子和轉子繞組產生較大的電流，同時直流母線電壓也發生波動，對于雙饋感應電機的定子繞組，只要故障期間短路電流不超過雙饋感應發電機定子繞組所允許的極限值，故障期間的過電流是允許的，而雙饋感應電機的轉子側與變流器相連。受變流器中電力電子器件的耐壓和過流能力的限制，轉子側變換器將很難承受雙饋感應發電機這一嚴重的電磁暫態過程。為了保護轉子側變換器和直流耦合電容，需要對其采取相應的保護措施。

圖5 電網電壓跌落50%時的仿真結果

6 結論

本文建立了雙饋感應發電機的動態模型、變換器模型。變換器控制采用定子磁鏈定向矢量控制，本文分別對風速變化和電網電壓跌落情況下，并網運行的風力發電機組進行仿真，從所得到的仿真結果可以看出，風速變化可以對有功功率進行調節，從而實現最大風能追蹤以及雙饋電機的變速恒頻和有功功率和無功功率的解耦控制。從電網電壓跌落仿真表明制約雙饋感應風力發電機組低電壓穿越能力的兩個因素是轉子側變換器輸出電流的上限和直流母線電壓的上、下限，還可以看出雙饋感應發電機使用矢量控制策略能夠提高變速風力發電機組的低電壓穿越能力。當電網電壓發生跌落時，雙饋感應發電機能夠實現不脫網運行，持續并網，為風電機組的故障穿越提供了一些理論依據。

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