雙饋風電機組的功率控制技術研究

2013-08-15 07:46:36魯志平王東

電氣技術 2013年7期

魯志平王東

（保定天威風電科技有限公司，河北保定 071051）

近年來，我國風電產業發展迅速，引人矚目。2010年，我國風電新增裝機容量1890萬kW，居世界第一位。截至2010年底，我國已建成風電場800多個，風電總裝機容量（除臺灣省外）4473.33萬kW，超過美國，居世界第一位。截至 2011年底，我國風電總裝機容量達到6256.42萬kW[1]。首個海上項目上海東海大橋風電場安裝34臺國產3.0MW風電機組，也于2010年6月實現并網發電。“十二五”期間，我國還將規劃建設6個陸上和兩個海上及沿海風電基地。

但是，由于風力發電的輸出功率具有波動性和間歇性，大規模風電并網容易引起系統的頻率、電壓的波動，嚴重影響系統的安全運行。在國家電網公司的推動下，我國對風電場接入系統的條件進行了研究，在《GB/Z 19963—2005風電場接入電力系統的技術規定》的基礎上，于2011年12月頒布了新的國家標準：《GB/Z 19963—2011風電場接入電力系統的技術規定》，2012年6月開始實施，對風力發電機組的有功和無功功率控制能力要求更加嚴格。因此，對風力發電機組的有功和無功功率控制方法進行研究，對風力發電的快速發展具有重要意義[2]。

本文首先建立了變速恒頻雙饋風力發電機組的數學模型，進一步對雙饋風力發電機組的有功和無功調控能力進行了分析。在此基礎之上，本文對實現風力發電機組實現有功功率和無功功率控制的方法進行了研究，并利用PSCAD/EMTDC仿真平臺驗證了該方法的可行性。

1 雙饋風力發電機組動態數學模型

雙饋風力發電機組（DFIG）以其風能利用率高、變頻器額定容量小等優勢成為目前國內外風電市場上的主流機型，主要由風力機、傳動系統、雙饋異步發電機、雙 PWM變頻器、機艙和塔架等構成。風力機從風中捕獲能量，將之轉化成機械能，通過傳動系統將機械能傳遞給發電機，發電機將機械能轉變成電能輸送至電網。發電機的定子直接與電網相連，轉子通過雙 PWM變頻器與電網相連。靠近發電機轉子的變頻器稱為轉子側變頻器，與電網相連的變頻器稱為網側變頻器[3]。雙饋風力發電機組的結構圖如圖1所示。

圖1 雙饋風力發電機組的結構示意圖

1.1 風力機數學模型

根據動量理論，風力機的空氣動力學模型[4]可表示為

式中，Pm為風力機輸出的機械功率；ρ為空氣密度；A為風輪的掃掠面積；V為風速；ωm為風力機的轉速；λ為葉尖速比；β為葉片的槳距角；Cp為葉片的風能利用系數，Cp是λ與β的函數。

1.2 雙饋風力發電機組動態數學模型

雙饋電機動態數學模型的定子側以發電機慣例為正方向，轉子側以電動機慣例為正方向，于是得

電壓方程：

磁鏈方程：

式中，下標s、r分別代表定子和轉子；rs、rr分別為定子和轉子電阻；Ls、Lr分別為定子和轉子電感；Lm為定子和轉子互感；ωn為同步轉速；ωs=ωn-ωm。

發電機轉子運動方程為

式中，J為發電機轉子轉動慣量；Tm為風力機對發電機的機械轉矩；Te為電磁轉矩；ω為發電機轉速；p為發電機極對數。

1.3 雙饋風力發電機組控制系統數學模型

1）變頻器控制系統數學模型

雙 PWM變頻器是由兩個背靠背的三相電壓源型整流/逆變器構成，連接于發電機定子和轉子之間，如圖2所示。在本文所建立的單機全仿真模型中，電網側變頻器采用定子電壓定向控制技術，轉子側變頻器采用定子磁鏈定向控制技術。通過對雙PWM變頻器采用矢量控制技術，可使能量在發電機定子和轉子之間雙向流動。風速變化時，調節發電機的轉速能使風力發電機追蹤最大風能，維持系統頻率恒定，并實現有功功率和無功功率的解耦控制。

圖2 雙PWM變頻器主電路結構圖

圖2中，ua、ub、uc是電網三相交流電壓，rg、Xg分別為變頻器電網側的等效輸入電阻和等效電感，ia、ib、ic分別為電網側變頻器三相輸入電流，idcg是電網側輸入的總電流，C為變頻器直流環節的儲能電容，udc、idc分別為直流環節電容電壓和電流，r2、X2是轉子側變頻器與雙饋發電機轉子之間的等效電阻和等效電感，ea2、eb2、ec2是雙饋發電機轉子側的感應電壓。

電網側變頻器采用電壓定向控制技術，控制模型為

式中，ugd、ugq為電網電壓的d-q軸分量；ugsd、ugsq、igd、igq分別為電網側變頻器的電壓、電流的 d-q軸分量。

轉子側變頻器采用定子磁鏈定向控制技術，控制模型為

電網側變頻器采用SPWM脈沖觸發技術控制可關斷器件，使直流環節電容電壓保持不變；轉子側變頻器采用電流滯環控制技術產生觸發脈沖控制可關斷器件，實現有功功率和無功功率解耦控制。

2）變槳距控制系統數學模型

變槳距控制系統能通過控制槳距角的大小調節雙饋風力發電機組的功率輸出。當風速超過額定風速時，槳距角動作，使發電機輸出功率維持在最大功率以內，以免造成電氣、機械等設備損壞。同時，變槳距系統也可參與系統的有功調控，滿足電網對風電場功率輸出要求。

變槳距控制系統的數學模型為

式中，β為槳距角動作值；βref為槳距角動作參考值；τ為槳距角控制器伺服機構的時間常數。

變槳距控制系統的控制框圖如圖3所示。

圖3 槳距角控制框圖

2 雙饋風電機組的功率控制

2.1 有功功率控制

一般情況下，當風速低于額定風速時，風力發電機組的槳距角保持為零，通過調整機組的轉速，使風力發電機組保持最佳葉尖速比，進行最大風能追蹤；當風速高于額定風速時，風力發電機組的轉速保持不變，通過調整風力機的槳距角，使風力發電機組的輸出恒定的額定功率。在特殊情況下，風力發電機組需要根據調度的要求，對風力發電機組的有功功率輸出進行主動控制。必要時，還可將風力發電機組從系統中切除，以滿足系統的有功功率平衡[5-6]。

由式（1）可得，當風速V不變時，風力機輸出的機械功率為風能利用系數Cp的函數。對于變槳距風力發電機組，Cp的可近似表示為

風能利用系數Cp與葉尖速比λ和槳距角β之間的關系曲線如圖4所示。

圖4 風能利用系數曲線圖

因此，風力發電機組的有功功率可通過兩種方式進行控制：調整風力機的葉尖速比；調整風力機的槳距角。

調整風力機的葉尖速比，即是通過控制雙饋電機轉子繞組的勵磁電流，增加發電機的勵磁轉矩，使機組的轉速減小，從而達到調整風力機輸出功率的目的。但是，隨著發電機電磁轉矩的增大，流過變頻器的電流也相應增大，而變頻器的容量較小，較大的電流會對器件的壽命產生影響。因此，利用此方式控制風電機組有功功率輸出的能力非常有限，并且容易損壞機組，故實際中該方式較少采用。

調整風力機的槳距角，即是通過改變葉片的槳距角，控制葉片的氣動受力，從而調整風力機從風中吸收的能量，達到調整風力機輸出功率的目的。變槳系統能使葉片的槳距角在0～90°范圍內大范圍變動，調整幅度較大，能夠有效調整風力機的輸出功率。因此，本文選用通過調整風力機槳距角的方式，對風力發電機組的有功功率輸出進行控制。

2.2 無功功率控制

雙饋風力發電機組能夠通過采用矢量定向控制技術，實現對組有功功率和無功功率的解耦控制。轉子側和網側變頻器一般分別采用基于定子磁鏈定向和基于電網電壓定向的矢量控制技術。通常情況下，為了最大限度的利用風電機組的容量，使機組輸出功率的功率因數保持為1，即風電機組與電網沒有無功交換。但是，根據有關風電場接入電網的技術規定，要求在特殊情況下，風力發電機組能夠發出無功功率，調節風電場的并網點電壓。

根據分析，雙饋風電機組定子側無功功率的調節范圍為

式中，Qsmax、Qsmin分別為發電機定子側無功功率輸出的最大值和最小值；Ps為發電機定子側的有功功率輸出；Us為電網電壓的幅值；Irmax為轉子側變頻器最大允許電流值；Xm為發電機的激磁電抗；Xs為發電機定子繞組電抗。

雙饋風電機組轉子側無功功率的調節范圍為

式中，Qcmax、Qcmin為網側變頻器無功功率極限；Pcmax為網側變頻器設計的最大功率；s為發電機的轉差率。

因此，雙饋風電機組的無功功率調節范圍為[7]

在特殊情況下，通過調整風力發電機組輸出功率的功率因數，即可在一定范圍內實現對風電機組無功功率的控制。

3 仿真算例

仿真一：風機運行在13m/s風速下，假設風速保持不變，3s時，風電機組執行調度指令，有功輸出降為1.2MW，功率因數恒為1，未投入無功補償裝置，通過槳距角進行調控，仿真結果如圖5－圖8所示。

圖5 風電機組有功功率輸出

圖6 風電機組無功功率輸出

圖7 風電機組出口電壓

圖8 電網頻率

當風機執行調度指令，將輸出功率降為1.2MW，無功功率輸出仍保持在0附近波動，線路上輸送總功率減小，電壓降減小，無窮大電源電壓不變，所以機端出口電壓下降；槳距角增大，功能利用系數減小，吸收的功率減小，而風電機組轉速不變，所以為達到新的平衡，電磁轉矩和機械轉減小；電網頻率在允許范圍內波動，實現了調度指令，各種動態特性滿足要求。

仿真二：風電機組運行在10m/s風速下，假設風速保持不變，未投入補償裝置，風機按定子側出口功率因數為1運行，3s時，定子側出口功率因數變為0.98，仿真結果如圖9－圖12所示。