雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機的并網(wǎng)方式研究及仿真分析

郭大偉，王維慶，張新燕

(新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047)

0 引言

風(fēng)能作為一種安全、清潔、豐富的可持續(xù)能源，已受到了廣泛的重視和開發(fā)，目前世界裝機總量已經(jīng)超過25 GW。雙饋風(fēng)力發(fā)電機(doubly-fed induction generator，DFIG)的定子直接與電網(wǎng)連接，并通過交-直-交轉(zhuǎn)子勵磁變頻器控制轉(zhuǎn)子電流的頻率、相位、幅值來間接調(diào)節(jié)定子側(cè)的輸出功率，實現(xiàn)發(fā)電機的有功和無功功率解耦控制，改善功率因數(shù)，系統(tǒng)動態(tài)性能良好［1］。

在PSCAD/EMTDC環(huán)境下建立了DFIG及相應(yīng)的控制系統(tǒng)仿真模型，并模擬仿真了DFIG的軟并網(wǎng)過程，對軟并網(wǎng)仿真結(jié)果進行了分析和研究。

1 發(fā)電機的并網(wǎng)方式

1.1 并網(wǎng)的理論條件

發(fā)電機并網(wǎng)時，為減小沖擊電流及機械摩擦，一般要求發(fā)電機端電壓的相序、幅值、頻率、相位角要與電網(wǎng)連接端的值相等［2］。并網(wǎng)時其電壓相量分析如圖1所示。

并網(wǎng)前斷路器兩端發(fā)電機側(cè)和電網(wǎng)側(cè)的電壓分別為［3］

圖1 發(fā)電機并網(wǎng)示意圖及相量分析

發(fā)電機與電網(wǎng)之間的電壓差ud為

合閘的理想條件是

1)兩電壓幅值相等，即UM=US;

2)兩電壓角頻率相等，即ωM=ωS;

3)合閘瞬間的相角差為零，即δ=0°。

1.2 常見并網(wǎng)方式

1.2.1 直接并網(wǎng)

當(dāng)發(fā)電機的幅頻相值跟大電網(wǎng)相等時，即可通過開關(guān)或斷路器直接跟主配網(wǎng)連接。這種并網(wǎng)方式投資省，結(jié)構(gòu)最簡單，但是靈活性不足，可靠性較差。在并網(wǎng)瞬間就可能存在三相短路現(xiàn)象，供電系統(tǒng)將受到6～8倍的發(fā)電機額定電流的沖擊，系統(tǒng)電壓瞬時嚴(yán)重下降。因此這種并網(wǎng)方法只適用于發(fā)電機容量在百千瓦級以下而電網(wǎng)容量較大的情況。

1.2.2 降壓并網(wǎng)

這種并網(wǎng)方法是在異步發(fā)電機與電網(wǎng)之間串接電阻或電抗器或者接入自耦變壓器，以達到降低并網(wǎng)合閘瞬間沖擊電流幅值及電網(wǎng)電壓下降的幅度。因為電阻、電抗器等元件要消耗功率，在發(fā)電機并入電網(wǎng)以后，進入穩(wěn)定運行狀態(tài)時，必須將其切除，這種并網(wǎng)方法適用于百千瓦級以上、容量較大的機組，顯而易見這種并網(wǎng)方式經(jīng)濟性比較差。中國引進的200 kW異步發(fā)電機組，就是采用這種并網(wǎng)方式，并網(wǎng)時發(fā)電機每相繞組與電網(wǎng)之間皆串接有大功率電阻。

1.2.3 自動準(zhǔn)同期裝置并網(wǎng)［3］

發(fā)電機與大電網(wǎng)并網(wǎng)運行時，有一個重要的操作過程——同期并列操作，因此，可通過自動準(zhǔn)同期并網(wǎng)裝置進行并網(wǎng)。發(fā)電機的準(zhǔn)同期判定條件包括電壓差、頻率差和相角差，發(fā)電機的差頻并網(wǎng)也就是要在同期點兩側(cè)電壓和頻率接近時，通過預(yù)測兩側(cè)相角差為零的時刻來完成并列。發(fā)電機在孤島模式下平穩(wěn)運行，發(fā)出同期命令，當(dāng)電壓差、頻率差不合格時，對發(fā)電機實現(xiàn)均頻、均壓控制，快速促成準(zhǔn)同期條件的成立，加快自動并網(wǎng)的進程。當(dāng)發(fā)電機與公用電網(wǎng)之間的電壓差和頻率差滿足準(zhǔn)同期條件時，自動提前發(fā)出合閘脈沖，使發(fā)電機和大電網(wǎng)在相位差滿足相位差條件的瞬間并網(wǎng)。

1.2.4 捕捉式準(zhǔn)同步快速并網(wǎng)

捕捉式準(zhǔn)同步快速并網(wǎng)技術(shù)的工作原理是將常規(guī)的整步并網(wǎng)方式改為在頻率變化中捕捉同步點的方法進行準(zhǔn)同步快速并網(wǎng)。該技術(shù)可不丟失同期機，準(zhǔn)同步并網(wǎng)工作準(zhǔn)確、快速可靠，既能實現(xiàn)幾乎無沖擊準(zhǔn)同步并網(wǎng)，又能很好地解決并網(wǎng)沖擊與造價的矛盾，非常適合于發(fā)電機的并網(wǎng)操作［4］。

1.2.5 晶閘管軟并網(wǎng)

此種方法在HVDC中已得到廣泛的應(yīng)用，技術(shù)日趨完善。在發(fā)電機與大電網(wǎng)之間串入晶閘管控制系統(tǒng)，目的是通過控制晶閘管的導(dǎo)通角，將發(fā)電機并網(wǎng)瞬間產(chǎn)生的沖擊電流限制在規(guī)定的范圍內(nèi)(一般為1.5～2倍額定電流以下)，從而得到一個平滑的并網(wǎng)暫態(tài)過程。

前4種并網(wǎng)方式習(xí)慣上稱為硬并網(wǎng)，因并網(wǎng)時伴隨有沖擊電流的可能性及潮流控制的困難性，這里提出基于電壓源換流器(VSC)的軟并網(wǎng)并網(wǎng)方式。

2 基于PSCAD/EMTDC的DFIG并網(wǎng)仿真

本例在PSCAD/EMTDC環(huán)境下，以基于VSC的并網(wǎng)方式搭建DFIG并網(wǎng)的模型。根據(jù)DFIG定轉(zhuǎn)子的控制特性，整個系統(tǒng)采用電流閉環(huán)矢量控制。由檢測到的電網(wǎng)三相電壓，經(jīng)變換得到定子磁鏈的相角，和轉(zhuǎn)子電流一起經(jīng)坐標(biāo)變換和PWM調(diào)制產(chǎn)生驅(qū)動信號。DFIG的數(shù)學(xué)模型及控制模塊分別敘述如下。

2.1 雙饋異步電機的數(shù)學(xué)模型

如果假設(shè)發(fā)電機為三相對稱理想電機，不計零軸分量，以定子旋轉(zhuǎn)磁場坐標(biāo)系［dc，qe，0］為參考，dc軸超前軸90°，同時定義發(fā)電機吸收有功功率為正，則可得DFIG的數(shù)學(xué)模型為［5］

其中，電壓方程為

電磁轉(zhuǎn)矩和運動方程為

式中，s、r為定子量和轉(zhuǎn)子量;Ls、Lr、Lm為定子自感、轉(zhuǎn)子自感和定轉(zhuǎn)子互感;ω1、ωr、ωs為電機同步角速度、轉(zhuǎn)子角速度和轉(zhuǎn)差角速度;Te為風(fēng)力發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩;J為發(fā)電機轉(zhuǎn)動慣量;Tm為風(fēng)力發(fā)電機輸入轉(zhuǎn)矩;Np為極對數(shù);θr為定子磁鏈相角;p為微分算子［6］。

2.2 轉(zhuǎn)子側(cè)功率變換器矢量控制模型

圖2 基于PSCAD的轉(zhuǎn)子側(cè)變換器矢量控制模型

由于定子、轉(zhuǎn)子保持同步才能形成穩(wěn)定的電磁轉(zhuǎn)矩，所以轉(zhuǎn)子電流的同步信號theta是由定子磁鏈位置角Sta1減去轉(zhuǎn)子磁鏈位置角Rot1得到的，Rot1是通過發(fā)電機內(nèi)部輸出變量獲取的。利用基于電流滯環(huán)控制的PWM技術(shù)控制機側(cè)換流器，使轉(zhuǎn)子電流等于參考電流值，從而完成對定子側(cè)無功功率和發(fā)電機轉(zhuǎn)速的獨立控制。

2.3 網(wǎng)側(cè)功率變換器矢量控制模型

圖3 基于PSCAD的網(wǎng)側(cè)變換器矢量控制模型

網(wǎng)側(cè)變換器采用電網(wǎng)電壓定向的矢量控制，并采用前饋解耦控制以實現(xiàn)直流電壓與無功功率的獨立控制。矢量控制的輸出為網(wǎng)側(cè)變換器dq軸電壓參考值，經(jīng)過坐標(biāo)變換輸出三相電壓給定值，給定電壓值與三角波發(fā)生器的輸出比較得到網(wǎng)側(cè)變換器IGBT的控制信號［7］。利用 SPWM技術(shù)控制換流器，即將調(diào)制信號與三角波載波相比較獲得觸發(fā)信號控制網(wǎng)側(cè)換流器，從而實現(xiàn)直流電壓和無功功率的獨立控制。在圖3中，信號idref以id-iq解耦控制的電壓誤差為驅(qū)動信號。

2.4 電壓源換流器(VSC)并網(wǎng)裝置

在PSCAD環(huán)境下，VSC的模型如圖4。

圖4 VSC系統(tǒng)整流側(cè)模型

圖4中為VSC裝置的整流側(cè)模型，逆變側(cè)為其對稱裝置。VSC的門極控制脈沖采用SPWM控制方式［8］，即以與系統(tǒng)電壓同相位的正弦波為調(diào)制波，以一頻率為正弦波頻率的整數(shù)倍的三角波為載波進行調(diào)制，原理如圖5所示。

圖5 SPWM控制原理圖

1)正弦波產(chǎn)生模塊

PLL為三相鎖相環(huán)，它跟蹤輸入信號并輸出與輸入信號同步變化的相角。按由控制規(guī)則決定的控制相位角及變壓器的接法對PLL的輸出相位進行移位，得到正弦波的相角。圖6中，脈寬調(diào)制正弦參考信號由信號“mr”控制，其相位由信號“shft”控制。RefRon和RefRoff是用來控制IGBT導(dǎo)通和關(guān)斷時間的調(diào)制信號，彼此相差180°。

2)三角載波產(chǎn)生模塊

通過鎖相環(huán)得到輸入信號的同步相位后，乘上希望的載波次數(shù)，被360除，取余，并把得到的值進行變換。TrgRon是用從［0，90，270，360］到［0，l，-1，0］對應(yīng)的方法得到的三角載波;TrgRoff是用從［0，90，270，360］到［0，-l，l，0］對應(yīng)的方法得到的三角載波［9］。

圖6 正弦波產(chǎn)生模塊

圖7 三角載波產(chǎn)生模塊

3 仿真分析

仿真中以最佳葉尖速比控制為例，由貝茲理論可得，風(fēng)機從風(fēng)能中捕獲的機械功率為［9］

其中，ρ為空氣密度;R為葉片半徑;Vw為風(fēng)速;Cp為風(fēng)力機轉(zhuǎn)換效率系數(shù)，調(diào)節(jié)Cp可以調(diào)節(jié)捕獲的風(fēng)能，且Cp為葉尖速比λ和槳矩角β的函數(shù)，因此可以用以下方程式表達。

其中，λ=WT·R/VW，VW為風(fēng)機的轉(zhuǎn)速;λi為過程變量［10］。其中，大電網(wǎng)的電壓等級為10 kV，DFIG的主要參數(shù)如表1所示。

1)在0.2 s時設(shè)置電動機擾動故障，在發(fā)電機側(cè)、電網(wǎng)側(cè)及直流側(cè)分別測得波形，如圖8a、b、c。

2)風(fēng)速0.5 s時由12 m/s突變?yōu)?0 m/s時仿真波形，如圖 8d、e、f。

表1 DFIG主要參數(shù)［11］

續(xù)表1

通過圖8a的仿真結(jié)果可以看出，在0.2 s時發(fā)電機端擾動故障產(chǎn)生沖擊電流，經(jīng)VSC的整流逆變作用，到大電網(wǎng)側(cè)時，由圖8c可以看出其電流幅值基本維持不變，沖擊電流的作用很小。圖8c中，流經(jīng)VSC的電流在0.2 s時發(fā)生震蕩，但很快趨向平穩(wěn)。在0.5 s時，風(fēng)速由12 m/s突變?yōu)?0 m/s，此時因為風(fēng)力機的風(fēng)能捕獲控制系統(tǒng)，輸出電磁轉(zhuǎn)矩基本維持不變。由圖8d和圖8f可以看出，產(chǎn)生的沖擊電流較直接并網(wǎng)時(沖擊電流最高可達額定電流的7倍)要小得多，到大電網(wǎng)側(cè)時，基本沒有受到?jīng)_擊電流的影響，過渡較平穩(wěn)。

圖8 PSCAD仿真波形

4 結(jié)論

在PSCAD環(huán)境下，通過與發(fā)電機側(cè)產(chǎn)生的沖擊電流進行比較可知，經(jīng)VSC并網(wǎng)裝置可以有效地抑制并網(wǎng)瞬間對大電網(wǎng)的電流沖擊，把沖擊電流限制在比較小的范圍內(nèi)，保護了發(fā)電機自身設(shè)備的安全和電網(wǎng)的正常運行。目前在輕型直流輸電領(lǐng)域，VSC已經(jīng)得到了實踐應(yīng)用，運行穩(wěn)定，技術(shù)成熟。為了更好地平滑并網(wǎng)，還應(yīng)注意:為減少軟并網(wǎng)持續(xù)的時間與沖擊電流的峰值，機組的并網(wǎng)轉(zhuǎn)速應(yīng)隨風(fēng)速調(diào)節(jié);晶閘管導(dǎo)通速度不易過快，否則可能會引起并網(wǎng)電流幅值的躍變上升。

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