變速恒頻雙饋風力發電系統并網控制仿真

高 揚，于會群，張 浩，彭道剛

0 引言

風能作為一種可再生的清潔能源，近年來越來越受到各國的重視。風力發電由于具有零污染、投資周期短、占地少等優點，故裝機速度近年來迅速提升。風力發電機組的控制技術，目前有變槳距調節技術、定槳距失速調節技術、主動失速調節技術、變速恒頻技術4 種［1～13］。變速恒頻風力發電系統，因其具有風能轉換效率較高、可靈活調節有功和無功等特點，近年來得到了廣泛應用。本文就其控制策略建立模型并仿真，力求得出具有指導意義的理論結果。

1 變速恒頻風力發電系統基本原理

目前，國內外已建或新建的大型風電場中的風電機組多采用變速恒頻(Variable Speed Constant Frequency，VSCF)風電系統運行方式。當風速改變時，VSCF 風電系統可適時地調節風力機轉速，使之保持最佳狀態，使風能利用系數Cp接近或達到最佳，可實現對風能最大限度地捕獲。與恒速恒頻(Constant Speed Constant Frequency，CSCF)風電系統相比，系統的發電效率大為提高，轉速運行范圍也較寬，而且可靈活地調節系統的有功和無功。

交流勵磁變速恒頻風力發電系統的結構框圖如圖1 所示，系統主要由風力機、增速箱、雙饋異步發電機、變壓器、雙PWM 變頻器、濾波器、控制系統、槳距角控制等幾部分構成。由交流異步發電機的基本原理可得下列關系:

式中:fs為定子電流頻率，Hz;n 為轉子轉速，r/min;p 為電機極對數;fr為轉子電流頻率，Hz。

圖1 雙饋異步發電機系統

雙饋發電機的結構與繞線式異步電機結構相類似，運行時定子繞組通過變壓器與電網相連，轉子則通過雙PWM 變頻器和變壓器與電網相連接。設定子電流產生的旋轉磁場的同步速為ns，根據雙饋電機轉子轉速的變化，雙饋發電機可有以下3 種運行狀態:當轉子轉速n ＜ns時，轉子繞組相序和定子繞組的相序相同，雙PWM 變頻器向轉子提供交流勵磁電流，產生的旋轉磁場的旋轉方向與轉子的旋轉方向也相同，fr前取正號，定子向電網發出電能;當n ＞ns時，轉子繞組相序和定子繞組的相序相反，產生的旋轉磁場的旋轉方向與轉子的旋轉方向也相反，fr前取負號，同時由定子和轉子向電網發出電能，能量在雙PWM 變頻器中逆向流動;當n =ns時，fr=0，變頻器向轉子提供直流勵磁，發電機作同步發電機運行，定子向電網發出電能。由以上分析可知，當發電機轉速n 伴隨著風速的改變而變化時，若通過變頻器隨時調節轉子勵磁電流的幅值、頻率、相位，使發電機能在亞同步速、同步速、超同步速作變速恒頻運行，這就是發電機變速恒頻運行的基本原理［1，14～15］。

2 交流勵磁風力發電機功率特性及其風能捕獲策略

2.1 功率特性

交流勵磁風力發電機的機械功率為［2］:

式中:ρ 為風力機所在處的空氣密度;R 為風力機的風輪半徑;Cp為風力發電機將風能轉化成電能的轉換效率，即風能轉換系數;λ 為葉片頂端的速度(圓周速度)除以風接觸葉片之前很遠距離上的速度，即葉尖速比;β 為風機葉片與風輪平面的夾角，即槳距角;v 為即時風速;n 為風力機葉片的轉速。當槳距角固定時，風能轉換效率Cp與葉尖速比λ 的關系曲線如圖2 所示。

圖2 葉尖速比λ與風能轉換效率Cp 關系曲線

設定一種風速，然后取不同的轉速n，根據式(3)計算出相應的葉尖速比λ，由圖2 找到對應的風能轉換效率Cp值，根據公式(2)，就可得到這種風速下風力機的輸出機械功率。以風力機的機械角速度ωm為橫軸，輸出的機械功率Pm為縱軸，得到如圖3 所示的關系曲線。改變風速，得到的風力機在不同風速v 時輸出的機械功率Pm和風力機機械角速度ωm的關系如圖3 所示［2～3］。

圖3 風力機輸出的機械功率和機械角速度關系曲線

圖3 中A，B，C 3 點分別為風速v1，v2，v3時風力機輸出的機械功率Pm的最大點，其中v1＜v2＜v3。由圖3 可以看出: (1)在相同的機械角速度ωm下，瞬時風速v 越大，風力機輸出的機械功率Pm也就越大;(2)在相同的瞬時風速v 下，風力機輸出的機械功率Pm在某一特定的機械角速度ωm下存在著極大值;(3)增大瞬時風速v，風力機的機械功率Pm的最大值所對應的機械角速度ωm也隨之增大［4］。

2.2 最優風能捕獲策略

風速v 為定值時，由圖3 可以看出，此時存在著唯一的最大機械功率輸出點，相應的風能轉換效率Cp也最大。但實際風速是經常變化的、隨機的，且規律性很差。當實際風速小于額定風速時，風力機按照圖2 所示的某一固定的槳距角β運行，調節發電機反轉矩使其機械角速度ωm跟隨風速v 的變化而變化，保持發電機在最佳的葉尖速比λ 下運行，輸出機械功率最大，從而追蹤最優的功率曲線，實現最大風能的捕獲。當實際風速大于額定風速時，采取改變風力機機械角速度ωm與改變槳距角β 的雙重調節，依靠機械調節槳距角β，改變風能轉換效率Cp，限制風力機獲得的能量，使風電機組的轉速和功率得到控制，從而保證發電機功率輸出的穩定性，風電機組就不會超出轉速極限和功率極限運行，從而保護風機和發電機不受損壞［5～6，14］。

2.3 變槳控制

在風速低于額定風速情況下，槳距角設定為0°，保持恒定的最佳葉尖速比，從而實時追蹤最佳功率曲線;當風速超過額定風速時，增大槳距角，失速調節，發電機保持額定功率輸出。

3 雙饋電機變換器的控制系統

3.1 網側PWM 變換器控制策略

網側PWM 變換器控制策略如圖4 所示［9～12］。

本系統采用雙環控制，外環為電壓環，內環為電流環，并在定子繞組上建立靜止坐標系a1－b1，同步旋轉坐標系d －q;同時設q 為定子繞組上靜止坐標系α1軸與d 軸的夾角;ea，eb，ec為網側PWM 變換器交流側的三相電壓;id，iq是網側三相電流ia，ib，ic經派克變換得到的兩個分量;L，R 分別為交流側進線的電感和電阻。

圖4 網側變換器控制策略圖

在進行單位功率因數調節時，設iq=0，由功率因數所決定;和分別為電壓分量，為解耦項;Δud和Δuq分別為d，q 軸電壓耦合補償項;電流反饋值id，iq分別與，相比較，經PI 調節，輸出電壓，，再與電壓的解耦補償項Δud，Δuq，及前饋補償項ed，eq進行運算，得到的，作為指令電壓;指令電壓，再經坐標變換，得到a－b 坐標系中的電壓分量，，然后輸入到網側變流器，進行PWM 調制，從而產生的驅動信號，對網側變流器進行控制［7～8］。

在這里引入電網電壓ed和eq進行前饋補償的目的，是為了實現d 軸和q 軸電流的解耦控制，從而可以對無功功率和有功功率進行有效的獨立控制。原理式如下:

3.2 轉子側PWM 變換器控制策略

雙饋風力發電系統在變速恒頻方式下運行時，矢量控制需要選取的定向參考矢量較多，最常見的是定子磁鏈定向與定子電壓定向［13～15］。本文采取定子磁鏈定向矢量控制。控制策略如圖5 所示。

圖5 轉子側變換器的控制圖

在轉子上建立兩相靜止坐標系α2－β2，設α2軸和α1軸的夾角為θr。θ 與θr相減得到α2軸與α軸的夾角。根據當前的風速v 計算出相應的風力機最佳葉尖速比λ 的機械角速度ω 值，作為轉速參考值，再與轉速反饋值ωref相比較，將比較后所得到的值送入PI 控制器，從而得到轉子電流給定值。根據風電系統對無功的要求計算出無功電流的給定值。系統整體無功功率由網側變換器來調節［13］。

以上控制策略是基于以下原理制定的。

假設將ω1定向在同步坐標系d-q 的d 軸上，ω1為定子磁鏈ωs的幅值。ωds=ω1為d 軸上的磁鏈分量，ωqs=0 為q 軸上的磁鏈分量，u 為定子電壓矢量的幅值，根據電動機慣例，則有uds=0 和uqs=u。按照瞬時功率理論，交流勵磁雙饋風力發電機定子側發出的有功、無功功率可寫為:

由上式可以看出，定子側輸出的有功功率和無功功率分別與轉子電流分量iqr和idr成線性關系，分別調節iqr和idr就可以調節有功功率和無功功率。

4 變速恒頻風力發電系統并網控制運行仿真

4.1 仿真參數設置

雙饋風力發電系統的仿真模型如圖6 所示，參數如下:發電機的額定功率是1 500 kW，額定電壓是0.575 kV，額定頻率f =50 Hz，定子電阻Rs和定子漏感Lls分別為0.023 p．u．，0.18 p．u．;轉子電阻Rt和轉子漏感Llr分別為0.016 p．u．，0.16 p．u．;激磁電感LM為2.9 p．u．，轉子的極對數為3。風機輸入平均風速為9.8 m/s 時的最佳葉尖速比為λopt=6.5。

圖6 雙饋風力發電系統的仿真模型

4.2 仿真結果及分析

圖7 為風速的仿真模型，圖8 和圖9 分別為定、轉子三相電流仿真結果，圖10 為定子側有功功率和無功功率仿真結果，圖11 為直流母線電壓的調節控制結果。從圖10 可以看出，經過短暫的調節過程之后，定子側有功功率和無功功率實現了解耦控制。隨著發電機轉速的變化，定子側有功功率雖然發生了改變，但能快速跟蹤轉速的變化，動態響應很快，而無功功率卻不受影響，基本維持在0 附近，說明定子側有功功率和無功功率實現了解耦控制。從圖11 看出，直流母線電壓隨著風速的波動，很快達到了平衡，說明了定子側對其進行了很好的控制。

圖7 風速模型

圖8 定子三相電流

圖9 轉子三相電流

圖10 定子側有功功率、無功功率

圖11 直流母線電壓

5 結論

本文首先介紹了交流勵磁變速恒頻風力發電機的基本運行原理;然后對風力機的功率特性和風能捕獲策略進行了分析;其次，在建立數學模型的基礎上，對追蹤最大風能的控制策略進行了研究;再次，在雙饋電機變換器的控制系統中，采用定子磁場定向的矢量變換控制技術，控制發電機輸出有功功率，來調節電磁轉矩和轉速，從而獲得了發電機有功功率和無功功率的解耦控制，為追蹤與捕獲最大風能創造了條件，并且對直流母線電壓進行了很好的調節;最后，設置了系統仿真參數，對所建立的模型進行了計算機仿真，并對仿真結果進行了分析。仿真結果證明，所建模型正確，所提出的控制策略恰當。

目前該項控制研究中只應用了簡單的PID 控制，其對于線性系統控制性能較為良好，但是對于參數經常變化系統、非線性系統的控制仍有不足，下一步將要對于槳距控制引入智能控制、并網控制進行調節。

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