雙饋風力發電系統負載并網控制

談 立， 阮 毅， 趙梅花， 葛 凱

(上海大學 機電工程與自動化學院，上海 200072)

0 引 言

變速恒頻發電技術因具有易實現最大風能跟蹤、四象限有功和無功功率調節及柔性并網等優點受到了廣泛關注，并越來越多地應用于大型風力發電系統中[1]。在變速恒頻風力發電方案中通常選用雙饋發電機(Doubly Fed Induction Generator, DFIG)來實現系統變速恒頻運行[2-3]。

隨著雙饋風力發電機組單機容量越來越大，若直接并網或解列會產生較大的沖擊電流，損壞發電系統部件，甚至威脅電網的正常運行，故有效抑制沖擊電流，實現柔性并網與解列是十分必要的。

雙饋風力發電柔性并網常用空載并網與負載并網兩種方法[4-6]。與空載并網不同，負載并網定子側接有三相對稱負載，并網前定子側與轉子側同時參與勵磁控制，定子繞組有電流通過。

本文分析了負載并網的基本原理，研究了并網后定子、負載和電網三者之間的功率關系。根據負載并網的數學模型，采用電網電壓定向的矢量控制策略，構建了基于英飛凌XC2785單片機控制的雙饋風力發電系統負載并網試驗平臺。試驗結果表明，負載并網的控制策略可有效實現DFIG與電網的柔性連接，抑制并網瞬間產生的沖擊電流，驗證了控制策略的可行性與正確性。

1 負載并網原理及DFIG數學模型

1.1 負載并網原理

雙饋風力發電系統并網條件為定子電壓的幅值、相位、頻率與電網電壓均相同。通過并網控制策略，達到并網條件，將并網時產生的沖擊電流降到最低。

雙饋電機采用負載并網控制時，定子側接有三相對稱負載，定子繞組有電流通過。此時，根據電網側反饋的電網電壓信息，對雙饋電機進行勵磁控制，達到并網條件后，實施并網操作，以實現柔性并網。雙饋風力發電系統負載并網結構如圖1所示。

圖1 雙饋風力發電系統負載并網結構圖

1.2 DFIG數學模型

在理想情況下，定子采用發電機慣例，轉子采用電動機慣例，推導DFIG在同步旋轉dq坐標系下的電壓、磁鏈方程得

(1)

(2)

式中：usd、usq、urd、urq——定、轉子電壓dq軸分量；

isd、isq、ird、irq——定、轉子電流dq軸分量；

ψsd、ψsq、ψrd、ψrq——定、轉子磁鏈dq軸分量；

Rs、Rr——定、轉子電阻；

Lm、Ls、Lr——坐標系下定轉子同軸等效繞組間的互感、定子等效兩相繞組的自感和轉子等效兩相繞組的自感；

ω1——電網電壓同步旋轉角速度；

ωr——轉子旋轉電角速度。

2 負載并網控制策略

2.1 基于電網電壓定向的負載并網控制策略

采用電網電壓定向：ugd=Ug，ugq=0，其中Ug為電網電壓矢量的幅值；ugd、ugq為電網電壓電壓dq軸分量。

并網時滿足：usd=ugd=Ug，usq=ugq=0，則

(3)

即

(4)

(5)

將式(4)代入式(5)得

(6)

將式(6)代入式(2)得

(7)

由式(7)可得雙饋風力發電系統負載并網前后的控制框圖，如圖2所示。

圖2 DFIG負載并網控制框圖

負載并網時，雙饋機組定子側接三相對稱負載，定子電流不為0，通過檢測電網電壓信息，由定子、轉子同時進行勵磁控制，待定子電壓與電網電壓幅值、頻率與相位都相等時，實施并網操作。

并網后切換到相應的控制策略，本文采用功率、電流雙閉環的穩態控制策略，通過分別控制電流有功、無功分量，實現有功、無功功率的精確解耦，實現雙饋風力發電系統的并網發電，及最大風能跟蹤等控制目的[7]。

2.2 負載并網后功率研究

負載并網后，定子側接有三相對稱負載，定子側有功功率P1、負載消耗的功率PLoad、DFIG向電網發送的功率Pg之間有能量流向關系，如圖3所示。

圖3 負載并網后能量流向關系圖

當P1>PLoad，即雙饋電機發出的功率大于負載消耗的功率時，多余的有功功率將輸送到網上。當P1

3 試驗及結果分析

試驗用直流機-繞線式異步電機機組代替雙饋風力發電機組，搭建的雙饋風力發電系統試驗平臺如圖4所示。繞線式異步電機參數為：PN=3kW,UN=380V,nN=1460r/min；直流機參數為：PN=3kW，UN=220V，nN=1460r/min。網側PWM變換器進線電感為20mH，直流母線電壓設為200V，網側PWM變換器和轉子側PWM變換器均采用英飛凌XC2785作為主控芯片，網側PWM開關頻率為10kHz,，轉子側PWM開關頻率為5kHz。原動機拖動雙饋電機運行在低同步n=1100r/min，并網時采用降壓并網，并網電壓為usa=150V，負載電阻R=112Ω。

圖4 雙饋風力發電系統試驗平臺結構圖

試驗開始時，系統處于帶負載運行狀態，通過負載并網控制策略，使定子電壓迅速跟隨電網電壓，兩者完全一致時，進行并網操作，系統切換到功率、電流雙閉環的穩態控制策略。穩態時，通過上位機調節雙饋電機定子輸出的有功、無功功率，觀察雙饋電機定子側、負載與電網三者之間能量流向關系。試驗波形如圖5～圖10所示。

圖5 負載并網前定子與電網a相電壓比較波形

圖6 負載并網瞬間usa與iga波形

圖5為負載并網前定子電壓與電網電壓的比較波形圖。由圖可知，定子電壓能很好地跟隨電網電壓，負載并網控制效果良好。

圖6為并網瞬間定子電壓與流向電網電流的波形。并網操作時，通過上位機給定，令定子側發出的有功功率等于三相負載消耗的功率(約590W)，即沒有多余的能量流向電網。如圖所示在t1時刻并網，流向電網的電流幾乎為0，無電流沖擊，實現了柔性并網的控制目標。

并網后采用功率、電流雙閉環的穩態控制策略。圖7為定子側發功瞬間的波形圖，在t2時刻改變有功給定(590～1000W)，定子電流逐漸增大至穩態。

圖8為發功后穩態運行的波形圖，無功功率給定始終為0，定子電流趨于平穩，與電壓保持同相。

圖7 定子側發功瞬間P1與isa波形

圖8 穩態運行時usa與isa波形

圖9為改變定子側輸出功率時，定子側與電網側能量流向關系圖。圖(a)為定子輸出的功率小于負載消耗的功率，此時為維持負載正常工作，不足的能量由電網提供，定子電流與流向電網電流反相。圖(b)為定子輸出的功率大于負載消耗的功率，則多余的能量將流向電網，實現發電，定子電流與流向電網電流同相。

圖9 isa與iga波形

如圖10所示，當定子側輸出功率等于負載消耗的功率，此時流向電網的電流幾乎為0，在t3時刻切除負載，此時定子側電流與流向電網電流完全一致，成功實現向電網輸電。

圖10 切除負載瞬間isa與iga波形

4 結 語

本文詳細分析和研究了負載并網控制策略與并網后的功率流向，得到如下結論：

(1) 并網前，通過負載并網控制策略，定子電

壓能快速準確跟蹤電網電壓，使兩者在幅值和相位上保持一致；

(2) 并網瞬間，沖擊電流幾乎為0，實現柔性并網；

(3) 并網后，通過功率、電流雙閉環的穩態控制策略，驗證了定子側，負載與電網三者之間的能量流向關系。

通過試驗驗證了上述控制方案的可行性與正確性。

【參考文獻】

[1] 楊淑英，張興，張崇巍，等.變速恒頻雙饋風力發電機投切控制策略[J].中國電機工程學報，2007(17)： 105-110.

[2] PENA R, CLARE J C, ASHER G M. Doubly fed induction generator using back-to-back PWM converters and its application to variable-speed wind-energy generation[J]. Electric Power Applications, IEE Proceedings， 1996,143(3)： 231-241.

[3] LIE X, CARTWRIGHT P. Direct active and reactive power control of DFIG for wind energy generation[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion， 2006,21(3)： 750-758.

[4] 曾志勇，王清靈，馮婧.變速恒頻雙饋風力發電負載并網控制[J].電機與控制應用，2009(10)： 49-53.

[5] 吳振興，鄒旭東，黃清軍，等.三相電力電子負載并網變換器研究[J].中國電機工程學報，2010(24)： 3-9.

[6] 劉其輝，謝孟麗.雙饋式變速恒頻風力發電機的空載及負載并網策略[J].電工技術學報，2012(10)： 66-73.

[7] 鐘沁宏，阮毅，趙梅花，等.雙饋風力發電轉子側PWM變換器功率控制策略[J].電機與控制應用，2012，39(12)： 46-50.