VSCF雙饋風電機組并網控制的研究

徐春雷，李建康，張 章

（國網阿克蘇供電有限責任公司，新疆 阿克蘇 843000）

1 引言

在新能源發電快速發展的今天，風力發電與其他發電方式相比有其顯著優勢，其具有裝機容量靈活、操作簡單、施工周期短、對土地要求低、實際占地少等諸多優點。風力發電既可以獨立運行，也可以聯網運行，研究開發風力發電具有很好的經濟效益和社會效益。本文將從運行特性方面對VSCF雙饋風力發電機進行全面分析和研究，并根據相應的軟件仿真分析VSCF風力發電機組的并網控制策略，構建出一個大型的完整的變速恒頻風電機組并網控制平臺。

2 VSCF雙饋風力發電機組的結構和相關數學模型的建立

2.1 雙饋異步發電機和VSCF雙饋風力機組的結構

如圖1所示為雙饋感應發電機的結構簡圖，工頻電網直接和定子側的三相對稱繞組相連接，工頻電網經變頻器后也和轉子側的三相對稱勵磁繞組相連接，并且根據運行要求可以調節勵磁電壓的頻率、相位、幅值、相序。

圖1 雙饋異步發電機的結構圖

圖2 VSCF雙饋風力機組的結構圖

如圖2所示，由風力機槳距角控制部分、葉片、齒輪箱、輪毅、聯軸器、變頻器及電氣控制部分、雙饋感應發電機等共同構成了變速恒頻雙饋風電機組。根據圖2可以明顯看出，當風作用到風力機葉片上之后，風力機葉片上會有轉矩產生，這個轉矩就會發生作用，使得輪毅開始轉動，風力機葉片感受到的風能就轉化為輪毅的動能。

2.2 雙饋發電機數學模型的建立

如圖3所示，設定電機的轉子側和定子側的繞組是按照星型連接法連接的。

圖3 交流勵磁雙饋發電機的定子回路、轉子回路示意圖

根據圖3得到三相靜止坐標系下的電壓方程、磁鏈方程、運動方程、轉矩方程等式（1）：

2.3 變速恒頻雙饋風電機組運行特性分析

如等式（2）所示為風電機組總有功功率和風電機組注入到系統的總無功功率：

如上面的等式（2）所示，代表了變速恒頻雙饋風力發電機組的功率特性。

如圖4所示為VSCF雙饋風電機組的風功率特性曲線圖。包括風功率特性曲線、發電機效率曲線、不同風速下風力機的齒輪箱等傳動部分傳輸效率曲線和轉速特性曲線、風力機最大輸出功率曲線等。

圖4 雙饋風電機組的相關特性曲線

3 VSCF雙饋感應風力機組的并網運行

3.1 VSCF雙饋感應風力機組的并網

VSCF 雙饋風力機組并網時要求 ω＋ωs＝ω0，其中，ω代表轉子角頻率，ωs代表轉子勵磁電流角頻率，ω0代表電網角頻率。當風速超過風力發電起動風速時，風輪機起動，當發電機至同步轉速附近時，勵磁調節器動作向發電機供給勵磁并調節勵磁電流使發電機的端電壓等于電網電壓，這時檢測發電機轉子轉速ω，并調節勵磁電流的角頻率ωs，使得 ωs＝ω0－ω，這時發電機的端電壓的大小和頻率己經與電網電壓完全相等，可以并網運行。

圖5 基于分段分層控制的風電機群控制策略的實施流程圖

3.2 VSCF雙饋感應風力機組的并網控制策略［1］

本文以追求效率的最大化、安全穩定完成風電機群與全網系統的無功優化運行為控制目標，提出并網運行的風電機群分段分層的實時優化控制策略，分析了該控制策略的具體實施過程，達到了系統要求的電壓穩定性，實現了全網運行目標的優化。

低風速時最大效率捕獲風能［3］，高風速時保持系統額定功率，這種按照風速的高低來劃分風電機群的運行控制策略稱為分層分段控制。高風速時為恒功率控制階段，低風速時為跟蹤最大風能階段。在恒功率控制階段，風電機組定子側的有功功率參考值將保持額定運行的參考值不變，而由風電機組槳距角控制部分來實現風電機組的恒功率保持。

風電機群分段分層控制策略的實施流程圖如圖5所示。

4 VSCF雙饋風電機組的MATLAB仿真分析

4.1 網側變換器的程序控制和轉子側的程序控制圖

圖6 網側和轉子側變換器的主程序流程圖（左1右1）和中斷程序流程圖（左2右2）

如圖6所示，系統程序采取SVPWM控制方法調制，系統檢測到網側的三相電流和三相電壓之后進行三相坐標到兩相坐標的變換，得到兩相坐標系下的電壓和電流。把直流電壓給定值和直流電壓的測定值進行比較，并把差值進行PI調節，對電流也做同樣的處理，進行電壓補償，電壓補償之后得到的指令形成電壓指令矢量送入SVPWM中生成程序。

圖7 仿真實驗圖

4.2 仿真實驗

采用Matlab仿真軟件進行系統的仿真［2］。仿真所用到的參數有：Pn＝3000W，Un＝220V，In＝6.9A，f＝50Hz，R1＝1.873Ω，L1＝240mH，L2＝240mH，Lm＝234mH，np＝2。

（1）網側變換器實驗仿真

采用測試直流側等效電動勢的突變情況來驗證網側變壓器的雙向流動能力，如圖 7（a）、7（b）所示，交流側的電壓基本保持不變，電流變化的時候，可以工作在單位因數逆變和整流中，能夠迅速使得直流側的電壓保持穩定狀態。

（2）并網實驗

VSCF雙饋感應風力發電機空載運行1秒鐘之后進行并網運行，給定有功功率值為1.8kW，給定無功功率值為0W。

根據圖 8（a）、8（b）可以明顯看出，轉子電流和定子電流都在短時間內響應，定子的有功功率輸出比較平滑，在很短的時間內響應，而無功功率的值的變化范圍很小，并網的過程中，轉子的電流過渡平滑，對電網造成的影響非常小，完全滿足了電網并網運行的條件。

圖8 并網仿真實驗圖

5 結束語

本文根據VSCF雙饋風電機組的物理器件的特性，建立起整體數學模型［4］，表征了VSCF雙饋風電機組的特性，對大型VSCF雙饋風力機組的運行特性進行了詳細的分析研究，在大型VSCF雙饋風力機組并網的問題上提出了一種方便有效的控制方法—實時優化控制策略即分段分層運行控制策略，分段分層控制方法可以充分發揮風力發電機組的無功調節能力和電壓控制能力，最后利用Matlab/Simulink軟件仿真分析和驗證了控制策略的正確性和有效性。論文雖然做了以上諸多內容的研究，但還是有很多問題沒有涉及到，譬如風電并網后的安全問題、經濟問題、穩定問題、運行問題等，如何解決并網后出現的電壓閃變、電壓波動、諧波污染等等問題，都還需要進一步的研究。

［1］李 晶.變速恒頻雙饋風力機組動態模型機并網控制策略的研究［A］.博士畢業論文集［C］.

［2］吳學光.風電場并網運行的數學模型及遺傳算法模型的優化研究［A］.博士學位論文集［C］.武漢：武漢水利電力大學出版社，2000.

［3］劉其輝，賀益康，趙仁德.變速恒頻風力發電系統最大風能追蹤控制［J］.電力系統自動化，2003，27（20）：62－67.

［4］申 洪.變速恒頻風電機組建模及其在電力系統分析中的應用［A］.博士學位論文集［C］.北京：中國電力科學研究院出版社，2003.