雙饋式風力發電機并網與解列控制及仿真研究*

鄭景文， 劉 鵬， 李玉超

(武漢大學 電氣工程學院，湖北 武漢 430072)

雙饋式風力發電機并網與解列控制及仿真研究*

鄭景文， 劉 鵬， 李玉超

(武漢大學 電氣工程學院，湖北 武漢 430072)

對雙饋式風力發電機的起動并網、解列切出的控制過程和控制策略進行了研究。以雙饋式風力發電機數學模型為基礎，對相應的并網與解列控制方案進行了詳細的介紹與分析。然后基于PSCAD/EMTDC仿真，對理論分析結果進行驗證。結果表明： 給出的并網控制策略電壓幅值波動小，控制精度高，響應迅速，能較好跟隨網側電壓；按照給出的起動并網步驟，可實現定子電流的零沖擊并網。基于斜率控制的定子電流閉環控制策略能平滑且迅速地控制定子電流并快速滅磁，讓整個解列過程更加平穩；按照所給解列步驟可使電機從電網中快速脫離，完成軟解列過程。

雙饋風力發電機； 起動并網； 解列切出； 控制策略； 仿真驗證

0 引 言

隨著雙饋式風力發電機組的單機容量向MW級水平發展，風機并網過程中的沖擊電流已無法忽視，較大沖擊電流造成電網電壓跌落，威脅電網安全運行[1-2]。因此通過合理的并網控制策略抑制并網沖擊電流已成為風力發電技術至關重要的環節[3]。當風電場風速過高或過低時，會造成風力發電機組各部件的損壞或者轉速低于最小運行轉速，考慮到勵磁變頻器最大電壓的限制，雙饋式風力發電機組必須解列停機。

文獻[2-8]研究了雙饋式風力發電機組的空載并網控制策略；文獻[9-12]研究了雙饋感應風力發電機特殊運行工況下勵磁控制策略；文獻[13-17]研究了雙饋式風力發電系統低電壓穿越技術；文獻[18-20]研究了發電機組的最大風能追蹤的控制策略。但是對雙饋式風力發電機組起動并網、解列切出的具體控制過程和控制方案以及雙饋式風力發電機組的解列控制策略目前文獻中尚未見具體系統的報告。為了滿足雙饋式風力發電機組并網與解列的要求，進一步提高機組的經濟性，有必要對雙饋式風力發電機組的并網、解列控制進行具體深入研究。本文根據雙饋式風力發電機組的特點，系統地給出了雙饋式風力發電機組的起動并網、解列切出的具體控制過程及控制基本原理，分析了具體的控制策略。基于PSCAD/EMTDC仿真平臺建立雙饋風力發電機組空載并網、解列切出的模型，仿真以驗證理論及對比分析的正確性。

1 雙饋式風力發電機組數學模型

雙饋感應電機具有非線性、時變性、強耦合的特點，分析和求解困難。為了簡化分析和應用于矢量變換控制，按照發電機的正方向規定，可以得到d、q同步旋轉坐標系下雙饋發電機的定轉子電壓、磁鏈及功率數學模型[2-5]。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：usd、usq、urd、urq——雙饋風力發電機定、轉子電壓的d、q軸分量；

ψsd、ψsq、ψrd、ψrq——雙饋風力發電機定、轉子磁鏈的d、q軸分量；

ω1——d、q軸同步旋轉角速度；

ωr——轉子角速度；

ωs——轉差頻率，ωs=ω1-ωr；

Lms——三相中一相定子繞組與轉子繞組間的最大互感；

Ls——定子繞組的自感，Ls=Lm+Ll1；

Lr——轉子繞組的自感，Lr=Lm+Ll2；

Ll1——定子側漏感；

Ll2——轉子側漏感；

Ps、Qs——雙饋風力發電機定子側輸出有功、無功功率。

由于并網前發電機處于空載狀態，定子側電流為0，故得到空載運行時的定、轉子電壓方程和定、轉子磁鏈方程[3- 4,7]如下：

(6)

(7)

(8)

(9)

2 雙饋式風力發電機組起動并網控制策略

2.1 雙饋式風力發電機起動并網控制過程

雙饋式風力發電機并網結構圖如圖1所示。本文給出的雙饋式風力發電機的起動邏輯順序如下：

(1) 風速到達切入風速，風力機帶動風力發電機轉到同步轉速。

(3) 打開K1，打開雙PWM變換器的閉鎖裝置，閉合勵磁開關K2，此時電網經過雙PWM變換器對發電機進行勵磁。由于此時雙饋發電機沒有并網，因此處于空載狀態。通過控制轉子勵磁電流的幅值、頻率、相位使空載電壓跟隨電網電壓的變化而變化。當達到同步即可并網。

(4) 閉合并網開關K3，同時將空載并網策略切換為最大風能追蹤策略。經過一段時間的振蕩，完成并網。

圖1 雙饋式風力發電機并網結構圖

2.2 雙饋式風力發電機并網控制策略

目前國內外學者提出的風機控制策略有定子電壓開環控制策略和定子電壓閉環控制策略[3-8]。

2.2.1 基于滯環比較定子電壓開環控制策略

將式(8)代入式(6)，并忽略其暫態過程，可得

(10)

采用定子磁鏈定向矢量控制，將d軸定為定子磁鏈矢量方向，定子電壓為q軸負方向。定子磁場定向示意圖如圖2所示。

圖2 定子磁場定向示意圖

基于以上討論，有ψsd=ψs，ψsq=0，usq=-us，usd=0。其中，ψs為定子磁鏈幅值，us為定子電壓幅值。整理可得空載運行時，轉子電流為[3- 4]

(11)

由式(6)～式(11)可以得到并網的控制策略，控制框圖如圖3所示。

圖3 定子電壓開環控制策略

由圖3可看出，通過測得電網電壓大小，根據式(11)計算出雙饋風力發電機的轉子電流d軸參考值ird*，令q軸參考值為0，轉子側控制利用滯環電流比較控制，使轉子電流跟隨參考值的變化，即可實現定子電壓對網側電壓的追隨。

2.2.2 基于滯環比較定子電壓閉環控制策略

考慮到電網電壓發生波動時，定子電壓開環控制忽略暫態過程，不能精確地跟隨網側電壓，并網也許會造成較大沖擊電流，故采用電壓瞬時值閉環控制方法[9-12]。

電壓瞬時值閉環控制中，由于轉子電流q軸分量是定子與電網電壓的d軸分量的差值經過PI控制得到，轉子電流的d軸分量是定子與電網電壓的q軸分量的差值經過PI控制得到，通過電流內環與電壓外環的控制，讓定子電壓的d、q軸分量追隨電網電壓的d、q軸分量，從而同時實現電壓幅值、相位、頻率的追蹤，實現無沖擊電流的并網。基于滯環比較的定子電壓外環控制框圖如圖4所示。

圖4 定子電壓閉環控制框圖

3 雙饋式風力發電機解列控制策略

3.1 雙饋式風力發電機解列控制策略

雙饋式風力發電機組的起動并網過程的關鍵是對雙饋電機的空載定子電壓進行控制，而解列切出過程的關鍵是對雙饋電機的定子電流進行控制[9]。通過對定子電流的控制，使其逐漸減小為零，在零電流的情況下將風機從電網切出，實現軟解列過程。解列切出過程包含最大風能追蹤控制策略與定子電流閉環控制策略。

3.1.1 最大風能追蹤控制策略

采用定子磁鏈定向矢量控制，整理式(1)～式(5)可得DFIG定子輸出有功、無功功率與轉子d-q軸電流間關系為[8]

(12)

由式(12)可看出，雙饋式風力發電機定子側輸出有功功率和無功功率分別由轉子電流q軸和d軸分量控制，實現了有功無功解耦控制。圖5為DFIG最大風能追蹤控制框圖。功率跟蹤曲線為Pmax=kωr3，Pmax為某一風速下定子側輸出的最大有功功率，k是與風力機有關的常數[18-19]。

圖5 DFIG最大風能追蹤控制框圖

該控制中內環為電流環控制，外環為功率控制。通過最大風能跟蹤曲線，輸入轉子轉速，得到相應的定子側有功參考值。將有功、無功功率實際值與參考值比較，差值經PI調節器后，分別輸出轉子側電流的q軸和d軸分量，與實際電流比較，差值經PI控制，經過解耦與前饋補償后，輸出轉子側電壓，控制IGBT的通斷，從而實現最大風能的追蹤[20]。

3.1.2 定子電流閉環控制策略

將usd=0代入式(5)，得雙饋式風力發電機輸出功率與定子電流的關系：

(13)

根據式(13)，解列前雙饋式風力發電機定子側輸出功率與定子電流、電壓有關。由于定子電壓由網側電壓決定，不為零，故分別控制定子電流isq、isd為零也就等價于控制定子側輸出有功、無功功率為零。為防止參考值突變造成控制失穩，故在定子電流外環(功率外環)控制上加上斜率控制，內環直接電流控制與最大風能追蹤控制一樣。控制框圖如圖6所示。

圖6 定子電流閉環控制策略

由式(12)和式(13)可見： 定子電流與轉子電流存在對應關系。如圖6所示，定子電流isq、isd參考值與實際值進行比較，差值經過PI控制得到內環轉子電流參考值，最終通過外環定子電流與內環轉子電流控制，實現定子電流isq、isd為零，完成風機軟解列過程。

3.2 雙饋式風力發電機解列切出控制過程

雙饋式風力發電機解列結構圖如圖7所示，具體步驟如下：

圖7 雙饋式風力發電機解列結構圖

(1) 控制器發出停機指令，令irq*為最大指令值，提供最大的制動轉矩，風力機組轉速下降。

語篇中第二封信的送信人是寫信人自己陶嵐。這更饒有意味。“現在我卻又要向你說話了。”“一邊就從她衣袋內取出一封信,仔細地交給他,象交給一件寶貝一樣。蕭澗秋微笑地受去,只略略的看一看封面,也就仔細地將它藏進抽斗內,這種藏法也似要傳之久遠一般。”稍后,“他很快的走到桌邊,將那封信重新取出來,用剪刀裁了口,抽出一張信紙,他靠在桌邊,幾乎和看福音書一樣,他看下去……”如此“授受”一個“文本”,耐人尋味。

(2) 當機組轉速下降到風機正常運行的最小轉速時，令DFIG的定子電流參考值逐步減小為0，讓實際值跟隨參考值的變化。待定子電流下降為零后將開關K1斷開。

(3) 將轉子電流參考值設定為零，通過減小轉子電流進行風機滅磁操作。

(4) 當轉子電流下降為0時，將開關K2斷開，實現雙饋式風力發電機的解列操作。

4 雙饋式風力發電系統并網解列仿真及分析

本文基于PSCAD/EMTDC仿真環境對雙饋式風力發電系統的起動并網、解列切出過程和控制策略進行仿真及對比分析。其中雙饋電機的額定功率P=3MW；頻率f=50Hz；同步轉速為 3000r/min；定、轉子電阻Rs、Rr分別為0.259Ω，0.214Ω；定、轉子自感Ls、Lr分別為4.507mH，4.503mH；定轉子互感Lm為4.22mH。

4.1 雙饋風力發電系統起動并網運行仿真

為驗證本文給出的DFIG起動并網過程及控制策略的正確性，對雙饋電機的并網過程進行仿真驗證。仿真并網過程嚴格按照本文所給步驟進行，仿真結果如圖8、圖9所示。

圖8 基于滯環比較電壓閉環控制的網側電壓及定子電壓波形圖

圖9 DFIG起動并網前后轉速、直流電壓、 定子電流仿真波形圖

圖8是基于滯環比較電壓閉環控制的網側電壓及定子電壓波形圖。如圖8所示，t=0.02s時，系統提供勵磁，定子電壓從0開始變化，約在0.07s時較好地跟隨網側電壓，跟隨后定子側電壓波形幅值波動量約為6%。

對以上仿真結果進行分析可得到以下結論：

(1) 電壓閉環控制的電壓幅值波動小、控制精度高、響應迅速。盡管并網過程中發電機轉速變化，通過勵磁控制，可實現定子電壓較好地跟隨網側電壓。驗證了本文給出的空載并網控制的有效性及優越性。

(2) 按照本文給出的起動并網過程和控制策略完成并網，可實現定子電流的無沖擊并網，同時直流母線側電壓保持穩定。由此驗證了本文提出的起動并網過程和控制策略的正確性。

4.2 雙饋風力發電系統解列切出運行仿真

為了進一步驗證DFIG的解列切出過程，對其控制策略進行仿真驗證。仿真波形如圖10所示。

圖10為DFIG解列切出前后定子側電流、功率輸出值、轉子勵磁電流及直流母線電壓的仿真波形圖。如圖10所示，t=1s，當機組轉速下降到風機正常運行的最小轉速時，通過斜率控制令DFIG的輸出功率參考值從1(p.u.)逐步減小，t=3s下降為0，功率實際值很好地跟隨參考值的變化。由圖10中定子電流波形圖可看出，隨著功率的下降，定子電流也同步下降，在t=3s時下降為零，此時將圖7中開關K1斷開，DFIG定子側與網側平滑解列。t=3s時，將轉子電流參考值設定為零，通過減小轉子電流進行風機滅磁操作，圖10中的轉子勵磁電流波形在3s時經過0.3s的振蕩后于t=3.3s時變成零值，滅磁成功，此時定子電壓值為零。當轉子電流下降為0時，將開關K2斷開，實現雙饋式風力發電機的解列切出操作。在整個解列過程中直流母線電壓在風機正常運行時穩定為10kV，證明網側變流器控制效果良好，在t=3s開始滅磁以及斷開K2后，風機從電網中切出，電容電壓通過放電，逐漸衰減為0。

圖10 解列切出前后DFIG變量仿真波形圖

通過對圖10仿真分析表明：

(1) 按照本文給出的解列切出控制過程及定子電流閉環控制策略，雙饋式風力發電系統在解列過程中能迅速地控制定子電流及快速滅磁，使電機從電網中快速平穩脫離，完成軟解列過程。驗證了文中所給控制策略和方案的正確性。

(2) 本文在定子電流外環(功率外環)控制上加上斜率控制，可以讓定子電流參考值平穩地下降為零值，讓實際值較好地跟隨參考值，使整個解列過程更加平穩。

(3) 該方案通過控制轉子側的勵磁電流間接地控制定子電流及電磁轉矩制動。與傳統的機械制動方案相比，制動更加迅速、能量利用率更高、成本更為低廉。

5 結 語

本文對雙饋式風力發電機的起動并網、解列切出的控制過程和控制策略進行了研究，以雙饋式風力發電機數學模型為基礎，對相應的并網與解列控制方案進行了詳細的介紹與分析。基于PSCAD/EMTDC仿真，對理論分析結果進行驗證：

(1) 本文給出的并網控制策略電壓幅值波動小、控制精度高、響應迅速，在變速情況下仍能較好地跟隨網側電壓；按照給出的起動并網步驟，可實現定子電流的零沖擊并網。

(2) 本文給出基于斜率控制的定子電流閉環控制策略能平滑且迅速地控制定子電流及快速滅磁，讓整個解列過程更加平穩；按照本文所給解列步驟可使電機從電網中快速平穩脫離，完成軟解列過程。

以上結論有效地驗證了本文給出的起動并網及解列切出的控制過程和控制策略的正確性、有效性。為雙饋式風力發電機組的控制系統及并網運行、解列切出的特性分析提供一定的參考。

[1] 苑國鋒,李永東,柴建云,等.1.5MW變速恒頻雙饋風力發電機組勵磁控制系統試驗研究[J].電工技術學報,2009，24(2)： 42-47.

[2] 劉其輝.變速恒頻風力發電系統運行與控制策略[D].杭州： 浙江大學，2005.

[3] 劉其輝，賀益康，卞松江．變速恒頻風力發電機空載并網控制[J]．中國電機工程學報，2004，24(3)： 6-11．

[4] 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,2012,27(10): 60-67.

[5] 賀益康,胡家兵.雙饋異步風力發電機并網運行中的幾個熱點問題[J].中國電機工程學報,2012,32(27): 1-15.

[6] 張子泳,胡志堅,李勇匯.并網型雙饋式風力發電系統廣域阻尼控制器設計[J].高電壓技術,2011,37(1): 157-163.

[7] 安中全,任永峰,李含善.基于PSCAD的雙饋式風力發電系統柔性并網研究[J].電網技術,2011,35(12): 196-201.

[8] 賀益康,胡家兵,徐烈.并網雙饋異步風力發電機運行控制[J].2012.

[9] 楊淑英.雙饋型風力發電變流器及其控制[D].合肥: 合肥工業大學,2007.

[10] 趙宇,王奔,仇樂兵,等.基于變結構控制的變速恒頻雙饋風力發電機并網控制[J].電力自動化設備,2010(9): 77-81.

[11] 刁統山,王秀和,魏蓓.永磁雙饋風力發電機的并網控制策略[J].電網技術,2013,37(8):2278-2283.

[12] 刁統山,王秀和.計及定子勵磁電流變化的永磁雙饋發電機零轉矩控制策略[J].電工技術學報,2014,29(7)： 173-180.

[13] 胡家兵,孫丹,賀益康,等.電網電壓驟降故障下雙饋風力發電機建模與控制[J].電力系統自動化,2006,30(8): 21-26.

[14] 操瑞發,朱武,涂祥存,等.雙饋式風力發電系統低電壓穿越技術分析[J].電網技術,2009,33(9): 72-77.

[15] 關宏亮,趙海翔,王偉勝,等.風電機組低電壓穿越功能及其應用[J].電工技術學報,2007,22(10): 173-177.

[16] MOKADEM M, COURTECUISSE V, SAUDEMONT C, et al. Fuzzy logic supervisor-based primary frequency control experiments of a variable-speed wind generator[J]. Power Systems, IEEE Transac-tions on, 2009,24(1): 407-417.

[17] MULLER S, DEICKE M, DE D R W. Doubly fed induction generator systems for wind turbines[J]. Industry Applications Magazine, IEEE, 2002, 8(3): 26-33.

[18] 匡洪海,吳政球,李圣清.基于同步擾動隨機逼近算法的最大風能追蹤控制[J].電力系統自動化,2012,36(24): 34-38.

[19] 王琦,陳小虎,紀延超,等.基于雙同步坐標的無刷雙饋風力發電系統的最大風能追蹤控制[J].電網技術,2007,31(3): 82-87.

[20] 賀益康,鄭康,潘再平,等.交流勵磁變速恒頻風電系統運行研究[J].電力系統自動化,2004,18(13): 55-59.

[期刊簡介]

《電機與控制應用》(原《中小型電機》)創刊于1959年，是經國家新聞出版總署批準注冊，由上海電器科學研究所(集團)有限公司主辦的具有專業權威的電工技術類科技期刊。

期刊定位于電機、控制和應用三大板塊，以中小型電機為基礎，拓展新型的高效節能和微特電機技術，以新能源技術和智能控制技術引領和提升傳統的電機制造技術為方向，以電機系統節能為目標開拓電機相關應用，全面報道國內外的最新技術、產品研發、檢測、標準及相關的行業信息。

本刊每月10日出版，國內外公開發行，郵發代號4-199。在半個多世紀的歲月中，該雜志為我國中小型電機行業的技術進步與發展做出了巨大的貢獻，在中國電機及其應用領域享有很高的影響。

依托集團公司雄厚的技術實力和廣泛的行業資源，《電機與控制應用》正朝著專業化品牌媒體的方向不斷開拓創新，在全國科技期刊界擁有廣泛的知名度，是“中國學術期刊綜合評價數據庫來源期刊”、“中國科學引文數據庫來源期刊”、“中國學術期刊(光盤版)全文收錄期刊”，得到了業內人士的普遍認可，備受廣大讀者的推崇和信賴，多次被評為中文核心期刊、中國科技核心期刊、全國優秀科技期刊。

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中國科學引文數據庫來源期刊 中國學術期刊綜合評價數據庫來源期刊

Control and Simulation Research on Grid-Connection and Splitting of Doubly-Fed Wind Power System

ZHENGJingwen，LIUPeng，LIYuchao

(College of Electrical Engineering， Wuhan University， Wuhan 430072， China)

The control process and control strategies of Doubly-fed wind power generator’s Grid-connection and Splitting Cutting-out were studied. Based on the mathematical model of doubly-fed wind power generator, the corresponding Control schemes of Grid-connection and Splitting have carried on the detailed introduction and analysis. Then based on PSCAD/EMTDC simulation, the theoretical analysis results were verified. The results showed that: the grid-connection control strategy makes voltage amplitude fluctuation smaller and it has higher control precision, quicker response and it can follow the Grid-voltage; According to the starting grid step, it can realize the interconnection of zero impacts between the stator current. Stator current closed-loop control strategy based on slope control can smooth and rapid control stator current and fast drop-out, it makes whole solution column process more smoothly; Solution steps listed can make the doubly-fed generator cut out quickly from the power grid, completing the process of soft solution column.

doubly-fed wind power generator; grid-connection; splitting and cutting-out; control strategy; simulation verification

國家自然科學基金資助項目(51207115)

鄭景文

TM 315

A

1673-6540(2015)05-0051-07

2014-12-11