雙饋式風力發電機運行與控制的數字仿真研究

鄭景文，秦 亮，劉開培

(武漢大學，武漢 430072)

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雙饋式風力發電機運行與控制的數字仿真研究

鄭景文，秦 亮，劉開培

(武漢大學，武漢 430072)

首先對雙饋風機的數學模型進行了詳細的分析介紹，以此為基礎，對雙饋風機的運行方式與控制策略進行全面而深入的研究。然后基于PSCAD/EMTDC仿真實驗，對理論分析結果進行驗證。仿真結果實現了雙饋風機的柔性并網、穩態以及暫態情況的功率獨立穩定控制、最大風能追蹤控制、軟切出控制。仿真結果可以有效地證明所給出的雙饋風機模型以及系統有較好的動態響應與控制特性，與理論分析相吻合。

雙饋風力發電機；起動并網；運行控制策略；有功無功解耦；解列切出；動態仿真驗證

0 引 言

隨著世界各國對風電產業的重視，風電在電力生產中所占比重越來越大[1-2],雙饋式風力發電機組作為熱門的新型風力發電機組，具有顯著的優越性。隨著其單機容量向MW級水平發展，大容量的風電機組與電網系統中的相互作用，相互適應、有效整合成為一個重要而突出的問題，決定了近期風電技術發展的主要走向，構成風電技術研究中重要的研發內容[3]。

目前關于兆瓦級變速恒頻雙饋式風力發電機組的模型與仿真國內外已展開了一些研究。文獻[4-8]將定子磁鏈定向矢量控制運用在風機并網中，建立了雙饋風機的柔性并網控制策略，實現了雙饋風機的柔性無沖擊并網；文獻[9-12]中的雙饋風力發電系統采用傳統矢量控制技術，其中網側采用電網電壓定向控制，同時轉子側采用定子磁鏈定向控制；文獻[13-15]對電網對稱故障情況下雙饋式發電機控制策略進行了研究，針對電網故障條件下電壓跌落提出了改進的控制策略，針對電壓不平衡情況提出新型矢量控制策略。文獻[16-20]研究了發電機組的最大風能追蹤的控制策略， 對最佳葉尖速比控制、功率反饋法和爬山法進行了詳細的綜述與仿真研究。文獻[21-23]對面向直流輸電的雙饋風力發電機運行控制進行了研究。

由于雙饋式風力發電機起動并網、解列切出、運行與控制特性的研究是雙饋式風力發電機接入系統后與電網相互影響、相互作用等問題的基礎，同時較少有單獨的文獻能系統全面的對其進行完整介紹和分析。本文在分析雙饋式風力發電機動態數學模型的基礎上，系統地給出雙饋式風力發電機組的起動并網、運行控制策略。基于PSCAD/EMTDC仿真平臺，建立包含各個部件的雙饋風力發電機組空載并網、運行控制的完整的電磁暫態模型，并對雙饋式風力發電機起動并網、解列切出、穩態暫態運行控制進行系統、完整的仿真，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

本文按照傳統電動機正方向規定，得到雙饋發電機d-q同步旋轉坐標系下的定子電壓、定子磁鏈，轉子電壓、轉子磁鏈，定子輸出有功無功功率的數學模型[3]。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：usd，usq，ψsd，ψsq為雙饋風機定子電壓、定子磁鏈的d，q分量；urd，urq，ψrd，ψrq為雙饋風機轉子電壓、轉子磁鏈d，q分量；Lm為d-q坐標系下定，轉子繞組等效互感，Lm=3/2Lms；Lms為靜止三相坐標系下定轉子一相繞組等效互感；Ls為d-q坐標系定子繞組自感，Ls=Lm+Ll1，Ll1為定子漏感；Lr為d-q坐標系轉子繞組自感，Lr=Lm+Ll2，Ll2為轉子漏感；Ps，Qs為雙饋風力發電機定子側輸出有功和無功功率；ω1為同步旋轉角速度；ωs為轉差頻率，ωs=ω1-ωr；ωr為轉子角速度；p為微分算子。

并網前，發電機空載，定子電流為0。將此條件代入式(1)～式(5)，得到雙饋風力發電機空載狀態下的數學模型[4-8]：

(6)

(7)

(8)

(9)

2 雙饋式風力發電機組起動并網控制策略

本文采用定子磁鏈定向矢量控制策略，其原理框圖如圖1所示[9-10]。

圖1 定子磁鏈定向矢量原理圖

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。忽略電壓、磁鏈暫態變化，將式(8)代入式(6)得：

(10)

由式(10)看出，忽略暫態變化時，定子電壓的d，q軸分量分別由轉子勵磁電流q，d軸分量控制，考慮到電網電壓發生波動時，需要考慮暫態過程，故采用電壓閉環控制。控制框圖如圖2所示。

圖2 定子電壓閉環控制策略

如圖2所示，電壓瞬時值閉環控制分為定子電壓外環控制和轉子電流內環控制。依據式(6)、式(8)、式(10)，電壓外環控制中將定子電壓與電網電壓的d軸分量以及q軸分量的差值，經過PI控制器的調節，輸出轉子電流參考值分量；轉子電流內環控制中，通過滯環比較控制器，輸出對應的觸發脈沖，控制轉子側變流器IGBT的通斷，實現勵磁電流追隨參考值的變化過程。通過雙閉環控制策略，實現準同期并網的條件，最后實現雙饋風機的柔性并網。

3 雙饋式風力發電機組運行與控制策略

3.1 網側PWM電壓矢量定向控制策略

圖3為網側PWM變換器的主電路圖[11]。

圖3 網側PWM變換器的主電路圖

網側PWM采用電網電壓矢量定向方式，根據網側PWM的d-q軸數學模型，可得到控制方程:

(11)

圖4 網側PWM電壓矢量定向控制框圖

3.2 雙饋式風力發電機最大風能追蹤控制

雙饋式風力發電機運行與控制的一個重要目標就是充分利用風能，實現最大風能的追蹤控制。風力機的輸出功率可表達[16]：

(12)

式中:ρ為空氣密度；SW為風力機葉片迎風面積；v為風速；Cp為風能利用率。要充分利用風能，即Cp最大。圖5給出了轉矩角恒定時不同風速下風力機輸出功率(或Cp)與風力機轉速的關系曲線。

如圖5所示，E,M,G點分別為v1,v2,v3風速下風力機輸出的最大功率點，對應的轉速為最佳轉速。將每個風速下的最佳功率點連接即為最佳風能追蹤曲線Pmax。功率追蹤曲線為Pmax=kω3，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[17,20]。

圖5 風力機輸出功率與風力機轉速的關系曲線

本文采用的最大風能追蹤控制方法是功率反饋法。其核心策略是測量風力機的轉速ω，通過最大功率曲線，計算出相應轉速下風力機的最大輸出功率Pmax，將它作為風力機的輸出功率給定值Pref，忽略電機損耗，穩定運行時風力機輸出功率與發電機輸出功率相等，通過控制策略讓發電機輸出有功追隨給定值Pref，以實現對最大功率點的跟蹤。控制框圖如圖6所示。

圖6 最大風能追蹤控制框圖

3.3 轉子側PWM有功、無功解耦控制

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軸電流間關系式[3]：

(13)

由式(13)可以看出，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,其控制框圖如圖7所示。該控制中外環為功率環控制，內環為電流控制。當風機運行于最大風能追蹤狀態時，外環通過最大風能跟蹤曲線，輸入風力機轉速，得到相應的定子側有功參考值，將功率差值通過PI調節器的控制，輸出轉子電流的參考值。內環電流控制中，將實際電流與參考電流比較，差值經過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，從而實現有功無功解耦控制與最大風能追蹤[20]。

圖7 DFIG有功無功解耦控制框圖

3.4 雙饋式風力發電機切出控制

雙饋式風力發電機的切出過程是切入過程的逆過程，切出過程的關鍵是對雙饋電機的定子電流進行控制[11]。通過對定子電流進行閉環控制，使其逐漸減小為零，從而在零電流的情況下將雙饋電機從電網切出，即完成雙饋電機的軟解列過程。采用定子磁鏈定向矢量控制，由式(3)得到：

(14)

定子電流d-q分量分別由轉子電流d-q分量控制，由式(14)得到雙饋式風力發電機軟解列控制策略如圖8所示。外環定子電流閉環控制，通過下垂控制將定子電流的q軸參考分量逐漸減小至零，經過PI環節得到內環電流參考值，再通過轉子電流勵磁分量的調整，使得定子電流實際值減小為零。

圖8 軟解列控制框圖

4 雙饋風力發電機運行與控制仿真及分析

本文基于PSCAD /EMTDC仿真環境對雙饋式風力發電系統的運行與控制過程和策略進行仿真及對比分析。仿真具體參數如表1所示。

表1 系統仿真參數表

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起動并網過程以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。仿真結果如圖9所示。

圖9 是DFIG起動并網前后定子電壓、定子電流、直流電壓仿真波形圖。并網采用定子電壓瞬時值閉環控制，t=0.02 s時，系統提供勵磁，定子電壓逐漸增大；t=0.08 s時定子電壓跟隨電網側電壓，在整個空載運行階段，定子電壓的幅值波動量為6%。當定子側與網側電壓三要素完全一致，滿足準同期并網條件，在t=0.5 s時并網，并網瞬間基本沒有沖擊電流產生，經過短時間振蕩，達到穩定。在起動并網前后，直流母線電壓始終保持穩定值10 kV。

(a) 定子電壓

(b) 直線母線電壓

(c) 定子電流

對以上仿真結果進行分析可得到以下結論：電壓閉環控制的電壓幅值波動小，控制精度高，響應迅速，同時實現定子電流的無沖擊并網以及直流母線側電壓的穩定。仿真驗證了本文給出的空載并網控制的有效性、優越性以及本文提出的起動并網控制策略的正確性。

4.2 雙饋風力發電機有功、無功解耦仿真

為了進一步驗證DFIG的動態響應與控制特性，對雙饋式風力發電機有功、無功解耦控制策略進行仿真驗證。仿真波形如圖10所示。

t=0.5 s通過斜率控制，令DFIG的輸出功率參考值從0逐步上升至1.7 MW，t=1 s之后保持不變，有功功率實際值較好地跟隨參考值的變化，隨著功率的改變，定子電流也進行同步改變。圖10中控制發電機的無功參考值在3 s時由0突變為0.1 MVar，無功功率實際值較好地跟隨參考值的變化。實驗結果顯示，當有功指令單獨變化時，DFIG輸出的有功功率隨之相應變化，無功功率輸出保持不變；無功指令單獨躍變時，DFIG輸出的無功功率隨之相應變化，有功功率輸出保持不變，說明風力發電系統基于PQ解耦的控制模型具有良好的魯棒性。

(a) 定子側電流

(b) 定子側有功功率

(c) 定子側無功功率

(e) 直流母線電壓

(f) 轉子勵磁電流

(g) 轉子轉速

仿真中，風速設定為10 m/s，由圖5可知，仿真過程轉速變化微小，對風能利用率Gp影響不大，可假定為風力機輸出的機械功率恒定，隨著轉速的微小變化，風力機輸入的機械轉矩TM也相應成反比變化。發電機有功參考值改變，通過控制勵磁電流控制發電機的電磁轉矩TE變化，圖10的TE的絕對值隨著發電機有功參考值的改變而相應的改變，最終與TM絕對值大小相等。在此階段隨著TE,TM協同作用，風機轉速標幺值由1.2逐漸上升至1.26，然后下降至1.15，當TE=TM時保持穩定。在整個運行控制階段直流母線電壓始終保持穩定值10 kV。仿真分析結果驗證了所建立的大容量雙饋式風力發電機有較好的動態響應與控制特性。

由圖10轉速與勵磁電流的關系可以看出：選取轉速標幺值為1.26時，風機運行于超同步狀態，換算成頻率為1.26×50 Hz=63 Hz，此時由波形測得勵磁電流頻率約為13.2 Hz，忽略測量誤差，轉子旋轉頻率與勵磁電流頻率差值即為定子電壓電流頻率f=50 Hz(工頻)。仿真結果表明，所建立的大容量雙饋式風力發電機實現了變速恒頻的特點。

4.3 雙饋風力發電機最大風能追蹤仿真

由圖11可以看出，穩定狀態下，系統輸出的有功功率隨轉子角速度變化的曲線與風機的風能追蹤曲線基本吻合，對比PSCAD仿真結果，可以驗證本模型達到了最大風能跟蹤的目標，系統最大風能追蹤控制模塊的設計是準確和有效的。

圖11 DFIG輸出功率與轉子角速度坐標圖

表2 雙饋式風力發電機最大風能追蹤實驗數據

本文在MATLAB中對搭建的風力機模型的風能利用系數Cp曲線函數進行擬合分析，得到當λ=8.32時，Cpmax=0.417。分析結果與表1中的計算、測量結果相符，驗證了本模型最大風能跟蹤理論與仿真的正確性。

4.4 雙饋風力發電機解列切出仿真

當風速過大或者過小時，需要對雙饋式風力發電機進行解列操作。本文解列切出實驗的操作步驟：t=1 s通過斜率控制令DFIG的輸出功率參考值從2.1 MW逐步減小，t=2 s下降為0，此時將DFIG與電網平滑解列。圖12為DFIG解列時相應的變量仿真波形圖。

(a) 定子側電流

(b) 功率實際值

(c) 轉子勵磁電流

(d) 直流母線電壓

(e) 電磁轉矩

由圖12可以看到，當有功功率參考值變化時，功率實際值較好地跟隨參考值的變化，同時隨著功率的下降，定子電流也同步下降，在t=2 s時下降為零，此時將DFIG定子側與電網平滑解列。此過程中，通過控制勵磁電流控制發電機的電磁轉矩TE隨著功率同步變化，在整個解列過程直流母線電壓在風機正常運行時穩定為10 kV，證明網側變流器控制效果良好。t=2s時，通過減小轉子電流進行風機滅磁操作，當轉子電流下降為0時，將網側PWM變頻器與電網斷開，實現雙饋式風力發電機的解列切出操作。在t=2 s風機從電網中切出后，直流測電容電壓通過放電，逐漸衰減為0。

仿真結果驗證了本文給出的解列切出控制策略的正確性，同時驗證了本模型有較好的動態響應能力，與理論分析相吻合。

5 結 語

本文在分析雙饋式風力發電機動態數學模型的基礎上，系統地給出雙饋式風力發電機組的起動并網、運行控制策略。基于PSCAD/EMTDC仿真平臺，建立包含各個部件的雙饋風力發電機組空載并網、運行控制的完整的電磁暫態模型，并對雙饋式風力發電機起動并網、穩態暫態運行控制、解列切出過程進行系統、完整的仿真，以驗證理論及對比分析的正確性：

1)電壓閉環控制的電壓幅值波動小，控制精度高，響應迅速，實現了定子電流的無沖擊并網以及直流母線側電壓的穩定。驗證了本文給出的空載并網控制的有效性、優越性以及本文提出的起動并網控制策略的正確性。

2)本文實現了有功無功的解耦控制，說明風力發電機基于PQ解耦的控制模型具有良好的魯棒性。通過對并網后DFIG定轉子電流、轉速等一系列變量的監測以及仿真分析，結果表明所建立的大容量雙饋式風力發電機實現了變速恒頻的特點，同時驗證了所建立的大容量雙饋式風力發電機有較好的動態響應與控制特性。

3)本文實現了雙饋風力發電機最大風能追蹤仿真，并通過數據的采集、監測以及MATLAB的擬合，將理論值與實際值對比分析。實際的計算、測量結果與理論分析結果相符，驗證了本模型最大風能跟蹤理論與仿真的正確性。

4)本文實現了雙饋式風力發電機的軟解列以及快速滅磁過程，使電機從電網中能快速平穩脫離。驗證了文中所給控制策略和方案的正確性。

本文系統全面地對雙饋式風力發電機起動并網、解列切出、運行與控制特性進行完整的介紹和分析。驗證了相應控制策略的正確性、有效性，驗證了所建立的大容量雙饋式風力發電機較好的動態響應與控制特性。為雙饋式風力發電系統接入系統后與電網相互影響、相互作用等問題的研究打下基礎， 為后續有關雙饋式風力發電機特性的研究提供一定的參考。

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Research on Digital Simulation of Running and Controlling of Doubly-Fed wind Power Generation System

ZHENGJing-wen，QINLiang，LIUKai-pei

(Wuhan University，Wuhan 430072,China)

A detailed analysis of the mathematical model of the double fed wind turbine was introduced. Based on this, the operation mode and control strategy of the double fed wind turbine were studied comprehensively and deeply. Then based on the PSCAD/EMTDC simulation experiment, the theoretical analysis results were verified. Simulation results show that the flexible grid connection, steady state and transient state of the double fed wind turbine are independent and stable control, the maximum wind energy tracking control, soft cut out control. The simulation results and simulation analysis of the system can effectively prove that the model and the system have good dynamic response and control characteristics.

doubly-fed induction generator (DFIG); starting and network; operation control strategy; active and reactive power decoupling; splitting cut out; dynamic simulation

2015-07-16

國家自然科學基金項目(51207115)

TM315

A

1004-7018(2016)01-0027-07