雙饋風力發電系統控制策略研究

代 喜 王志強 姜艷明 真 真

東方電氣(呼倫貝爾)新能源有限公司

雙饋風力發電系統控制策略研究

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全球經濟發展帶來了巨大的能源需求，傳統的能源供應已經很難滿足需求并且也會帶來霧霾等環境問題。尋找新型環保優質能源已經成為當下的熱門課題。風能作為廣泛存在于自然界的能量，其可再生性、無污染性和巨大的含量等優點已經被人們接受并且引起了重視。我國幅員遼闊，地理位置優越，具有豐富的風能資源，并且已經建立了很多的風力發電廠。在風電系統安裝的電機類型中，雙饋式感應電機(Doubly Fed Induction Generator，簡稱 DFIG)具有的功率可調和變速恒頻運行等優點使其已經成為目前主流機型之一。

雙饋式風力發電；系統；控制措施

雙饋風力發電系統通常采用雙PWM背靠背變流器為轉子繞組提供交流勵磁，機側變流器可以調節發電機發出的有功和無功功率；網側變流器可以調節整個雙饋風力發電系統的功率因數，理論上可以得到任意可調的功率因數。因此，雙饋風力發電系統具有靈活的有功和無功功率調節能力，如果利用此能力參與電網頻率和電壓的調節將為電網提供新的調節手段，業界也在這個方面開展了大量的研究工作。

1 雙饋異步發電機的運行原理

雙饋式異步發電機通常也叫做“異步化同步發機”，因為其本身雖屬異步范疇，但是其卻像同步機一樣擁有獨立的勵磁系統，因而得到“異步化同步電機”這個稱呼。其“雙饋”的特點則體現在電機的定子繞組直接與電網相連，轉子則通過變流器再與電網相連，并且轉子能量可雙向流動。由于發電機轉子采用了通過變頻器交流勵磁，發電機和電力系統構成了"柔性連接"，即可以結合電網電壓、電流和發電機的轉速，迅速改變轉子勵磁電流的幅值、相位和頻率，達到調節機組轉速、有功功率、無功功率目的，既提高機組的效率，又可對電網起到頻率和電壓的穩定作用。

雙饋異步發電機具有這些優點的前提是，電機的勵磁電流是交流電。但是也正是由于這一點，對勵磁電流的控制就更具有難度。現在多數電機的控制是采用基于定子磁鏈定向和定子電壓定向的矢量控制，借助這種控制方式可以實現可以獨立調節各個量卻不產生相互耦合的目的。

雙饋異步風力發電系統，通常采用如下圖1所示的結構系統。

圖1 雙饋風力發電系統結構圖

2 系統控制分析

2.1 故障穿越控制

隨著風力發電機組的大規模接入，風機與接入地區電網之間的相互影響也越來越大。在電網電壓跌落等故障情況下，風機的大面積脫網解列將可能引起電網的電壓和頻率崩潰，使電網事故擴大。大多數國家的電網運行導則中都對風力發電機組低電壓運行能力提出了要求，要求風機在電網電壓短時跌落時，具有繼續保持并網運行的能力，并具有在故障切除后輔助電網快速恢復穩定運行的能力。

電網故障將引起DFIG過流和過壓，可能造成機側變流器和發電機轉子繞組的損壞。為了在低電壓下實現機組的并網運行，并保證機側變流器和電機安全，比較常見的保護措施是在轉子側采用撬棒保護電路(為轉子側大電流提供旁路，達到限制過電流、保護變流器、保持并網運行的目的)。此外，在電網電壓跌落幅值較小時，通過雙PWM變流器實施有效的故障穿越控制策略，可以在外部保護電路不動作時，實現機組故障穿越，從而使雙饋發電系統和雙饋型風電場在電網故障情況下為電網提供電壓和無功支撐，參與電網的電壓無功調節，具有一定的理論和工程實際意義。

2.2 功率控制

雙饋風力發電系統中由于擁有的變頻器容量比較小，并且可以相互獨立的控制系統的有功功率和無功功率，因而被廣泛應用到風電場中。就目前情況看來，風電場中的雙饋發電機大多數運行在功率因數下，即雙饋發電機不發出無功功率，使電機本身的無功功率調節能力使用受到限制。在風速變化情況下，為了能夠保證風電系統跟隨風速的變化輸出有功功率而無功功率基本保持不變，目前雙饋式風力發電系統多采用矢量控制技術，以獲得最佳的有功功率和無功功率解耦控制。在實際的發電運行過程中，雙饋風力發電系統的有功功率不僅要滿足實時追蹤風速的變化以最大風能追蹤運行，系統的無功功率的輸出也要受到一定的控制，兩者統稱為 DFIG 的功率控制。DFIG 能夠輸出優質的功率是最大風能追蹤策略能否實現的重要基礎，同時也會波及到整個網絡和雙饋式發電機的運行安全和經濟效益。要良好的實現 DFIG 的功率控制，就必須要得到系統的參考功率。

2.3 電壓協調控制

目前，雙饋型風電場中的風電機組通常以恒功率因數(如單位功率因數)運行，發電機的勵磁電流完全由轉子變流器提供，穩態運行情況下網側變流器與機側變流器的有功功率相等。由于雙饋風力發電機組通過雙PWM變流器協調控制，可以有效地實現有功功率和無功功率控制。因此，完全可以利用其對于無功功率的動態調節能力，參與電網電壓無功調節。在充分研究雙饋風力發電系統雙變流器多目標協調控制和故障穿越控制策略的基礎上，將研究成果進一步應用于雙饋型風電場參與電網無功功率控制，為風電場在不同電網工況下參與電網電壓無功調節提供了理論依據和控制方法，具有一定的理論意義和工程實用價值。

在雙饋型風電場無功電壓控制研究中，可將含雙饋風電機組的風電場當做一個連續可調的無功電源，從風電場外特性出發，使其參與區域電網無功優化調節，研究內容有風電場無功控制策略，風電場無功需求分析和風電機組無功功率優化分配方法等。雙饋風力發電機通過雙PWM變流器控制可以實現發電機的有功功率和無功功率解耦控制，能夠調節功率因數和提供電壓支撐，具有較好的靜態和暫態電壓穩定性。

綜上所述，全球經濟快速發展，風能作為新型能源已經收到越來越多的重視和研究。隨著機械，電力電子技術和現代電氣技術的發展，雙饋式風力發電系統成為了目前主流的風電系統。本文根據對雙饋式風力發電系統的各個組成部分進行的分析和研究，希望能夠對有關工作提供借鑒作用。

[1] 郭家虎，蔡旭，龔幼民. 雙饋風力發電系統的非線性解耦控制[J].控制理論與應用，2009，09：958-964.

[2] 詹龍. 雙饋風力發電變流器控制策略研究[D]. 合肥工業大學，2013.