雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制策略研究

代 喜 王志強(qiáng) 姜艷明 真 真

東方電氣(呼倫貝爾)新能源有限公司

雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制策略研究

代 喜 王志強(qiáng) 姜艷明 真 真

東方電氣(呼倫貝爾)新能源有限公司

全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來了巨大的能源需求，傳統(tǒng)的能源供應(yīng)已經(jīng)很難滿足需求并且也會(huì)帶來霧霾等環(huán)境問題。尋找新型環(huán)保優(yōu)質(zhì)能源已經(jīng)成為當(dāng)下的熱門課題。風(fēng)能作為廣泛存在于自然界的能量，其可再生性、無(wú)污染性和巨大的含量等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)被人們接受并且引起了重視。我國(guó)幅員遼闊，地理位置優(yōu)越，具有豐富的風(fēng)能資源，并且已經(jīng)建立了很多的風(fēng)力發(fā)電廠。在風(fēng)電系統(tǒng)安裝的電機(jī)類型中，雙饋式感應(yīng)電機(jī)(Doubly Fed Induction Generator，簡(jiǎn)稱 DFIG)具有的功率可調(diào)和變速恒頻運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)使其已經(jīng)成為目前主流機(jī)型之一。

雙饋式風(fēng)力發(fā)電；系統(tǒng)；控制措施

雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)通常采用雙PWM背靠背變流器為轉(zhuǎn)子繞組提供交流勵(lì)磁，機(jī)側(cè)變流器可以調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功和無(wú)功功率；網(wǎng)側(cè)變流器可以調(diào)節(jié)整個(gè)雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的功率因數(shù)，理論上可以得到任意可調(diào)的功率因數(shù)。因此，雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有靈活的有功和無(wú)功功率調(diào)節(jié)能力，如果利用此能力參與電網(wǎng)頻率和電壓的調(diào)節(jié)將為電網(wǎng)提供新的調(diào)節(jié)手段，業(yè)界也在這個(gè)方面開展了大量的研究工作。

1 雙饋異步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理

雙饋式異步發(fā)電機(jī)通常也叫做“異步化同步發(fā)機(jī)”，因?yàn)槠浔旧黼m屬異步范疇，但是其卻像同步機(jī)一樣擁有獨(dú)立的勵(lì)磁系統(tǒng)，因而得到“異步化同步電機(jī)”這個(gè)稱呼。其“雙饋”的特點(diǎn)則體現(xiàn)在電機(jī)的定子繞組直接與電網(wǎng)相連，轉(zhuǎn)子則通過變流器再與電網(wǎng)相連，并且轉(zhuǎn)子能量可雙向流動(dòng)。由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子采用了通過變頻器交流勵(lì)磁，發(fā)電機(jī)和電力系統(tǒng)構(gòu)成了"柔性連接"，即可以結(jié)合電網(wǎng)電壓、電流和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，迅速改變轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的幅值、相位和頻率，達(dá)到調(diào)節(jié)機(jī)組轉(zhuǎn)速、有功功率、無(wú)功功率目的，既提高機(jī)組的效率，又可對(duì)電網(wǎng)起到頻率和電壓的穩(wěn)定作用。

雙饋異步發(fā)電機(jī)具有這些優(yōu)點(diǎn)的前提是，電機(jī)的勵(lì)磁電流是交流電。但是也正是由于這一點(diǎn)，對(duì)勵(lì)磁電流的控制就更具有難度。現(xiàn)在多數(shù)電機(jī)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(shí)現(xiàn)可以獨(dú)立調(diào)節(jié)各個(gè)量卻不產(chǎn)生相互耦合的目的。

雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，通常采用如下圖1所示的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。

圖1 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)控制分析

2.1 故障穿越控制

隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的大規(guī)模接入，風(fēng)機(jī)與接入地區(qū)電網(wǎng)之間的相互影響也越來越大。在電網(wǎng)電壓跌落等故障情況下，風(fēng)機(jī)的大面積脫網(wǎng)解列將可能引起電網(wǎng)的電壓和頻率崩潰，使電網(wǎng)事故擴(kuò)大。大多數(shù)國(guó)家的電網(wǎng)運(yùn)行導(dǎo)則中都對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓運(yùn)行能力提出了要求，要求風(fēng)機(jī)在電網(wǎng)電壓短時(shí)跌落時(shí)，具有繼續(xù)保持并網(wǎng)運(yùn)行的能力，并具有在故障切除后輔助電網(wǎng)快速恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行的能力。

電網(wǎng)故障將引起DFIG過流和過壓，可能造成機(jī)側(cè)變流器和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的損壞。為了在低電壓下實(shí)現(xiàn)機(jī)組的并網(wǎng)運(yùn)行，并保證機(jī)側(cè)變流器和電機(jī)安全，比較常見的保護(hù)措施是在轉(zhuǎn)子側(cè)采用撬棒保護(hù)電路(為轉(zhuǎn)子側(cè)大電流提供旁路，達(dá)到限制過電流、保護(hù)變流器、保持并網(wǎng)運(yùn)行的目的)。此外，在電網(wǎng)電壓跌落幅值較小時(shí)，通過雙PWM變流器實(shí)施有效的故障穿越控制策略，可以在外部保護(hù)電路不動(dòng)作時(shí)，實(shí)現(xiàn)機(jī)組故障穿越，從而使雙饋發(fā)電系統(tǒng)和雙饋型風(fēng)電場(chǎng)在電網(wǎng)故障情況下為電網(wǎng)提供電壓和無(wú)功支撐，參與電網(wǎng)的電壓無(wú)功調(diào)節(jié)，具有一定的理論和工程實(shí)際意義。

2.2 功率控制

雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中由于擁有的變頻器容量比較小，并且可以相互獨(dú)立的控制系統(tǒng)的有功功率和無(wú)功功率，因而被廣泛應(yīng)用到風(fēng)電場(chǎng)中。就目前情況看來，風(fēng)電場(chǎng)中的雙饋發(fā)電機(jī)大多數(shù)運(yùn)行在功率因數(shù)下，即雙饋發(fā)電機(jī)不發(fā)出無(wú)功功率，使電機(jī)本身的無(wú)功功率調(diào)節(jié)能力使用受到限制。在風(fēng)速變化情況下，為了能夠保證風(fēng)電系統(tǒng)跟隨風(fēng)速的變化輸出有功功率而無(wú)功功率基本保持不變，目前雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)多采用矢量控制技術(shù)，以獲得最佳的有功功率和無(wú)功功率解耦控制。在實(shí)際的發(fā)電運(yùn)行過程中，雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的有功功率不僅要滿足實(shí)時(shí)追蹤風(fēng)速的變化以最大風(fēng)能追蹤運(yùn)行，系統(tǒng)的無(wú)功功率的輸出也要受到一定的控制，兩者統(tǒng)稱為 DFIG 的功率控制。DFIG 能夠輸出優(yōu)質(zhì)的功率是最大風(fēng)能追蹤策略能否實(shí)現(xiàn)的重要基礎(chǔ)，同時(shí)也會(huì)波及到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)和雙饋式發(fā)電機(jī)的運(yùn)行安全和經(jīng)濟(jì)效益。要良好的實(shí)現(xiàn) DFIG 的功率控制，就必須要得到系統(tǒng)的參考功率。

2.3 電壓協(xié)調(diào)控制

目前，雙饋型風(fēng)電場(chǎng)中的風(fēng)電機(jī)組通常以恒功率因數(shù)(如單位功率因數(shù))運(yùn)行，發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流完全由轉(zhuǎn)子變流器提供，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況下網(wǎng)側(cè)變流器與機(jī)側(cè)變流器的有功功率相等。由于雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通過雙PWM變流器協(xié)調(diào)控制，可以有效地實(shí)現(xiàn)有功功率和無(wú)功功率控制。因此，完全可以利用其對(duì)于無(wú)功功率的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力，參與電網(wǎng)電壓無(wú)功調(diào)節(jié)。在充分研究雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)雙變流器多目標(biāo)協(xié)調(diào)控制和故障穿越控制策略的基礎(chǔ)上，將研究成果進(jìn)一步應(yīng)用于雙饋型風(fēng)電場(chǎng)參與電網(wǎng)無(wú)功功率控制，為風(fēng)電場(chǎng)在不同電網(wǎng)工況下參與電網(wǎng)電壓無(wú)功調(diào)節(jié)提供了理論依據(jù)和控制方法，具有一定的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。

在雙饋型風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功電壓控制研究中，可將含雙饋風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)電場(chǎng)當(dāng)做一個(gè)連續(xù)可調(diào)的無(wú)功電源，從風(fēng)電場(chǎng)外特性出發(fā)，使其參與區(qū)域電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化調(diào)節(jié)，研究?jī)?nèi)容有風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功控制策略，風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功需求分析和風(fēng)電機(jī)組無(wú)功功率優(yōu)化分配方法等。雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)通過雙PWM變流器控制可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的有功功率和無(wú)功功率解耦控制，能夠調(diào)節(jié)功率因數(shù)和提供電壓支撐，具有較好的靜態(tài)和暫態(tài)電壓穩(wěn)定性。

綜上所述，全球經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，風(fēng)能作為新型能源已經(jīng)收到越來越多的重視和研究。隨著機(jī)械，電力電子技術(shù)和現(xiàn)代電氣技術(shù)的發(fā)展，雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)成為了目前主流的風(fēng)電系統(tǒng)。本文根據(jù)對(duì)雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的各個(gè)組成部分進(jìn)行的分析和研究，希望能夠?qū)τ嘘P(guān)工作提供借鑒作用。

[1] 郭家虎，蔡旭，龔幼民. 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的非線性解耦控制[J].控制理論與應(yīng)用，2009，09：958-964.

[2] 詹龍. 雙饋風(fēng)力發(fā)電變流器控制策略研究[D]. 合肥工業(yè)大學(xué)，2013.