直流并網型雙饋風力發電系統限轉子功率運行控制方法

崔學深 張恒 劉其輝 詹陽 吳浩

摘 ?要：本文針對雙饋風力發電系統并入直流微網拓撲，提出一種全風速范圍都能限制轉子饋送功率的控制方法，從而可以降低系統中轉子換流器的成本。實現該控制方法的關鍵點在于，在實現最大風能追蹤控制的同時，對并入直流微網的雙饋機的定子頻率進行調整，在風速較高時通過矢量控制的磁鏈環增大定子頻率，以一定的負轉差將轉子側功率限制在較小的恒定功率下，風速較低時以低于工頻的恒定子頻率運行，使轉差率在較小范圍內正負變化，則限制了轉子側功率的絕對值。本文在定子側不控整流、轉子側經換流器接直流微網的拓撲下，對1.5MW雙饋風力機限轉子功率的控制方法進行仿真，結果表明從切入風速到額定風速的區域，均可限制轉子側功率的絕對值在70kW之內。

關鍵詞：限轉子功率;雙饋風力發電機;寬頻率運行;最大風能追蹤

DOI：10.15938/j.emc.（編輯填寫）

中圖分類號：TM 721 ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：1007 -449X（2017）00-0000-00（編輯填寫）

Abstract： For the topology of doubly-fed wind power generation system integrated into DC microgrid， this paper proposed a control method which limited the rotor power in the full range of wind speed， and thus reduced the cost of rotor side converters in the doubly-fed wind power generation system. The key to this control method is that the stator frequency of doubly-fed generators prior to the rectification is adjusted properly， and the maximum wind power tacking is realized in the meanwhile. When the wind speed is high， the stator frequency is increased by the vector control loop of flux， and the rotor power is limited to a small and constant value with a negative slip. When the wind speed is low， the stator frequency is kept constant at a value slightly smaller than the grid frequency， and the slip varies in a small range of positive and negative values， so that the absolute value of the rotor power is limited. Under the topology of stator-side uncontrolled rectifier and rotor-side converter connected to DC microgrid， the scheme and control method of limiting rotor power was simulated on a 1.5MW doubly-fed wind turbine. The results shew that the absolute value of rotor power can be limited to 70kW in the maximum wind power tracking range from the cut-in wind speed to the rated wind speed.

Keywords： limited rotor power ; doubly-fed induction generation （DFIG） ; wide frequency range operation ; maximum power point tracking （MPPT）

0 引 ?言

相較于傳統的交流電網，直流電網具有沒有無功潮流、損耗低、并聯過程簡單等優點[1-4]，目前，風能、太陽能等分布式可再生能源發電并入直流微電網已經在國內外有很多成功范例并成為研究熱點[5]。風能在可再生能源中占據比較大的比例，其中雙饋感應發電機（DFIG）由于其具有靈活的有功和無功的調節能力以及對轉換器的容量要求不高的優點，已經廣泛的應用于風力發電系統中。風力發電并入直流微電網時，其發電頻率不必限制為工頻，可以通過控制跟隨風速和轉速變化在一定范圍內調節，因此需要找到適用于風力發電系統與直流微電網連接的拓撲，并在此基礎上研究如何在寬風速范圍運行中調節頻率的控制方法。

傳統的DFIG系統一般用于并入交流電網[6-7]，轉子側采用背靠背PWM變換器實現有功和無功的解耦控制。如果將DFIG并入直流微網，一般來說，DFIG-DC系統拓撲主要有下圖1和圖2兩種形式。可以看出圖1采用的是DFIG轉子側連接可控換流器，定子側通過不控整流橋連接到直流微網[8-12]，所以只需要對轉子換流器（RSC）進行矢量控制來實現控制目標，控制簡單明晰。此拓撲的定子側采用二極管整流橋元件，可使系統的成本大幅度降低，但此拓撲中定子電壓高度畸變，因此定轉子電流也產生了畸變，最終表現為轉矩的脈動增大。對于這一問題的解決方案，可以通過在控制策略中加入了抑制轉矩脈動的反饋環節來實現[13-15]。另外，由于定子電壓通過不控整流橋被直流電網電壓鉗制為一恒定值，因此寬頻率范圍運行時可能會出現在低頻運行的磁鏈飽和以及高頻運行的弱磁過深等現象，所以圖1拓撲不宜在過寬的頻率范圍運行。

圖2采用的是DFIG定子接可控換流器SSC和轉子接可控換流器RSC的拓撲結構[16-17]，由于定子電壓也能夠通過SSC進行一定范圍的調控，因此可以避免出現磁鏈過飽和弱磁過深等現象，于是系統在圖2拓撲下可以運行在較寬的頻率范圍。但在此拓撲下需要對定子側換流器和轉子側換流器分開控制增加了控制的難度，降低了控制的可靠性，而且系統定子側換流器的成本大大高于圖1的模式。

從成本角度出發，圖1拓撲具有明顯優勢，本文在此基礎上進一步研究頻率調節控制方法，在寬風速范圍下有效地限制轉子功率的絕對值，從而能夠進一步降低轉子側換流器的成本。

DFIG一般在轉子側換流器的矢量控制中采用轉矩與定子磁鏈解耦的控制策略[7-9]，由轉矩控制環來實現最大風能追蹤，由磁鏈控制環將定子電壓的頻率控制為工頻。G. D. Marques 和 M. F. Iacchetti在對DFIG-DC系統的研究中提出了通過磁鏈間接調節定子頻率的方法[9-10]，以及在弱磁運行中優化系統的效率[18]，但卻沒有從降低DFIG-DC系統成本的角度研究頻率調節的方法。文獻[19]提出在寬風速運行范圍下的寬頻率運行控制方法，始終以恒定的負轉差率跟隨轉子轉速的變化，避免了轉子側流入功率造成的功率環流。此方法雖然能夠將轉差率限制為一個較小的恒定值，但轉子功率在風速較高時也會與輸入功率成比例地增大，無法最大程度地降低轉子側換流器容量和成本。

本文針對以上問題，充分考慮全風速范圍下雙饋風機的數學模型以及DFIG-DC系統的拓撲，提出在全風速范圍下限制轉子功率的雙模式控制方法。具體是在低風速范圍內通過恒頻率控制使轉子功率在風速逐漸從小增大的過程中從正逐漸變為負，然后在特定風速切換為恒轉子功率控制使轉子功率在風速增長的過程中恒定在這一負值下，實現限制轉子側換流器的容量進而大幅度降低系統的成本這一目標。

1 直流并網結構

下圖1和圖2為適用于全直流型風電場的雙饋風力發電系統拓撲，與傳統交流型并網結構拓撲不同的是其少了網側變換器。從下圖的拓撲可以看出圖1和圖2拓撲的不同就體現在定子所連接換流器種類的差別。根據本文的研究問題所以選用圖1的拓撲結構。

從以上的分析得出矢量控制雙閉環外環的控制思想，對定子磁鏈環和功率環采用解耦控制，其分別由轉子電流d軸分量和q軸分量控制。定子磁鏈由定子頻率間接控制，功率環負責追蹤最大功率P*s即MPPT模式。

3.3 限轉子功率控制的兩種模式

一般的雙饋風力發電系統都將運行在轉子額定轉速或最高轉速設定在同步速的1.2倍以上，轉子側換流器的容量更是按照轉差率在-0.3～+0.3來設計。以1.5MW雙饋風力發電系統為例，換流器容量至少需要配置350kW，這主要是因為頻率被交流電網鉗制在50Hz的情況下，風速轉速較高時轉差大以及轉子功率大造成的結果。DFIG直接并聯直流微網時，通過本文的頻率外環控制方法可以在轉速較高時抬高定子頻率，以較小的負轉差率運行于超同步狀態，這時大部分功率從定子側注入直流電網，轉子側功率就可以限制在給定值Prc的范圍內，（本文針對1.5MW雙饋電機，轉子側功率在整個風速范圍內可以限制為Prc=70kW），從而在配置轉子側換流器時可以大幅度地降低成本。對于這種轉速較高的情況，本文采用的控制策略是將轉子功率保持在恒定的限制值-Prc的方法（負功率表示超同步發電狀態轉子功率流出轉子），以Pr*=-Prc計算出此時所需的頻率作為外環給定值fs*，實現‘恒轉子功率控制模式。

這種‘恒轉子功率控制模式本質上對定子磁鏈在一定程度上進行了調節，在風速以及由MPPT所決定的轉速高時，定子頻率以一定的負轉差跟隨轉速也會較高，此時磁鏈較小不會超過額定值，主要關注定子電流是否會超過額定電流。但在風速轉速降低時，定子頻率減小到磁鏈達到飽和值附近，就不能夠再降低了，將這一頻率定義為臨界頻率fc。以此為臨界點如果風速轉速再下降，本文的控制策略將切換為——按照頻率給定值fs*=fc采用‘恒定子頻率控制模式，這時隨著轉速的下降轉差率將由負值逐漸變化為正值，轉子功率由-Prc逐漸增大到0，進而再增大到+Prc時，也不會超過轉子功率限定值。本文將兩種控制模式統稱為限轉子功率運行控制方法。

3.3.1 恒轉子功率控制模式

本小節就如何在高風速范圍內實現恒轉子功率控制方法進行一系列的數學公式推導，最后得出一個確定定子頻率的公式來作為給定值算出定子磁鏈的給定值作用于磁鏈外環。

在不考慮定轉子銅損時，定、轉子之間的有功功率關系為式（24），則電機經由定轉子對外輸出功率 可用式（25）表示。

由上式頻率給定值的公式可以看出，除了轉子功率給定值Pr*和轉速ωr其余量都是常數。在給定轉子功率Pr*和根據轉速測量儀測出的轉速ωr后，便可得出頻率給定值fs*，再帶入式（14）可得定子磁鏈參考值，最后代入磁鏈控制環中應用到矢量控制中實現恒轉子功率控制。則根據式（29）可控制轉子功率恒定，且可以設置轉子功率數值為負，這樣系統的發電效率也會增高，本次仿真根據電機容量等實際情況設置恒轉子功率運行下轉子功率為-Prc。

3.3.2 恒定子頻率控制模式

在圖1的拓撲中定子電壓被直流微網電壓鉗制為一恒定值，且由式（12）可知定子角頻率和定子磁鏈成反比，因此為保證定子磁鏈不會超過飽和值，在恒轉子功率控制模式下定子頻率不能小于臨界值fc，如果由Pr*=-Prc根據式（29）計算得到的fs*

在這種模式下轉子功率的范圍運行在-Prc和+Prc之間，如果切入風速所對應的轉速、按fc計算的轉差以及此時的轉子功率在此限定范圍內，則整個恒定子頻率控制模式期間轉子功率的絕對值就都運行在該功率限制值之內。再考慮高風速轉速區域采用的恒轉子功率控制模式，轉子功率保持為-Prc，直流并網型雙饋風電系統就在整個風速范圍內都達到了限制轉子功率的目的，在配置轉子側換流器時就可以降低容量，從而降低系統的成本。

3.4 RSC控制框圖

圖3同時給出了雙饋風力發電機系統恒轉子功率和恒定子頻率控制模式的RSC控制框圖，根據式（29）計算得到的fs*

4 仿真實現及分析

基于MATLAB/simulink仿真平臺搭建如圖1的直流并網型雙饋風力發電系統模型，雙饋風機的額定功率為1.5MW，額定線電壓為690V。在頻率為工頻50Hz時可以計算得到定子飽和磁鏈是1.794Wb，當直流電壓Udc為750V時，由式（14）可得在此該飽和磁鏈下臨界頻率為fc=42.4Hz。

在低風速范圍內采用定子頻率為fc的恒定子頻率控制方法，在風速高于7.94m/s時切換為恒轉子功率控制方法。這樣在整個全風速范圍下，轉子功率的絕對值都限制在Prc=70kW內，實現了限轉子功率運行控制，本文的仿真為了能夠看到全風速范圍變化的控制效果，將風速的變化設置為隨時間以一定的斜坡值正比增加，因此以下波形均用風速作為橫坐標，可以更加直觀地觀察到全風速范圍下各物理量的變化。

由下圖4可以看出，圖3的控制策略成功的實現了磁鏈、轉矩解耦控制。電磁轉矩基本和風力機的輸入轉矩一樣大。定子磁鏈的實際值也基本和給定值相等。在如圖4的寬風速范圍下，隨著風速的增大風力機的轉矩在增大，所以電磁轉矩的絕對值也要隨著增大。由于DFIG采用電動機慣例，電磁轉矩是制動轉矩所以電磁轉矩在仿真中為負值，為了方便把電磁轉矩和輸入轉矩做直觀比較，所以把輸入轉矩人為變成負值。在MPPT模式控制下， DFIG的轉速和風速成正比例關系，與公式（19）推導的結論一致。實現了寬轉速范圍運行。以風速7.94m/s為分界線在全風速范圍內分為圖（a）和圖（b）兩種控制方法。從圖中可以看出在整個全風速范圍內控制定子磁鏈在低于1.794Wb，使雙饋電機沒有飽和運行。但其弱磁深度稍低于額定值，所以在最高風速區間內定子電流會稍高于雙饋電機的定子額定電流值。

在風速增大的過程中，定子功率絕對值也在增大。如果不對其進行控制，轉子功率絕對值也會隨之增大，所以轉子側換流器需要較大的容量，那么換流器的成本會大幅度增加。所以就要在全風速范圍內限制轉子功率的數值。如下圖5（c）波形圖可以看出，在風速大于7.94m/s時隨著定子頻率的增大轉子功率基本控制在-Prc，這時轉子也向電網發電避免了功率的環流效率高。從圖5（b）可以看出在風速低于7.94m/s時，采用恒頻率控制（42.4Hz）隨著風速的增大轉子功率從Prc逐漸變化到-Prc。在低風速范圍內也充分的利用了轉子側換流器的容量。這樣在整個全風速范圍下，轉子功率的絕對值都限制在Prc內。圖（a）是傳統工頻控制下全風速范圍的定轉子功率，這時轉子功率變化非常大，明顯較‘恒轉子功率 和‘恒定子頻率兩種控制模式下的轉子功率變化范圍大，那么轉子側換流器容量也要相應的增大。所以在全風速范圍下采取恒頻率控制（42.4Hz）和恒轉子功率控制來限制轉子功率是很有必要的。

從下圖可以看出隨著風速的增大，定轉子電流也隨之增大。在風速10m/s時定子電流峰值將近2000A，其有效值將近1414A略大于1.5MW雙饋電機的額定電流（1255A）。這是由于按照恒轉子功率控制模式在轉速為1800r/min時定子頻率為57Hz，在一定的功率和轉矩的情況下，定子磁鏈值小于其額定值，所以定子電流略大于額定值。這種情況的出現也是由于設置的恒轉子功率的絕對值偏小所導致的。

由于隨著風速的增大，從圖4可以看出轉矩在增大，所以電流要隨著增大，則系統的損耗也要增大。從下圖7可以看出隨著風速的增大，系統的總損耗（定子鐵耗和定轉子銅耗）逐漸增大，即使損耗在不斷增加但系統的效率卻存在一個最高點并且全風速范圍運行下系統的效率都在90%以上。這對于DFIG-DC系統的實際運行具有重要的指導意義。

5 結 ?論

直流并網型DFIG系統的拓撲采用定子側通過不控整流并聯直流微網時，定子頻率可通過轉子側換流器的控制進行調節，基于定子磁鏈定向的矢量控制方法，在頻率外環設置‘恒轉子功率和‘恒定子頻率兩種控制模式。在MPPT控制下的低風速區以fc為給定值通過‘恒定子頻率實現轉子功率在一定范圍內的變化，在高風速區通過‘恒轉子功率模式控制轉子功率為恒定值，實現了在全風速范圍下的限轉子功率運行控制方法。在整個過程中DFIG-DC系統較好地實現了限制轉子功率的目標，進而降低了轉子側換流器的容量，在定子側通過不控整流器件連接直流微網的拓撲下進一步降低了系統的成本。

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