雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制策略研究

安飛華

摘要：近年來，隨著可持續(xù)發(fā)展的觀念的提出，人們不斷找尋新型可再生能源來實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)發(fā)展的供給形勢。由于能源問題日趨嚴(yán)重，應(yīng)用新型可再生能源尤為重要。近年來風(fēng)電相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展使得風(fēng)電并入電網(wǎng)技術(shù)不斷完善。引入無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)的可靠性有了更高的要求，因此針對雙饋型發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的制策略進(jìn)行研究具有重要意義。本文就此展開了論述，以供參閱。

關(guān)鍵詞：雙饋風(fēng)力；發(fā)電系統(tǒng)；控制策略

近年來，作為新能源發(fā)電技術(shù)之一的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)在世界各國得到了大力發(fā)展。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)發(fā)電機(jī)運(yùn)行特點(diǎn)大體可以分為恒速恒頻系統(tǒng)和變速恒頻系統(tǒng)，其中變速恒頻雙饋發(fā)電機(jī)（DoublyFedInductionGenerator，DFIG）具有變流器容量小、變速恒頻發(fā)電、靈活的轉(zhuǎn)子交流勵磁和良好的功率調(diào)節(jié)能力等特性，是目前風(fēng)電場采用的主要機(jī)型之一。

1風(fēng)力發(fā)電機(jī)概述

風(fēng)力發(fā)電機(jī)是通過機(jī)械功帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械功最終輸出交流電的電力設(shè)備。其主要有兩種葉輪旋轉(zhuǎn)軸：垂直軸和水平軸。水平軸具有比垂直軸更高的效率，因此通常采用水平軸的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)根據(jù)其葉片的數(shù)目的不同可分為單葉式、雙葉式、三葉式、多葉式，其中三葉式的風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)際應(yīng)用廣泛。在實(shí)際應(yīng)用中的比較常見的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)有恒速鼠籠型異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、變速恒頻雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、變速鼠籠型異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和永磁直驅(qū)型同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。

2雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行原理

雙饋感應(yīng)電機(jī)又稱為交流勵磁電機(jī)，其憑借著優(yōu)秀的電氣性能已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在雙饋式變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中。雙饋發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子分別分布著三相分布式繞組，從結(jié)構(gòu)上和繞線式異步電機(jī)類似，在正常工作情況下，定子繞組直接接到電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組通過勵磁系統(tǒng)提供一個幅值、頻率、相位都可調(diào)的三相變頻電源供電。由于雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)可以調(diào)節(jié)的變量有三個，當(dāng)風(fēng)速變化時，通過改變轉(zhuǎn)子勵磁電流頻率實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)變速恒頻運(yùn)行，通過改變轉(zhuǎn)子勵磁電流的相位來調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的有功功率，通過改變勵磁電流的幅值來調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的無功功率。雙饋感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵磁的電路為交—直—交變頻具有雙向功率流動性電路，正是如此，雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)可以運(yùn)行在不同情況，按雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速來區(qū)分，可以分為以下三種狀態(tài)：（1）亞同步運(yùn)行狀態(tài)雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速小于同步轉(zhuǎn)速，f2>0，轉(zhuǎn)子上勵磁電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向與轉(zhuǎn)子實(shí)際的旋轉(zhuǎn)方向相同，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子通過勵磁變換器從電網(wǎng)吸收轉(zhuǎn)差功率。（2）超同步運(yùn)行狀態(tài)雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大于同步轉(zhuǎn)速，f2<0，轉(zhuǎn)子上勵磁電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向與轉(zhuǎn)子實(shí)際的旋轉(zhuǎn)方向相反，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子通過勵磁變換器向電網(wǎng)輸出轉(zhuǎn)差功率。（3）同步運(yùn)行狀態(tài)雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等于同步轉(zhuǎn)速，f2=0，轉(zhuǎn)子與電網(wǎng)之間沒有能量交換，勵磁變換器向轉(zhuǎn)子提供直流勵磁，此時雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)相當(dāng)于同步發(fā)電機(jī)。

3雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制系統(tǒng)

（1）定子磁場定向矢量控制。目前，在無刷雙饋型電機(jī)的控制策略中主要是矢量控制，這種控制策略具有很好的性能。因?yàn)橛胁煌噶慷ㄏ虻拇嬖冢允噶靠刂瓶煞譃槎ㄗ哟艌龆ㄏ蚝碗娋W(wǎng)電壓定向兩種類型。其中前者可以完成整個去耦控制，而后者只能完成部分去耦控制。（2）網(wǎng)側(cè)PWM變流器矢量控制策略。在PWM型變流器的數(shù)學(xué)模型中，交流量是時變的，所以無法設(shè)計控制系統(tǒng)。但是，對PWM型整流器進(jìn)行變換坐標(biāo)就能夠?qū)涣髁咳ヱ羁刂啤Ｒ驗(yàn)镻WM型變流器的主要靠電網(wǎng)供電，所以可以將相對靜止的三相ABC坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成根據(jù)電網(wǎng)的基頻旋轉(zhuǎn)的dq坐標(biāo)，并實(shí)現(xiàn)設(shè)計簡化。雙變流器能量交換示意圖如圖1所示。Pg為網(wǎng)側(cè)變流器吸收的有功功率，Pr為機(jī)側(cè)變流器向雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子提供的勵磁功率，ig為網(wǎng)側(cè)變流器流向直流母線的電流，ir為直流母線流向轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的電流，ic為流入直流母線電容的電流，C為直流母線電容的電容值，udc為直流母線電壓。

4雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制策略

4.1雙PWM變流器協(xié)調(diào)控制

雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用的典型拓?fù)涫寝D(zhuǎn)子通過電壓源型雙PWM變流器背靠背連接接入電網(wǎng)。在正常運(yùn)行過程中，兩個PWM變流器可工作于整流或逆變模式。與電網(wǎng)相連的變流器（簡稱為網(wǎng)側(cè)變流器）主要用于保持直流環(huán)節(jié)電壓恒定，同時在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)控制。與電機(jī)轉(zhuǎn)子直接相連的變流器（簡稱為機(jī)側(cè)變流器），通過坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)有功、無功功率解禍控制，從而實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤和電機(jī)定子側(cè)功率因數(shù)控制，以及風(fēng)機(jī)并網(wǎng)控制等功能。因此，雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行性能的關(guān)鍵在于背靠背式雙PWM換流器的控制。

4.2雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)故障穿越控制

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（Crowbar，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，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)電路不動作時，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)電場在電網(wǎng)故障情況下為電網(wǎng)提供電壓和無功支撐，參與電網(wǎng)的電壓無功調(diào)節(jié)，具有一定的理論和工程實(shí)際意義。

5結(jié)束語

由于日益加劇的全球能源危機(jī)，新型能源中風(fēng)能作為可再生的清潔能源對可持續(xù)發(fā)展意義重大。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)不斷發(fā)展，雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)可以與電網(wǎng)連接，并能夠?qū)崿F(xiàn)有功功率和無功功率的變換。本文總結(jié)分析了雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的控制策略，在建設(shè)智能電網(wǎng)推進(jìn)新能源發(fā)展過程中針對雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的有效控制問題，仍需深入探索。

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（作者單位：中廣核新能源投資（深圳）有限公司浙江分公司）