雙饋風力發電系統控制策略研究

安飛華

摘要：近年來，隨著可持續發展的觀念的提出，人們不斷找尋新型可再生能源來實現經濟和生態發展的供給形勢。由于能源問題日趨嚴重，應用新型可再生能源尤為重要。近年來風電相關技術的迅速發展使得風電并入電網技術不斷完善。引入無刷雙饋風力發電系統對電網的可靠性有了更高的要求，因此針對雙饋型發電機系統的制策略進行研究具有重要意義。本文就此展開了論述，以供參閱。

關鍵詞：雙饋風力；發電系統；控制策略

近年來，作為新能源發電技術之一的風力發電技術在世界各國得到了大力發展。風力發電系統根據發電機運行特點大體可以分為恒速恒頻系統和變速恒頻系統，其中變速恒頻雙饋發電機（DoublyFedInductionGenerator，DFIG）具有變流器容量小、變速恒頻發電、靈活的轉子交流勵磁和良好的功率調節能力等特性，是目前風電場采用的主要機型之一。

1風力發電機概述

風力發電機是通過機械功帶動轉子旋轉將風能轉換為機械功最終輸出交流電的電力設備。其主要有兩種葉輪旋轉軸：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力發電機。風力發電機根據其葉片的數目的不同可分為單葉式、雙葉式、三葉式、多葉式，其中三葉式的風力發電機實際應用廣泛。在實際應用中的比較常見的風力發電系統有恒速鼠籠型異步風力發電系統、變速恒頻雙饋感應風力發電機系統、無刷雙饋風力發電系統、變速鼠籠型異步風力發電系統和永磁直驅型同步風力發電系統。

2雙饋風力發電機系統的運行原理

雙饋感應電機又稱為交流勵磁電機，其憑借著優秀的電氣性能已經廣泛的應用在雙饋式變速恒頻風力發電系統中。雙饋發電機定、轉子分別分布著三相分布式繞組，從結構上和繞線式異步電機類似，在正常工作情況下，定子繞組直接接到電網，轉子繞組通過勵磁系統提供一個幅值、頻率、相位都可調的三相變頻電源供電。由于雙饋感應發電機可以調節的變量有三個，當風速變化時，通過改變轉子勵磁電流頻率實現系統變速恒頻運行，通過改變轉子勵磁電流的相位來調節發電機的有功功率，通過改變勵磁電流的幅值來調節發電機的無功功率。雙饋感應電機轉子勵磁的電路為交—直—交變頻具有雙向功率流動性電路，正是如此，雙饋感應發電機可以運行在不同情況，按雙饋感應發電機轉子轉速來區分，可以分為以下三種狀態：（1）亞同步運行狀態雙饋感應發電機轉子轉速小于同步轉速，f2>0，轉子上勵磁電流產生的旋轉磁場的旋轉方向與轉子實際的旋轉方向相同，發電機轉子通過勵磁變換器從電網吸收轉差功率。（2）超同步運行狀態雙饋感應發電機轉子轉速大于同步轉速，f2<0，轉子上勵磁電流產生的旋轉磁場的旋轉方向與轉子實際的旋轉方向相反，發電機轉子通過勵磁變換器向電網輸出轉差功率。（3）同步運行狀態雙饋感應發電機轉子轉速等于同步轉速，f2=0，轉子與電網之間沒有能量交換，勵磁變換器向轉子提供直流勵磁，此時雙饋感應發電機相當于同步發電機。

3雙饋風力發電系統的控制系統

（1）定子磁場定向矢量控制。目前，在無刷雙饋型電機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。因為有不同矢量定向的存在，所以矢量控制可分為定子磁場定向和電網電壓定向兩種類型。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）網側PWM變流器矢量控制策略。在PWM型變流器的數學模型中，交流量是時變的，所以無法設計控制系統。但是，對PWM型整流器進行變換坐標就能夠對交流量去耦控制。因為PWM型變流器的主要靠電網供電，所以可以將相對靜止的三相ABC坐標轉換成根據電網的基頻旋轉的dq坐標，并實現設計簡化。雙變流器能量交換示意圖如圖1所示。Pg為網側變流器吸收的有功功率，Pr為機側變流器向雙饋感應發電機的轉子提供的勵磁功率，ig為網側變流器流向直流母線的電流，ir為直流母線流向轉子側變流器的電流，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雙饋風力發電系統控制策略

4.1雙PWM變流器協調控制

雙饋風力發電系統采用的典型拓撲是轉子通過電壓源型雙PWM變流器背靠背連接接入電網。在正常運行過程中，兩個PWM變流器可工作于整流或逆變模式。與電網相連的變流器（簡稱為網側變流器）主要用于保持直流環節電壓恒定，同時在一定范圍內實現電網側的功率因數控制。與電機轉子直接相連的變流器（簡稱為機側變流器），通過坐標變換實現有功、無功功率解禍控制，從而實現最大風能跟蹤和電機定子側功率因數控制，以及風機并網控制等功能。因此，雙饋風力發電系統運行性能的關鍵在于背靠背式雙PWM換流器的控制。

4.2雙饋風力發電系統故障穿越控制

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（Crowbar，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。

5結束語

由于日益加劇的全球能源危機，新型能源中風能作為可再生的清潔能源對可持續發展意義重大。風力發電技術不斷發展，雙饋型風力發電機系統可以與電網連接，并能夠實現有功功率和無功功率的變換。本文總結分析了雙饋型風力發電機系統的控制策略，在建設智能電網推進新能源發展過程中針對雙饋型風力發電機系統的有效控制問題，仍需深入探索。

參考文獻：

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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）