變速恒頻風力發電機空載并網控制研究

宋錚 呂敬高

摘 要：文章通過對變速恒頻風力發電機發電原理研究的基礎上，運用矢量變換控制技術對空載并網進行控制，并探討了控制策略;通過仿真實驗證明了空載并網方式對變速恒頻發電機的有效性，本文所開發的空載并網技術是變速恒頻風力發電機的一種較理想并網方式。

關鍵詞：風力發電機;變速恒頻;空載并網

中圖分類號：TM614 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）20-0142-02

0 引言

變速恒頻發電是二十世紀末期研發的一種適用于可再生能源開發的新型發電方法，該種發電方式對于風力發電的效果尤為明顯。其優勢主要體現在以下幾方面：第一，能夠提高風能轉化為電能的效率，降低風力施的機械應力，有效的保護渦輪機的運作;第二，本次空載并網中運用的矢量控制措施，可以實現電網的有功和無功功率的輸出，實現變速下恒定頻率操作，并且，可以根據發電情況，對發電轉子進行交流勵磁，從而調節電流的幅度、頻率等，最終提升電力系統的靈活性和穩定性。

1 VSCF風力發電原理

1.1 發電原理

如圖1所示，變速恒頻風力發電系統的轉子由PWM逆變器作用，該逆變器可以實現雙向能量流。在風速變化時，要想將定子頻率穩定在電網頻率中，就必須要改變轉子逆磁電流的頻率。

（1）

式中：代表的是電網頻率;

代表的是轉子的機械旋轉角頻率;

代表的是轉子勵磁電流頻率;

P代表的是極對數。

的符號變換會影響轉子勵磁電流的相序，當>0時，次步運行的相序為正，簡單來說，轉子電磁電勢的旋轉方向與機械旋轉方向呈正相關關系;當<0時，轉子電磁電勢的旋轉方向與機械旋轉方向呈負相關關系，即次步運行的相序為負。而恒壓控制在此時發揮作用，通過調節轉子繞組電流的幅度值、相位來實現矢量方程。

通過調整發電機輸出電壓的幅值和相位，檢測電網電壓和電機的轉速，并根據電壓和電機轉動的實際情況來調節轉子電流，從而滿足電網連接需求，實現靈活并網。

1.2 磁場定向下發電機空載并網控制策略

空載并網的前提條件是，發電機在電網連接之前不參與能量和速度的控制，即沒有任何負載，其原動機完全控制發電機速度。由于電壓對定子端子的作用，在連接電網時，定子電流逐漸減小，直至與電網電壓相同。電網連接后，為例實現最大功率點，有必要切換到穩態并網控制方案。

本次空載并網系統主要是由DFIG的功率控制，轉子側PWM變換器實現。所以，對于轉子側PWM變換器的研究也是十分有必要的。空載電網連接之前，定子側是開路的，其約束管轄表現為：，將其帶入方程：

（2）

如果采用電網電壓定向且忽略定子電阻，因為并網過程對定子側動態性要求不高，故忽略其動態過程，只考慮起靜態模型，有：

（3）

由此可得：

（4）

上述公式可以作為DFIG轉子電流內環控制器的設計依據，在電網電壓定向變速恒頻風電并網之前。

2 空載并網仿真與實驗研究

通過仿真和實驗來檢驗空載并網措施的效用，使用參數為：P=3kW代表的是雙饋電機額定功率;f=50Hz代表的是頻率;定子聯結方式Y接，電阻1.95Ω，電感9.04mH;轉子聯結方式Y接，電阻3.54Ω，電感9.04mH;勵磁電阻9.42Ω;激磁電感258.5mH;參數均折算到定子側。

如圖1-4所示，是t=0.5s時的并網控制模擬波形。其中，圖2顯示的是定子的有功和無功功率。在電網連接過程中，由于定子和轉子之間磁場的波動，加上電源發送到電網P=3kW，Q=0kvar的作用下，使得定子和轉子產生無功功率的交換;圖3顯示的是電機速度和電磁轉矩情況。其中，=0時表示的是發電機帶了負載，當的數值穩定在-38N.m上，P值會產生一定的波動，其轉速會由原來的1400r/min降低到1000r/min。圖4顯示的是定子的電壓和轉子的電流變換情況。定子的電壓相對穩定，不會受電網連接的影響，而轉子電流頻率會隨著電動機速度的波動而波動。仿真實驗表明，本次電機空載并網設計具有較好的動靜態性能和控制精度，且并網過程相對穩定。

如圖5所示，實驗的整個系統由TMS-320LF2407A定點DSP控制。其中，直流電動機模擬風機，完成變速恒頻雙饋電機控制系統的功能性實驗。

本次實驗中使用的不是專門設計的發電機，而是一種普通的繞線異步電動機—DFIG。在轉子激勵發電增強情況下，轉子磁路達到飽和狀態，導致轉子電流失真，定子電壓也因此無法發揮作用。要解決這一問題，就必須以等效地降低定子端電壓和相應磁路的飽和，只需要在DFIG的網格中增加一個200V/380V升壓變壓器即可。

當定子AB、轉子ab相上直流電壓增加時，便可確定轉子的起始角度，這時候的定子和轉子相當于兩個磁鐵，處于一個相對固定的位置。此時用光電編碼器記錄下的位置便是轉子的起始角。

并網前電機速度的增加對電網連接的影響較小。轉子電流外的電壓增加，能夠影響定子電壓和電網電壓匹配的精確程度。由于控制模型中Lm的影響，使得抑制定子電壓上升的負反饋允許系統的作用范圍更加寬泛，Lm參數的動態識別，能夠促使負反饋系統實現靈活的電網連接。

3 結語

本文主要采用了PWM逆變結構實現變速恒頻風力發電機的空載并網，在矢量控制技術的支撐下，簡化了控制環節，實現了定子磁鏈矢量控制的功能。通過DFIG有功、無功功率的控制，有效的補償了電網中的無功功率需求，并提升了電力系統調節的靈活性。在換擋的情況下，空載并網系統中幾乎沒有涌入電流，而發電機和電網之間的連接，有效的控制了發電機的定子電壓，從而滿足并網需求。仿真實驗證明，該種并網方式是最理想的。

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