雙饋風電機的控制仿真

耿秀明

（內蒙古電子信息職業技術學院，內蒙古 呼和浩特010011）

1 概述

經濟的飛速發展帶動了各行各業的發展，電能需求的日益增長與發電容量不足的矛盾顯得越來越明顯。在目前能源緊缺與環境日益惡化的全球背景下，節能環保的可再生能源的的發展受到了各國的高度重視。從風能資源的形成來看，其具有典型的可再生性和無污染性，而且風能資源總量大，分布廣，是清潔能源戰略的重要選擇路徑之一[1]。

目前，我們所使用的電能中，火電，水電和核電占據了主要的部分[2]。由于制造、控制技術的發展應用比較成熟，這類發電廠生產的電能能夠穩定的供給運行，并變送供給公共電網進行輸電配送。在中國，火力發電的份額占有主導地位，火電廠排放的灰塵、C02等，是造成大氣污染的主要來源，并且隨著煤炭資源的過度開采，現有儲備量也大幅度縮減。在國家大力的新能源政策扶植下，我國的風電產業迅猛發展，并相繼投產了很多大容量風電場[3]。因風能資源的隨機性和波動性，使發出的電能不穩定，造成大部分風電場不能并網運行。目前雙饋發電機是風電場的主要機型，研究雙饋風電機對研究風電并網，解決并網電壓不穩定問題具有較高的應用價值和研究基礎。

2 雙饋風電機

雙饋風電機（DFIG）是風電場的主要機型[3]，風力機通過連接機構帶動雙饋風電機轉子轉動，轉子繞組通過變換器組與電網連接，通過調節控制轉子轉速獲得最大風能捕獲。定子繞組與電網連接，發電系統根據轉速的變化調節勵磁電流的頻率，實現電機的變速恒頻運行[4]。連接機構主要是齒輪箱，雙饋風電機結構如圖1 所示。

圖1 雙饋風電機結構圖

當風速較高時，雙饋電機轉子轉速大于同步轉速時，轉子繞組產生的旋轉磁場方向與轉速方向相反，電機在超同步狀態運行，電能通過變換器從轉子側反饋到電網；當風速較低時，雙饋電機轉速小于同步轉速時，轉子繞組產生的旋轉磁場方向與轉速方向相同，發電機運行在次同步轉速狀態，轉子將通過變流器從電網吸收功率[5]。

3 風力機的控制

風力機主要通過風吹動風機葉輪轉動，產生機械轉動獲得功率。獲得的機械功率得效率可由風能利用系數Cp 來表征。機械功率方程為：

R 風力機葉片（M），V 風速（M/S）, λ風機葉尖速比，θ 槳距角。

Cp是 θ 和 λ 的函數，若采用GE 3.6MW 風機，λ 的取值范圍在2～13 之間，Cp的擬合曲線如圖2 所示[6]。

圖2 Cp 擬合曲線

當風速過低時，使槳距角最大，以獲得最大的功率。當風速較高時，為使風電機正常工作，適當調小槳距角使風電機同步運行，當風速過高時，使槳距角最小，以限制風電機的功率輸出最大值。

圖3 仿真曲線圖

4 雙饋風電機的控制

雙饋風電機的運行是通過控制變換器來實現的，以定子磁鏈為坐標，建立雙饋電機模型方程，來實現轉速的控制，使轉子跟隨風速變化，達到風能的最大捕獲應用，同時實現定子側電流頻率的恒定，實現變速恒頻運行[7]。

定子磁鏈方程：

定子電壓方程：

Lsd-p 坐標系下定子等效電感，Lm定轉子等效互感，Rs定子電阻，ω1旋轉坐標系轉速。下標里s 代表定子，r 代表轉子。

以定子磁鏈的矢量方向定位d 軸，則：

由此設計d-p 軸的PI 電流控制器。

當定子磁鏈保持恒定時，電磁轉矩與轉矩電流成正比。根據瞬時功率理論，在定子磁鏈定向矢量控制策略下，定子側瞬時有功和無功功率可以表示：

有以上公式可得，通過調節iqs和ids可以實現定子側有功功率和無功功率的控制，實現有功無功解耦控制。

5 仿真分析

為驗證上述控制的效果，利用PSCAD 軟件搭建模型仿真驗證。其系統參數設置為：[7]頻率為50HZ,額定功率3.6MW，風機半徑52M，空氣密度1.225KG/M3額定電壓13.8KV，額定角頻率314.16rad/s，Rr0.01pu，Lm0.15 pu，仿真結果如圖3 所示。

圖3（a）中，風速在3S 時由10M/S 階躍到13 M/S，在3S 以前風電機處于平穩運行狀態，槳距角為1 度，轉速為1.167pu，定子有功功率為，定子無功功率約為0pu，轉子有功功率約為0pu，電機同步運行。當風速階躍到風速13 M/S 時，由圖3（b）可知風機的槳距角增加到7 度，風電機超同步運行，轉速增加達到1.2pu，控制器處于恒功率控制模式。由圖3（d）可知，轉子向電網饋入功率約-0.2pu，在變頻器的控制下，定子與電網交換的無功嚴格控制為零，在風速波動時仍保持不變。

有以上分析可見，所建模型對雙饋風電機在風速變化下進行仿真，結果驗證電機轉速能夠跟隨風速變化，并進行槳距角調節，實現了最大風能的捕獲。通過控制器控制很好的實現了電機的有功功率和無功功率率的解耦控制。可以說明所建立的風電機的模型及所選取的控制策略是正確有效的，為以后的風電并網研究提供了有效保障。