雙饋風電機組異步模式控制策略研究

史曉鳴，朱長江，姜 寅

(浙江運達風電股份有限公司 浙江省風力發電技術重點實驗室，浙江 杭州 310012)

0 引言

風能作為一種可再生綠色能源，由于蘊藏量高、分布廣、綠色無污染等諸多優點，受到世界各國的關注與重視。近年來，風能在我國得到了快速發展，其在電力系統中的占比不斷提高[1-3]。與全功率風電機組相比，雙饋風電機組(Doubly-Fed Induction Generator,DFIG)具有所需發電機體積小、變流器容量小、高風速段發電效率高以及成本低等優點，因而得到了廣泛應用。但同時它也有一個較為明顯不足，由于變速范圍受限使其在超低風速下不能追蹤最佳風能利用系數，導致其超低風速段發電效率偏低[4]。

隨著低風速風資源不斷被開發，以及平價上網與競價上網時代的到來，提高風電機組的發電效率，尤其是雙饋風電機組在低風速下的發電效率具有重要意義，為此，國內外學者做了大量研究。文獻[5]研究了雙饋風電機組雙模柔性切換問題，提出了一種模式柔性切換控制方法，但是，該研究對于該控制在實際工程應用中將面臨的問題思考較少。文獻[6]在分析雙饋風電機組發電效率構成及影響因素的基礎上，提出了在低風速時段將雙饋發電機定子短接的方法，使其工作在感應異步電機狀態，但是該研究沒有介紹具體的控制策略。文獻[7-8]通過增加設備提升DFIG發電量，在提高機組發電效率的同時，大大增加了設備成本。

本文面向實際工程應用，在分析現有雙饋風電機組控制策略的基礎之上，提出了雙模控制對應的電氣設計方案與主控策略，并采用機組功率作為雙饋-異步模式切換的條件，克服了傳統采用風速作為模式切換條件所面臨的誤動作等問題。利用GH Bladed軟件進行仿真試驗，仿真結果表明，該控制策略是有效率的，可以拓展雙饋風電機組變速運行范圍，進一步提高雙饋風電機組在低風速段風能利用率。

1 現有控制策略分析

由空氣動力學可知，風電機組從風中所能獲取的能量[9]可表示為：

(1)

其中：ρ為空氣密度；S為風輪掃掠面積；v為機組風速；Cp為風能利用系數。

由式(1)可知，風電機組捕獲的能量P與Cp成正比。對于同樣長度的槳葉，在相同的風速條件下，如果風電機組控制運行點對應的Cp越大，機組捕獲的風能將越大。

在風電機組變速運行區間，控制系統通過轉矩與最優槳距角協同控制將風電機組控制運行在最優葉尖速比上，實現風電機組最大風能捕獲，如圖1風電機組特性曲線中的最高點。

由參考文獻[4]可知，葉尖速比等于風輪轉速除以風速。根據葉尖速比與風速、風輪轉速三者關系，由于發電機受制于電機轉子端口電壓，雙饋風電機組運行轉速受限，導致其無法在切入風速到額定風速的整個范圍內實現追求最佳Cp控制，其風輪轉速與風速的關系如圖2所示。

在圖2對應的A-B運行區間，雙饋風電機組通常將采用PI控制，保持機組運行在并網轉速附近。

2 異步控制方案

為了實現雙饋風電機組異步運行，需要同時對變流器以及控制系統軟件進行改造與升級。

2.1 異步控制電氣方案

雙饋風電機組異步控制電氣方案如圖3所示。在變流器側需要增加發電機組定子短接接觸器，并使其與原并網接觸器實現互鎖，以保障風電機組安全。

圖1 風電機組特性曲線 圖2 風輪轉速與風速的關系

圖3 雙饋風電機組異步控制電氣方案

接收到控制系統下發的異步運行指令之后，變流器將閉合定子短接接觸器，控制雙饋發電機組以異步模式并網發電運行，然后接收并響應主控給定的轉矩指令；當接收到雙饋運行指令時，將斷開定子短接接觸器，控制雙饋發電機組以雙饋模式并網發電運行，然后接收并響應主控給定的轉矩指令。

2.2 主控控制方案

雙饋風電機組模式切換包括雙饋到異步以及異步到雙饋的兩個切換過程，其控制流程分別如圖4、圖5所示。

圖4 雙饋切換到異步控制流程

當風電機組工作在雙饋模式下，如果機組功率小于雙饋切換到異步模式機組功率時，為了提高機組風能利用率，增加機組變速運行區間，控制系統請求機組減載運行，等到功率小于變流器切換最小功率時，將下發異步命令給變流器，并將機組并網運行轉速控制到異步模式下最低轉速。當變流器完成切換之后，控制系統將加載并恢復功率運行。

圖5 異步切換到雙饋控制流程

當風電機組工作在異步模式下，如果機組功率大于異步切換到雙饋模式機組功率時，控制系統請求機組減載運行，等到功率小于變流器切換最小功率時，將下發雙饋命令給變流器，并將機組并網運行轉速控制到雙饋模式下最低轉速。當變流器完成模式切換之后，控制系統將加載并恢復功率運行。

3 仿真與分析

為了驗證本文所述的雙模控制策略，選擇Windey WD1500kW-77某型號雙饋風電機組進行仿真驗證，其參數如表1所示。雙饋切換到異步模式機組功率為180 kW，異步切換到雙饋模式機組功率為250 kW，異步模式下機組最低運行轉速為950 r/min。

表1 風電機組參數

仿真測試采用風速如圖6(a)所示，雙模控制策略的仿真結果如圖6(b)和圖6(c)所示。

圖6 仿真風速及仿真結果

根據圖6仿真數據可知：在372 s前，風電機組工作在雙饋模式且處于發電狀態，機組有功功率約78 kW，機組轉速約115 rad/s(1 100 r/min)；開啟異步模式功能之后，由于機組有功功率小于雙饋切換到異步模式機組功率，控制系統請求機組減載，377 s時，機組有功功率減小到15 kW以下，小于變流器切換最小功率(15 kW)，控制系統下發異步命令給變流器進行模式切換。完成模式切換之后，機組工作在異步模式下，機組有功功率逐漸恢復，機組轉速逐漸下降，經過調整后，大約在400 s，機組有功功率從調整前的78 kW恢復到80 kW，機組轉速從115 rad/s調整到99.5 rad/s；在455 s，機組風速從4 m/s逐漸升高至6 m/s，機組有功功率逐漸升高，到達509 s時，機組有功功率大于250 kW，即異步切換到雙饋模式機組功率，控制系統立即請求機組減載運行，到達518 s時，機組有功功率小于變流器切換最小功率，控制系統下發雙饋命令給變流器；完成切換之后，機組工作在雙饋模式下，機組有功功率逐漸恢復，經過調整后，大約在550 s，機組有功功率恢復到290 kW。

分析表明，上述雙饋風電機組雙模控制策略是正確的，可以實現機組雙饋模式與異步模式的正確切換。

雙模控制策略和雙饋控制策略下風電機組低風速段對應的特性曲線如圖7所示。

圖7 雙模控制和雙饋控制功率曲線對比圖

從圖7機組特性曲線可知，在低風速段，采用雙模控制策略之后，機組功率曲線得到了明顯提升，將有助于提高機組發電性能。

4 結束語

為了進一步提高雙饋風電機組低風速段風能利用率，分析了現有機組控制策略，提出了雙饋-異步控制策略。試驗仿真表明，該控制策略是有效的，可以實現機組雙饋模式與異步模式的正確切換，可以拓展雙饋風電機組變速運行范圍，進一步提高雙饋風電機組在低風速段風能利用率與發電性能，具有工程應用參考價值。

下一階段，將開展雙饋風電機組異步控制策略與風電場能管平臺有功功率調節的協同控制研究，在滿足電網調度要求的情況下，實現風電機組發電性能的提升。