基于PSCAD的雙饋風(fēng)電機(jī)研究

摘要：隨著國(guó)家工業(yè)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，對(duì)電能的需求越來(lái)越高，在環(huán)境形勢(shì)日益嚴(yán)峻的背景下，可再生環(huán)保能源的開(kāi)發(fā)越來(lái)越重要，在此契機(jī)下，風(fēng)電能得到了迅猛發(fā)展。雙饋風(fēng)電機(jī)是目前風(fēng)電場(chǎng)的主要機(jī)型，現(xiàn)對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行研究，建立了以定子磁鏈為參考坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)矢量方程，利用PSCAD進(jìn)行建模仿真驗(yàn)證，能夠?qū)崿F(xiàn)最大風(fēng)能捕獲以及定子側(cè)的功率解耦，為后續(xù)的風(fēng)電并網(wǎng)研究打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：雙饋風(fēng)電機(jī);風(fēng)能捕獲;解耦

0? ? 引言

隨著經(jīng)濟(jì)及工業(yè)迅猛發(fā)展，電能的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，已成為人類生活和發(fā)展不可或缺的一部分。電能的容量及供給是衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)發(fā)展和人民生活水平的重要指標(biāo)之一[1]。在今天我們所使用的電能中，火電、水電和核電占據(jù)了主要部分。由于制造、控制技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用比較成熟，這類發(fā)電廠生產(chǎn)的電能能夠穩(wěn)定地供給運(yùn)行，并變送供給公共電網(wǎng)進(jìn)行輸電配送。

近些年來(lái)，可持續(xù)發(fā)展成為人們對(duì)生活提出的更高要求，環(huán)境保護(hù)和可再生能源是重中之重，以風(fēng)力發(fā)電為代表的可再生能源發(fā)展迅速，應(yīng)用前景大好[2]。從風(fēng)能資源的形成來(lái)看，其具有典型的可再生性和無(wú)污染性，而且風(fēng)能資源總量大，在全世界廣泛分布，是實(shí)現(xiàn)清潔能源戰(zhàn)略的重要路徑。

在我國(guó)，火力發(fā)電是電能的主要構(gòu)成部分，但火電廠的大量排放是造成溫室效應(yīng)的主要原因之一，在國(guó)家政策的大力扶植下，我國(guó)風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)的結(jié)構(gòu)已趨于完整[3]。但風(fēng)能資源具有隨機(jī)性和波動(dòng)性，發(fā)出的電能不穩(wěn)定，這就造成大部分風(fēng)電場(chǎng)不能并網(wǎng)運(yùn)行。目前，雙饋風(fēng)電機(jī)是風(fēng)電場(chǎng)的主要機(jī)型，故研究雙饋風(fēng)電機(jī)對(duì)研究風(fēng)電并網(wǎng)，解決并網(wǎng)電壓不穩(wěn)定問(wèn)題具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

1? ? 雙饋風(fēng)電機(jī)

1.1? ? 雙饋風(fēng)電機(jī)結(jié)構(gòu)

雙饋風(fēng)電機(jī)（DFIG）是風(fēng)電場(chǎng)的主要機(jī)型，風(fēng)機(jī)通過(guò)連接機(jī)構(gòu)帶動(dòng)雙饋風(fēng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子繞組通過(guò)變換器組與電網(wǎng)連接，通過(guò)調(diào)節(jié)控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲。定子繞組與電網(wǎng)連接，發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)速的變化調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的頻率，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速恒頻運(yùn)行，同時(shí)可以通過(guò)改變勵(lì)磁電流的幅值和相位來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)輸出有功和無(wú)功功率的獨(dú)立控制[4]。雙饋風(fēng)電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

當(dāng)風(fēng)速較高，雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大于同步轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向與轉(zhuǎn)速方向相反，電機(jī)在超同步狀態(tài)運(yùn)行，電能通過(guò)變換器從轉(zhuǎn)子側(cè)反饋到電網(wǎng);當(dāng)風(fēng)速較低，雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)速小于同步轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向與轉(zhuǎn)速方向相同，發(fā)電機(jī)運(yùn)行在次同步轉(zhuǎn)速狀態(tài)，轉(zhuǎn)子將通過(guò)變流器從電網(wǎng)吸收功率[5]。

1.2? ? 變換器

變換器主要包括轉(zhuǎn)子側(cè)變換器和網(wǎng)側(cè)變換器，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

變換器給電機(jī)提供轉(zhuǎn)差功率，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。

2? ? 風(fēng)電機(jī)的建模

雙饋風(fēng)電機(jī)的運(yùn)行是通過(guò)控制變換器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，以定子磁鏈為坐標(biāo)，建立雙饋電機(jī)模型方程，來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的控制，使轉(zhuǎn)子跟隨風(fēng)速變化，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的最大捕獲應(yīng)用，同時(shí)使定子側(cè)電流頻率恒定，實(shí)現(xiàn)變速恒頻運(yùn)行。

2.1? ? 風(fēng)電機(jī)模型

2.2? ? 變換器控制

轉(zhuǎn)子側(cè)變換器根據(jù)風(fēng)機(jī)功率調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲。采用外環(huán)功率控制、內(nèi)環(huán)電流控制策略[6]，控制框圖如圖3所示。

網(wǎng)側(cè)變換器的功能是在轉(zhuǎn)子的任何狀態(tài)下維持直流側(cè)電壓恒定，通過(guò)電流的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)無(wú)功功率轉(zhuǎn)換。控制框圖如圖4所示。

3? ? 仿真分析

依據(jù)以上模型及控制框圖，利用PSCAD/EMTDC平臺(tái)建立仿真模型進(jìn)行仿真。其中，風(fēng)機(jī)模型利用系統(tǒng)自有模型，系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置[7]：頻率50 Hz，額定功率3.6 MW，額定電壓13.8 kV，額定角頻率314.16 rad/s，Rr=0.001 5 p.u.，Lm=0.15 p.u.。仿真結(jié)果如圖5所示。

圖（a）中，風(fēng)速在1 s時(shí)由10 m/s階躍到15 m/s，在1 s以前風(fēng)電機(jī)處于平穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)風(fēng)速階躍到高于額定風(fēng)速的15 m/s時(shí)，由圖（b）可知風(fēng)機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩立即增加且大于電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速增加。風(fēng)電機(jī)控制器處于恒功率控制模式，輸出總有功功率（為定子有功和轉(zhuǎn)子有功功率之和）增加并保持在1 p.u.，雙饋發(fā)電機(jī)運(yùn)行在超同步模式，轉(zhuǎn)子向電網(wǎng)饋入功率，如圖（c）所示。圖（d）中，在轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器的控制下，定子與電網(wǎng)交換的無(wú)功嚴(yán)格控制為零，在風(fēng)速波動(dòng)時(shí)仍保持不變;轉(zhuǎn)子電流q軸分量和d軸分量跟隨定子有功和無(wú)功功率的變化而變化。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

在風(fēng)速波動(dòng)狀態(tài)下，利用所建模型對(duì)雙饋風(fēng)電機(jī)進(jìn)行仿真，結(jié)果驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)了最大風(fēng)能的捕獲以及電機(jī)有功和無(wú)功功率的解耦控制，說(shuō)明所建風(fēng)電機(jī)模型正確有效，可為以后的風(fēng)電研究奠定基礎(chǔ)。

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收稿日期：2019-12-09

作者簡(jiǎn)介：耿秀明（1982—），女，內(nèi)蒙古赤峰人，副教授，工程師，從事電氣控制、機(jī)械控制及教學(xué)研究工作。