基于PSCAD的雙饋風電機研究

摘要：隨著國家工業經濟的迅速發展，對電能的需求越來越高，在環境形勢日益嚴峻的背景下，可再生環保能源的開發越來越重要，在此契機下，風電能得到了迅猛發展。雙饋風電機是目前風電場的主要機型，現對雙饋風力發電機進行研究，建立了以定子磁鏈為參考坐標的旋轉矢量方程，利用PSCAD進行建模仿真驗證，能夠實現最大風能捕獲以及定子側的功率解耦，為后續的風電并網研究打下了堅實的基礎。

關鍵詞：雙饋風電機;風能捕獲;解耦

0? ? 引言

隨著經濟及工業迅猛發展，電能的應用越來越廣泛，已成為人類生活和發展不可或缺的一部分。電能的容量及供給是衡量一個國家工業發展和人民生活水平的重要指標之一[1]。在今天我們所使用的電能中，火電、水電和核電占據了主要部分。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地供給運行，并變送供給公共電網進行輸電配送。

近些年來，可持續發展成為人們對生活提出的更高要求，環境保護和可再生能源是重中之重，以風力發電為代表的可再生能源發展迅速，應用前景大好[2]。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，在全世界廣泛分布，是實現清潔能源戰略的重要路徑。

在我國，火力發電是電能的主要構成部分，但火電廠的大量排放是造成溫室效應的主要原因之一，在國家政策的大力扶植下，我國風電場建設的結構已趨于完整[3]。但風能資源具有隨機性和波動性，發出的電能不穩定，這就造成大部分風電場不能并網運行。目前，雙饋風電機是風電場的主要機型，故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。

1? ? 雙饋風電機

1.1? ? 雙饋風電機結構

雙饋風電機（DFIG）是風電場的主要機型，風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實現最大風能捕獲。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，同時可以通過改變勵磁電流的幅值和相位來實現發電機輸出有功和無功功率的獨立控制[4]。雙饋風電機結構如圖1所示。

當風速較高，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，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]。

1.2? ? 變換器

變換器主要包括轉子側變換器和網側變換器，結構如圖2所示。

變換器給電機提供轉差功率，調節電機轉速。

2? ? 風電機的建模

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，實現風能的最大捕獲應用，同時使定子側電流頻率恒定，實現變速恒頻運行。

2.1? ? 風電機模型

2.2? ? 變換器控制

轉子側變換器根據風機功率調節電機轉速，實現最大風能捕獲。采用外環功率控制、內環電流控制策略[6]，控制框圖如圖3所示。

網側變換器的功能是在轉子的任何狀態下維持直流側電壓恒定，通過電流的調節實現與電網無功功率轉換。控制框圖如圖4所示。

3? ? 仿真分析

依據以上模型及控制框圖，利用PSCAD/EMTDC平臺建立仿真模型進行仿真。其中，風機模型利用系統自有模型，系統參數設置[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.。仿真結果如圖5所示。

圖（a）中，風速在1 s時由10 m/s階躍到15 m/s，在1 s以前風電機處于平穩運行狀態，當風速階躍到高于額定風速的15 m/s時，由圖（b）可知風機機械轉矩立即增加且大于電磁轉矩，轉速增加。風電機控制器處于恒功率控制模式，輸出總有功功率（為定子有功和轉子有功功率之和）增加并保持在1 p.u.，雙饋發電機運行在超同步模式，轉子向電網饋入功率，如圖（c）所示。圖（d）中，在轉子側變頻器的控制下，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;轉子電流q軸分量和d軸分量跟隨定子有功和無功功率的變化而變化。

4? ? 結語

在風速波動狀態下，利用所建模型對雙饋風電機進行仿真，結果驗證實現了最大風能的捕獲以及電機有功和無功功率的解耦控制，說明所建風電機模型正確有效，可為以后的風電研究奠定基礎。

[參考文獻]

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[2] 劉振亞.中國電力與能源[M].北京：中國電力出版社，2012.

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收稿日期：2019-12-09

作者簡介：耿秀明（1982—），女，內蒙古赤峰人，副教授，工程師，從事電氣控制、機械控制及教學研究工作。