雙饋風力發電機并網控制研究

羅秀華

(七臺河技師學院，黑龍江 七臺河 154600)

風電是世界上發展最快的新型可再生能源，因風電具有間歇性、隨機性、非線性等特點，并網后對電網運行的影響日益顯著。風電并網運行中的主要問題是并網控制和功率調節。

1 雙饋風力發電并網控制策略

雙饋風力發電機具有氣動、機械、電氣等子系統，電氣子系統的動態響應快，比常規發電系統的控制更為復雜。雙饋發電機組變流器是實現變速恒頻交流勵磁的核心，為實現雙饋控制，既可由電機經變流器向電網饋送電能，電網又能向變流器電機側饋送電能，它的控制目標是維持直流電壓穩定，將風能最大限度轉化為電能輸送給電網，并對電網提供一定的無功支撐，主要由網側變流器、中間直流儲能環節及機側變流器組成。

1.1 網側變流器控制

網側變流器控制的主要目的是維持直流母線電壓的穩定，保證單位功率因數，或向電網補償適當的無功功率。直流電壓穩定就是直流功率平衡，是轉子側和網側雙PWM換流器可獨立控制的關鍵。網側變換器在電網電壓定向矢量控制中，將滑差功率送入電網的轉差率較小時，網側變流器有一定的功率裕量，裕量可為電網提供無功支持。網側變流器的數學模型為：

圖1 電網側變流器控制框圖Fig.1 Block diagram of power grid side converter control

1.2 中間直流儲能環節控制

變流器在控制中，網側變流器吸收有功功率，機側變流器向發電機轉子提供勵磁功率，變流器中間環節具有儲能控制功能。當風機正常工作時，網側變流器控制儲能裝置，吸收因風速波動在直流側產生的不平衡功率，平衡電網功率。當電網電壓跌落時，網側變流器向電網提供無功支持，儲能裝置吸收故障期間發電機的有功輸出，以消除直流側的不平衡功率來穩定直流側電壓。

1.3 機側變流器控制

機側變流器采用電流內環和功率外環組成的串級控制系統，有功的串級控制環和無功的串級控制環相互獨立，平行控制。電磁轉矩參考值由風機MPPT給定，無功參考值由風電場給定，電磁轉矩和無功反饋值由定子電壓、電流計算給定，以PI調節器輸出的轉子電流無功分量和有功分量為參考值。

2 PI和模糊PI控制

PI控制包含比例調節器和積分調節器，比例調節器控制系統偏差信號，一旦產生偏差，調節器立刻產生控制，減少偏差。積分調節器用來消除靜差，提高系統無差度。I-PI(內環、外環或轉子、定子)控制、內環控制與PI控制相同，外環控制只需積分調節器即可獲得理想特性。

根據DFIG的阻抗、磁鏈在運行中的特點，模糊PI控制器以轉子電流idr控制環為例，以定子電流與反饋電流的偏差e和偏差變化率de為模糊PI控制的輸入，以比例參數的積分參數增量ΔKp、ΔKi為輸出，并利用模糊控制規則在線對PI參數進行適應調整，以滿足在不同工況下對e、de、PI參數的需求，計算比例、參數公式為：

式中，Kp、Ki為當前時刻參數：ΔKp、ΔKi為經模糊推理獲得的PI參數。

在實際運行中會利用傳統PI和模糊PI控制綜合調節運行參數，而I-PI調節器更精準，模糊PI控制比傳統PI控制定子電壓跟蹤電網電壓快，當電機參數變化時，并網過度時間短、動態響應快、抗干擾性強，模糊PI控制是雙饋風力電機理想的并網方式。但在控制中要根據實際情況采用不同的控制方式或采用綜合控制方式，以保證并網對電網產生的沖擊很小或沒有沖擊。

3 PI控制電流內環仿真分析

變換器PI調節器設計的正確性需通過仿真分析獲得，為此利用MATLAB/SIMULINK仿真平臺進行仿真，對PI電流內環控制進行仿真分析。

圖2為轉子電流內環閉環控制圖，依據變流器開關周期Tcontrol=0.000 5s定參數計算得τi-rd=1.332 8 s[80,99-100]。令σi-rd%=1.5%，得到ξi-rd=0.8，進一步計算可得Ki-rd=8.046 8，設置變流器開關頻率為2 kHz、1 kHz、500 Hz，電流內環指令在t=0.5 s時發生20～60 A階躍。

圖2 轉子電流內環閉環控制圖Fig.2 Diagram of inner ring closed-loop control rotor current

仿真結果圖3(a)～(c)所示：說明變流器開關頻率導致的控制時滯對慣性極小的轉子電流控制環節具有顯著影響。

圖3 d軸電流內環響應Fig.3 Inner ring response of current in d axis

通過仿真分析可知，當整定開關頻率與實際開關頻率一致時，電流能夠獲得良好的動靜態性能，可達到設計目標，能對定、轉子電流動態超調量和動態調節時間進行控制，為電流閉環控制提供了工程設計方法。而當二者不一致時，超越量及調節時間都背離設計目標，偏差越大，背離設計目標的程度就越明顯。