面向LCC中壓直流接入的雙饋風力發電系統寬頻率范圍控制*

羅慧達, 崔學深, 崔存崗, 申旭輝, 湯海雁

(1.華北電力大學 電氣與電子工程學院,北京 102206；2.中國華能集團清潔能源技術研究院有限公司，北京 102209)

0 引 言

海上風電因其具有風速相對穩定、更加靠近負荷中心等優勢，逐漸成為世界各國的研究熱點之一[1-2]。對于離岸距離遠、容量大的海上風電，傳統的交流輸電無法滿足其輸電需求。而直流輸電因其輸電線路造價低、無相位功角問題、運行穩定性好以及調度管理簡便等優點，適合海上風電這樣的遠距離輸電[3-7]。對于應用于海上直流風電場中的風電機組，永磁直驅風電系統因其控制相對簡單且故障維護率低，成為大容量海上風電機組的首選機型[8]，但成本很高。而對于在風力發電中占有較大比重的雙饋風電機組(DFIG)[9-12]，在發電機和變流器成本方面均遠低于直驅風電系統，且沒有轉子退磁風險，仍具有不錯的應用前景。

研究表明，眾多直流風電場拓撲結構中，并聯型海上直流風電場采用中壓直流(MVDC)匯聚，高壓直流傳輸最容易實現[13-15]。風電機組可以單獨經交流變壓器升壓，整流后直接接入風電場中壓直流匯集網絡，這種中壓直流并聯型海上風電場各風力發電機組的控制獨立。這里若選用永磁直驅，需要經過整流逆變再交流升壓再整流，換流器過多，或先整流再經過DC/DC升壓，DC/DC升壓器的成本也較高。因此，本文選擇對單臺DFIG系統接入中壓直流電網的控制策略和方法展開研究，在DFIG經整流環節單獨直流并網的條件下，交流側頻率可以在一定范圍內調節，通過控制DFIG的定子頻率實時跟隨風速轉速的變化進行調節，就可以大大減小轉差功率，減小損耗，提高系統運行效率。

在DFIG的直流并網研究中，主要有以下三種拓撲結構：(1)基于定子不控整流的DFIG直流并網結構；(2)基于電網換相換流器(LCC)的DFIG直流并網結構；(3)基于電壓源型換流器(VSC)的DFIG直流并網結構。首先基于不控整流直流并網的拓撲結構雖然在換流器成本上最低，但由于采用的是不控整流，存在定子電壓不可控的問題，在電機寬頻率范圍運行時會出現低頻運行時的磁鏈飽和及高頻運行時的弱磁過深等現象[16-17]。而VSC直流并網換流器成本較高。因此，本文選擇針對基于LCC直流并網的拓撲結構的控制策略展開研究，既能控制定子電壓跟隨頻率變化，成本也相對較低。

傳統的基于LCC直流輸電的雙饋風力發電系統的轉子側換流器(RSC)大多直接采用與交流并網相似的控制策略，控制發電頻率為50 Hz，沒有充分發揮直流輸電中發電頻率不必嚴格控制為工頻的優勢。而傳統LCC的控制大多采用定直流電流控制，除此之外，還有定直流電壓控制、定有功功率控制等[18-20]。

本文針對基于LCC直流輸電的DFIG系統，提出一種DFIG系統寬頻率范圍的控制策略。該控制策略主要通過RSC和LCC的協調控制實現，其中LCC可采用12脈波整流，從而減小諧波，提高電能質量[21]。具體控制策略就是在實現最大風能追蹤控制和保持定子磁鏈不變的同時，對雙饋風力發電機的定子頻率進行適當調整，最終實現寬頻率范圍控制，從而提高電機運行效率。

1 系統拓撲和數學模型

1.1 雙饋風力發電系統LCC-MVDC系統拓撲

圖1所示是本文所研究的雙饋風力發電系統LCC-MVDC拓撲結構。換流器與變壓器一同集成于風電機組平臺，單臺DFIG經各自的換流器整流后，經過直流電纜接入海上中壓直流換流站匯集。

圖1 雙饋風力發電系統LCC-MVDC結構

圖1的DFIG系統拓撲結構中，本文設計采用的是1.5 MW雙饋風力發電機，出口電壓為690 V，經690 V/30 kV/30 kV的三繞組變壓器升壓輸送至換流站，再經LCC整流與±30 kV中壓直流網相連。

1.2 DFIG數學模型

本文采用異步電機在兩相同步速旋轉dq坐標系下的數學模型，該模型由三相靜止abc坐標系經恒幅值坐標變換得到。因為d軸和q軸相互垂直，相互之間沒有磁的耦合，極大地簡化了DFIG的數學模型。本文在討論DFIG數學模型時定轉子側均使用電動機慣例，即電流流入DFIG的方向為正，則以同步速旋轉的dq坐標系下的定子和轉子電壓方程分別為

(1)

(2)

式中：Rs和Rr分別為定子和轉子電阻；ωs為定子角頻率(同步速)；ωs1為轉差角頻率，ωs1=ωs-ωr，而ωr為轉子角頻率；p為微分算子。下標s，r分別為定子和轉子，下標d、q分別表示d、q軸。

定轉子磁鏈方程為

(3)

(4)

式中：Ls為定子繞組自感，Ls=Lm+Lss；Lr為轉子繞組自感，Lr=Lm+Lsr；Lss、Lsr和Lm分別為定子漏感、轉子漏感和定轉子互感。

dq坐標系下轉矩方程為

(5)

式中：p為DFIG的極對數。

1.1 資料來源 選擇2015-2016年嘉興市婦幼保健院收治的卵巢儲備功能低下不孕癥患者74例隨機分為觀察組和對照組各37例。觀察組患者年齡20～38歲，平均年齡(31.29±5.46)歲；病程6個月～13年，平均病程(5.08±1.24)年；其中原發型24例，繼發型13例。對照組患者年齡21～40歲，平均年齡(31.89±5.78)歲；病程8個月～12年，平均病程(5.14±1.38)年；其中原發型22例，繼發型15例。兩組患者一般資料差異無統計學意義(P>0.05)，具有可比性

2 換流器控制策略

本文針對風力發電系統運行于最大功率跟蹤(MPPT)工作模式下的控制策略展開研究。RSC基于定子磁鏈定向的矢量控制，實現最大風能追蹤同時控制定子磁鏈保持恒定。LCC通過對觸發角α進行調節控制定子頻率隨風速變化而變化。網側換流器(GSC)則基于電網電壓定向的矢量控制，實現兩換流器間的直流母線電壓的穩定及網側無功功率的控制。由于與交流并網控制策略相同，本文不再贅述GSC控制策略。

2.1 RSC控制策略

在傳統的DFIG矢量控制中，RSC通常是將定子有功無功進行解耦控制，兩個外環分別控制有功和無功功率，實現最大風能追蹤和定子側功率因數的控制。本文中在同步旋轉的dq坐標系下，RSC的矢量控制中將定子磁鏈和定子有功功率作為外環，轉子電流ird和irq作為內環，控制有功功率是為了實現最大風能追蹤，與傳統控制相似，其原理這里不再贅述，而控制定子磁鏈是實現DFIG的寬頻率范圍控制的關鍵，下面重點介紹其控制原理。

將定子磁鏈定向在同步旋轉dq坐標系的d軸方向后，得到以下定子磁鏈和定子電壓方程：

(6)

(7)

由于本文采用恒定子磁鏈的控制，在忽略定子繞組上的壓降的前提下，可近似得到：

usd≈0，usq≈us1=ωsψs

(8)

從式(6)～式(8)可以看出，定子磁鏈由定子側相電壓幅值us1和定子角頻率ωs決定。因此，隨著風速的增加通過調節晶閘管整流的觸發角α，使得定子電壓適當增加，同時控制RSC磁鏈環保持定子磁鏈為額定條件下的磁鏈不變，即可實現DFIG的寬頻率范圍控制。RSC具體控制框圖如圖2所示。

圖2 RSC控制框圖

從圖2的控制框圖可以總結出RSC矢量控制雙閉環外環的控制思想，即對定子磁鏈環及功率環實施解耦控制，分別由轉子d軸和q軸電流進行控制。功率除以轉速等于轉矩，因此實現功率控制也就實現了對DFIG轉矩的控制。

圖3 寬頻率范圍控制電機轉速、定子磁鏈、轉矩變化

2.2 LCC控制策略

LCC采用的是晶閘管整流，直流輸電實際運行中為了提高功率因數，觸發角α一般盡量控制得比較小。然而，為了確保觸發前閥上有足夠的電壓，LCC有一個最小觸發角的限制[19]。世界上大部分直流輸電工程采用的最小觸發角α均5°。因此，當風速為切入風速時，控制定子電壓為觸發角為5°時所對應的電壓，此時電壓小于DFIG的額定電壓；當風速為DFIG轉速恰好為額定轉速所對應的風速時，控制定子電壓為DFIG的額定電壓。由此建立風速與定子電壓之間的線性關系，再將此電壓參考值按照式(8)計算得到定子頻率參考值，當風速發生變化時，頻率參考值與實際值的差值通過PI調節器輸出作為觸發角α的相關信號，從而實現定子頻率的控制。而由于MPPT模式下風速與轉速之間也是線性關系，因此，實際應用中將風速與參考頻率的關系轉變成電機轉速與參考頻率之間的關系更為實用。LCC控制框圖如圖4所示。

圖4 LCC控制框圖

12脈波整流后的直流電壓與定子電壓及觸發角之間的關系為

(9)

式中：Ud為直流電壓；U2為定子相電壓有效值。

根據式(8)可知，定子磁鏈由定子側相電壓幅值us1和定子角頻率ωs決定，也就是說，當風速增大時，通過調節觸發角使得定子電壓增大，同時RSC控制定子磁鏈保持不變，兩者協調控制就能使定子頻率與定子電壓成比例增大，從而實現DFIG寬頻率范圍控制。全風速范圍內定子頻率與風速之間的關系如圖5所示。

圖5 全風速范圍定子頻率變化

2.3 RSC和LCC協調控制關系

圖6給出了雙饋風力發電系統RSC和LCC協調控制關系圖。對于LCC的控制，因其為晶閘管裝置，只需對其觸發角進行控制即可。頻率參考值和實測頻率計算值之間的誤差經PI調節器輸出作為觸發角α，并將該輸出作為脈沖發生器的輸入來產生控制LCC的脈沖信號。

圖6 RSC與LCC協調控制框圖

3 仿真實現

基于MATLAB/Simulink仿真平臺搭建中壓直流輸電的雙饋風力發電系統模型，其中DFIG的額定功率為1.5 MW，額定線電壓為690 V，極對數為2，經690 V/30 kV/30 kV三繞組變壓器升壓后再經12脈波LCC整流與±30 kV直流輸電線相連。在頻率為工頻50 Hz時可以計算得到定子飽和磁鏈是1.794 Wb。仿真模型中風速5.1 m/s為切入風速，對應發電機轉速為900 r/min，定子頻率參考值取觸發角α=5°時的定子相電壓418.8 V所對應的定子頻率37.2 Hz；額定轉速1 800 r/min對應的風速為10.2 m/s，定子頻率參考值為50 Hz，此時電壓為額定電壓。下面通過比較本文所提出的寬頻率范圍控制與傳統的恒壓恒頻控制的仿真結果來證明寬頻率范圍控制的優越性。

圖7顯示了兩種控制策略全風速范圍內轉差率及定轉子功率的變化。因為本文定轉子采用的都是電動機慣例，所以仿真中功率為負表示向外發出功率。采用寬頻率范圍控制時由于控制頻率隨著風速增加而增加，使得轉差在一個更小的范圍內變化，轉子功率的變化范圍也更小，從而減小低風速時定轉子之間的功率環流。

圖7 兩種控制策略全風速范圍轉差及定轉子功率變化

圖8顯示了兩種控制策略下DFIG定轉子銅耗和定子鐵耗隨風速的變化。由于兩種控制策略都運行于MPPT模式，轉矩相同，而且全風速范圍內磁鏈都保持額定磁鏈，因此電機銅耗基本相同。而寬頻率范圍控制在低風速時降低了頻率，從而有效地減小了電機鐵耗，提高了電機的運行效率。

圖8 電機銅耗及電機鐵耗

圖9 DFIG總損耗及效率

圖9給出了兩種控制策略的DFIG的總損耗及效率。從圖中可以看出，寬頻率范圍控制的損耗在全風速范圍內都小于恒壓恒頻控制，從而證明寬頻率范圍控制能夠提高電機效率，實現節能的目標。這對于發電領域有著十分重要的意義。

4 結 語

雙饋風力發電系統寬頻率范圍控制策略，隨著風速提高，在保持定子磁鏈不變的同時，通過調節晶閘管整流的觸發角提高定子側頻率。仿真結果證明，寬頻率范圍控制的運行特性明顯優于恒壓恒頻控制，能夠使得轉差率在一個較小的范圍內變動，從而減小定轉子間的功率環流。此外，寬頻率范圍控制還能降低能耗，使系統更加經濟、高效地運行，這對于雙饋風力發電系統的實際運行有著十分重要的意義。