基于分区比例控制的双馈风力发电空载并网技术研究

基于分区比例控制的双馈风力发电空载并网技术研究

陆嘉谭思云

武汉理工大学自动化学院邮编430070

摘要：为了实现双馈风力发电机柔性并网，在分析变速恒频风力发电机的运行特点下，针对双馈风力发电提出了一种基于相平面分区比例控制策略。通过MATLAB/Simulink建立空载并网模型，与传统PI控制策略进行仿真对比，仿真结果表明，基于相平面分区比例控制器在空载并网控制中具有较强的鲁棒性和适用性。

关键词：双馈风力发电空载并网相平面分区比例控制

1引言

随着人们对电能需求的不断增多，可再生能源发电技术的重要性日渐显著。风能在目前的可再生能源发电技术中技术较为成熟，它能够持续不断地提供能源，开发成本较低，但是地域限制较大，对其扬长避短的开发利用是现在的主要研究方向。变速恒频双馈风力发电系统（DFIG）由于其工作效率高、变流器体积小、控制容易、机电系统的连接为柔性连接等的优点在风力发电并网系统中越来越成为发展趋势与研究热点。对于风力发电机的控制方式多种多样，定子磁链定向矢量控制可以实现输出有功和无功功率的解耦控制，但是需要对定子磁链进行观测，控制器设计较为复杂[1]；滑模变结构控制能够在参数不确定的情况实现稳定控制，但是动态系统鲁棒性较差；传统的PI控制难以满足复杂多变的调节需求。

风电系统的并网方式主要有空载并网、负载并网和孤岛并网，鉴于空载并网结构简单，控制实现渐变，本文针对双馈风力发电系统的空载并网控制技术进行研究，提出一种根据系统运动状态来调整控制器输出的相平面分区比例控制策略来实现对风电系统控制。

2双馈风力发电机的空载数学模型

双馈风力发电机的并网条件是发电机输出电压和电网电压在幅值、频率和相位上完全相同，并网前应对发电机的输出电压进行调节，满足并网条件时进行并网操作。空载并网控制系统的结构框图如图1所示。

并网前发电机空载，取电网电压（频率、幅值、相位）作为控制信息提供给控制系统，控制系统发控制信号给变流器，调节发电机的励磁，使定子的空载电压和电网电压相同。

定子侧采用发电机惯例，转子侧采用电动机惯例，空载时双馈风力发电机的定子电流为0，可得空载时的电压方程为：

3基于相平面分区比例控制的电压环控制

在风力发电机并网的过程中，网侧变流器需要对直流侧电压和交流电流协同控制，即外环控制直流电压，内环控制交流电流，实现双闭环控制。直流电压外环的控制过程为使电压采样值与系统给定值进行比较，将差值输入电压控制器中进行处理。基于相平面分区的比例控制器控制器结构图如图2所示。相平面分区的比例控制器是依据偏差和偏差变化率调整比例增益以调整控制器的输出。系统的设定值r，输出量c，控制器的输出为，偏差,偏差变化率，其中，T为采样周期，i及(i-1)分别为本次采样时刻和上次采样时刻,偏差零带为，偏差变化率零带为。

利用四条虚线，，，来划分和组成的相平面，整个相平面被划分为九个区域I，II，…，IX。期望偏差变化率的零带区间夹在和之间，期望偏差的零带区间夹在和之间。图中九个区域一一对应系统的运行状态。

对应不同的区域，采用不同的比例增益控制策略，在相应的工况区，控制器的输出,其中，(i=4+、3+、2+、1+、4-、3-、2-、1-、0)为控制器的控制参数，控制策略分析如下：

将基于相平面的分区比例控制器原理应用于双馈风力发电机的控制可得如图4所示的原理图。控制器对直流环节的电压进行控制，先设定直流电压参考值，再与实测电压进行对比，得到偏差，微分后得，对比判断出工作在第几工作区域，输出相应的控制信号。

4空载并网控制仿真验证

利用Matlab/Simulink仿真平台对基于相平面分区比例的控制策略进行验证，同时与采用传统PI控制算法的仿真进行对比分析。仿真采用的双馈风力发电机参数为：额定电压为575V，额定功率为1.5MW，额定频率为50Hz，极对数3，定子电阻0.023，转子电阻0.016，母线电容为10mF，互感2.9H，机侧开关频率为2kHz，采样时间5us，电网电压的有效值为575V，定子电感为0.18，转子电感为0.16，直流母线电压的参考电压设置为1150V。仿真结果如图5所示，从图中可以看到，采用PI控制算法时直流电压的超调量比较大，并且调节时间也较长。相反，当采用基于相平面分区比例控制时，不论是超调量的大小，还是调节时间的长短都明显优于传统的PI控制，这就体现出相平面分析比例控制极好的动态及静态性能。

图5采用两种算法时的直流侧电压的仿真结果

图6为电网电压的变化曲线，图7为电网电流的变化曲线，图8为定子电流的变化曲线。发电机定子输出电流能够很直观的反应系统的工作情况，从图8中我们可以看到电流频率和电网电压频率保持一致，电流与电压同相位，而定子侧电流波形能够很快的趋于稳定，显示了控制器的调节速度快，得益于直流母线电压的快速建立。以上均可以说明相平面分区的比例控制策略具有很好的鲁棒性，较好的控制性能。

5结论

针对双馈风力发电系统运行状态变化频繁，非线性性等特点，采用基于相平面分区的比例控制策略，通过Matlab/Simulink仿真并与传统PI调节比较后可以发现，PI控制的响应速度与调节精度不理想，超调量较大，难以针对变化系统建立精确模型，而分区比例控制器的调节精度、响应速度以及超调量均有较理想的效果，而且结构简单，参数整定方便，对系统动态变化具有较强的鲁棒性。仿真结果验证了基于相平面分区的比例控制器具有良好的应用前景。

参考文献

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