双馈变速恒频风力发电空载并网控制策略

双馈变速恒频风力发电空载并网控制策略

张宝璐

中国广核新能源控股有限公司 黑龙江 哈尔滨 150000

摘要：近年来变速恒频双馈电机并网风力发电成为国际社会关注的热点，相关研究主要集中在基于定子磁链定向双馈电机有功功率和无功功率的解耦控制上，对电网电压定向的并网控制研究很少。空载并网控制主要是调节转子的励磁电流，使并网前定子电压满足无冲击电流并网条件，根据电网电压和电机转速来调节转子的励磁电流，在变速条件下实现几乎无冲击电流并网和输出有功、无功功率的解耦控制，建立了交流励磁发电机空载并网及稳态运行控制模型。仿真和实验结果表明，本文提出的空载并网方式是变速恒频风力发电并网方式。

关键词：变速恒频；空载并网；控制

交流励磁变速恒频风力发电定子侧并网方式分为：空载并网和负载并网。空载并网：并网前发电机空载，定子电流为零。以电网电压为给定量，控制定子侧空载电压幅值、相位、频率与电网电压一致。负载并网：并网前发电机定子侧接独立负载，根据电网信息和定子电压、电流对发电机进行控制，在满足并网条件时进行并网。负载并网方式的特点就是并网前发电机已有独立负载，定子有电流，发电机参与风力机的能量控制。因此负载并网控制所需要的信息不但取自于电网，同时还取自发电机定子侧。

一、变速恒频风力发电系统

风力发电系统按照发电机运行方式分为恒速恒频风力发电机系统和变速恒频风力发电机系统。目前，恒速恒频风力发电机系统在国内外普遍使用的风力机结构是上风向、水平轴、定桨距。随着现代 IGBT 技术的迅速发展，采用电力电子部件构成变流装置的 VSCF 风力发电系统已经成为风力发电系统的主流。到现在为止，国内外风电专家和风电研究机构提出多种 VSCF 风力发电技术方案，比较有代表性的有以下几种：

1、笼型异步发电机变速恒频发电系统。采用笼型异步发电机，变速恒频技术是通过在电机定子侧连接变频装置来实现。由于风速的不规则变化，风力机的风叶转速也是不停变化的，使得转换为机械能的发动机的转子转速也随着而不规则变化，所以发电机的定子输出的电能频率也是变化的。因此，通过对电网与定子绕组之间加上变频器装置，转换为与电网同频的电能，实现不同风速及不同转子转速下达到输出恒定的效果。由于这种设计系统具有较大变速运行范围的优点，所以适用于风速变化较大的场所，并且其系统维护简单方便。但变频器的容量必须与发电机的容量相等，故需进行全功率变换，同时该系统需要从电网吸收感性无功功率，需要系统装置有无功补偿装置，电机电压与功率因数控制也比较困难，所以导致变频器体积大、重量大、成本较高。

2、交流励磁双馈发电机变速恒频发电系统。双馈发电机实现变速恒频控制是通过对电机转速的控制从而使得转子励磁绕组中的励磁电流发生改变而实现的，慢速旋转的风轮与快速旋转的电机转子通过齿轮轴系相连接，电机转子通过变流器与电网连接，称为网侧变流器。流过转子回路的功率是双馈发电机的转速运行范围所决定的转差功率，且可以双向流动，发电机和风力机不要求以固定转速运行，可以在亚同步、同步、超同步速状态运行，使得这种机组速度能在较大范围内，而定子输出恒定频率的交流电。这种方案是把阵风或风波动吹动风叶产生的动能转换成风轮的动能，风轮转动的动能转换成转轴的机械能，实现最大风能追踪，再通过电机的动能转换成电能，并且通过控制系统的控制输出符合国家电网的恒频电输入电网，从而减少了对齿轮箱的冲击产生的机械应力的不利影响，还实现 P、Q 的解耦控制，对电网起到无功补偿的作用。而缺点是电机仍然有滑环和电刷。基于交流励磁双馈发电机构成的此风电系统是目前风电研究领域中研究员及专家热衷的课题，是今后风电技术发展的必然趋势。

二、VSCF 风力发电空载并网控制策略

1、dq 坐标下 DFIG 的矢量方程。根据三相静止坐标系和同步旋转 d、q 坐标系下DFIG 数学模型，导出其并网前的简化形式，并采用同步旋转坐标系下矢量形式的 DFIG 模型来进行分析与控制。若定转子均为电动机惯例，则其两相同步模型[1]为：

2、电网电压定向稳态运行控制模型。电网电压定向矢量控制系统可以实现和定子磁链定向矢量控制系统相同的功能，但免去了定子磁链的观测，简化了控制策略，实现了对 DFIG 的有功和无功的解耦控制，提高了电力系统调节的灵活性和动、静态性能。为了降低系统的复杂性，本方案采用电网电压定向的矢量控制系统。定子的电阻很小，可以忽略，稳态时

式可以作为变速恒频风力发电 DFIG 稳态并网后电流内环控制器的设计依据。这种基于电网电压定向的变速恒频风力发电 DFIG 稳态运行控制策略，在转子电压补偿的条件下，实现了有功功率和无功功率的解耦控制，从而根据最大功率点与风速的关系曲线，可以实现最大风能跟踪。

3、电网电压定向空载并网控制模型。空载并网方式是在并网前发电机不带负载，不参与能量和转速控制，完全由原动机来控制发电机转速。并网时由于定子端电压受控，使其等于电网电压，所以定子电流逐渐减小到零。并网后需切换到稳态并网控制策略，并实现最大功率点跟踪。交流励磁变速恒频双馈风力发电系统的控制主要是对 DFIG 的功率控制，通过转子侧 PWM 变换器实施，因此，对转子侧 PWM 变换器控制的研究与整个变速恒频双馈风力发电系统运行控制紧密相连。空载并网前，其定子侧开路，存在约束关系：isd=0, isq=0, Te=0, 将此约束关系代入定转子的磁链方程，可得

4、空载并网仿真与实验。为了验证控制策略的有效性，分别进行了仿真和实验研究，使用参数为：双馈电机额定功率P=3kW；频率 f = 50Hz；定子联结方式 Y 接，定子电压与转子电流，并网瞬间定子电压没有跳变，转子电流的频率会随着电机转速的改变而相应地改变。仿真结果表明，该系统具有良好的动静态性能和控制精度，并网过程平稳。本实验所采用的 DFIG 为普通的绕线式异步电动机，并非专门设计的发电机。若在转子加强励磁发电运行时，会导致转子磁路饱和，引起转子电流畸变，并通过电磁耦合使定子电压发生畸变。对此问题的解决办法是在 DFIG 电网之间加一个200V/380V 的升压变压器，以等效降低定子机端电压及相应磁路的饱和程度。

并网前提高电机转速时，定子电压略有升高，不过这种情况对并网的影响并不大，为了使并网前定子电压和电网电压精确匹配，可以在转子电流内环外增加电压负反馈来抑制定子电压的升高，使系统在更宽的范围内实现柔性并网。这种现象产生的原因是控制模型中使用的 Lm 参数为静态参数，图所示为并网前定子电压与转子电流波形，定子输出电压的频率为 50Hz；电网电压与定子电压波形，其频率、幅值、相位非常吻合。

基于电网电压定向的双馈变速恒频风力发电空载并网控制策略，采用了双 PWM变频器结构，完成了并网发电的基本功能实验。借鉴电网电压定向矢量控制技术，实现了与定子磁链定向矢量控制相同的功能，但免去了定子磁链的观测，简化了控制策略。通过对 DFIG 有功功率和无功功率的解耦控制，提高了电力系统调节的柔性，可以补偿电网的无功需求。在双馈变速恒频风力发电空载并网系统中，发电机与电网之间是一种柔性连接关系。在变速情况下，可迅速控制发电机定子电压使其满足并网条件，实现几乎无冲击电流并网。仿真和实验结果表明，此空载并网方式是一种较为理想的并网方式。

参考文献：

[1] 刘其辉.变速恒频风力发电系统运行与控制研究[D].杭州：浙江大学,2019.

[2] 贺益康, 张建华. 交流励磁变速恒频风力发电机的运行控制及建模仿真[J]. 中国电机工程学报, 2019, 26(5): 43-50.