凌志剛 李含善 高絹絹

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)電力學(xué)院，呼和浩特 010080）

1 引言

近年來，隨著風(fēng)電機組單機容量的不斷擴大，對并網(wǎng)型風(fēng)電機組的運行要求也日益嚴(yán)格。在DFIG風(fēng)力發(fā)電機組中，雙饋風(fēng)力發(fā)電機組的定子直接與電網(wǎng)連接，并通過勵磁變頻器控制轉(zhuǎn)子電流的頻率、相位、幅值來間接調(diào)節(jié)定子側(cè)的輸出功率。變速恒頻雙饋異步發(fā)電機的優(yōu)點有：①調(diào)速范圍寬，即超同步運行和亞同步運行；②有功和無功功率可獨立調(diào)節(jié)；③勵磁變頻器容量較小等。隨著DFIG風(fēng)電機組在電力系統(tǒng)中所占容量的增大，發(fā)電機與局部電網(wǎng)之間影響越來越大，必須將風(fēng)力發(fā)電機與電網(wǎng)看做一個整體，要求風(fēng)電機組在電網(wǎng)電壓跌落時不能脫離電網(wǎng)即要求DFIG風(fēng)電機組具備低電壓穿越能力。雙饋電機的定子直接接入電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子AC-DC-AC雙PWM雙向變流器與電網(wǎng)連接。為了了解雙饋電機在風(fēng)速變化和故障情況下的暫態(tài)特性，本文以PSCAD為平臺建立了DFIG的動態(tài)模型，轉(zhuǎn)子側(cè)和網(wǎng)側(cè)變流器模型以及控制策略。最后通過仿真驗證模型的有效性[1-4]。

2 雙饋電機的數(shù)學(xué)模型

根據(jù)雙饋電動機的特點，選擇兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系dq代替三相靜止ABC坐標(biāo)系上的真實變量，通過坐標(biāo)變換得到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的雙饋電機數(shù)學(xué)模型。

將磁鏈?zhǔn)酱腚妷悍匠淌?，得到dq坐標(biāo)系下的電壓—電流方程

式中，R1和R2為定、轉(zhuǎn)子繞組電阻；Ls、Lr、Lm為分別為定轉(zhuǎn)子間的自感、漏感、互感；ud1、uq1、ud2、uq2為定轉(zhuǎn)子電壓d、q軸分量；ψd1、ψq1、ψd2、ψq2為定轉(zhuǎn)子磁鏈d、q軸分量；ω11為定子旋轉(zhuǎn)磁場速度；ω12為轉(zhuǎn)差角速度；p為微分算子；LL為發(fā)電機輸入轉(zhuǎn)矩；Te為發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩；J為發(fā)電機轉(zhuǎn)動慣量；np為極對數(shù)。根據(jù)發(fā)電機慣例，電磁轉(zhuǎn)矩的方向與旋轉(zhuǎn)方向相反，得出雙饋電機同步旋轉(zhuǎn)參考坐標(biāo)系下的動態(tài)等效電路圖，如圖1所示。雙饋電機動態(tài)模型對雙饋電機風(fēng)電發(fā)電系統(tǒng)的仿真有很重要的作用。

圖1 雙饋電機的d-q軸動態(tài)等效電路

3 網(wǎng)側(cè)變換器控制模型

網(wǎng)側(cè)變換器的直流電壓由電壓外環(huán)控制，電壓控制器的輸出作為電流內(nèi)環(huán)給定。電流控制器使交流側(cè)電流快速跟蹤給定電流，同時由于對電流指令的限幅，能夠?qū)ψ兞髌鬟M行過流保護。電流控制器的輸出再與各自的解耦項和電網(wǎng)電壓擾動前饋補償項運算后得到變換器交流側(cè)參考電壓，再進行坐標(biāo)變換，利用該信號進行脈寬調(diào)制，產(chǎn)生驅(qū)動信號實現(xiàn)對網(wǎng)側(cè)變換器的控制。根據(jù)雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的要求，網(wǎng)側(cè)變換器的控制目的是：保持輸出直流母線電壓恒定具有良好動態(tài)響應(yīng)能力的同時，確保交流側(cè)輸入電流正弦，功率因數(shù)為 1。直流母線電壓的穩(wěn)定與否取決于交流側(cè)與直流側(cè)的有功功率是否平衡，如果有效地控制交流側(cè)輸入有功功率，則能保持直流母線電壓穩(wěn)定。而輸入電流波形正弦與否主要與電流控制的有效性和調(diào)制方式有[5-10]。其控制如圖2所示。

圖2 網(wǎng)側(cè)變換器控制框圖

4 轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制模型

轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變流器矢量控制如圖3所示。感應(yīng)發(fā)電機被控制在同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下，將同步旋轉(zhuǎn)d軸定向在定子磁鏈的方向上，以確保定子側(cè)向電網(wǎng)的有功和無功功率的解耦控制。為發(fā)電機提供了比較廣泛的速度運行范圍，實現(xiàn)風(fēng)能最大捕獲的最優(yōu)速度追蹤。定子側(cè)流向電網(wǎng)的有功功率和無功功率

整個控制系統(tǒng)采用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，外環(huán)為功率控制環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流控制環(huán)。在功率環(huán)中P按照風(fēng)力機的最大風(fēng)能捕獲功率計算給出，Q根據(jù)雙饋感應(yīng)發(fā)電機不同的無功功率控制策略計算給出：當(dāng)要求雙饋電機按恒功率因數(shù)控制時，控制機組的無功功率，使機組按規(guī)定的功率因數(shù)運行；當(dāng)要求劇組恒電壓控制時，則根據(jù)系統(tǒng)的無功功率要求，調(diào)節(jié)機組的無功功率，可使機端電壓在設(shè)定值。在計算出Ps和Qs后，分別與功率反饋值P、Q進行比較，差值送入帶積分和輸出限幅的PI型控制器，輸出轉(zhuǎn)子電流的有功分量和無功分量的參考指令值idr和iqr，idr和iqr與轉(zhuǎn)子電流反饋量id2和iq2比較后的差值送入帶積分和輸出限幅值的PI型控制器，調(diào)節(jié)后輸出轉(zhuǎn)子電壓分量與r，在加上電壓補償量，即可得到轉(zhuǎn)子電壓指令和，經(jīng)坐標(biāo)變換后得到三相靜止坐標(biāo)系下的控制指令ua、ub和uc，經(jīng)SVPWM調(diào)制后控制變流器的開關(guān)狀態(tài)，使變流器輸出的電壓為輸出電壓的期望值。

圖3 轉(zhuǎn)子側(cè)變換器矢量控制結(jié)構(gòu)圖

5 并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機組仿真分析

本文基于雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機模型，采用定子磁鏈定向的矢量控制策略進行仿真，仿真參數(shù)表1所示。

表1

根據(jù)運用，在PSCAD上建立的模型分別對風(fēng)速變化和電壓跌落進行仿真分析。

5.1 風(fēng)速變化時的仿真分析

初始風(fēng)速為10m/s，當(dāng)t=3s時風(fēng)速變?yōu)?3m/s，在這種情況下得到仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 速變化仿真結(jié)

由圖 5可知，風(fēng)速低于額定風(fēng)速時，槳距角β= 0，風(fēng)速超過額定風(fēng)速時，槳距角發(fā)生變化，調(diào)節(jié)系統(tǒng)起動，使 DFIG輸出功率穩(wěn)定在額定功率附近，風(fēng)電機組輸出的無功功率基本保持不變，有功功率跟隨風(fēng)速的變化進行調(diào)節(jié)，有功的調(diào)節(jié)使風(fēng)機可以實現(xiàn)最大風(fēng)能追蹤，在整個過程中轉(zhuǎn)子電流的頻率發(fā)生變化，而定子電流的頻率保持不變，實現(xiàn)DFIG的變速恒頻，P、Q得到解耦。

5.2 電網(wǎng)電壓跌落的仿真分析

在電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落之前，雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機組以恒功率因數(shù)運行。機組工作在額定運行狀態(tài)，此時風(fēng)速為10m/s，系統(tǒng)在t=3s時發(fā)生三相短路故障，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓跌落50%，故障持續(xù)時間為0.2s，t=3.2s時電網(wǎng)電壓恢復(fù)，則雙饋風(fēng)電機組運行特性曲線如圖5所示。

從圖5可知，當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落和電網(wǎng)電壓恢復(fù)時，發(fā)電機的定子和轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生較大的電流，同時直流母線電壓也發(fā)生波動，對于雙饋感應(yīng)電機的定子繞組，只要故障期間短路電流不超過雙饋感應(yīng)發(fā)電機定子繞組所允許的極限值，故障期間的過電流是允許的，而雙饋感應(yīng)電機的轉(zhuǎn)子側(cè)與變流器相連。受變流器中電力電子器件的耐壓和過流能力的限制，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器將很難承受雙饋感應(yīng)發(fā)電機這一嚴(yán)重的電磁暫態(tài)過程。為了保護轉(zhuǎn)子側(cè)變換器和直流耦合電容，需要對其采取相應(yīng)的保護措施。

圖5 電網(wǎng)電壓跌落50%時的仿真結(jié)果

6 結(jié)論

本文建立了雙饋感應(yīng)發(fā)電機的動態(tài)模型、變換器模型。變換器控制采用定子磁鏈定向矢量控制，本文分別對風(fēng)速變化和電網(wǎng)電壓跌落情況下，并網(wǎng)運行的風(fēng)力發(fā)電機組進行仿真，從所得到的仿真結(jié)果可以看出，風(fēng)速變化可以對有功功率進行調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)最大風(fēng)能追蹤以及雙饋電機的變速恒頻和有功功率和無功功率的解耦控制。從電網(wǎng)電壓跌落仿真表明制約雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機組低電壓穿越能力的兩個因素是轉(zhuǎn)子側(cè)變換器輸出電流的上限和直流母線電壓的上、下限，還可以看出雙饋感應(yīng)發(fā)電機使用矢量控制策略能夠提高變速風(fēng)力發(fā)電機組的低電壓穿越能力。當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落時，雙饋感應(yīng)發(fā)電機能夠?qū)崿F(xiàn)不脫網(wǎng)運行，持續(xù)并網(wǎng)，為風(fēng)電機組的故障穿越提供了一些理論依據(jù)。

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