談 立， 阮 毅， 趙梅花， 葛 凱

(上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200072)

0 引 言

變速恒頻發(fā)電技術(shù)因具有易實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤、四象限有功和無功功率調(diào)節(jié)及柔性并網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)受到了廣泛關(guān)注，并越來越多地應(yīng)用于大型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中[1]。在變速恒頻風(fēng)力發(fā)電方案中通常選用雙饋發(fā)電機(jī)(Doubly Fed Induction Generator, DFIG)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)變速恒頻運(yùn)行[2-3]。

隨著雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量越來越大，若直接并網(wǎng)或解列會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊電流，損壞發(fā)電系統(tǒng)部件，甚至威脅電網(wǎng)的正常運(yùn)行，故有效抑制沖擊電流，實(shí)現(xiàn)柔性并網(wǎng)與解列是十分必要的。

雙饋風(fēng)力發(fā)電柔性并網(wǎng)常用空載并網(wǎng)與負(fù)載并網(wǎng)兩種方法[4-6]。與空載并網(wǎng)不同，負(fù)載并網(wǎng)定子側(cè)接有三相對(duì)稱負(fù)載，并網(wǎng)前定子側(cè)與轉(zhuǎn)子側(cè)同時(shí)參與勵(lì)磁控制，定子繞組有電流通過。

本文分析了負(fù)載并網(wǎng)的基本原理，研究了并網(wǎng)后定子、負(fù)載和電網(wǎng)三者之間的功率關(guān)系。根據(jù)負(fù)載并網(wǎng)的數(shù)學(xué)模型，采用電網(wǎng)電壓定向的矢量控制策略，構(gòu)建了基于英飛凌XC2785單片機(jī)控制的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)負(fù)載并網(wǎng)試驗(yàn)平臺(tái)。試驗(yàn)結(jié)果表明，負(fù)載并網(wǎng)的控制策略可有效實(shí)現(xiàn)DFIG與電網(wǎng)的柔性連接，抑制并網(wǎng)瞬間產(chǎn)生的沖擊電流，驗(yàn)證了控制策略的可行性與正確性。

1 負(fù)載并網(wǎng)原理及DFIG數(shù)學(xué)模型

1.1 負(fù)載并網(wǎng)原理

雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)條件為定子電壓的幅值、相位、頻率與電網(wǎng)電壓均相同。通過并網(wǎng)控制策略，達(dá)到并網(wǎng)條件，將并網(wǎng)時(shí)產(chǎn)生的沖擊電流降到最低。

雙饋電機(jī)采用負(fù)載并網(wǎng)控制時(shí)，定子側(cè)接有三相對(duì)稱負(fù)載，定子繞組有電流通過。此時(shí)，根據(jù)電網(wǎng)側(cè)反饋的電網(wǎng)電壓信息，對(duì)雙饋電機(jī)進(jìn)行勵(lì)磁控制，達(dá)到并網(wǎng)條件后，實(shí)施并網(wǎng)操作，以實(shí)現(xiàn)柔性并網(wǎng)。雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)負(fù)載并網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)負(fù)載并網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 DFIG數(shù)學(xué)模型

在理想情況下，定子采用發(fā)電機(jī)慣例，轉(zhuǎn)子采用電動(dòng)機(jī)慣例，推導(dǎo)DFIG在同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下的電壓、磁鏈方程得

(1)

(2)

式中：usd、usq、urd、urq——定、轉(zhuǎn)子電壓dq軸分量；

isd、isq、ird、irq——定、轉(zhuǎn)子電流dq軸分量；

ψsd、ψsq、ψrd、ψrq——定、轉(zhuǎn)子磁鏈dq軸分量；

Rs、Rr——定、轉(zhuǎn)子電阻；

Lm、Ls、Lr——坐標(biāo)系下定轉(zhuǎn)子同軸等效繞組間的互感、定子等效兩相繞組的自感和轉(zhuǎn)子等效兩相繞組的自感；

ω1——電網(wǎng)電壓同步旋轉(zhuǎn)角速度；

ωr——轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)電角速度。

2 負(fù)載并網(wǎng)控制策略

2.1 基于電網(wǎng)電壓定向的負(fù)載并網(wǎng)控制策略

采用電網(wǎng)電壓定向：ugd=Ug，ugq=0，其中Ug為電網(wǎng)電壓矢量的幅值；ugd、ugq為電網(wǎng)電壓電壓dq軸分量。

并網(wǎng)時(shí)滿足：usd=ugd=Ug，usq=ugq=0，則

(3)

即

(4)

(5)

將式(4)代入式(5)得

(6)

將式(6)代入式(2)得

(7)

由式(7)可得雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)負(fù)載并網(wǎng)前后的控制框圖，如圖2所示。

圖2 DFIG負(fù)載并網(wǎng)控制框圖

負(fù)載并網(wǎng)時(shí)，雙饋機(jī)組定子側(cè)接三相對(duì)稱負(fù)載，定子電流不為0，通過檢測(cè)電網(wǎng)電壓信息，由定子、轉(zhuǎn)子同時(shí)進(jìn)行勵(lì)磁控制，待定子電壓與電網(wǎng)電壓幅值、頻率與相位都相等時(shí)，實(shí)施并網(wǎng)操作。

并網(wǎng)后切換到相應(yīng)的控制策略，本文采用功率、電流雙閉環(huán)的穩(wěn)態(tài)控制策略，通過分別控制電流有功、無功分量，實(shí)現(xiàn)有功、無功功率的精確解耦，實(shí)現(xiàn)雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)發(fā)電，及最大風(fēng)能跟蹤等控制目的[7]。

2.2 負(fù)載并網(wǎng)后功率研究

負(fù)載并網(wǎng)后，定子側(cè)接有三相對(duì)稱負(fù)載，定子側(cè)有功功率P1、負(fù)載消耗的功率PLoad、DFIG向電網(wǎng)發(fā)送的功率Pg之間有能量流向關(guān)系，如圖3所示。

圖3 負(fù)載并網(wǎng)后能量流向關(guān)系圖

當(dāng)P1>PLoad，即雙饋電機(jī)發(fā)出的功率大于負(fù)載消耗的功率時(shí)，多余的有功功率將輸送到網(wǎng)上。當(dāng)P1

3 試驗(yàn)及結(jié)果分析

試驗(yàn)用直流機(jī)-繞線式異步電機(jī)機(jī)組代替雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，搭建的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)如圖4所示。繞線式異步電機(jī)參數(shù)為：PN=3kW,UN=380V,nN=1460r/min；直流機(jī)參數(shù)為：PN=3kW，UN=220V，nN=1460r/min。網(wǎng)側(cè)PWM變換器進(jìn)線電感為20mH，直流母線電壓設(shè)為200V，網(wǎng)側(cè)PWM變換器和轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變換器均采用英飛凌XC2785作為主控芯片，網(wǎng)側(cè)PWM開關(guān)頻率為10kHz,，轉(zhuǎn)子側(cè)PWM開關(guān)頻率為5kHz。原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)雙饋電機(jī)運(yùn)行在低同步n=1100r/min，并網(wǎng)時(shí)采用降壓并網(wǎng)，并網(wǎng)電壓為usa=150V，負(fù)載電阻R=112Ω。

圖4 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

試驗(yàn)開始時(shí)，系統(tǒng)處于帶負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)，通過負(fù)載并網(wǎng)控制策略，使定子電壓迅速跟隨電網(wǎng)電壓，兩者完全一致時(shí)，進(jìn)行并網(wǎng)操作，系統(tǒng)切換到功率、電流雙閉環(huán)的穩(wěn)態(tài)控制策略。穩(wěn)態(tài)時(shí)，通過上位機(jī)調(diào)節(jié)雙饋電機(jī)定子輸出的有功、無功功率，觀察雙饋電機(jī)定子側(cè)、負(fù)載與電網(wǎng)三者之間能量流向關(guān)系。試驗(yàn)波形如圖5～圖10所示。

圖5 負(fù)載并網(wǎng)前定子與電網(wǎng)a相電壓比較波形

圖6 負(fù)載并網(wǎng)瞬間usa與iga波形

圖5為負(fù)載并網(wǎng)前定子電壓與電網(wǎng)電壓的比較波形圖。由圖可知，定子電壓能很好地跟隨電網(wǎng)電壓，負(fù)載并網(wǎng)控制效果良好。

圖6為并網(wǎng)瞬間定子電壓與流向電網(wǎng)電流的波形。并網(wǎng)操作時(shí)，通過上位機(jī)給定，令定子側(cè)發(fā)出的有功功率等于三相負(fù)載消耗的功率(約590W)，即沒有多余的能量流向電網(wǎng)。如圖所示在t1時(shí)刻并網(wǎng)，流向電網(wǎng)的電流幾乎為0，無電流沖擊，實(shí)現(xiàn)了柔性并網(wǎng)的控制目標(biāo)。

并網(wǎng)后采用功率、電流雙閉環(huán)的穩(wěn)態(tài)控制策略。圖7為定子側(cè)發(fā)功瞬間的波形圖，在t2時(shí)刻改變有功給定(590～1000W)，定子電流逐漸增大至穩(wěn)態(tài)。

圖8為發(fā)功后穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的波形圖，無功功率給定始終為0，定子電流趨于平穩(wěn)，與電壓保持同相。

圖7 定子側(cè)發(fā)功瞬間P1與isa波形

圖8 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)usa與isa波形

圖9為改變定子側(cè)輸出功率時(shí)，定子側(cè)與電網(wǎng)側(cè)能量流向關(guān)系圖。圖(a)為定子輸出的功率小于負(fù)載消耗的功率，此時(shí)為維持負(fù)載正常工作，不足的能量由電網(wǎng)提供，定子電流與流向電網(wǎng)電流反相。圖(b)為定子輸出的功率大于負(fù)載消耗的功率，則多余的能量將流向電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電，定子電流與流向電網(wǎng)電流同相。

圖9 isa與iga波形

如圖10所示，當(dāng)定子側(cè)輸出功率等于負(fù)載消耗的功率，此時(shí)流向電網(wǎng)的電流幾乎為0，在t3時(shí)刻切除負(fù)載，此時(shí)定子側(cè)電流與流向電網(wǎng)電流完全一致，成功實(shí)現(xiàn)向電網(wǎng)輸電。

圖10 切除負(fù)載瞬間isa與iga波形

4 結(jié) 語

本文詳細(xì)分析和研究了負(fù)載并網(wǎng)控制策略與并網(wǎng)后的功率流向，得到如下結(jié)論：

(1) 并網(wǎng)前，通過負(fù)載并網(wǎng)控制策略，定子電

壓能快速準(zhǔn)確跟蹤電網(wǎng)電壓，使兩者在幅值和相位上保持一致；

(2) 并網(wǎng)瞬間，沖擊電流幾乎為0，實(shí)現(xiàn)柔性并網(wǎng)；

(3) 并網(wǎng)后，通過功率、電流雙閉環(huán)的穩(wěn)態(tài)控制策略，驗(yàn)證了定子側(cè)，負(fù)載與電網(wǎng)三者之間的能量流向關(guān)系。

通過試驗(yàn)驗(yàn)證了上述控制方案的可行性與正確性。

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