綦慧， 潘全成

(北京工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)部，北京 100124)

0 引 言

風(fēng)能是一種可再生、無(wú)污染且儲(chǔ)量巨大的清潔資源。全球范圍內(nèi)可利用的風(fēng)能遍及陸地和海洋，地球一年產(chǎn)生的風(fēng)能相當(dāng)于全球一整年耗煤所產(chǎn)生能量的一千多倍[1]。因此風(fēng)能資源的利用對(duì)于緩解能源危機(jī)，保護(hù)環(huán)境具有非常重大的意義。

變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)憑借變頻器功率小、工作效率高和控制性能好等特點(diǎn)使其在風(fēng)電領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，是世界上主流的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)之一[2]。隨著風(fēng)電系統(tǒng)的技術(shù)日趨成熟，對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)時(shí)電網(wǎng)的供電質(zhì)量、產(chǎn)生的電流沖擊要求越來(lái)越高。因此并網(wǎng)技術(shù)是目前風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的重要部分之一。并且若系統(tǒng)直接并網(wǎng)或解列會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊電流，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)是十分必要的[3]。

目前雙饋異步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)方式主要分為：負(fù)載并網(wǎng)與空載并網(wǎng)。由于負(fù)載并網(wǎng)方式電機(jī)定子側(cè)需外加負(fù)載，故并網(wǎng)控制策略不僅需要實(shí)時(shí)測(cè)取電網(wǎng)狀態(tài)，而且還要實(shí)時(shí)采集發(fā)電機(jī)定子側(cè)信息。因此其控制策略相比于空載并網(wǎng)控制策略要復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)相對(duì)困難。故本文以空載并網(wǎng)方式為核心進(jìn)行仿真與試驗(yàn)研究。

本文首先建立雙饋異步發(fā)電機(jī)d、q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，并針對(duì)DFIG空載并網(wǎng)運(yùn)行原理，利用定子磁鏈定向矢量技術(shù)進(jìn)行了數(shù)學(xué)模型及控制策略分析；基于此應(yīng)用MATLAB/Simulink仿真軟件對(duì)雙饋異步發(fā)電機(jī)空載并網(wǎng)及其柔性控制策略進(jìn)行仿真研究。然后搭建風(fēng)電模擬試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)并網(wǎng)過(guò)程進(jìn)行研究及試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 雙饋異步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型與并網(wǎng)數(shù)學(xué)模型

1.1 雙饋異步發(fā)電機(jī)模型

本文中雙饋異步發(fā)電機(jī)取電動(dòng)機(jī)慣例。其在同步旋轉(zhuǎn)d、q坐標(biāo)系下雙饋異步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型如下[4]：

定、轉(zhuǎn)子繞組電壓方程：

(1)

定、轉(zhuǎn)子磁鏈方程：

(2)

運(yùn)動(dòng)方程：

(3)

(4)

定子側(cè)功率方程：

(5)

式中：uds，uqs，udr，uqr分別為定、轉(zhuǎn)子在d、q軸的電壓分量；ids，iqs，idr，iqr為定、轉(zhuǎn)子在d、q軸的電流分量；Ψds，Ψqs，Ψdr，Ψqr分別為定轉(zhuǎn)子d、q軸的磁鏈分量；rs、rr分別為定、轉(zhuǎn)子電阻；ω1為同步角速度；ωr為轉(zhuǎn)子角速度；Lm為電機(jī)互感;Ls、Lr為電機(jī)定、轉(zhuǎn)子漏感；Tm、Te分別為機(jī)械轉(zhuǎn)矩與電磁轉(zhuǎn)矩；P1、Q1為定子側(cè)輸出有功功率和無(wú)功功率；np為電機(jī)極對(duì)數(shù)；J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

考慮在實(shí)際控制中并網(wǎng)前后控制策略需要保證一致性，故并網(wǎng)前后的DFIG控制策略均采用定子磁鏈定向矢量控制技術(shù)，故存在以下關(guān)系:

(6)

(7)

式中：Ψ1為定子磁鏈?zhǔn)噶糠?u1為定子相電壓幅值。

1.2 空載并網(wǎng)數(shù)學(xué)模型

已知DFIG在空載運(yùn)行狀態(tài)下，定子側(cè)開(kāi)路，定子電流為0，即ids=iqs=0。故定、轉(zhuǎn)子電壓方程式(1)與磁鏈方程式(2)可轉(zhuǎn)化如下[5]:

(8)

(9)

式中：ωs為轉(zhuǎn)差角速度;ωs=ω1-ωr;ω1為同步角速度;ωr為轉(zhuǎn)子角速度；p為微分算子，代替微分符號(hào)d/dt；rr為轉(zhuǎn)子電阻；Lm為電機(jī)互感;Lr為電機(jī)轉(zhuǎn)子漏感。

因此DFIG在定子磁鏈定向和忽略定子電阻(定子側(cè)電阻在工頻下很小，與電感相比可以忽略不計(jì))的情況下，根據(jù)式(6)～式(9)狀態(tài)方程有以下關(guān)系(具體推導(dǎo)過(guò)程省略)：

(10)

(11)

(12)

式中：Ψ1為定子磁鏈?zhǔn)噶糠?；u1為定子相電壓幅值；ωs為轉(zhuǎn)差角速度；ω1為同步角速度；rr為轉(zhuǎn)子電阻；Lr為電機(jī)轉(zhuǎn)子漏感。

由于控制并網(wǎng)運(yùn)行試驗(yàn)無(wú)需進(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制，故省去運(yùn)動(dòng)方程。此時(shí)系統(tǒng)的輸入量只有電網(wǎng)電壓的同步角速度ω1，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電壓以及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，輸出量為定子電壓。

2 空載并網(wǎng)控制策略

雙饋異步發(fā)電機(jī)空載的并網(wǎng)條件就是在保證雙饋發(fā)電機(jī)定子側(cè)電壓和電網(wǎng)電壓的相序、相位、頻率及幅值都相同的前提下，安全切入電網(wǎng)[6]。因此并網(wǎng)控制的實(shí)質(zhì)是根據(jù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)和電網(wǎng)信息調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器勵(lì)磁，進(jìn)而控制雙饋異步發(fā)電機(jī)定子側(cè)電壓。

根據(jù)式(8)～式(12)可以得出定子電壓與轉(zhuǎn)子電流有關(guān)，控制轉(zhuǎn)子電流即可控制定子端電壓，故構(gòu)成了空載并網(wǎng)電流內(nèi)環(huán)控制器的設(shè)計(jì)依據(jù)。考慮到試驗(yàn)是基于電網(wǎng)電壓穩(wěn)定狀態(tài)下進(jìn)行的，即電網(wǎng)電壓保持恒定不變狀態(tài)，在此無(wú)需施加定子電壓閉環(huán)控制，構(gòu)建雙饋異步發(fā)電機(jī)空載控制，如圖1所示。

圖1 雙饋發(fā)電機(jī)空載并網(wǎng)控制策略框圖

圖2 自并網(wǎng)基本控制流程圖

由于雙饋異步發(fā)電機(jī)在并網(wǎng)過(guò)程中主要的要求是限制雙饋異步發(fā)電機(jī)在并網(wǎng)時(shí)的瞬變電流，避免對(duì)電網(wǎng)造成過(guò)大的沖擊。因此并網(wǎng)切換要求DFIG定子電壓的幅值、相位、頻率、相序與電網(wǎng)電壓均相同[7]。故在控制策略中增加并網(wǎng)控制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)柔性自并網(wǎng)、減少并網(wǎng)過(guò)程沖擊。

并網(wǎng)控制算法主要是對(duì)四個(gè)并網(wǎng)條件進(jìn)行實(shí)時(shí)判斷來(lái)實(shí)現(xiàn)自并網(wǎng)。對(duì)于相位和頻率的判斷需通過(guò)對(duì)定子三相電壓和電網(wǎng)電壓進(jìn)行鎖相控制，進(jìn)而得到兩者對(duì)應(yīng)的相位角，通過(guò)兩者角度的比較來(lái)判斷定子電壓與電網(wǎng)電壓是否同頻、同相。對(duì)于幅值和相序的比較則只需比較定子側(cè)電壓值與電網(wǎng)電壓值。由此可以得出自并網(wǎng)判斷策略基本控制流程,如圖2所示。

上述策略中DFIG空載運(yùn)行，轉(zhuǎn)子電流頻率隨著轉(zhuǎn)速的變化而改變，以保證定子電壓頻率恒定為工頻，且同步速時(shí)轉(zhuǎn)子電流為直流。并且為了實(shí)現(xiàn)空載柔性并網(wǎng)，系統(tǒng)中增設(shè)了實(shí)時(shí)并網(wǎng)判斷模塊，在定子側(cè)電壓與電網(wǎng)電壓達(dá)到并網(wǎng)條件范圍內(nèi)，控制開(kāi)關(guān)或繼電器的通斷實(shí)現(xiàn)柔性并網(wǎng)。

3 自并網(wǎng)算法仿真實(shí)現(xiàn)

在MATLAB/Simulink仿真中跟據(jù)空載并網(wǎng)策略構(gòu)建雙饋電機(jī)空載并網(wǎng)仿真模型。電機(jī)參數(shù)與實(shí)際電機(jī)參數(shù)一致，電機(jī)轉(zhuǎn)速由0 r/min經(jīng)過(guò)0.16 s上升至1 000 r/min。本節(jié)主要介紹雙饋異步發(fā)電機(jī)空載并網(wǎng)控制策略中的并網(wǎng)判斷策略仿真實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)第三節(jié)介紹的并網(wǎng)判斷策略算法可以構(gòu)建算法仿真模型，但在系統(tǒng)啟動(dòng)階段定子電壓處于波動(dòng)狀態(tài)，易導(dǎo)致并網(wǎng)判斷產(chǎn)生誤判斷信號(hào)，故需在并網(wǎng)判斷策略中再增加一個(gè)延時(shí)判斷環(huán)節(jié)避免系統(tǒng)的誤判斷，由此構(gòu)建自并網(wǎng)算法仿真，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 自并網(wǎng)仿真結(jié)構(gòu)圖

圖3為空載自并網(wǎng)判斷算法仿真，通過(guò)對(duì)并網(wǎng)條件的判斷，最終輸出0或1信號(hào)作為電路中開(kāi)關(guān)的控制信號(hào)。DFIG空載并網(wǎng)定子電壓與電網(wǎng)電壓仿真結(jié)果如圖4所示(其中為方便比較并網(wǎng)信號(hào)故將其擴(kuò)大100倍)。

圖4 DFIG定子電壓與電網(wǎng)電壓仿真波形

從仿真波形中可以看出,DFIG定子電壓隨著轉(zhuǎn)速逐漸上升其幅值也逐漸變大，在轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后隨著控制策略的影響定子電壓逐漸達(dá)到并網(wǎng)條件。并且從波形圖中可以看出，當(dāng)空載并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定一段時(shí)間后，并網(wǎng)判斷策略才改變并網(wǎng)判斷信號(hào)，實(shí)現(xiàn)DFIG的柔性自并網(wǎng)。

上述為并網(wǎng)控制策略仿真實(shí)現(xiàn)。然而在實(shí)際應(yīng)用中由于每次電機(jī)啟動(dòng)狀況與電網(wǎng)鎖相時(shí)刻并不是像仿真一樣每次初始狀態(tài)都相同，故對(duì)于實(shí)際上程序的啟動(dòng)與算法的運(yùn)行還需要另加一個(gè)初始相位的判斷，用來(lái)保證每次風(fēng)電模擬系統(tǒng)的啟動(dòng)狀態(tài)相同，這樣才可以保證空載并網(wǎng)控制策略的有效性與一致性，無(wú)需每次試驗(yàn)啟動(dòng)都要再調(diào)節(jié)參數(shù)以達(dá)到同相位的這一并網(wǎng)條件。

最后在TMS320F2812芯片中編程實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)算法，并通過(guò)初始相位的判斷保證每次試驗(yàn)的條件一致性。最終搭建3 kW風(fēng)電模擬試驗(yàn)平臺(tái)并進(jìn)行試驗(yàn)研究，通過(guò)判斷定子電壓是否滿足并網(wǎng)條件來(lái)自動(dòng)或手動(dòng)控制繼電器的通斷使雙饋異步發(fā)電機(jī)柔性并網(wǎng)，來(lái)驗(yàn)證算法可行性。

4 風(fēng)電模擬系統(tǒng)樣機(jī)試驗(yàn)

為驗(yàn)證提出的雙饋空載自并網(wǎng)算法的有效性，在實(shí)驗(yàn)室搭建3 kW雙饋風(fēng)電模擬系統(tǒng)，進(jìn)行并網(wǎng)試驗(yàn)。雙饋電機(jī)參數(shù)如下：額定功率3 kW，定子額定電壓380 V，電機(jī)極對(duì)數(shù)為2，額定轉(zhuǎn)速1 800 r/min，頻率為50 Hz，定子阻抗3.65 Ω，轉(zhuǎn)子阻抗4.35 Ω，定子感抗1.91 Ω，轉(zhuǎn)子感抗2.39 Ω，磁化感抗63.93 Ω。試驗(yàn)中并網(wǎng)前轉(zhuǎn)速1 000 r/min。

圖5為電機(jī)并網(wǎng)前后定子電壓us、電網(wǎng)電壓ug和并網(wǎng)前定子線電壓與電網(wǎng)線電壓的相位差θ1波形。

圖5 電機(jī)并網(wǎng)前后定子線電壓與電網(wǎng)線電壓波形和相位比較

從圖5(a)的并網(wǎng)前電壓波形中可以看出，通過(guò)文中提出的空載并網(wǎng)控制策略可以實(shí)現(xiàn)雙饋異步發(fā)電機(jī)定子電壓與電網(wǎng)電壓同頻、同相、同幅值。且通過(guò)DSP對(duì)電機(jī)定子線電壓與電網(wǎng)線電壓的采集和鎖相，可以得到圖5(c)的并網(wǎng)前兩者相位差的波形，從中可以看出在并網(wǎng)前定子線電壓與電網(wǎng)線電壓相位差基本一直，僅在±3°左右波動(dòng)。并且由于實(shí)際的調(diào)理電路產(chǎn)生的誤差與電機(jī)定子側(cè)電壓開(kāi)路導(dǎo)致定子電壓存在高次諧波，故導(dǎo)致鎖相環(huán)計(jì)算出的相位存在誤差，所以相位差θ1不能保證完全為0°。

圖6為并網(wǎng)前后定子A相電流isa、電網(wǎng)A相電壓uA與并網(wǎng)時(shí)刻(定子側(cè)三相與電網(wǎng)接通瞬間)的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流波形。其中定子電流取電機(jī)定子側(cè)流出方向?yàn)檎?/p>

圖6 并網(wǎng)后定子電流與電網(wǎng)電壓及轉(zhuǎn)子電流波形比較

由圖6(a)可知電機(jī)并網(wǎng)前定子電流為0，且由圖6(b)、圖6(c)、圖6(d)可知，在并網(wǎng)瞬間定子電流is對(duì)電網(wǎng)沖擊很小，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流過(guò)度平穩(wěn)，整個(gè)并網(wǎng)過(guò)程短暫且平穩(wěn)，并網(wǎng)后系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行。故此算法可以實(shí)現(xiàn)雙饋異步電機(jī)DFIG安全和柔性并網(wǎng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作原理，推導(dǎo)了雙饋異步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型與空載并網(wǎng)數(shù)學(xué)模型，介紹了一種基于定子磁鏈?zhǔn)噶慷ㄏ蚩刂频目蛰d并網(wǎng)控制策略,并對(duì)自并網(wǎng)算法及實(shí)現(xiàn)進(jìn)行簡(jiǎn)述與仿真驗(yàn)證。同時(shí)通過(guò)實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的試驗(yàn)平臺(tái)完成了風(fēng)電模擬系統(tǒng)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，此控制策略能夠使雙饋異步電機(jī)定子電壓滿足并網(wǎng)條件，達(dá)到與電網(wǎng)電壓同頻、同幅、同相和同序的效果，且并網(wǎng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)沖擊較小，實(shí)現(xiàn)了雙饋發(fā)電機(jī)的空載柔性并網(wǎng)。