張文原，魏顯安，劉 堯

(中國電力工程顧問集團東北電力設計院有限公司，吉林 長春 130022)

0 引言

“雙碳”背景下，除了常規(guī)并網(wǎng)發(fā)電外，風電場將作為可控單元，更多地參與黑啟動、源荷交互、智能運行等場景之中，將面臨更復雜的啟停及功率控制場景，對其啟動及并網(wǎng)的動態(tài)過程進行仿真分析具有重要現(xiàn)實意義。

目前，絕大部分雙饋式風電機組 (doubly fed induction generator，DFIG)仿真研究僅關注穩(wěn)態(tài)發(fā)電狀態(tài)時風速波動、低電壓穿越等擾動下的響應過程，極少關注啟動及并網(wǎng)的全過程動態(tài)特性。雙饋式發(fā)電機并網(wǎng)前、并網(wǎng)后具有完全不同的數(shù)學模型和輸入輸出關系，使用傳統(tǒng)的數(shù)學建模無法完成并網(wǎng)動作的連續(xù)仿真。文獻[1]和文獻[2]采用分開建模、分時仿真的方式，分別使用Matlab中的S函數(shù)模塊和通用模塊，建立了空載模型和發(fā)電模型，在并網(wǎng)時刻，將空載模型中的全部狀態(tài)參數(shù)轉移至發(fā)電模型中作為初始狀態(tài)，分步模擬并網(wǎng)動作。文獻[3]也采取該仿真思路，并同時對雙饋風機的最大功率點跟蹤(maximum power point tracking，MPPT)控制過程進行了仿真分析。文獻[1]～文獻[3]中提出的仿真方法能夠模擬并網(wǎng)動作，但建模及狀態(tài)轉移過程較為復雜，且完全依托狀態(tài)方程建立的發(fā)電機模型過于理想化，與實際存在差距；文獻[4]提出基于動力和電氣特性，運用SIMPACK與Matlab聯(lián)合建立仿真模型，對專業(yè)軟件依賴較大，可借鑒性較差。

針對以上問題和現(xiàn)狀，本文利用PSCAD仿真軟件，研究了機組升速、充電、勵磁和并網(wǎng)等各動作的連續(xù)仿真方法，并對MPPT控制、恒功率控制等運行模式進行了模擬，實現(xiàn)了雙饋式風電機組全階段全工況的連續(xù)一體化仿真。

1 DFIG發(fā)電系統(tǒng)介紹

1.1 DFIG結構及原理

DFIG的系統(tǒng)結構如圖1所示。雙饋發(fā)電機的轉子繞組與電網(wǎng)連接，能夠與電網(wǎng)進行能量交換，運行過程中，雙脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，PWM)變頻器能夠根據(jù)軸系轉速大小，對轉子繞組的勵磁電流進行實時控制，保證定子繞組中感生出的三相電壓與電網(wǎng)一致，即實現(xiàn)了變速恒頻運行。

圖1 DFIG系統(tǒng)結構圖

1.2 DFIG運行區(qū)域

雙饋式風電機組運行區(qū)域可以分為啟動階段、最大功率追蹤階段、恒功率階段，如圖2所示。

圖2 雙饋風電機組運行區(qū)域

當滿足啟動條件時，機組進入啟動流程，機組進行并網(wǎng)前一系列準備直至發(fā)電。當風速高于切入風速但小于額定風速時，機組執(zhí)行MPPT。在此階段，槳距角置于0°，以便風輪最大限度地吸收風能；PWM變流器對勵磁電流進行實時控制，以便調(diào)整機組葉尖速比達到最佳值，使風能利用系數(shù)達到最大值，如圖3所示，此階段也稱作恒Cp階段；當風速高于額定風速時，為限制功率繼續(xù)增大，變槳控制系統(tǒng)將槳距角β增大，以減少風力機對風能的吸收，此時風能利用系數(shù)Cp將下降，以達到限制功率的目的。

圖3 風能利用系數(shù)與葉尖速比關系曲線

1.3 DFIG控制策略

網(wǎng)側變流器控制的目的是維持直流母線電壓的穩(wěn)定，采取基于定子電壓定向的矢量控制方式，控制系統(tǒng)采用電壓外環(huán)功率內(nèi)環(huán)的結構。d軸采用直流電容電壓參考值作為目標值，q軸采用iq= 0作為目標值。

機側變流器控制目標是實現(xiàn)對轉子兩軸分量電流的有效控制，實現(xiàn)有功功率、無功功率的解耦控制。機側變流器通常采用基于定子磁鏈定向的矢量控制方法?？蛰d模式下，采取電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的控制結構，將電網(wǎng)電壓合成矢量幅值Us作為d軸目標值，iq=0作為q軸電流目標值；發(fā)電模式下，采用功率外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制結構，將定子有功功率P1、無功功率Q1作為外環(huán)的目標值。

最大風能控制的目的是，動態(tài)調(diào)整風機轉速，使葉尖速比達到最佳值，從而使風能利用系數(shù)達到最大值。在實際中，風機處風速難以準確測量，故采用無風速測量的功率控制方法，定子有功功率目標值可以按照式(1)給出：

式中：λopt為最佳葉尖速比；ρ為空氣密度；R為風機葉輪半徑；ω為風機轉速；Cpmax為最大風能利用系數(shù)；s為轉差率。

啟動階段升速過程中，通過轉速的閉環(huán)控制生成槳距角指令信號，最終維持風機轉速在并網(wǎng)轉速附近。在最大風能追蹤階段，槳距角將維持在0°，以保證風力機能夠最大限度地吸收風能。在恒功率控制階段，通過功率閉環(huán)控制輸出槳距角指令，維持功率恒定。

2 DFIG啟動流程

當10 min平均風速高于機組切入風速時，機組進入啟動流程。首先，偏航系統(tǒng)調(diào)整風輪方向與風速方向一致，制動系統(tǒng)解除，槳距角由90°迅速向下調(diào)整，機組轉速開始升速，通過槳距角控制，使機組轉速維持在并網(wǎng)轉速附近；然后，網(wǎng)側變流器啟動，對直流電容充電，隨之啟動機側變流器，對轉子繞組進行勵磁，使之在定子繞組中生成與網(wǎng)側電壓頻率、電壓、相位一致的感應電動勢；最后，閉合并網(wǎng)開關，完成定子的并網(wǎng)。

3 DFIG啟動過程仿真

3.1 仿真模型搭建

DFIG啟動過程仿真模型主要包括雙饋式發(fā)電機模型、風輪模型、變流器及電氣系統(tǒng)模型和控制系統(tǒng)模型。

1) DFIG模型

DFIG空載運行和發(fā)電運行階段具有完全不同的數(shù)學模型和控制方法，在空載階段，定子三相電壓由轉子的磁場感生形成，是模型的輸出量，并網(wǎng)后，定子三相電壓受電網(wǎng)電壓鉗制，是模型的輸入量。因此，如果通過數(shù)學狀態(tài)方程詳細建模，必須同時建立空載模型和發(fā)電模型，且必須考慮在并網(wǎng)時刻兩模型之間的狀態(tài)轉移問題，導致建模過程復雜。

PSCAD軟件中自帶基于電磁特性的異步繞線式電機模型，模型如圖4所示。轉子繞組具備外接引腳，可以連接額外的勵磁電路；接線端口屬性為“電氣節(jié)點”，不對輸入及輸出加以區(qū)分。與此同時，電機采用轉矩控制模式進行控制，兼顧機械特性。并網(wǎng)前，可以實現(xiàn)對升速、充電、勵磁動作的模擬。在并網(wǎng)時刻，閉合并網(wǎng)斷路器，發(fā)電機將在空載階段各項機械、電氣參數(shù)自動轉入發(fā)電模式，完成對并網(wǎng)動作的仿真。

圖4 PSCAD軟件中繞線式異步電機模型

該電機模型所采用的等效電路如圖5所示，數(shù)學模型如式(2)所示，式中R1、X1分別為定子側的電阻和漏抗，R'2、X'2分別為轉子折算到定子側的電阻和漏抗，Xm為勵磁電抗，、、分別為定子側電壓、感應電勢和電流，、分別為轉子側感應電勢，轉子電流經(jīng)過頻率和繞組折算后折算到定子側的值。轉子勵磁電壓經(jīng)過繞組折算后的值，/s為再經(jīng)過頻率折算后的值。

圖5 PSCAD軟件中繞線式異步電機模型

在仿真模型中，可以對以上電機參數(shù)進行詳細設置，如圖6所示。

圖6 發(fā)電機模型參數(shù)設置

2)風輪模型

本文采用基于氣動設備的子模型進行建模。風力機實際吸收的機械功率可由含有風能利用系數(shù)的式(3)表達：

式(3)中的風能利用系數(shù)Cp用式(4)計算：

式中：λr為葉尖速比；β為槳距角。

本文中，使用PSCAD中自帶的通用數(shù)學模塊按照式(3)～式(5)對風輪進行建模，風輪吸收的功率除以機組的角速度即得到風輪的輸出轉矩，將轉矩值送至發(fā)電機模型，即完成了風輪即軸系的建模。

3)變流器及電氣系統(tǒng)模型

變流器及機組電氣主結構，使用PSCAD中自帶的IGBT、二極管、斷路器、電容器、電阻器、電感器等基礎元器件搭建而成。

4)控制系統(tǒng)模型

使用PSCAD中的通用數(shù)學模塊對網(wǎng)側、機側變流器系統(tǒng)、變槳控制系統(tǒng)等主要控制系統(tǒng)進行建模，并設置PID參數(shù)。

3.2 仿真參數(shù)設置

本文基于黑龍江某50 MW風電場設備實際數(shù)據(jù)進行仿真建模，該風電場安裝20臺單機容量為2.5 MW的雙饋式風電機組，機組主要參數(shù)如下：

額定容量為2 500 kW，葉輪直徑為121 m，額定風速為9.2 m/s，定子額定電壓為690 V，額定頻率為50 Hz，直流電容為0.2 F，直流電壓為1 200 V，齒輪箱增速比為1∶131，發(fā)電機極對數(shù)為2，定子電阻R1為0.004 3 p.u.，定子漏抗 X1為 0.044 7 p.u.，轉子電阻 R2'為 0.005 4 p.u.，轉子漏抗X2'為0.071 4 p.u.，勵磁電抗Xm為2.105 6 p.u.，槳距角調(diào)節(jié)速度為10/s。雙饋式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)仿真模型如圖7所示。

圖7 雙饋式發(fā)電系統(tǒng)仿真模型圖

各主要PID控制器參數(shù)設置見表1所列。

表1 各PID控制器參數(shù)設置

仿真過程設置如下：仿真開始即將槳距角置于30°，并根據(jù)升速狀態(tài)進行調(diào)節(jié)，使轉速達到1 350 r/min附近，t = 10 s時刻，啟動網(wǎng)側變流器，對直流電容充電，t = 11.5 s時刻，啟動機側變流器，對轉子繞組進行勵磁，t = 12.5 s時刻，閉合并網(wǎng)斷路器，開始發(fā)電。初始風速為6 m/s，在t = 20 s時刻增大至8 m/s，在t = 30 s時刻增大至12 m/s。仿真步長為50 μs，仿真時長為50 s。

3.3 仿真結果分析

系統(tǒng)仿真結果如圖8所示。

1)風電機組啟動過程仿真分析

風機啟動后，槳距角初始值為30°，風機轉速開始上升，在t = 10 s時刻，轉速上陣至約0.7 p.u.，即1 050 r/min左右，槳距角已經(jīng)向下調(diào)整為15°左右，如圖8(b)所示，此時發(fā)電機轉速已經(jīng)上升并穩(wěn)定在同步速附近，如圖8(a)所示，機械系統(tǒng)具備并網(wǎng)條件，可以啟動風機電氣系統(tǒng)。

t = 10 s時刻，啟動網(wǎng)側變流器，對直流電容充電，從圖8(k)中可以看出，直流電壓在約在t = 11 s時刻達到1 300 V。在t = 11.5 s時刻，啟動機側變流器，對轉子繞組進行勵磁，轉子繞組中產(chǎn)生幅值約600 A的勵磁電流，如圖8(i)所示，該勵磁電流在定子線圈中感生出三相交流電，如圖8(c)所示。在t = 12.5 s時刻，定子線圈中的三相交流電達到與電網(wǎng)電壓頻率、相位一致，如圖8(l)所示，在此時刻，閉合并網(wǎng)開關，定子電壓開始受電網(wǎng)電壓鉗制，成功并網(wǎng)。

圖8 雙饋式發(fā)電系統(tǒng)啟動、并網(wǎng)及運行控制連續(xù)一體仿真結果

2)最大風能追蹤仿真分析

t = 12.5 s風機并網(wǎng)后，執(zhí)行最大功率跟蹤控制。在風速為6 m/s時間段內(nèi)，經(jīng)過調(diào)整，最終機組轉速穩(wěn)定在約0.68 p.u.左右，有功功率穩(wěn)定在0.7 MW左右；在t = 20 s時刻，風速上升至8 m/s，有功功率迅速自動調(diào)整為1.9 MW，轉速為0.9 p.u.左右。在風速變化過程中，槳距角維持在0°，風能利用系數(shù)能夠維持在0.48附近，僅在t =20 s風速突變時刻出現(xiàn)了短暫下降，并且迅速恢復至最大值，表明最大功率追蹤效果良好。

3)恒功率控制仿真分析

t = 30 s時刻，風速上升至12 m/s，高于額定風速，進入恒功率控制模式，此時啟動變槳控制，槳距角迅速調(diào)整至13°附近，風能利用系數(shù)也隨之降低，風機總有功功率被限制在2.5 MW以下。整個過程中，發(fā)電機定子、轉子電流變化如圖(i)～圖(j)所示，均與預期相符。

4 結語

本文利用PSCAD軟件對雙饋式風電機組包含升速、充電、勵磁和并網(wǎng)等整個啟動階段的連續(xù)一體仿真，解決了傳統(tǒng)方法中對并網(wǎng)前空載階段和并網(wǎng)后發(fā)電階段的單獨建模，以及復雜的狀態(tài)參數(shù)轉移環(huán)節(jié)導致的仿真難度大、過程不連貫問題，實現(xiàn)了對DFIG并網(wǎng)動作的準確仿真模擬，同時，對風速變化下的MPPT控制過程、恒功率控制過程也進行了仿真模擬。結果表明，本文提出的仿真方法及模型，能夠有效反應雙饋式發(fā)電機組啟動、并網(wǎng)、運行等全階段全工況的動態(tài)特性，為風電機組的仿真研究工作提供了新思路。