羅慧達(dá), 崔學(xué)深, 崔存崗, 申旭輝, 湯海雁

(1.華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院,北京 102206；2.中國華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院有限公司，北京 102209)

0 引 言

海上風(fēng)電因其具有風(fēng)速相對穩(wěn)定、更加靠近負(fù)荷中心等優(yōu)勢，逐漸成為世界各國的研究熱點(diǎn)之一[1-2]。對于離岸距離遠(yuǎn)、容量大的海上風(fēng)電，傳統(tǒng)的交流輸電無法滿足其輸電需求。而直流輸電因其輸電線路造價(jià)低、無相位功角問題、運(yùn)行穩(wěn)定性好以及調(diào)度管理簡便等優(yōu)點(diǎn)，適合海上風(fēng)電這樣的遠(yuǎn)距離輸電[3-7]。對于應(yīng)用于海上直流風(fēng)電場中的風(fēng)電機(jī)組，永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)因其控制相對簡單且故障維護(hù)率低，成為大容量海上風(fēng)電機(jī)組的首選機(jī)型[8]，但成本很高。而對于在風(fēng)力發(fā)電中占有較大比重的雙饋風(fēng)電機(jī)組(DFIG)[9-12]，在發(fā)電機(jī)和變流器成本方面均遠(yuǎn)低于直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)，且沒有轉(zhuǎn)子退磁風(fēng)險(xiǎn)，仍具有不錯(cuò)的應(yīng)用前景。

研究表明，眾多直流風(fēng)電場拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，并聯(lián)型海上直流風(fēng)電場采用中壓直流(MVDC)匯聚，高壓直流傳輸最容易實(shí)現(xiàn)[13-15]。風(fēng)電機(jī)組可以單獨(dú)經(jīng)交流變壓器升壓，整流后直接接入風(fēng)電場中壓直流匯集網(wǎng)絡(luò)，這種中壓直流并聯(lián)型海上風(fēng)電場各風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制獨(dú)立。這里若選用永磁直驅(qū)，需要經(jīng)過整流逆變再交流升壓再整流，換流器過多，或先整流再經(jīng)過DC/DC升壓，DC/DC升壓器的成本也較高。因此，本文選擇對單臺DFIG系統(tǒng)接入中壓直流電網(wǎng)的控制策略和方法展開研究，在DFIG經(jīng)整流環(huán)節(jié)單獨(dú)直流并網(wǎng)的條件下，交流側(cè)頻率可以在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，通過控制DFIG的定子頻率實(shí)時(shí)跟隨風(fēng)速轉(zhuǎn)速的變化進(jìn)行調(diào)節(jié)，就可以大大減小轉(zhuǎn)差功率，減小損耗，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。

在DFIG的直流并網(wǎng)研究中，主要有以下三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：(1)基于定子不控整流的DFIG直流并網(wǎng)結(jié)構(gòu)；(2)基于電網(wǎng)換相換流器(LCC)的DFIG直流并網(wǎng)結(jié)構(gòu)；(3)基于電壓源型換流器(VSC)的DFIG直流并網(wǎng)結(jié)構(gòu)。首先基于不控整流直流并網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)雖然在換流器成本上最低，但由于采用的是不控整流，存在定子電壓不可控的問題，在電機(jī)寬頻率范圍運(yùn)行時(shí)會出現(xiàn)低頻運(yùn)行時(shí)的磁鏈飽和及高頻運(yùn)行時(shí)的弱磁過深等現(xiàn)象[16-17]。而VSC直流并網(wǎng)換流器成本較高。因此，本文選擇針對基于LCC直流并網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的控制策略展開研究，既能控制定子電壓跟隨頻率變化，成本也相對較低。

傳統(tǒng)的基于LCC直流輸電的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子側(cè)換流器(RSC)大多直接采用與交流并網(wǎng)相似的控制策略，控制發(fā)電頻率為50 Hz，沒有充分發(fā)揮直流輸電中發(fā)電頻率不必嚴(yán)格控制為工頻的優(yōu)勢。而傳統(tǒng)LCC的控制大多采用定直流電流控制，除此之外，還有定直流電壓控制、定有功功率控制等[18-20]。

本文針對基于LCC直流輸電的DFIG系統(tǒng)，提出一種DFIG系統(tǒng)寬頻率范圍的控制策略。該控制策略主要通過RSC和LCC的協(xié)調(diào)控制實(shí)現(xiàn)，其中LCC可采用12脈波整流，從而減小諧波，提高電能質(zhì)量[21]。具體控制策略就是在實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能追蹤控制和保持定子磁鏈不變的同時(shí)，對雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的定子頻率進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，最終實(shí)現(xiàn)寬頻率范圍控制，從而提高電機(jī)運(yùn)行效率。

1 系統(tǒng)拓?fù)浜蛿?shù)學(xué)模型

1.1 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)LCC-MVDC系統(tǒng)拓?fù)?/h3>

圖1所示是本文所研究的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)LCC-MVDC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。換流器與變壓器一同集成于風(fēng)電機(jī)組平臺，單臺DFIG經(jīng)各自的換流器整流后，經(jīng)過直流電纜接入海上中壓直流換流站匯集。

圖1 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)LCC-MVDC結(jié)構(gòu)

圖1的DFIG系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，本文設(shè)計(jì)采用的是1.5 MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)，出口電壓為690 V，經(jīng)690 V/30 kV/30 kV的三繞組變壓器升壓輸送至換流站，再經(jīng)LCC整流與±30 kV中壓直流網(wǎng)相連。

1.2 DFIG數(shù)學(xué)模型

本文采用異步電機(jī)在兩相同步速旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，該模型由三相靜止abc坐標(biāo)系經(jīng)恒幅值坐標(biāo)變換得到。因?yàn)閐軸和q軸相互垂直，相互之間沒有磁的耦合，極大地簡化了DFIG的數(shù)學(xué)模型。本文在討論DFIG數(shù)學(xué)模型時(shí)定轉(zhuǎn)子側(cè)均使用電動(dòng)機(jī)慣例，即電流流入DFIG的方向?yàn)檎瑒t以同步速旋轉(zhuǎn)的dq坐標(biāo)系下的定子和轉(zhuǎn)子電壓方程分別為

(1)

(2)

式中：Rs和Rr分別為定子和轉(zhuǎn)子電阻；ωs為定子角頻率(同步速)；ωs1為轉(zhuǎn)差角頻率，ωs1=ωs-ωr，而ωr為轉(zhuǎn)子角頻率；p為微分算子。下標(biāo)s，r分別為定子和轉(zhuǎn)子，下標(biāo)d、q分別表示d、q軸。

定轉(zhuǎn)子磁鏈方程為

(3)

(4)

式中：Ls為定子繞組自感，Ls=Lm+Lss；Lr為轉(zhuǎn)子繞組自感，Lr=Lm+Lsr；Lss、Lsr和Lm分別為定子漏感、轉(zhuǎn)子漏感和定轉(zhuǎn)子互感。

dq坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)矩方程為

(5)

式中：p為DFIG的極對數(shù)。

1.1 資料來源 選擇2015-2016年嘉興市婦幼保健院收治的卵巢儲備功能低下不孕癥患者74例隨機(jī)分為觀察組和對照組各37例。觀察組患者年齡20～38歲，平均年齡(31.29±5.46)歲；病程6個(gè)月～13年，平均病程(5.08±1.24)年；其中原發(fā)型24例，繼發(fā)型13例。對照組患者年齡21～40歲，平均年齡(31.89±5.78)歲；病程8個(gè)月～12年，平均病程(5.14±1.38)年；其中原發(fā)型22例，繼發(fā)型15例。兩組患者一般資料差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，具有可比性

2 換流器控制策略

本文針對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行于最大功率跟蹤(MPPT)工作模式下的控制策略展開研究。RSC基于定子磁鏈定向的矢量控制，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能追蹤同時(shí)控制定子磁鏈保持恒定。LCC通過對觸發(fā)角α進(jìn)行調(diào)節(jié)控制定子頻率隨風(fēng)速變化而變化。網(wǎng)側(cè)換流器(GSC)則基于電網(wǎng)電壓定向的矢量控制，實(shí)現(xiàn)兩換流器間的直流母線電壓的穩(wěn)定及網(wǎng)側(cè)無功功率的控制。由于與交流并網(wǎng)控制策略相同，本文不再贅述GSC控制策略。

2.1 RSC控制策略

在傳統(tǒng)的DFIG矢量控制中，RSC通常是將定子有功無功進(jìn)行解耦控制，兩個(gè)外環(huán)分別控制有功和無功功率，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能追蹤和定子側(cè)功率因數(shù)的控制。本文中在同步旋轉(zhuǎn)的dq坐標(biāo)系下，RSC的矢量控制中將定子磁鏈和定子有功功率作為外環(huán)，轉(zhuǎn)子電流ird和irq作為內(nèi)環(huán)，控制有功功率是為了實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能追蹤，與傳統(tǒng)控制相似，其原理這里不再贅述，而控制定子磁鏈?zhǔn)菍?shí)現(xiàn)DFIG的寬頻率范圍控制的關(guān)鍵，下面重點(diǎn)介紹其控制原理。

將定子磁鏈定向在同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系的d軸方向后，得到以下定子磁鏈和定子電壓方程：

(6)

(7)

由于本文采用恒定子磁鏈的控制，在忽略定子繞組上的壓降的前提下，可近似得到：

usd≈0，usq≈us1=ωsψs

(8)

從式(6)～式(8)可以看出，定子磁鏈由定子側(cè)相電壓幅值us1和定子角頻率ωs決定。因此，隨著風(fēng)速的增加通過調(diào)節(jié)晶閘管整流的觸發(fā)角α，使得定子電壓適當(dāng)增加，同時(shí)控制RSC磁鏈環(huán)保持定子磁鏈為額定條件下的磁鏈不變，即可實(shí)現(xiàn)DFIG的寬頻率范圍控制。RSC具體控制框圖如圖2所示。

圖2 RSC控制框圖

從圖2的控制框圖可以總結(jié)出RSC矢量控制雙閉環(huán)外環(huán)的控制思想，即對定子磁鏈環(huán)及功率環(huán)實(shí)施解耦控制，分別由轉(zhuǎn)子d軸和q軸電流進(jìn)行控制。功率除以轉(zhuǎn)速等于轉(zhuǎn)矩，因此實(shí)現(xiàn)功率控制也就實(shí)現(xiàn)了對DFIG轉(zhuǎn)矩的控制。

圖3 寬頻率范圍控制電機(jī)轉(zhuǎn)速、定子磁鏈、轉(zhuǎn)矩變化

2.2 LCC控制策略

LCC采用的是晶閘管整流，直流輸電實(shí)際運(yùn)行中為了提高功率因數(shù)，觸發(fā)角α一般盡量控制得比較小。然而，為了確保觸發(fā)前閥上有足夠的電壓，LCC有一個(gè)最小觸發(fā)角的限制[19]。世界上大部分直流輸電工程采用的最小觸發(fā)角α均5°。因此，當(dāng)風(fēng)速為切入風(fēng)速時(shí)，控制定子電壓為觸發(fā)角為5°時(shí)所對應(yīng)的電壓，此時(shí)電壓小于DFIG的額定電壓；當(dāng)風(fēng)速為DFIG轉(zhuǎn)速恰好為額定轉(zhuǎn)速所對應(yīng)的風(fēng)速時(shí)，控制定子電壓為DFIG的額定電壓。由此建立風(fēng)速與定子電壓之間的線性關(guān)系，再將此電壓參考值按照式(8)計(jì)算得到定子頻率參考值，當(dāng)風(fēng)速發(fā)生變化時(shí)，頻率參考值與實(shí)際值的差值通過PI調(diào)節(jié)器輸出作為觸發(fā)角α的相關(guān)信號，從而實(shí)現(xiàn)定子頻率的控制。而由于MPPT模式下風(fēng)速與轉(zhuǎn)速之間也是線性關(guān)系，因此，實(shí)際應(yīng)用中將風(fēng)速與參考頻率的關(guān)系轉(zhuǎn)變成電機(jī)轉(zhuǎn)速與參考頻率之間的關(guān)系更為實(shí)用。LCC控制框圖如圖4所示。

圖4 LCC控制框圖

12脈波整流后的直流電壓與定子電壓及觸發(fā)角之間的關(guān)系為

(9)

式中：Ud為直流電壓；U2為定子相電壓有效值。

根據(jù)式(8)可知，定子磁鏈由定子側(cè)相電壓幅值us1和定子角頻率ωs決定，也就是說，當(dāng)風(fēng)速增大時(shí)，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)角使得定子電壓增大，同時(shí)RSC控制定子磁鏈保持不變，兩者協(xié)調(diào)控制就能使定子頻率與定子電壓成比例增大，從而實(shí)現(xiàn)DFIG寬頻率范圍控制。全風(fēng)速范圍內(nèi)定子頻率與風(fēng)速之間的關(guān)系如圖5所示。

圖5 全風(fēng)速范圍定子頻率變化

2.3 RSC和LCC協(xié)調(diào)控制關(guān)系

圖6給出了雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)RSC和LCC協(xié)調(diào)控制關(guān)系圖。對于LCC的控制，因其為晶閘管裝置，只需對其觸發(fā)角進(jìn)行控制即可。頻率參考值和實(shí)測頻率計(jì)算值之間的誤差經(jīng)PI調(diào)節(jié)器輸出作為觸發(fā)角α，并將該輸出作為脈沖發(fā)生器的輸入來產(chǎn)生控制LCC的脈沖信號。

圖6 RSC與LCC協(xié)調(diào)控制框圖

3 仿真實(shí)現(xiàn)

基于MATLAB/Simulink仿真平臺搭建中壓直流輸電的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型，其中DFIG的額定功率為1.5 MW，額定線電壓為690 V，極對數(shù)為2，經(jīng)690 V/30 kV/30 kV三繞組變壓器升壓后再經(jīng)12脈波LCC整流與±30 kV直流輸電線相連。在頻率為工頻50 Hz時(shí)可以計(jì)算得到定子飽和磁鏈?zhǔn)?.794 Wb。仿真模型中風(fēng)速5.1 m/s為切入風(fēng)速，對應(yīng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為900 r/min，定子頻率參考值取觸發(fā)角α=5°時(shí)的定子相電壓418.8 V所對應(yīng)的定子頻率37.2 Hz；額定轉(zhuǎn)速1 800 r/min對應(yīng)的風(fēng)速為10.2 m/s，定子頻率參考值為50 Hz，此時(shí)電壓為額定電壓。下面通過比較本文所提出的寬頻率范圍控制與傳統(tǒng)的恒壓恒頻控制的仿真結(jié)果來證明寬頻率范圍控制的優(yōu)越性。

圖7顯示了兩種控制策略全風(fēng)速范圍內(nèi)轉(zhuǎn)差率及定轉(zhuǎn)子功率的變化。因?yàn)楸疚亩ㄞD(zhuǎn)子采用的都是電動(dòng)機(jī)慣例，所以仿真中功率為負(fù)表示向外發(fā)出功率。采用寬頻率范圍控制時(shí)由于控制頻率隨著風(fēng)速增加而增加，使得轉(zhuǎn)差在一個(gè)更小的范圍內(nèi)變化，轉(zhuǎn)子功率的變化范圍也更小，從而減小低風(fēng)速時(shí)定轉(zhuǎn)子之間的功率環(huán)流。

圖7 兩種控制策略全風(fēng)速范圍轉(zhuǎn)差及定轉(zhuǎn)子功率變化

圖8顯示了兩種控制策略下DFIG定轉(zhuǎn)子銅耗和定子鐵耗隨風(fēng)速的變化。由于兩種控制策略都運(yùn)行于MPPT模式，轉(zhuǎn)矩相同，而且全風(fēng)速范圍內(nèi)磁鏈都保持額定磁鏈，因此電機(jī)銅耗基本相同。而寬頻率范圍控制在低風(fēng)速時(shí)降低了頻率，從而有效地減小了電機(jī)鐵耗，提高了電機(jī)的運(yùn)行效率。

圖8 電機(jī)銅耗及電機(jī)鐵耗

圖9 DFIG總損耗及效率

圖9給出了兩種控制策略的DFIG的總損耗及效率。從圖中可以看出，寬頻率范圍控制的損耗在全風(fēng)速范圍內(nèi)都小于恒壓恒頻控制，從而證明寬頻率范圍控制能夠提高電機(jī)效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目標(biāo)。這對于發(fā)電領(lǐng)域有著十分重要的意義。

4 結(jié) 語

雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)寬頻率范圍控制策略，隨著風(fēng)速提高，在保持定子磁鏈不變的同時(shí)，通過調(diào)節(jié)晶閘管整流的觸發(fā)角提高定子側(cè)頻率。仿真結(jié)果證明，寬頻率范圍控制的運(yùn)行特性明顯優(yōu)于恒壓恒頻控制，能夠使得轉(zhuǎn)差率在一個(gè)較小的范圍內(nèi)變動(dòng)，從而減小定轉(zhuǎn)子間的功率環(huán)流。此外，寬頻率范圍控制還能降低能耗，使系統(tǒng)更加經(jīng)濟(jì)、高效地運(yùn)行，這對于雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行有著十分重要的意義。