陳誠(chéng)　錢(qián)磊　蘇俊

摘 要：文章以雙饋異步電機(jī)為風(fēng)力發(fā)電的變流器，分析了雙饋式變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)在功率因數(shù)校正、電網(wǎng)電壓畸變及無(wú)功補(bǔ)償方面的控制策略，重點(diǎn)介紹了雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)，基于功率因數(shù)校正的控制方法分析了雙饋異步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)電網(wǎng)電壓畸變對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性和電能質(zhì)量的影響，最后通過(guò)仿真驗(yàn)證了控制策略的正確性。仿真結(jié)果表明：文章提出的雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)電系統(tǒng)可以有效改善雙饋異步電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)因電壓畸變帶來(lái)的性能下降問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電 調(diào)速控制 變速恒頻 并網(wǎng)控制

1 引言

根據(jù)國(guó)家能源局的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2022年我國(guó)用電量繼續(xù)保持上升勢(shì)頭，全年用電量達(dá)到8.4萬(wàn)億千瓦時(shí)，同比增長(zhǎng)2.2％。2030年，我國(guó)一次能源消費(fèi)預(yù)計(jì)將達(dá)到60億噸標(biāo)準(zhǔn)煤左右，若希望其中傳統(tǒng)能源占比不超過(guò)80％，則意味著二十年內(nèi)非化石能源需增加一倍之多[1]，任務(wù)依舊十分艱巨。隨著風(fēng)電技術(shù)和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組技術(shù)水平的提高，風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量不斷增加，風(fēng)電行業(yè)向著大功率、高功率密度方向發(fā)展。

目前雙饋風(fēng)電機(jī)組的主流控制方式為電流源型矢量控制方式，但其缺乏自主的頻率與電壓支撐能力，而電壓源型虛擬同步機(jī)控制方式能解決上述缺點(diǎn)，通過(guò)一種雙饋風(fēng)電機(jī)組電壓源電流源雙模式運(yùn)行平滑切換控制策略，分析以上兩種控制方式，使控制模式切換問(wèn)題轉(zhuǎn)變?yōu)楸ＷC電流內(nèi)環(huán)輸入與相位平滑切換問(wèn)題[2]。薛利晨等[3]在DSPACE環(huán)境中實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)基于雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)（DFIG）的風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（WECS）的自適應(yīng)非線性控制策略，而且DSPACE-DS1104板與風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)直接相關(guān)[4]。目前，非線性反步控制器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，用于控制通過(guò)兩個(gè)轉(zhuǎn)換器（電網(wǎng)側(cè)和機(jī)器側(cè)）直接連接到電網(wǎng)的雙饋風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子動(dòng)能和減載功率。針對(duì)雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的特點(diǎn)，孫浩寧等[5]從轉(zhuǎn)子動(dòng)能入手，通過(guò)控制減載運(yùn)行方式，協(xié)調(diào)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)子動(dòng)能與減載功率之間的關(guān)系，控制轉(zhuǎn)子能量的釋放過(guò)程，充分利用轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能，可以提升風(fēng)機(jī)電網(wǎng)調(diào)頻能力；從另一個(gè)方面來(lái)說(shuō)，隨著風(fēng)電滲透率的不斷提高，雙饋風(fēng)電機(jī)組能夠快速響應(yīng)電網(wǎng)頻率的變化，具有重要的慣性響應(yīng)特性。

有學(xué)者從雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁控制原理入手，對(duì)比了同步發(fā)電機(jī)在故障下的瞬態(tài)頻率特性，提出雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)可以通過(guò)勵(lì)磁來(lái)控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速或有功功率[6]。為了減少風(fēng)電場(chǎng)節(jié)點(diǎn)電壓偏差和網(wǎng)絡(luò)損耗，王耀翔等[7]基于雙饋風(fēng)電機(jī)組有功功率數(shù)據(jù)，估算出機(jī)組的無(wú)功功率極限，并分析了風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功容量構(gòu)成及計(jì)算方法以減小風(fēng)電場(chǎng)節(jié)點(diǎn)電壓偏差、降低網(wǎng)絡(luò)損耗和利用風(fēng)電機(jī)組無(wú)功潛力為目標(biāo)，構(gòu)建多目標(biāo)問(wèn)題，最后利用優(yōu)化算法求解。針對(duì)變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電勵(lì)磁控制問(wèn)題，彭睿等[8]基于控制算法和控制技術(shù)對(duì)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究分析，減少了波動(dòng)電壓、電流的影響。為了解決原風(fēng)電模型中存在的部分耦合和非線性問(wèn)題，不少學(xué)者[9-11]有效地開(kāi)展了這方面的工作，為研究高性能控制策略打下了基礎(chǔ)。針對(duì)風(fēng)電機(jī)組參與電力系統(tǒng)調(diào)頻、風(fēng)電功率預(yù)測(cè)等問(wèn)題，徐鵬超等[12]通過(guò)研究雙饋風(fēng)電機(jī)組參與系統(tǒng)慣量和一次調(diào)頻分析，提出了附加轉(zhuǎn)速優(yōu)化虛擬慣量控制，為電力系統(tǒng)持續(xù)提供有功功率支撐，阻止系統(tǒng)頻率進(jìn)一步下跌。Liu Zhichao等[13]提出一種自適應(yīng)VSPS動(dòng)態(tài)虛擬慣量控制策略，通過(guò)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償雙饋?zhàn)儞Q器的參考功率，該策略能夠有效提高電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定性。張宇森等[14]針對(duì)電網(wǎng)電壓定向的雙閉環(huán)控制策略設(shè)計(jì)了一種模糊控制算法以優(yōu)化其控制效果，經(jīng)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證控制效果良好。

可以發(fā)現(xiàn)，雙饋電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低噪聲、無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件等優(yōu)點(diǎn)，在風(fēng)力發(fā)電中得到了廣泛的應(yīng)用，目前已有許多學(xué)者研究了雙饋電機(jī)的控制策略。本文所提出的控制方法是將一臺(tái)雙饋異步電機(jī)和一臺(tái)永磁同步發(fā)電機(jī)串聯(lián)起來(lái)組成兩個(gè)變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)，分別采用矢量控制方式實(shí)現(xiàn)功率補(bǔ)償和電壓調(diào)整。基于 PSCAD/EMTDC平臺(tái)搭建仿真模型驗(yàn)證控制策略的正確性。

2 雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)介紹

本文所提出的雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)電系統(tǒng)是一種通過(guò)改變發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速來(lái)控制雙饋異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)最大功率運(yùn)行的風(fēng)電系統(tǒng)。雙饋調(diào)速系統(tǒng)主要由雙饋異步電機(jī)、三相交流同步發(fā)電機(jī)、三相逆變升壓變換器及 SVPWM調(diào)制方法等組成，雙饋異步電機(jī)采用了定子電阻較小，定子電流不對(duì)稱的永磁同步電機(jī)。

風(fēng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速下的功率和轉(zhuǎn)速關(guān)系如圖1所示。

通過(guò)雙饋式變流器和三相逆變升壓變換器可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下最高發(fā)電功率最大且變速恒頻運(yùn)行，并保持并網(wǎng)逆變器最大電流輸入功率為零。

對(duì)于電網(wǎng)電壓畸變問(wèn)題，根據(jù)雙饋異步電機(jī)功率因數(shù)校正原理和矢量控制原理，利用雙饋式變流器將額定負(fù)載條件下并網(wǎng)逆變器輸出電壓波形中直流側(cè)電壓進(jìn)行正序分量變換得到有功分量和無(wú)功分量。

3 雙饋風(fēng)電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型及參數(shù)

考慮到風(fēng)的隨機(jī)性和不確定性，為了使整個(gè)風(fēng)電系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性，應(yīng)采用非線性模型。本文研究的雙饋風(fēng)電機(jī)組數(shù)學(xué)模型為兩臺(tái)異步電機(jī)，其轉(zhuǎn)子和定子繞組均由對(duì)稱型繞組場(chǎng)形成，轉(zhuǎn)子電流矢量方向與定子場(chǎng)矢量方向相同。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩為ω=0的情況下，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于某一固定值時(shí)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向保持不變。在雙饋風(fēng)電機(jī)組中，永磁同步電機(jī)（PMSM）工作于低頻轉(zhuǎn)矩模式（LF）并聯(lián)運(yùn)行方式；而定子繞組（GH）通過(guò)電感耦合方式實(shí)現(xiàn)高頻運(yùn)行。從上述數(shù)學(xué)模型可以看出，風(fēng)電機(jī)組具有較好的解耦性能和穩(wěn)定性。

本文根據(jù)雙饋風(fēng)電機(jī)組的具體結(jié)構(gòu)及電機(jī)學(xué)原理，建立了如下所示的雙饋風(fēng)電機(jī)組數(shù)學(xué)模型，有：

式中，——同步轉(zhuǎn)速（r/min）；——轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)在空間的旋轉(zhuǎn)速度（r/min）；——轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相對(duì)于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度（r/min）；——轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度（r/min）。

將上式可以化成：

式中，，頻率的單位為HZ。

由上式可知，不管轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度怎么變化，雙饋風(fēng)電機(jī)組都可以通過(guò)改變其變流器轉(zhuǎn)子繞組的電流頻率，使定子側(cè)電流頻率維持穩(wěn)定，因此達(dá)到了變速恒頻的目的。

4 雙饋風(fēng)電系統(tǒng)的變速恒頻控制策略

通過(guò)建立風(fēng)電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)其進(jìn)行分析后建立雙饋風(fēng)電機(jī)組的最大功率點(diǎn)跟蹤控制策略。

風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能利用系數(shù)是葉尖速度比λ的函數(shù)，圖2為某一固定風(fēng)速下的與λ的關(guān)系圖。圖中，即為最大功率點(diǎn)追蹤控制的最大輸出功率點(diǎn)?？赏ㄟ^(guò)控制風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)葉片角速度，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)追蹤。此時(shí)，風(fēng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩參考值可利用描述，如式（3） 所示。

式中：ρ為空氣密度，kg/m3；R為葉片半徑；為最佳葉尖速比；為風(fēng)機(jī)風(fēng)輪角速度。

即式（3）可根據(jù)風(fēng)速、風(fēng)能利用系數(shù)計(jì)算最大功率點(diǎn)處風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)矩，作為控制策略的轉(zhuǎn)矩參考值。

為使雙饋風(fēng)電系統(tǒng)在變速恒頻運(yùn)行下更穩(wěn)定運(yùn)行，本文提出一種雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

4.1 功率因數(shù)控制策略

對(duì)于雙饋異步永磁同步發(fā)電機(jī)，功率因數(shù)校正策略可以采用控制方法實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，隨著雙饋異步發(fā)電機(jī)的單機(jī)容量增大，其有功功率和無(wú)功功率會(huì)隨之增大。此時(shí)在雙饋異步電機(jī)中可以用電壓矢量的控制方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。電壓矢量與有功功率控制可以采用矢量切換方式或者電壓矢量與有功功率的切換方式進(jìn)行。但是傳統(tǒng)的電壓矢量切換方式存在以下問(wèn)題：由于雙饋異步發(fā)電機(jī)具有復(fù)雜的非線性模型和非線性特性，同時(shí)，系統(tǒng)中存在兩個(gè)獨(dú)立工作點(diǎn)，使得傳統(tǒng)的電壓矢量法很難實(shí)現(xiàn)兩個(gè)穩(wěn)定解耦；另外，如果所采用的電壓矢量數(shù)目過(guò)多或者控制信號(hào)發(fā)生突變時(shí)，雙饋異步發(fā)電機(jī)將無(wú)法進(jìn)行有效地解耦。

針對(duì)上述問(wèn)題提出了一種基于兩點(diǎn)坐標(biāo)同步調(diào)節(jié)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)雙饋異步發(fā)電機(jī)的解耦控制；同時(shí)提出了一種改進(jìn)的雙饋式轉(zhuǎn)矩控制方法來(lái)實(shí)現(xiàn)雙饋式電機(jī)轉(zhuǎn)速與有功功率和無(wú)功功率之間相互解耦。

4.2 電網(wǎng)電壓畸變控制策略

并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，雙饋式變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)和雙饋異步發(fā)電機(jī)的控制策略如下：

1）雙饋異步發(fā)電機(jī)的有功功率由風(fēng)機(jī)發(fā)電功率決定，在一定風(fēng)速范圍內(nèi)其出力隨電網(wǎng)電壓升高而減小，不會(huì)引起機(jī)組失速；

2）風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有較大的容量，雙饋異步發(fā)電機(jī)有功功率與風(fēng)機(jī)輸出有功相匹配，可有效提高風(fēng)機(jī)在額定風(fēng)速下的輸出功率；

3）雙饋異步發(fā)電機(jī)有功側(cè)與無(wú)功側(cè)之間沒(méi)有交互作用；

4）雙饋異步風(fēng)機(jī)、雙饋同步發(fā)電機(jī)具有較好的動(dòng)態(tài)性能；

5）并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，不存在因電網(wǎng)電壓畸變引起風(fēng)力機(jī)出力和轉(zhuǎn)速波動(dòng)，也不會(huì)因電壓畸變引起功率波動(dòng)和電壓偏差。

電網(wǎng)電壓畸變控制原理如圖4所示。

由圖4可知：雙饋風(fēng)機(jī)和雙饋異步電機(jī)在額定風(fēng)速下并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)對(duì)電網(wǎng)電壓的影響較大，但由于風(fēng)力機(jī)在額定風(fēng)速下并未與風(fēng)電機(jī)組同時(shí)并網(wǎng)發(fā)電，因此對(duì)系統(tǒng)影響最大的環(huán)節(jié)為兩臺(tái)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行。

4.3 無(wú)功補(bǔ)償控制策略

在無(wú)功補(bǔ)償方面，由于風(fēng)機(jī)容量大，功率因數(shù)低，風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速較高，所以為了防止電機(jī)過(guò)負(fù)載會(huì)產(chǎn)生的負(fù)序電流影響系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，應(yīng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。

在傳統(tǒng)的 PSCAD仿真軟件中可以建立風(fēng)機(jī)與變流器之間的虛擬樣機(jī)并進(jìn)行仿真。仿真前首先通過(guò) Matlab搭建風(fēng)機(jī)模型，然后根據(jù)系統(tǒng)模型對(duì)變流器的控制策略進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括并網(wǎng)變流器電壓電流閉環(huán)控制方案設(shè)計(jì)和功率補(bǔ)償方案設(shè)計(jì)以及有功無(wú)功功率的閉環(huán)控制方案設(shè)計(jì)。當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變時(shí)，在并網(wǎng)變流器輸入端加入無(wú)功調(diào)節(jié)器可以有效地減少網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)降低，抑制諧波產(chǎn)生。通過(guò)對(duì)風(fēng)機(jī)的虛擬樣機(jī)進(jìn)行仿真研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)時(shí)其輸入為正弦波時(shí)風(fēng)電場(chǎng)在額定風(fēng)速下可獲得較高功率因數(shù)。根據(jù)雙饋式變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)與雙饋異步發(fā)電機(jī)間有功和無(wú)功轉(zhuǎn)換關(guān)系仿真曲線圖可以看出：在給定風(fēng)速下并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)有功功率和無(wú)功功率的差值較小。另外，根據(jù)仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)網(wǎng)壓升高時(shí)并網(wǎng)逆變器電壓會(huì)出現(xiàn)負(fù)序現(xiàn)象這一現(xiàn)象也得到了有效改善。

5 仿真研究結(jié)果與分析

本文以雙饋風(fēng)電系統(tǒng)為研究對(duì)象，建立了如下的仿真模型：

風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為[12，12]；電網(wǎng)電壓為[12，5]，電壓畸變指數(shù)分別為[0.003，0.005]、[0.007，0.006]，其中電壓畸變指數(shù)均與額定電壓偏差不超過(guò)5%；風(fēng)速為[12，18]。

根據(jù)仿真模型的參數(shù)設(shè)置進(jìn)行仿真試驗(yàn)：

1）風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和風(fēng)機(jī)有功功率、無(wú)功功率變化率曲線圖見(jiàn)圖5：

2）風(fēng)電機(jī)組輸出功率曲線隨風(fēng)速和額定風(fēng)速變化：風(fēng)速增加至30m/s時(shí)最大功率點(diǎn)的輸出功率增加到6800kW左右。

3）網(wǎng)側(cè)電壓畸變指數(shù)隨著電網(wǎng)輸入電壓畸變率的增加而減小：當(dāng)輸入電流為500A、220V時(shí)，電網(wǎng)電壓畸變率分別為0.35%、0.08%；當(dāng)輸入電流為1A、110V、380V時(shí)，電網(wǎng)電壓畸變率分別為0.03%、0.02%和0.006%。

6 結(jié)論

本文針對(duì)雙饋異步式風(fēng)電系統(tǒng)，提出了一種雙饋式變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)的功率因數(shù)校正控制策略，重點(diǎn)研究了雙饋異步電機(jī)輸出電流的諧波分析方法，并根據(jù)該方法設(shè)計(jì)了雙饋式變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)功率因數(shù)和電壓的控制策略。通過(guò)仿真驗(yàn)證表明，該雙饋風(fēng)機(jī)系統(tǒng)功率因數(shù)可以達(dá)到0.95以上。但是，由于雙饋異步電機(jī)采用雙速運(yùn)行，使雙饋異步電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下并網(wǎng)會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變。因此針對(duì)雙閉環(huán)功率因數(shù)校正控制所帶來(lái)的電能質(zhì)量問(wèn)題，本文提出了一種無(wú)功補(bǔ)償算法以解決上述問(wèn)題。通過(guò)設(shè)計(jì)一種基于功率因數(shù)校正的無(wú)功補(bǔ)償算法來(lái)實(shí)現(xiàn)雙饋式風(fēng)電系統(tǒng)與電網(wǎng)電壓畸變的隔離。仿真結(jié)果表明：在額定風(fēng)速下可以有效地抑制電網(wǎng)電壓畸變。通過(guò)對(duì)雙饋風(fēng)機(jī)并網(wǎng)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，建立了一套完整的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。

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