變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)空載并網(wǎng)控制策略

劉新宇，楊慧麗

(華北水利水電大學(xué)，河南鄭州450011)

0 引言

世界上的煤炭、石油等不可再生能源日益枯竭，風(fēng)力發(fā)電作為一種清潔可再生的新能源，對(duì)于緩解能源危機(jī)、保護(hù)環(huán)境具有非常重要的意義［1］。目前，除了水電以外的任何可再生能源中，風(fēng)力發(fā)電的潛力最大。風(fēng)電不僅發(fā)電成本在逐漸降低，而且在技術(shù)上也日趨成熟，已經(jīng)成為電力系統(tǒng)中增長最快的新能源發(fā)電方式之一［2］。變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電技術(shù)由于具有風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率高、機(jī)電系統(tǒng)柔性連接、功率因數(shù)可調(diào)、勵(lì)磁變換器容量小等特點(diǎn)，已在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中占據(jù)主導(dǎo)地位，并引領(lǐng)了風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展方向［3］。

在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)前，需要對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行并網(wǎng)前調(diào)節(jié)，使發(fā)電機(jī)定子電壓和電網(wǎng)電壓在幅值、頻率、相位上均保持一致，以滿足并網(wǎng)條件。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量越來越大，目前已經(jīng)發(fā)展到MW 級(jí)水平，機(jī)組并網(wǎng)電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊已不能忽視，它不但會(huì)引起電網(wǎng)電壓大幅下降，而且會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)組各部件造成損壞，甚至還會(huì)威脅其他發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行。因此，必須通過合理的并網(wǎng)技術(shù)來抑制并網(wǎng)沖擊電流。并網(wǎng)技術(shù)己成為風(fēng)力發(fā)電技術(shù)中的一個(gè)不可忽視的問題［4］。

本文將建立雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)在d-q 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的空載數(shù)學(xué)模型，在定子磁場(chǎng)定向矢量控制原理的基礎(chǔ)上，建立變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)空載并網(wǎng)控制策略，應(yīng)用Matlab/Simnlink軟件對(duì)其進(jìn)行仿真分析。

1 變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

圖1 變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)圖

由圖1 看出，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的定子直接連接到電網(wǎng)上，轉(zhuǎn)子通過三相勵(lì)磁變換器進(jìn)行交流勵(lì)磁，電磁功率通過定子、轉(zhuǎn)子雙通道與電網(wǎng)進(jìn)行交換。為了實(shí)現(xiàn)變速恒頻運(yùn)行，當(dāng)風(fēng)速變化、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速相應(yīng)變化時(shí)，應(yīng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的頻率以保證定子輸出頻率恒定。根據(jù)電機(jī)學(xué)的知識(shí)可知［5］，DFIG 穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，定、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相對(duì)靜止，即

因 f1=n1/60 及 f2=n2/60，故有

其中f1、f2分別為DFIG 定、轉(zhuǎn)子電流的頻率;n1為定子磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，即同步轉(zhuǎn)速;n2為轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相對(duì)于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速;nr為DFIG 轉(zhuǎn)子的電轉(zhuǎn)速。

從式(2)可知，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速nr變化時(shí)，可通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流頻率f2保持定子輸出電能頻率f1恒定，這是變速恒頻運(yùn)行的原理。當(dāng)發(fā)電機(jī)亞同步運(yùn)行時(shí)，f2＞0，轉(zhuǎn)子繞組相序與定子相同;當(dāng)發(fā)電機(jī)超同步運(yùn)行時(shí)，f2＜0，轉(zhuǎn)子繞組相序與定子相反;當(dāng)發(fā)電機(jī)同步運(yùn)行時(shí)，f2=0，轉(zhuǎn)子進(jìn)行直流勵(lì)磁。

2 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)空載數(shù)學(xué)模型

為了研究DFIG 空載并網(wǎng)控制原理，需要推導(dǎo)DFIG 的空載數(shù)學(xué)模型?？蛰d并網(wǎng)前，其定子側(cè)為開路，定子各分量電流為零，故存在約束關(guān)系:isd=0，isq=0，將此約束條件代入同步旋轉(zhuǎn)d-q-0 坐標(biāo)下用于矢量控制的DFIG 電機(jī)數(shù)學(xué)模型［6］，可得DIFG 空載時(shí)方程。

定子磁鏈方程:

轉(zhuǎn)子磁鏈方程:

定子電壓方程:

轉(zhuǎn)子電壓方程:

(3)～(6)式即為DFIG 空載運(yùn)行的數(shù)學(xué)模型。為了分析方便，下標(biāo)s 代表定子量;下標(biāo)r 代表轉(zhuǎn)子量;下標(biāo)d 代表d 軸分量;下標(biāo)q 代表q 軸分量。其中Rr為轉(zhuǎn)子繞組各相電阻;Lm為定、轉(zhuǎn)子同軸等效繞組間的互感;Lr為轉(zhuǎn)子等效兩相繞組的自感;isd、isq、ird、irq為定、轉(zhuǎn)子電流的 d 軸和 q 軸分量;ψsd、ψsq、ψrd、ψrq為定、轉(zhuǎn)子磁鏈的 d 軸和 q 軸分量。usd、usq、urd、urq為定、轉(zhuǎn)子電壓的d 軸和q 軸分量;ω1為發(fā)電機(jī)的同步旋轉(zhuǎn)速度;ωr為轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度;ωs=ω1-ωr為坐標(biāo)系相對(duì)與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度。

3 定子磁場(chǎng)定向下發(fā)電機(jī)空載并網(wǎng)控制策略

根據(jù)DFIG 空載運(yùn)行時(shí)的數(shù)學(xué)模型，可以推導(dǎo)基于定子磁鏈定向的DFIG 空載并網(wǎng)控制策略。因?yàn)楣ゎl50 Hz，定子繞組的電阻比其電抗要小得多，通?？梢院雎噪姍C(jī)定子繞組電阻，采用定子磁鏈定向，則有［7］

將(7)代入式(5)中，可得

由此可得

將(8)和(10)式代入(3)式可得

即空載并網(wǎng)時(shí)，DFIG 定子磁鏈保持恒定，其值為定子電壓(電網(wǎng)電壓)與同步角速度之比。再將式(10)代入式(6)，同時(shí)忽略其動(dòng)態(tài)過程，可得

式(12)可以作為電網(wǎng)電壓定向的變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電空載并網(wǎng)前DFIG 轉(zhuǎn)子電流內(nèi)環(huán)控制器的設(shè)計(jì)依據(jù)。根據(jù)(7)～(12)式，可確定變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)空載并網(wǎng)控制策略，其控制原理如圖2 所示。

圖2 基于定子磁場(chǎng)定向的空載并網(wǎng)控制原理框圖

圖2 中，空載并網(wǎng)控制是從檢測(cè)三相電網(wǎng)電壓 uA、uB、uC開始的，根據(jù)檢測(cè)的三相電壓計(jì)算出電網(wǎng)電壓空間矢量的幅值Us和相角θ1。θ1和轉(zhuǎn)子角位置角θr一起用于矢量控制中的坐標(biāo)變換。Us和同步角速度ω1通過(11)式可計(jì)算出DFIG 的參考定子磁鏈，然后根據(jù)(10)式計(jì)算出轉(zhuǎn)子d 軸電流參考分量，同時(shí)可知q 軸電流參考分量應(yīng)該強(qiáng)制為零。

由(12)式可見，urd和ird之間的傳遞函數(shù)存在一階微分環(huán)節(jié)，所以可以通過對(duì)參考值與ird的誤差經(jīng)過PI 調(diào)節(jié)后直接得到轉(zhuǎn)子d 軸電壓參考分量;按式(12)求得轉(zhuǎn)子q 軸電壓參考分量經(jīng)過坐標(biāo)變換后得到轉(zhuǎn)子電壓分別在αr軸和βr軸上的參考分量根據(jù)進(jìn)行 SVPWM調(diào)制，產(chǎn)生轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)DFIFG 的空載并網(wǎng)控制，其控制原理框圖如圖2 所示。

4 仿真分析

在工程技術(shù)領(lǐng)域，運(yùn)用計(jì)算機(jī)作為輔助工具進(jìn)行仿真研究已經(jīng)受到廣泛的歡迎。近年來，在電氣控制方面比較流行使用MATLAB 軟件作為仿真工具，因?yàn)樗哂蟹浅?qiáng)大的功能，作為一種編程語言和可視化工具，MATLAB 可以解決工程科學(xué)計(jì)算和數(shù)學(xué)學(xué)科中的許多問題。其中的Simulink 組件更是針對(duì)實(shí)現(xiàn)工程問題的模型化和動(dòng)態(tài)仿真而設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品，具有模塊化、可重載、可封裝、面向結(jié)構(gòu)圖編程及可視化等優(yōu)點(diǎn)，省去了算法分析和程序編制的過程，因此大大提高了系統(tǒng)仿真的效率和可靠性。

本文利用MATLAB 7.1/Simulink 軟件建立系統(tǒng)主要部分的仿真模型并設(shè)置相應(yīng)系統(tǒng)仿真參數(shù)如下:

雙饋感應(yīng)電機(jī):功率6 kw，轉(zhuǎn)子側(cè)輸入電壓380 V，電流3.2 A，定子側(cè)輸入電壓380 V，電流6.8 A，極對(duì)數(shù)2，最大轉(zhuǎn)速1 800 轉(zhuǎn)/min。Rs=1.37 Ω，Rr=1.65 Ω，Lls=0.0033 Η，Llr=0.0043 Η，Lm=0.158 Η。

圖3 并網(wǎng)前定子端電壓與電網(wǎng)電壓波形圖

圖4 并網(wǎng)瞬間定子端電流的過渡過程波形圖

圖3 為并網(wǎng)前定子端與電網(wǎng)端電壓的對(duì)比仿真波形圖。由此仿真結(jié)果圖可以看出，采用本文的空載并網(wǎng)控制策略下，在0.5 s 并網(wǎng)前定子端電壓與轉(zhuǎn)子端電壓在幅值、相位、頻率上達(dá)到一致。

圖4 為并網(wǎng)瞬間雙饋電機(jī)定子端電流的波形圖?？梢钥闯?，采用本文的空載并網(wǎng)控制策略下，在0.5 s 并網(wǎng)瞬間的沖擊電流大大減小，且并網(wǎng)瞬間的沖擊電流僅為并網(wǎng)后定子端電流的1.5 倍。

5 結(jié)語

本文重點(diǎn)討論了雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的空載并網(wǎng)控制策略，將磁場(chǎng)定向矢量控制技術(shù)應(yīng)用到雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的空載并網(wǎng)控制中，在Matlab/Simnlink 環(huán)境下建立了空載并網(wǎng)仿真模型，并進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果表明，該控制策略可以在變速情況下有效調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)定子側(cè)電壓的頻率、幅值和相位，使其與電網(wǎng)電壓保持一致，從而滿足并網(wǎng)條件，使雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間實(shí)現(xiàn)無沖擊并網(wǎng)。

［1］Shahabi M，Haghifam M R，Mohamadian M，et al .Microgrid dynamic performance improvement using a doubly fed induction wind generator［J］.IEEE Trans on Energy Conversion，2009，24(1):139 -141.

［2］Chowdhury B H，Chellapilla S.Double-fed induction generator control for variable speed wind power generation［J］.Electric Power Research，2006，76(9):786 -800.

［3］劉其輝，賀益康，卞松江. 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)空載并網(wǎng)控制研究［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，27(3):6 -11.

［4］Muller S，Deicke M，De Doncker R W .Doubly -fed induction generator systems for wind turbines［J］.IEEE Industry A pplications Magazine，2008，8(3):26 -33.

［5］賀益康，胡家兵，徐烈. 并網(wǎng)雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行控制［M］.北京:中國電力出版社，2011.

［6］田濤. 雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)力發(fā)電空載并網(wǎng)控制策略研究［D］.銀川:寧夏大學(xué)，2009.

［7］任永峰，安中全，李靜立，等.雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組柔性并網(wǎng)運(yùn)行與控制［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011.