雙饋風(fēng)力發(fā)電機并網(wǎng)運行控制及仿真

張冬冬 韓順杰 于佳文 付香雪

摘 要：結(jié)合雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機的運行特點，將矢量控制技術(shù)應(yīng)用到雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機并網(wǎng)控制中。構(gòu)建了風(fēng)力發(fā)電機空載并網(wǎng)與最大追蹤控制策略，設(shè)計了基于LabVIEW、PXI8840及Compact RIO9035的硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)。通過PXI能夠觀測到并網(wǎng)前、后定、轉(zhuǎn)子電流、電壓、功率等變化情況，為新型風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)控制策略的研究提供了一個公共平臺。

關(guān)鍵詞：雙饋；矢量控制；最大風(fēng)能追蹤；LabVIEW；PXI

中圖分類號：TM315 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）16-0010-03

Abstract： According to the operational characteristics of doubly-fed asynchronous wind turbine， vector control technology is applied to grid-connected control of doubly-fed asynchronous wind turbine. The no-load grid-connected and maximum tracking control strategy of wind turbine is constructed， and the hardware in loop simulation system based on LabVIEW， PXI8840 and Compact RIO9035 is designed. The changes of current， voltage， power and so on before and after the grid connection can be observed by PXI， which provides a common platform for the research on the grid-connected control strategy of new wind power.

Keywords： doubly-fed； vector control； maximum wind energy tracking； LabVIEW； PXI

1 概述

風(fēng)能作為一種可再生能源，具有高效，清潔等特點。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)在世界范圍內(nèi)也得到迅速發(fā)展[1，2]。

雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機（Doubly-Fed Induction Generator，DFIG）機組，通過控制發(fā)電機勵磁，實現(xiàn)在發(fā)電機轉(zhuǎn)速可調(diào)情況下的并網(wǎng)運行。采用矢量控制技術(shù)調(diào)節(jié)勵磁，可以有效的調(diào)節(jié)發(fā)電機輸出功率，在實現(xiàn)最大風(fēng)能利用效率的同時，還可以調(diào)節(jié)電網(wǎng)的功率因數(shù)，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性等[3-6]。

本文分析了DFIG機組運行特性，將定子磁鏈定向的矢量控制技術(shù)運用到機組控制策略中，制定控制策略。建立了基于LabVIEW的仿真系統(tǒng)，驗證采用矢量控制技術(shù)對DFIG并網(wǎng)控制和最大風(fēng)能追蹤控制的精準(zhǔn)性。

2 發(fā)電機的運行控制

2.1 發(fā)電機空載數(shù)學(xué)模型

為了準(zhǔn)確調(diào)節(jié)DFIG并網(wǎng)前、后的端電壓，本文采用磁場定向的矢量控制。為此，首先建立發(fā)電機內(nèi)磁場定向旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型。

設(shè)s、r分別代表定、轉(zhuǎn)子；Rs、Rr為定、轉(zhuǎn)子繞組電阻；Lm、Ls、Lr為d、q坐標(biāo)軸下互感及定、轉(zhuǎn)子等效自感；uds、uqs、udr、uqr分別為定、轉(zhuǎn)子電壓在d、q軸的分量；ids、iqs、idr、iqr分別為定、轉(zhuǎn)子電流在d、q軸的分量；？鬃ds、？鬃qs、？鬃dr、？鬃qr分別為定、轉(zhuǎn)子磁鏈在d、q軸的分量；np為極對數(shù)。發(fā)電機正常運行下，d-q坐標(biāo)系中DFIG的電壓方程為：

定子電壓方程

轉(zhuǎn)子電壓方程

定子磁鏈方程

轉(zhuǎn)子磁鏈方程

電磁轉(zhuǎn)矩方程

由定子磁場定向得：

將式（6）及式（7）代入式（1），得

發(fā)電機空載時定子各分量電流為零，即ids=iqs=0，由式（3）得

將式（8）代入式（9）得

在工頻條件，Rs可忽略不計，發(fā)電機定子電壓矢量？鬃1比u1超前90°，則上式可整理得

（11）

綜上分析，得出DFIG空載控制策略，如圖1所示。

并網(wǎng)控制要依據(jù)電網(wǎng)，為此采用三相鎖相環(huán)3PLL。三相鎖相的是q軸相位，所以加為電壓的相位，又因為采用的是定子磁鏈定向控制，定子磁鏈相位超前電壓90°，由此得？鬃1的相角？茲s。

2.2 并網(wǎng)控制策略

依然采用定子磁鏈定向，？鬃ds=？鬃1，uqs=-u1得

其中deltaUd、deltaUq為補償量。對于每相繞組的磁通是互感磁通和漏感磁通的疊加，因此，轉(zhuǎn)子自感為Lr=Llr+Lm，定子自感為Ls=Lls+Lm、Llr、Lls為漏感。其中？棕為風(fēng)輪角速度、p為風(fēng)輪吸收功率、r為風(fēng)輪半徑、？籽為空氣密度、cp為風(fēng)能利用系數(shù)、im為定子的等效勵磁電流矢量、？啄為電機的漏磁系數(shù)。由于本文采用標(biāo)幺值計算，系統(tǒng)參數(shù)確定后都是常數(shù)，所以推出，功率和風(fēng)速的三次方成正比。

由以上公式可設(shè)計出交流勵磁雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)控制策略，如圖2所示。

3 雙饋風(fēng)力機運行控制的建模與仿真

3.1 仿真模型的建立

基于LabVIEW的風(fēng)力發(fā)電機的并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3。

3.2 DFIG并網(wǎng)前、后控制控制策略仿真

仿真參數(shù)為：雙饋異步發(fā)電機極對數(shù)為3，風(fēng)機容量1.5MW，額定電壓575V為基準(zhǔn)電壓，定子電阻0.00635？贅，轉(zhuǎn)子電阻0.00453？贅，定子漏感0.1285mH，轉(zhuǎn)子漏感0.1173mH，互感2.18mH，cp=0.41。

在變流器控制中先使能網(wǎng)側(cè)逆變器，可以觀測到網(wǎng)側(cè)逆變器開始有電流，當(dāng)直流電壓穩(wěn)定后，使能轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器，轉(zhuǎn)子側(cè)電流產(chǎn)生勵磁電壓，通過控制算法來控制轉(zhuǎn)子電流，從而控制DFIG的定子電壓使雙饋電機達到并網(wǎng)條件。

點擊并網(wǎng)，則雙饋電機定子側(cè)與電網(wǎng)連接，可以觀測到定子側(cè)電流慢慢趨于穩(wěn)定，并網(wǎng)后電流如圖4。

并網(wǎng)后，控制策略切換至最大風(fēng)能追蹤控制，可觀測到當(dāng)風(fēng)速不同時，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子側(cè)電流來達到變速恒頻的效果；隨著風(fēng)速的變化，定子側(cè)電流改變，有功功率也隨之改變。設(shè)計中10m/s對應(yīng)同步轉(zhuǎn)速，此時轉(zhuǎn)子電流基本是直流，當(dāng)電機轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)子側(cè)從電網(wǎng)吸收功率情況，當(dāng)電機轉(zhuǎn)速大于同步轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)子側(cè)功率反向，改為向電網(wǎng)發(fā)出功率，如圖5。

4 結(jié)束語

本文基于LabVIEW平臺進行設(shè)計，在實時仿真平臺PXI上進行仿真，驗證了所給出的并網(wǎng)方式的合理性，為新型風(fēng)電系統(tǒng)并網(wǎng)控制設(shè)計提供了一種可行的方案。

參考文獻：

[1]周建強，孫為民，李玉娜.可再生能源利用技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2015：58-81.

[2]夏長亮.雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計與并網(wǎng)運行[M].北京：科學(xué)出版社，2014：5-25.

[3]劉其輝，賀益康.變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大風(fēng)能追蹤控制[J].電力系統(tǒng)自動化，2003，27（20）：62-67.

[4]Tang Y ，Xu L. A flexible active and reactive power control strategy for a variable speed constant frequency generating system[J]. IEEE Transactions on Power Electronics，1996，10（4）：427-478.

[5]吳峰.風(fēng)力發(fā)電機并網(wǎng)技術(shù)綜述[J].風(fēng)力發(fā)電，1992（1）：5-8.

[6]趙斌，許洪華.大型風(fēng)力發(fā)電機組的軟并網(wǎng)控制系統(tǒng)[J].新能源，2000，22（12）：45-47.

[7]尚井鑫.風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)逆變控制系統(tǒng)的設(shè)計要點研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2012（17）：21.