雙饋風電模擬系統(tǒng)空載并網(wǎng)控制與試驗研究

綦慧， 潘全成

(北京工業(yè)大學 信息學部，北京 100124)

0 引 言

風能是一種可再生、無污染且儲量巨大的清潔資源。全球范圍內(nèi)可利用的風能遍及陸地和海洋，地球一年產(chǎn)生的風能相當于全球一整年耗煤所產(chǎn)生能量的一千多倍[1]。因此風能資源的利用對于緩解能源危機，保護環(huán)境具有非常重大的意義。

變速恒頻雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)憑借變頻器功率小、工作效率高和控制性能好等特點使其在風電領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，是世界上主流的風力發(fā)電系統(tǒng)之一[2]。隨著風電系統(tǒng)的技術(shù)日趨成熟，對風力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)時電網(wǎng)的供電質(zhì)量、產(chǎn)生的電流沖擊要求越來越高。因此并網(wǎng)技術(shù)是目前風力發(fā)電系統(tǒng)的重要部分之一。并且若系統(tǒng)直接并網(wǎng)或解列會產(chǎn)生較大的沖擊電流，甚至威脅電網(wǎng)的正常運行，故有效抑制沖擊電流，實現(xiàn)柔性并網(wǎng)是十分必要的[3]。

目前雙饋異步發(fā)電機的并網(wǎng)方式主要分為：負載并網(wǎng)與空載并網(wǎng)。由于負載并網(wǎng)方式電機定子側(cè)需外加負載，故并網(wǎng)控制策略不僅需要實時測取電網(wǎng)狀態(tài)，而且還要實時采集發(fā)電機定子側(cè)信息。因此其控制策略相比于空載并網(wǎng)控制策略要復雜，實現(xiàn)相對困難。故本文以空載并網(wǎng)方式為核心進行仿真與試驗研究。

本文首先建立雙饋異步發(fā)電機d、q旋轉(zhuǎn)坐標系下的數(shù)學模型，并針對DFIG空載并網(wǎng)運行原理，利用定子磁鏈定向矢量技術(shù)進行了數(shù)學模型及控制策略分析；基于此應(yīng)用MATLAB/Simulink仿真軟件對雙饋異步發(fā)電機空載并網(wǎng)及其柔性控制策略進行仿真研究。然后搭建風電模擬試驗平臺，對并網(wǎng)過程進行研究及試驗驗證。

1 雙饋異步發(fā)電機數(shù)學模型與并網(wǎng)數(shù)學模型

1.1 雙饋異步發(fā)電機模型

本文中雙饋異步發(fā)電機取電動機慣例。其在同步旋轉(zhuǎn)d、q坐標系下雙饋異步發(fā)電機的數(shù)學模型如下[4]：

定、轉(zhuǎn)子繞組電壓方程：

(1)

定、轉(zhuǎn)子磁鏈方程：

(2)

運動方程：

(3)

(4)

定子側(cè)功率方程：

(5)

式中：uds，uqs，udr，uqr分別為定、轉(zhuǎn)子在d、q軸的電壓分量；ids，iqs，idr，iqr為定、轉(zhuǎn)子在d、q軸的電流分量；Ψds，Ψqs，Ψdr，Ψqr分別為定轉(zhuǎn)子d、q軸的磁鏈分量；rs、rr分別為定、轉(zhuǎn)子電阻；ω1為同步角速度；ωr為轉(zhuǎn)子角速度；Lm為電機互感;Ls、Lr為電機定、轉(zhuǎn)子漏感；Tm、Te分別為機械轉(zhuǎn)矩與電磁轉(zhuǎn)矩；P1、Q1為定子側(cè)輸出有功功率和無功功率；np為電機極對數(shù)；J為轉(zhuǎn)動慣量。

考慮在實際控制中并網(wǎng)前后控制策略需要保證一致性，故并網(wǎng)前后的DFIG控制策略均采用定子磁鏈定向矢量控制技術(shù)，故存在以下關(guān)系:

(6)

(7)

式中：Ψ1為定子磁鏈矢量幅值;u1為定子相電壓幅值。

1.2 空載并網(wǎng)數(shù)學模型

已知DFIG在空載運行狀態(tài)下，定子側(cè)開路，定子電流為0，即ids=iqs=0。故定、轉(zhuǎn)子電壓方程式(1)與磁鏈方程式(2)可轉(zhuǎn)化如下[5]:

(8)

(9)

式中：ωs為轉(zhuǎn)差角速度;ωs=ω1-ωr;ω1為同步角速度;ωr為轉(zhuǎn)子角速度；p為微分算子，代替微分符號d/dt；rr為轉(zhuǎn)子電阻；Lm為電機互感;Lr為電機轉(zhuǎn)子漏感。

因此DFIG在定子磁鏈定向和忽略定子電阻(定子側(cè)電阻在工頻下很小，與電感相比可以忽略不計)的情況下，根據(jù)式(6)～式(9)狀態(tài)方程有以下關(guān)系(具體推導過程省略)：

(10)

(11)

(12)

式中：Ψ1為定子磁鏈矢量幅值；u1為定子相電壓幅值；ωs為轉(zhuǎn)差角速度；ω1為同步角速度；rr為轉(zhuǎn)子電阻；Lr為電機轉(zhuǎn)子漏感。

由于控制并網(wǎng)運行試驗無需進行轉(zhuǎn)矩控制，故省去運動方程。此時系統(tǒng)的輸入量只有電網(wǎng)電壓的同步角速度ω1，轉(zhuǎn)子勵磁電壓以及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，輸出量為定子電壓。

2 空載并網(wǎng)控制策略

雙饋異步發(fā)電機空載的并網(wǎng)條件就是在保證雙饋發(fā)電機定子側(cè)電壓和電網(wǎng)電壓的相序、相位、頻率及幅值都相同的前提下，安全切入電網(wǎng)[6]。因此并網(wǎng)控制的實質(zhì)是根據(jù)發(fā)電機轉(zhuǎn)速信號和電網(wǎng)信息調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器勵磁，進而控制雙饋異步發(fā)電機定子側(cè)電壓。

根據(jù)式(8)～式(12)可以得出定子電壓與轉(zhuǎn)子電流有關(guān)，控制轉(zhuǎn)子電流即可控制定子端電壓，故構(gòu)成了空載并網(wǎng)電流內(nèi)環(huán)控制器的設(shè)計依據(jù)。考慮到試驗是基于電網(wǎng)電壓穩(wěn)定狀態(tài)下進行的，即電網(wǎng)電壓保持恒定不變狀態(tài)，在此無需施加定子電壓閉環(huán)控制，構(gòu)建雙饋異步發(fā)電機空載控制，如圖1所示。

圖1 雙饋發(fā)電機空載并網(wǎng)控制策略框圖

圖2 自并網(wǎng)基本控制流程圖

由于雙饋異步發(fā)電機在并網(wǎng)過程中主要的要求是限制雙饋異步發(fā)電機在并網(wǎng)時的瞬變電流，避免對電網(wǎng)造成過大的沖擊。因此并網(wǎng)切換要求DFIG定子電壓的幅值、相位、頻率、相序與電網(wǎng)電壓均相同[7]。故在控制策略中增加并網(wǎng)控制算法來實現(xiàn)電機柔性自并網(wǎng)、減少并網(wǎng)過程沖擊。

并網(wǎng)控制算法主要是對四個并網(wǎng)條件進行實時判斷來實現(xiàn)自并網(wǎng)。對于相位和頻率的判斷需通過對定子三相電壓和電網(wǎng)電壓進行鎖相控制，進而得到兩者對應(yīng)的相位角，通過兩者角度的比較來判斷定子電壓與電網(wǎng)電壓是否同頻、同相。對于幅值和相序的比較則只需比較定子側(cè)電壓值與電網(wǎng)電壓值。由此可以得出自并網(wǎng)判斷策略基本控制流程,如圖2所示。

上述策略中DFIG空載運行，轉(zhuǎn)子電流頻率隨著轉(zhuǎn)速的變化而改變，以保證定子電壓頻率恒定為工頻，且同步速時轉(zhuǎn)子電流為直流。并且為了實現(xiàn)空載柔性并網(wǎng)，系統(tǒng)中增設(shè)了實時并網(wǎng)判斷模塊，在定子側(cè)電壓與電網(wǎng)電壓達到并網(wǎng)條件范圍內(nèi)，控制開關(guān)或繼電器的通斷實現(xiàn)柔性并網(wǎng)。

3 自并網(wǎng)算法仿真實現(xiàn)

在MATLAB/Simulink仿真中跟據(jù)空載并網(wǎng)策略構(gòu)建雙饋電機空載并網(wǎng)仿真模型。電機參數(shù)與實際電機參數(shù)一致，電機轉(zhuǎn)速由0 r/min經(jīng)過0.16 s上升至1 000 r/min。本節(jié)主要介紹雙饋異步發(fā)電機空載并網(wǎng)控制策略中的并網(wǎng)判斷策略仿真實現(xiàn)。

根據(jù)第三節(jié)介紹的并網(wǎng)判斷策略算法可以構(gòu)建算法仿真模型，但在系統(tǒng)啟動階段定子電壓處于波動狀態(tài)，易導致并網(wǎng)判斷產(chǎn)生誤判斷信號，故需在并網(wǎng)判斷策略中再增加一個延時判斷環(huán)節(jié)避免系統(tǒng)的誤判斷，由此構(gòu)建自并網(wǎng)算法仿真，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 自并網(wǎng)仿真結(jié)構(gòu)圖

圖3為空載自并網(wǎng)判斷算法仿真，通過對并網(wǎng)條件的判斷，最終輸出0或1信號作為電路中開關(guān)的控制信號。DFIG空載并網(wǎng)定子電壓與電網(wǎng)電壓仿真結(jié)果如圖4所示(其中為方便比較并網(wǎng)信號故將其擴大100倍)。

圖4 DFIG定子電壓與電網(wǎng)電壓仿真波形

從仿真波形中可以看出,DFIG定子電壓隨著轉(zhuǎn)速逐漸上升其幅值也逐漸變大，在轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后隨著控制策略的影響定子電壓逐漸達到并網(wǎng)條件。并且從波形圖中可以看出，當空載并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定一段時間后，并網(wǎng)判斷策略才改變并網(wǎng)判斷信號，實現(xiàn)DFIG的柔性自并網(wǎng)。

上述為并網(wǎng)控制策略仿真實現(xiàn)。然而在實際應(yīng)用中由于每次電機啟動狀況與電網(wǎng)鎖相時刻并不是像仿真一樣每次初始狀態(tài)都相同，故對于實際上程序的啟動與算法的運行還需要另加一個初始相位的判斷，用來保證每次風電模擬系統(tǒng)的啟動狀態(tài)相同，這樣才可以保證空載并網(wǎng)控制策略的有效性與一致性，無需每次試驗啟動都要再調(diào)節(jié)參數(shù)以達到同相位的這一并網(wǎng)條件。

最后在TMS320F2812芯片中編程實現(xiàn)并網(wǎng)算法，并通過初始相位的判斷保證每次試驗的條件一致性。最終搭建3 kW風電模擬試驗平臺并進行試驗研究，通過判斷定子電壓是否滿足并網(wǎng)條件來自動或手動控制繼電器的通斷使雙饋異步發(fā)電機柔性并網(wǎng)，來驗證算法可行性。

4 風電模擬系統(tǒng)樣機試驗

為驗證提出的雙饋空載自并網(wǎng)算法的有效性，在實驗室搭建3 kW雙饋風電模擬系統(tǒng)，進行并網(wǎng)試驗。雙饋電機參數(shù)如下：額定功率3 kW，定子額定電壓380 V，電機極對數(shù)為2，額定轉(zhuǎn)速1 800 r/min，頻率為50 Hz，定子阻抗3.65 Ω，轉(zhuǎn)子阻抗4.35 Ω，定子感抗1.91 Ω，轉(zhuǎn)子感抗2.39 Ω，磁化感抗63.93 Ω。試驗中并網(wǎng)前轉(zhuǎn)速1 000 r/min。

圖5為電機并網(wǎng)前后定子電壓us、電網(wǎng)電壓ug和并網(wǎng)前定子線電壓與電網(wǎng)線電壓的相位差θ1波形。

圖5 電機并網(wǎng)前后定子線電壓與電網(wǎng)線電壓波形和相位比較

從圖5(a)的并網(wǎng)前電壓波形中可以看出，通過文中提出的空載并網(wǎng)控制策略可以實現(xiàn)雙饋異步發(fā)電機定子電壓與電網(wǎng)電壓同頻、同相、同幅值。且通過DSP對電機定子線電壓與電網(wǎng)線電壓的采集和鎖相，可以得到圖5(c)的并網(wǎng)前兩者相位差的波形，從中可以看出在并網(wǎng)前定子線電壓與電網(wǎng)線電壓相位差基本一直，僅在±3°左右波動。并且由于實際的調(diào)理電路產(chǎn)生的誤差與電機定子側(cè)電壓開路導致定子電壓存在高次諧波，故導致鎖相環(huán)計算出的相位存在誤差，所以相位差θ1不能保證完全為0°。

圖6為并網(wǎng)前后定子A相電流isa、電網(wǎng)A相電壓uA與并網(wǎng)時刻(定子側(cè)三相與電網(wǎng)接通瞬間)的轉(zhuǎn)子勵磁電流波形。其中定子電流取電機定子側(cè)流出方向為正。

圖6 并網(wǎng)后定子電流與電網(wǎng)電壓及轉(zhuǎn)子電流波形比較

由圖6(a)可知電機并網(wǎng)前定子電流為0，且由圖6(b)、圖6(c)、圖6(d)可知，在并網(wǎng)瞬間定子電流is對電網(wǎng)沖擊很小，轉(zhuǎn)子勵磁電流過度平穩(wěn)，整個并網(wǎng)過程短暫且平穩(wěn)，并網(wǎng)后系統(tǒng)可以穩(wěn)定運行。故此算法可以實現(xiàn)雙饋異步電機DFIG安全和柔性并網(wǎng)。

5 結(jié)束語

本文根據(jù)雙饋異步風力發(fā)電機的工作原理，推導了雙饋異步發(fā)電機的數(shù)學模型與空載并網(wǎng)數(shù)學模型，介紹了一種基于定子磁鏈矢量定向控制的空載并網(wǎng)控制策略,并對自并網(wǎng)算法及實現(xiàn)進行簡述與仿真驗證。同時通過實驗室自主研發(fā)的試驗平臺完成了風電模擬系統(tǒng)試驗。試驗結(jié)果表明，此控制策略能夠使雙饋異步電機定子電壓滿足并網(wǎng)條件，達到與電網(wǎng)電壓同頻、同幅、同相和同序的效果，且并網(wǎng)時對電網(wǎng)沖擊較小，實現(xiàn)了雙饋發(fā)電機的空載柔性并網(wǎng)。