帶全額變頻器的感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制策略*

潘力強(qiáng)，李 娟，楊高才，余 虎，侯益靈，徐彬焜

(1.國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410007；2.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)湖南省電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410007；3.國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410007)

隨著現(xiàn)代風(fēng)電機(jī)組的額定功率不斷上升，風(fēng)輪槳葉長(zhǎng)度逐漸增加而轉(zhuǎn)速逐漸降低[1-2]，導(dǎo)致齒輪箱變速比迅速增長(zhǎng)[3]，這給大容量風(fēng)電機(jī)組變速箱的設(shè)計(jì)和制造在尺寸、重量、摩擦消耗和成本等方面提出了難題.為了滿足大容量、小尺寸、可變速運(yùn)行和低成本的要求，可采用全額變頻器以AC/DC/AC方式與電網(wǎng)連接[4].帶全額變頻器的感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，不僅縮小了變速箱，降低了總功率的損耗，而且可通過控制槳距角實(shí)現(xiàn)變速運(yùn)行，輸出最優(yōu)功率，還可通過網(wǎng)側(cè)變流器控制功率或支持電網(wǎng)電壓，使得無(wú)功功率可控[5-6].但是，較復(fù)雜的控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中受到了一定的限制.為了對(duì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁進(jìn)行控制，有學(xué)者不惜以跟蹤功率為代價(jià)，控制全額變頻器[7]，但是功率跟蹤設(shè)備非常昂貴且捕捉困難，容易產(chǎn)生延時(shí)，因此會(huì)導(dǎo)致控制決策錯(cuò)誤.此外，雖然帶全額變頻器的感應(yīng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的變速運(yùn)行已經(jīng)得到認(rèn)可，但是系統(tǒng)由于全額變頻器的隔離作用，在電網(wǎng)遭受大擾動(dòng)并迅速恢復(fù)時(shí)仍然可以維持并網(wǎng)運(yùn)行[8]，因此需要對(duì)這種情況下的槳距角控制方式作深入研究.

1 帶全額變頻器的感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

全額變頻器是由直流環(huán)節(jié)連接2組電力電子變流器而組成的背靠背變頻系統(tǒng)，主要包括直流環(huán)節(jié)、電網(wǎng)網(wǎng)側(cè)變流器和發(fā)電機(jī)機(jī)側(cè)變流器.機(jī)側(cè)變流器接收感應(yīng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的有功功率，并將功率通過直流環(huán)節(jié)送往網(wǎng)側(cè)變流器[4]，如圖1所示.同時(shí)，機(jī)側(cè)變流器通過感應(yīng)發(fā)電機(jī)的定子端對(duì)感應(yīng)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁.這樣，機(jī)側(cè)變流器不僅具備了發(fā)電機(jī)輸出電能特性，還兼容了直流環(huán)節(jié)電壓特性.而網(wǎng)側(cè)變流器接收通過直流環(huán)節(jié)輸送來的有功功率，通過電流閉環(huán)調(diào)節(jié)，輸出滿足電網(wǎng)電能質(zhì)量要求的能源信號(hào).通過全額變頻器的控制，全面考慮風(fēng)機(jī)和電網(wǎng)的變化狀態(tài)，又能將兩側(cè)電能控制隔離開來，同時(shí)滿足發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)的要求.

圖1 帶全額變頻器的感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

帶全額變頻器的感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用變比較小的變速箱，可以減少機(jī)械速率轉(zhuǎn)換造成的總功率損耗.空載損耗減少了，風(fēng)機(jī)就可以在低速時(shí)啟動(dòng)運(yùn)行.同時(shí)，利用全額變頻器還可以使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和電網(wǎng)頻率解耦，從而保障風(fēng)機(jī)變速運(yùn)行，發(fā)電機(jī)系統(tǒng)始終能輸出額定頻率電能.

2 帶全額變頻器的感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型

2.1 感應(yīng)發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型

基于磁場(chǎng)定向原理建立感應(yīng)發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型，選取轉(zhuǎn)子磁鏈方向?yàn)閐軸方向，q軸領(lǐng)先d軸90°，d-q坐標(biāo)系以定子電壓電氣速度ωs逆時(shí)針旋轉(zhuǎn).根據(jù)文獻(xiàn)[9-10]，建立感應(yīng)發(fā)電機(jī)在d-q坐標(biāo)系下的狀態(tài)方程

發(fā)電機(jī)電氣轉(zhuǎn)矩Te的計(jì)算公式為Te=ψdsiqs-ψqsids.

2.2 軸系數(shù)學(xué)模型

軸系傳動(dòng)分析采用兩質(zhì)量塊模型，狀態(tài)方程為[10-12]

3 控制系統(tǒng)

3.1 槳距角控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

由于接地故障引起的電網(wǎng)擾動(dòng)屬于大擾動(dòng)故障，與風(fēng)速變化對(duì)電網(wǎng)擾動(dòng)影響不同，因此筆者設(shè)計(jì)了考慮擾動(dòng)產(chǎn)生原因的自適應(yīng)槳距角控制系統(tǒng).針對(duì)風(fēng)速變化對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率的影響，丁明等[12]設(shè)計(jì)出利用功率調(diào)節(jié)的槳距角控制系統(tǒng)，如圖2所示.具體來說，圖2所示的槳距角控制系統(tǒng)就是利用電磁功率Pm與風(fēng)輪機(jī)械功率參考值Pref的偏差調(diào)節(jié)槳距角，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

圖2 基于功率偏差的槳距角控制系統(tǒng)

其中：x1為中間變量；KP1和KI1為槳距角PI控制器參數(shù)；β為槳距角.在出現(xiàn)類似接地故障的大擾動(dòng)時(shí)，采用功率控制的槳距角控制系統(tǒng)顯得很乏力.為此，筆者設(shè)計(jì)了考慮轉(zhuǎn)子角速度的槳距角控制器，其設(shè)計(jì)方式與考慮機(jī)械功率的槳距角控制器一致.不同的是，該控制器以定子電壓電氣速度作為控制器的輸入信號(hào)，且為了得到平滑的有功功率，還增加了基于約束因子的限幅控制[13].考慮轉(zhuǎn)子角速度的槳距角控制系統(tǒng)如圖3所示.

圖3 基于轉(zhuǎn)子角速度的槳距角控制系統(tǒng)

當(dāng)電網(wǎng)擾動(dòng)是由接地瞬時(shí)故障等因素引起大擾動(dòng)又迅速恢復(fù)時(shí)，電網(wǎng)電壓、電流會(huì)發(fā)生較大的變化，容易被檢測(cè)出.當(dāng)檢測(cè)到這種大擾動(dòng)時(shí)，由于感應(yīng)發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)之間存在全額變頻器，因此電網(wǎng)接地故障發(fā)生又迅速恢復(fù)時(shí)對(duì)感應(yīng)發(fā)電機(jī)的影響不會(huì)很大，變頻器系統(tǒng)維持不間斷運(yùn)行[8].槳距角控制系統(tǒng)可以迅速切換到圖3所示的控制系統(tǒng).這樣，不僅可以保護(hù)發(fā)電機(jī)本身，還可以輸出平滑的有功功率.基于轉(zhuǎn)子角速度的槳距角控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

其中：ωsref為定子電壓電氣速度ωs的參考值，等于額定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ωrate；x2為中間變量.

3.2 全額變頻器控制系統(tǒng)

變頻器控制系統(tǒng)包括機(jī)側(cè)控制系統(tǒng)和網(wǎng)側(cè)控制系統(tǒng).機(jī)側(cè)變流器對(duì)發(fā)電機(jī)負(fù)責(zé)，根據(jù)發(fā)電機(jī)輸出進(jìn)行閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)風(fēng)速跟蹤與力矩控制；網(wǎng)側(cè)變流器對(duì)電網(wǎng)負(fù)責(zé)，根據(jù)電網(wǎng)信息進(jìn)行閉環(huán)控制，輸出滿足電網(wǎng)要求的電能.

由于直流環(huán)節(jié)的存在，機(jī)側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器的控制可以獨(dú)立進(jìn)行.其中，機(jī)側(cè)變流器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)建立在感應(yīng)發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，由3個(gè)PI控制器組成，分成勵(lì)磁控制和轉(zhuǎn)矩控制兩部分.PI1和PI2控制器對(duì)網(wǎng)側(cè)勵(lì)磁進(jìn)行控制，PI3控制器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制[5,14].

圖4 機(jī)側(cè)變流器控制系統(tǒng)

在勵(lì)磁控制方面，采取與往常功率控制不同的策略，即限制定子電壓的控制策略.該方法無(wú)需測(cè)量功率，降低了成本，同時(shí)避免因功率采集延時(shí)而造成的控制錯(cuò)誤.

在α-β坐標(biāo)系下，網(wǎng)側(cè)變流器控制系統(tǒng)同樣分成兩大部分[5-6,15]，如圖5所示.一部分起到平滑直流側(cè)電容輸出的作用，由2個(gè)PI控制器組成.利用直流側(cè)電壓進(jìn)行閉環(huán)控制，可以防止直流側(cè)電壓突變，實(shí)現(xiàn)平滑輸出.另一部分主要是為了保證無(wú)功功率輸出，由1個(gè)PI控制器組成.

圖5 網(wǎng)側(cè)變流器控制系統(tǒng)

網(wǎng)側(cè)變流器控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

4 仿真算例

如圖6所示，一臺(tái)額定功率為2 MW帶全額變頻器的感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通過變壓器和2條線路與無(wú)窮大系統(tǒng)相連.變壓器等值阻抗為j0.1p.u.，2條線路等值阻抗均為j0.4p.u.，線路1在接近變壓器節(jié)點(diǎn)處發(fā)生三相短路故障，0.1 s后通過切除線路1消除故障.

圖6 風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)

仿真實(shí)驗(yàn)分3種情況進(jìn)行：

(1)如圖7所示，電網(wǎng)無(wú)故障，系統(tǒng)運(yùn)行正常，風(fēng)速在第5秒從11 m/s 突變到8 m/s，然后在第20秒從8 m/s 階躍到12 m/s.這種情況下的仿真結(jié)果如圖8所示.

圖7 風(fēng)速突變波形

圖8 突變風(fēng)作用下的仿真結(jié)果

如圖8(a)所示，直流側(cè)電壓在前5 s是穩(wěn)定不變的，在第5秒迅速?gòu)? 000 V降到1 997 V，之后又回到2 000 V，在第20秒左右，因風(fēng)速突變，直流側(cè)電壓從2 000 V迅速上升到2 001 V.由此可見，在突變風(fēng)的影響下，采用電壓閉環(huán)控制能保證直流側(cè)電壓的相對(duì)穩(wěn)定.由電網(wǎng)電壓曲線(圖8(b))的平滑度可以看出，變頻器的存在使得發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)相對(duì)獨(dú)立，影響很?。换钋€(圖8(c))證明了系統(tǒng)的頻率是穩(wěn)定的；網(wǎng)側(cè)有功功率曲線(圖8(d))表明，即使風(fēng)速發(fā)生突，變帶全額變頻器的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)也可輸出平滑變化的有功功率.

(2)如圖9所示，電網(wǎng)無(wú)故障，系統(tǒng)運(yùn)行正常，但風(fēng)速隨機(jī)變化.這種情況下各變量的變化趨勢(shì)如圖10所示.

圖9 隨機(jī)風(fēng)

圖10 隨機(jī)風(fēng)作用下的仿真結(jié)果

由圖10可見：在風(fēng)速變化前5 s內(nèi)，網(wǎng)側(cè)有功功率、網(wǎng)側(cè)電壓、直流側(cè)電壓和滑差是穩(wěn)定的；從第5秒開始，網(wǎng)側(cè)電壓隨著風(fēng)速的改變而發(fā)生變化，但其他參數(shù)相對(duì)穩(wěn)定，網(wǎng)側(cè)電壓一直穩(wěn)定在1左右(10(b))，網(wǎng)側(cè)有功功率也相對(duì)穩(wěn)定(圖10(d))，滑差變化平滑(圖10(c))，這說明全額變頻器起到了隔離作用.

(3)第5秒時(shí)，系統(tǒng)線路1的節(jié)點(diǎn)處發(fā)生接地故障，在第5.1秒故障又迅速解除.此時(shí)，故障持續(xù)時(shí)間短，可將風(fēng)速視為一個(gè)常數(shù).這種情況下的仿真結(jié)果如圖11所示.

圖11 接地故障情況下的仿真結(jié)果

由圖11可見：直流側(cè)電壓、網(wǎng)側(cè)電壓和網(wǎng)側(cè)有功功率都隨著系統(tǒng)故障的發(fā)生而突變，但在故障解除以后，又迅速回到穩(wěn)定狀態(tài)；槳距角控制器的存在，使得滑差幾乎沒有變化.這說明在接地故障情況下，接入全額變頻器的系統(tǒng)能滿足電網(wǎng)要求.

6 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合感應(yīng)發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型和雙軸系模型搭建了風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型，在網(wǎng)側(cè)和發(fā)電機(jī)側(cè)分別進(jìn)行磁鏈和轉(zhuǎn)矩、網(wǎng)側(cè)電壓和網(wǎng)側(cè)有功功率等的雙環(huán)控制，保證了直流環(huán)節(jié)兩側(cè)的電壓平衡、網(wǎng)側(cè)無(wú)功功率可控.突變風(fēng)、隨機(jī)風(fēng)作用和接地故障的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在變風(fēng)速或接地故障的影響下，帶全額變頻器的感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)能滿足發(fā)電機(jī)控制要求，輸出電能質(zhì)量符合電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，可為帶全額變頻器的感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù).