雙饋風力發(fā)電機空載并網運行控制建模與仿真研究

蘭飛，姚知洋，黎靜華，陶麗

(廣西電力系統(tǒng)最優(yōu)化與節(jié)能技術重點實驗室(廣西大學)，南寧市 530004)

雙饋風力發(fā)電機空載并網運行控制建模與仿真研究

蘭飛，姚知洋，黎靜華，陶麗

(廣西電力系統(tǒng)最優(yōu)化與節(jié)能技術重點實驗室(廣西大學)，南寧市 530004)

針對雙饋風力發(fā)電機(doubly-fed induction generator，DFIG)空載運行和并網運行特點，采用一種“空載—并網”兩階段控制的方案，從而實現“空載”和“并網”2個工作狀態(tài)的平滑轉移?；贛atlab/Simulink平臺，分別搭建了雙饋風力發(fā)電機空載運行和并網運行的模型，給出了基于定子磁場定向矢量控制技術的空載和并網運行控制的詳細仿真模型和具體參數，為研究雙饋風力發(fā)電機并網控制技術提供重要的基礎信息和平臺。提出了一套較為完整的雙饋風力發(fā)電機空載并網的仿真實驗方案，通過該實驗方案，可得到較為全面反映控制策略性能的實驗結果，依據此可對并網控制策略的性能進行檢驗。最后，通過空載運行、并網瞬間的過渡過程以及并網后的最大功率追蹤(maximum power point tracking，MPPT)等仿真結果驗證了本文所提控制方案以及建立的仿真模型的有效性。

雙饋風力發(fā)電機(DFIG)；空載并網；定子磁鏈定向；最大功率追蹤(MPPT)；建模仿真

0 引 言

隨著風電技術的迅速發(fā)展，雙饋風力發(fā)電機(double-fed induction generator，DFIG)的發(fā)電技術在風力發(fā)電系統(tǒng)中已經得到廣泛的應用[1-2]。隨著機組容量的不斷增大，如何在變速下實現風力發(fā)電機安全、無沖擊地并網是該發(fā)電技術應用中的一個重要研究課題[3]。DFIG空載并網方式一般分為空載并網、負載并網[4]以及孤島并網3種方式[5]。其中，空載并網簡單易行，是當前應用最為廣泛的并網技術[2-13]。

DFIG空載并網控制主要是基于定子磁鏈定向[2-10]及電網電壓定向[11-13]的矢量控制技術。文獻[2-10]中，基于定子磁鏈定向技術，采用PI控制器對轉子側變流器輸出的勵磁電流進行控制。文獻[11-13]中，基于電網電壓定向技術，采用PI控制器對轉子側變流器輸出的勵磁電流進行控制?？傮w而言，定子磁鏈定向技術與電網電壓定向技術所定向的旋轉坐標軸相差π/2矢量角，兩者控制效果相當[14]。除了上述2種控制策略之外，近年來出現了一些改進的控制策略。文獻[9]通過引入自適應諧振調節(jié)器，與原有的PI控制器一起實現并行控制，從而削弱PI控制的固有特性對控制效果的影響。文獻[14]引入了虛功率的概念，并網前后電機模型和控制策略一致，從而避免了分階段切換控制的模型切換問題。但是，采用直接功率控制算法時，開關頻率不固定，該算法對處理器速度及A/D轉換器等硬件的要求較高[15]，從而限制了其在實際工程中的廣泛使用。文獻[16]提出了一種計及定子電阻壓降影響的新型磁鏈觀測器，使磁鏈角度測量更為精確。綜上，雙饋風力發(fā)電機的空載并網控制技術已得到了較為廣泛的研究，并取得了不少研究成果。然而，當前的研究主要側重于數學模型的理論推導，未對仿真模型的搭建過程進行詳盡的介紹，模型和方法如何實現這一問題在現有文獻報道中并不明確，而這恰恰是廣大風電技術研究人員所期望的。

本文在充分總結和分析近年來雙饋風力發(fā)電機空載并網控制的文獻的基礎上，開展基于定子磁鏈定向控制策略的DFIG空載并網仿真研究。針對空載運行和并網運行工況下DFIG模型及其控制策略的不同，提出“空載—并網”兩階段控制方案，基于Matlab/Simulink分別搭建空載運行子系統(tǒng)和并網運行子系統(tǒng)，并通過狀態(tài)轉移的方式將2個子系統(tǒng)組合起來形成空載并網控制仿真模型。最后通過對并網前后及過渡過程的連續(xù)仿真，驗證該并網控制方案和所搭建模型的有效性?；诒疚牡难芯砍晒?，研究人員可以快速地搭建基礎仿真平臺，從而為雙饋風力發(fā)電的空載并網乃至并網后的控制技術進行更深入研究提供基礎研究平臺。

1 DFIG運行控制原理、方案及策略

1.1 DFIG空載并網控制原理

DFIG并網控制是通過調節(jié)背靠背變流器輸出，改變轉子繞組的交流勵磁電源，從而使發(fā)電機的輸出電壓跟蹤電網電壓的變化，進而實現無沖擊的柔性并網。

1.2 DFIG空載并網控制方案

并網前后，DFIG的數學模型不同，相應地，其控制策略也不相同[2]。因此，本文采用圖1所示的“空載—并網”兩階段空載并網控制方案。圖1中：u1abc為電網三相電壓；us為定子電壓；is和ir分別為定子電流和轉子電流；ωr為轉子角頻率。圖1將系統(tǒng)分為空載運行子系統(tǒng)和發(fā)電運行子系統(tǒng)。在空載運行階段，空載運行子系統(tǒng)負責空載變速恒頻運行和并網操作控制。在并網運行階段，發(fā)電運行子系統(tǒng)負責有功無功功率的解耦控制，公共部分的轉子側變流器是系統(tǒng)的執(zhí)行部件。通過控制圖1中開關S的開關狀態(tài)即可實現2個子系統(tǒng)的切換，同時向上合為空載運行子系統(tǒng)，同時向下合為發(fā)電運行子系統(tǒng)。

圖1 “空載-并網”兩階段并網控制方案圖Fig.1 Control scheme of two-stage of ‘no load- grid connected’

1.3 DFIG空載與并網控制策略

基于圖1的控制方案設計的空載與并網控制策略如圖2所示。從功能上可將圖2分成2個部分，虛線框內為測量部分，負責測量發(fā)電機的各物理量，虛線框外為控制部分，由d軸和q軸2條控制支路組成。2條控制支路中設置S1、S2、S3、S44個開關，其作用是實現空載運行及并網運行2種控制策略的切換。同時向上閉合時，系統(tǒng)在空載運行控制策略的控制下運行；同時向下閉合時，系統(tǒng)在發(fā)電運行控制策略的控制下運行。對開關S1、S2、S3、S4進行上下切換操作即可完成控制策略的轉換。

圖2 空載運行及并網發(fā)電運行控制策略Fig.2 Control strategy of no-load and grid-connected operation

圖2中：u1a為電網a相電壓；usa為定子a相電壓；ur為轉子電壓；uds和uqs分別為d軸和q軸的定子電壓；ids和iqs分別為d軸和q軸的定子電流；udr和uqr分別為d軸和q軸的轉子電壓；idr和iqr分別為d軸和q軸的轉子電流；u*dr和u*qr分別為d軸和q軸的勵磁控制信號，經過坐標變換得到轉子電壓在兩相旋轉坐標軸系αr、βr軸上的參考分量u*αr和u*βr；ψds和ψqs分別為d軸和q軸的定子磁鏈；ψdr和ψqr分別為d軸和q軸的轉子磁鏈；Ls、Lm、Lr分別為定子電感、勵磁電感、轉子電感；Rr、Rs分別為轉子電阻和定子電阻；ω1、ωr、ωs分別為電網角頻率、轉子角頻率和定子角頻率；Ps、Qs分別為定子的有功功率和無功功率；Pr為轉子的有功功率；Pref、Qref分別為發(fā)電機有功功率和無功功率的給定信號；θs、θu和θr分別為定子磁鏈矢量角、電網電壓矢量角和轉子磁鏈矢量角。

1.3.1 空載運行控制策略

us=ω1ψs

(1)

ψdr=Lmidr

(2)

udr=Rridr+Lrdidr/dt

(3)

uqr=ωsLridr

(4)

1.3.2 發(fā)電運行控制策略

(5)

(6)

式中

(7)

(8)

圖2中有功功率外環(huán)的功率給定信號Pref由(maximum power point tracking，MPPT)模塊[17-18]根據最大功率追蹤算法計算給出，也可根據需要直接給定。無功功率外環(huán)的給定值一般設置為0，也可根據電網運行需要給定。

1.3.3 改進型磁鏈觀測器

常規(guī)磁鏈觀測器認為定子磁鏈矢量角θs=θu+π/2，與改進型磁鏈觀測器相比，從結構上省掉了“角度計算”模塊，因而其觀測到的磁鏈矢量角存在一定的誤差。為了更精確地追蹤電網電壓的信息，本文依據文獻[16]給出的式(9)—(11)設計了圖2所示的改進型磁鏈觀測器。其原理是利用“角度計算”模塊對θs進行修正，設計依據為式(9)—(11)。

(9)

(10)

θs=θu+θ′

(11)

2 DFIG空載并網仿真模型搭建

依據上述DFIG空載并網方案及控制策略，基于Matlab/Simulink搭建圖3所示的空載并網總體仿真模型[10]。Mes為并網信號，VW為風速。其工作原理如下文所述。

圖3 總體仿真圖Fig.3 Overall simulation diagram

空載時，Mes信號為高電平，空載子系統(tǒng)工作，us、is、ir、有功功率P、無功功率Q、ur、ωr0等仿真結果通過切換開關S輸出至示波器。當滿足并網條件后，Mes端輸出低電平，發(fā)電運行子系統(tǒng)從空載運行子系統(tǒng)的mux端讀取狀態(tài)量作為運行初值，繼續(xù)執(zhí)行并網后的控制任務，2個子系統(tǒng)完成切換操作。在波形輸出顯示方面，通過開關S的切換實現并網前后仿真波形的連續(xù)顯示。

2.1 空載運行子系統(tǒng)仿真模型

圖4所示的空載運行子系統(tǒng)仿真圖由機械模塊、控制器模塊、2s/2r(兩相靜止坐標/兩相旋轉坐標)變換模塊、空間矢量脈寬調制(space vector pulse width modulation，SVPWM)[19]、電機模塊、并網條件檢測模塊搭建而成。主要模塊的搭建過程如下文詳述。

圖4 空載運行子系統(tǒng)Fig.4 No-load operation system

2.1.1 空載運行機械模塊

如圖4所示，空載時，不考慮變槳距控制，機械模塊只有一個變量輸入(風速VW)，依據式(12)所示的風力機空氣動力學模型[20]可得到機械轉速Ωt，其標幺值與發(fā)電機轉速ωr0相等。

(12)

式中：Cp為風能利用系數；λ為葉尖速比。

2.1.2 空載運行控制器模塊

控制器模塊主要包括磁鏈觀測器及d軸電流內環(huán)PI控制器2個部分，圖5為模塊內部建模細節(jié)，虛線框部分分別依據式(1)—(4)及式(9)—(11)搭建。

2.1.3 空載運行電機模塊

依據文獻[2]提供的雙饋發(fā)電機數學模型，可導

圖5 空載運行控制器模塊Fig.5 Controller module of no-load operation

出式(13)—(14)所示的轉子電流及定制電壓公式：

(13)

(14)

電機模塊內部細節(jié)如圖6所示，圖6中2個虛線框內，分別依據式(13)和(14)搭建。

圖6 空載運行電機模塊Fig.6 Generator module of no-load operation system

2.2 發(fā)電運行子系統(tǒng)仿真模型

圖7所示為發(fā)電運行子系統(tǒng)仿真模型。各模塊的建模過程分述如下。

2.2.1 發(fā)電運行控制器模塊

圖8所示的控制模塊是一個典型的雙環(huán)控制器由電流內環(huán)與功率外環(huán)構成。各模塊的工作原理在上文控制策略的介紹中已經介紹。其中磁鏈觀測器依據式(9)—(11)設計，電流內環(huán)PI控制器依據式(5)—(8)設計。圖8中，功率外環(huán)給定值由MPPT控制器給出，以捕獲最大風功率。

圖7 發(fā)電運行子系統(tǒng)仿真模型Fig.7 Simulation model of power generation system

圖8 發(fā)電運行控制器模塊Fig.8 Controller module of grid-connected operation

2.2.2 發(fā)電運行電機模塊

圖9為DFIG穩(wěn)態(tài)運行時的等值電路，由此可以導出式(15)—(18)所示的標幺值模型[21-22]。

圖9 DFIG并網發(fā)電運行模型Fig.9 DFIG model for grid-connected operation

(15)

(16)

(17)

(18)

圖10 并網運行電機模塊Fig.10 Generator module of grid-connected operation

2.2.3 發(fā)電運行機械模塊

DFIG并網后，機械模塊的輸入變量除了風速外增加了發(fā)電機的電磁轉矩。依據式(12)所示的風力機空氣動力學模型和式(19)所示的機組運動方程[2]可搭建圖11所示的機械模塊。

(19)

式中：J為轉動慣量；Te為電磁轉矩；TL為機械轉矩；pn為磁極對數，pn=2。

圖11 機械模塊Fig.11 Mechanical module

3 空載并網仿真實驗研究

為了驗證所建立的仿真模型以及控制策略的準確性，本文進行了并網前的變速恒壓恒頻運行，空載并網及并網后MPPT控制2個仿真實驗。機組參數如表1所示，其中，風力發(fā)電機參數采用有名值，其余參數采用標幺值。

表1 仿真機組參數
Table 1 Simulation parameters of generators

3.1 空載運行仿真實驗

基于圖4所示的空載運行子系統(tǒng)仿真模型，屏蔽掉并網條件檢測模塊和機械模塊，控制模塊的轉速輸入改為人為給定的轉子轉速，然后在額定轉速范圍內進行變速恒頻空載運行仿真實驗。機組在亞同步、同步、超同步區(qū)間的仿真波形如圖12所示。

由圖12可得：在亞同步區(qū)間，轉子電流頻率隨著轉速的增大逐漸減??；在同步區(qū)間，轉子電流為直流；在超同步區(qū)間，轉子電流頻率逐漸上升，且相序與亞同步區(qū)間相反。由定子電壓波形可以看到，在變速情況下，定子電壓幅值仍保持不變。為更準確地觀測發(fā)電機定子電壓追蹤電網電壓的精度與速度，錄制了圖13所示0～0.1 s時段的仿真波形。圖13中：u1a為電網單相電壓；usa為定子單相電壓；uerr為電壓偏差，用以表征定子電壓追蹤電網電壓的狀況。從圖13可以看到，發(fā)電機的定子電壓波形在第3個周期后基本與電網電壓重合，此時電壓偏差基本為0，說明在所采用的基于定子磁鏈定向的空載并網控制策略的控制下，發(fā)電機電壓的幅值、頻率、相位能以較快的速度追蹤電網電壓，滿足并網的條件。

圖12 不同轉速下的定子電壓、轉子電流波形Fig.12 Waveform of rotor current and stator voltage under different rotation speeds

圖13 定子電壓usa追蹤電網電壓u1a波形Fig.13 Waveform of stator voltage usa tracking grid voltage u1a

3.2 空載并網及MPPT控制仿真實驗

采用第2.1節(jié)所建立的空載并網仿真模型，在變風速下進行空載并網及發(fā)電運行仿真實驗。為了縮短仿真時間，仿真時機組的初始轉速設置為0.6 pu。按照考核目標不同把仿真過程分成4個階段，各階段的仿真設置如表2所示。

表2 仿真設置
Table 2 Simulation stages and the corresponding emulation settings

圖14給出了給定風速及給定風速下發(fā)電機的轉速響應及并網信號波形。并網信號Mes在0.62 s左右發(fā)生變位，表明機組在該時刻成功并網，即表2中仿真時段2的起始時刻為0.62 s，而延遲0.1 s之后的0.72 s為第3階段的起始時刻。在風速上升段，發(fā)電機仍能實現對電網電壓的追蹤和并網控制，仿真階段2，因機組輸出功率為0，轉速仍隨風速的增大保持上升趨勢，而進入第3和第4仿真階段后，在MPPT控制作用下，在10 m/s及12 m/s的恒風速區(qū)域，均能實現對機組轉速的穩(wěn)定控制。

圖14 給定風速下發(fā)電機轉速響應及并網信號波形Fig.14 Response of rotation speed and cutting-in signal of generator under given wind speed

圖15展示了發(fā)電機從空載到并網發(fā)電整個仿真全程轉子電流、定子電流、有功功率和無功功率的波形。圖15中劃分的4個階段與表2中4個階段一致。為了進一步觀察并網瞬間的仿真情況，對圖15進行局部放大，放大結果如圖16—18所示。

從圖16所示的并網瞬間定子電流波形圖可以看到，并網點前后定子電流僅發(fā)生了微小的擾動，較好地實現了機組的柔性并網。

從圖17所示的并網瞬間轉子電流波形可以看到，在并網點前后，轉子電流波形平滑連續(xù)，說明空載運行子系統(tǒng)和發(fā)電運行子系統(tǒng)在并網瞬間成功地實現了2個子系統(tǒng)間的無縫銜接。在仿真階段3的起點，投入MPPT控制后，轉子電流增大，發(fā)電機工作在最大功率追蹤控制方式，轉子電流增大并逐漸趨于穩(wěn)定。

圖15 仿真全程各變量波形Fig.15 Complete waveform of each parameter in simulation

圖16 并網過程定子電流波形Fig.16 Waveform of stator current at cutting-in moment

圖17 并網瞬間轉子電流波形Fig.17 Waveform of rotor current at cutting-in moment

圖18 并網瞬間功率變化圖Fig.18 Simulation waveform of power at cutting-in moment

圖18為并網瞬間有功功率和無功功率的波形圖，在并網點處，有功功率和無功功率僅有微小的擾動。在仿真階段3，發(fā)電機輸出的有功功率在MPPT控制下迅速上升，并趨于穩(wěn)定，而輸出的無功功率為0，與給定值保持一致?？梢?，在基于定子磁場定向矢量控制策略的控制下，發(fā)電機的有功功率和無功功率實現了解耦控制。仿真全程功率的解耦控制效果如圖15的功率曲線所示，即使在4 s時的大擾動風速下，控制系統(tǒng)仍能穩(wěn)定地實現對發(fā)電機有功功率和無功功率的解耦控制。

4 結 論

利用空載運行、空載并網及MPPT控制仿真實驗，對基于Matlab/Simulink搭建的雙饋風力發(fā)電機空載并網仿真模型進行測試，仿真結果如下。

(1)空載變速工況時，在空載運行控制策略的控制下，發(fā)電機定子電壓能以較快的速度和精度追蹤電網電壓的幅值、頻率和相位，從而滿足并網條件。

(2)空載并網瞬間沖擊擾動小，并網后在發(fā)電運行控制策略的控制下，能較好地實現有功功率和無功功率的解耦控制。

(3)較大的風速擾動下，最大功率追蹤控制仍能保證機組快速穩(wěn)定地捕獲風功率。

綜上，本文所搭建的空載并網仿真模型較好地實現了雙饋風力發(fā)電機組的各項控制功能，研究人員可以基于該平臺進行更加深入的風電技術研究。

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(編輯 景賀峰)

Modeling and Simulation of No-Load Cutting-In Operation Control for Doubly-Fed Induction Generator

LAN Fei, YAO Zhiyang, LI Jinghua, TAO Li

(Guangxi Key Laboratory of Power System Optimization and Energy Technology(Guangxi University)，Nanning 530004，China)

This paper proposes a two-stage control scheme of ‘no load - grid connected’ to realize the smooth state transferring from ‘no load’ to ‘grid connected’, according to the characteristics of ‘no load’ and ‘grid connected’ of doubly-fed induction generator (DFIG).Based on the Matlab/Simulink platform, we establish the simulation models of a no-load operation and a grid-connected operation of DFIG respectively, and give the simulation module and parameters based on the stator field-oriented vector control technology, which provides important basic information and platform for the research on the grid connected control technology of DFIG.Then, we propose a set of the simulation experiment scheme for ‘no load - grid connected’ DFIG, which can obtain comprehensive results for testing the control strategies.Finally, we verify the effectiveness of the proposed control strategies and simulation model, through the simulation results of the no-load operation, the transient process at the cutting-in moment, and the maximum power energy tracking (MPPT) after grid-connected operation.

doubly-fed induction generator (DFIG); no-load cutting-in; stator field-oriented control; maximum power energy tracking (MPPT); modeling and simulation

國家自然科學基金項目(51277034)

Project supported by National Natural Science Foundation of China (51277034)

TM 614

A

1000-7229(2016)09-0123-09

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.09.017

2016-05-19

蘭飛(1974)，男，碩士，高級工程師，碩士生導師，主要研究方向為風力發(fā)電機組安全運行與控制；

姚知洋(1990)，男，碩士研究生，本文通信作者，主要研究方向為變速恒頻雙饋異步風力發(fā)電技術；

黎靜華(1982)，女，教授，博士生導師，主要研究方向為電力系統(tǒng)優(yōu)化運行與控制，大規(guī)模風電并網運行等；

陶麗(1990)，女，碩士研究生，主要研究方向為變速恒頻雙饋異步風力發(fā)電技術。