基于MATLAB的双馈风电机组控制器的建模和仿真

杨家然，罗晓芬，蒋程，江园园

(1.华能威海发电有限责任公司，山东 威海 264205;2.华北电力大学电气与电子工程学院，北京 102206;3.首优咨询(北京)有限公司，北京 100025)

1 引言

进入21世纪以来，发展低碳经济、建设生态文明、实现可持续发展，成为人类社会的普遍共识。目前以风能、太阳能等为代表的间歇性能源已成为当今世界的潮流，同时也是建设智能电网，推动低碳经济不可或缺的重要组成部分。

据初步统计，2011年中国新增风电装机容量接近18GW[1]，2012年国内风电市场发展将依然延续2011年的发展趋势，新增装机将维持在18GW 以上[2]，到2015年，风电装机将达到100GW，中国已经是世界上风电设备制造大国和风电装机容量最多的国家，成为名副其实的风电大国。并网型风电场是风电开发的主要方式。兆瓦级双馈感应风力发电机是风电场的主力机型之一[3]。双馈机组能够对有功出力和无功出力进行解耦控制，实现最大风能跟踪，运行性优良，但这也使双馈机组控制结构较为复杂。在有大量双馈机组接入电力系统的情况下，开发适用于系统级仿真的双馈机组控制模型是含风电场的电力系统仿真的关键技术之一[4]。

2 双馈风机控制器的建模

2.1 发电机转速控制

PI控制方法具有理论完善、概念清晰、调整方便和易于实现的特点[5]，被广泛应用于工业控制上来。基于PI控制器的发电机转速控制框图如图1所示。

图1 额定转速以下速度控制

图1中，Pmeas为发电机系统所发出的有功功率，包含网侧滤波电容的功率，其控制的原理是实时采样发电机发出的有功功率，然后根据P-w曲线估计出对应此功率时的最优转速，然后让发电机的实际速度跟踪最优转速，从而达到追踪最佳Cp的目的，P-w曲线如图2所示。

图2 P-w曲线示意图

图中，P为风机发出的有功功功率;Speed代表发电机的转速。

PI控制器的控制方程为:

其中Kp、Ki为PI控制器的参数;ωr为发电机的实际转速。

通过电磁转矩的参考值Tem_cmd，电磁转矩的控制框图如图3所示。

图3 电磁转矩的内环控制

图中，Vdqs为定子电压;Idqs代表定子电流;ω代表同步转速度;Lm和Ls为定子互感和电感;Idr ref为转子电流的参考值。

图3所示的控制原理为:通过检测定子电流、定子电压和电机转速估算出定子的磁链，然后根据式(2)即可求出转子电流的有功分量，电磁转矩的物理表达式为:

其中 idr=I'2cosφ2

2.2 无功功率控制

双馈风电机组与电网连接简单，发电机本身不需要另外附加的无功补偿设备，可实现功率因素一定范围内的调节，例如从0.95领先到0.95滞后范围内，因而具有调节无功功率出力的能力。

无功功率的控制框图如图4所示。

图4 无功功率的控制框图

图中，1/z为延迟环节;iqr ref为转子电流的qv轴分量，其控制思想是通过控制网侧电压来控制无功功率，而网侧电压又通过转子电流的q轴分量控制。

3 仿真分析

无功补偿可以提高电力系统的电压水平，减小网络损耗和改善电力系统的动态性能[7，8]，双馈风机具有快速无功补偿能力。

3.1 发出感性无功

图5 无功功率的参考值(感性)

图6 网侧电压的有效值和A相的初相角

从图5和图6可以看出，当感性无功功率向上调节时，网侧电压的有效值有所上升，但其相位基本不变。

图7 定子侧电流的有效值和A相的初相角

图7表明，当无功功率在10s时从0阶跃变化到0.1pu时，定子电流的有效值下降，但同时可以看出，在50s无功功率继续增加(从0.1～0.2)时，定子电流回到略低于原始值的某个值;定子电流(A相)的相位逐渐降低。

图8 网侧变频器电流的有效值和A相的初相角

图8显示，在无功功率调节的过程中，网侧变流器的电流的幅值和相位变化很小。

3.2 发出容性无功

图9 无功功率的参考值(容性)

图10 网侧电压的有效值和A相的初相角

图11 定子侧电流的有效值和A相的初相角

图12 网侧变流器电流的有效值和A相的初相角

图10～图12显示了系统发出容性无功功率时，网侧电压、定子侧电流和网侧变流器电流的动态响应。从中可以看出，当发出容性无功增加时，网侧电压会下降，定子侧电流会上升，其相位会变大，网侧变流器的电流变化不大。

4 结论

在MATLAB2011a中搭建了双馈风电机组的控制器仿真模型，对无功控制环节进行了详细的仿真，分析了无功功率变化时对网侧逆变器和发电机定子转子电流的影响。结果表明，在无功功率调节的过程中网侧变流器的电流的幅值和相位变化很小，当发出容性无功增加时，网侧电压会下降，定子侧电流会上升，其相位会变大，网侧变流器的电流变化不大。

[1]李俊峰.风光无限：中国风电发展报告2011[M].北京：中国环境科学出版社，2011：2 －4.

[2]李俊峰.2012中国风电发展报告[R].

[3]蒋程，刘先正.风电机组出力的概率性评估[J].现代电力，2013(1)：51 －54.

[4]乔嘉赓，鲁宗相，严慧敏，等.双馈感应风力发电机功率控制器的建模与仿真[J].电力系统自动化，2007，31(24)：34 －37.

[5]张爱国，韩军锋，蒋程.基于神经网络自适应PI控制的SSSC潮流控制器[J].电力系统保护与控制，2010(22)：15 －19+24.

[6]JIANG C，ZHANG J H，YU L.Reliability Probability Evaluation of Wind Turbine Based on Monte-Carlo Simulation.2012 China International Conference on Electricity Distribution，Shanghai，2012.

[7]张爱国，张建华，蒋程.静止同步串联补偿器的恒阻抗模型及其双闭环控制策略[J].电网技术，2010(3)：106 －111.

[8]吴杰康，蒋程，张建华，等.一种优化系统动态性能的新型SSSC控制策略[J].电工技术学报，2011(12)：156 －161.