双馈式风力发电机并网与解列控制及仿真研究*

郑景文， 刘 鹏， 李玉超

(武汉大学 电气工程学院，湖北 武汉 430072)

双馈式风力发电机并网与解列控制及仿真研究*

郑景文， 刘 鹏， 李玉超

(武汉大学 电气工程学院，湖北 武汉 430072)

对双馈式风力发电机的起动并网、解列切出的控制过程和控制策略进行了研究。以双馈式风力发电机数学模型为基础，对相应的并网与解列控制方案进行了详细的介绍与分析。然后基于PSCAD/EMTDC仿真，对理论分析结果进行验证。结果表明： 给出的并网控制策略电压幅值波动小，控制精度高，响应迅速，能较好跟随网侧电压；按照给出的起动并网步骤，可实现定子电流的零冲击并网。基于斜率控制的定子电流闭环控制策略能平滑且迅速地控制定子电流并快速灭磁，让整个解列过程更加平稳；按照所给解列步骤可使电机从电网中快速脱离，完成软解列过程。

双馈风力发电机； 起动并网； 解列切出； 控制策略； 仿真验证

0 引 言

随着双馈式风力发电机组的单机容量向MW级水平发展，风机并网过程中的冲击电流已无法忽视，较大冲击电流造成电网电压跌落，威胁电网安全运行[1-2]。因此通过合理的并网控制策略抑制并网冲击电流已成为风力发电技术至关重要的环节[3]。当风电场风速过高或过低时，会造成风力发电机组各部件的损坏或者转速低于最小运行转速，考虑到励磁变频器最大电压的限制，双馈式风力发电机组必须解列停机。

文献[2-8]研究了双馈式风力发电机组的空载并网控制策略；文献[9-12]研究了双馈感应风力发电机特殊运行工况下励磁控制策略；文献[13-17]研究了双馈式风力发电系统低电压穿越技术；文献[18-20]研究了发电机组的最大风能追踪的控制策略。但是对双馈式风力发电机组起动并网、解列切出的具体控制过程和控制方案以及双馈式风力发电机组的解列控制策略目前文献中尚未见具体系统的报告。为了满足双馈式风力发电机组并网与解列的要求，进一步提高机组的经济性，有必要对双馈式风力发电机组的并网、解列控制进行具体深入研究。本文根据双馈式风力发电机组的特点，系统地给出了双馈式风力发电机组的起动并网、解列切出的具体控制过程及控制基本原理，分析了具体的控制策略。基于PSCAD/EMTDC仿真平台建立双馈风力发电机组空载并网、解列切出的模型，仿真以验证理论及对比分析的正确性。

1 双馈式风力发电机组数学模型

双馈感应电机具有非线性、时变性、强耦合的特点，分析和求解困难。为了简化分析和应用于矢量变换控制，按照发电机的正方向规定，可以得到d、q同步旋转坐标系下双馈发电机的定转子电压、磁链及功率数学模型[2-5]。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：usd、usq、urd、urq——双馈风力发电机定、转子电压的d、q轴分量；

ψsd、ψsq、ψrd、ψrq——双馈风力发电机定、转子磁链的d、q轴分量；

ω1——d、q轴同步旋转角速度；

ωr——转子角速度；

ωs——转差频率，ωs=ω1-ωr；

Lms——三相中一相定子绕组与转子绕组间的最大互感；

Ls——定子绕组的自感，Ls=Lm+Ll1；

Lr——转子绕组的自感，Lr=Lm+Ll2；

Ll1——定子侧漏感；

Ll2——转子侧漏感；

Ps、Qs——双馈风力发电机定子侧输出有功、无功功率。

由于并网前发电机处于空载状态，定子侧电流为0，故得到空载运行时的定、转子电压方程和定、转子磁链方程[3- 4,7]如下：

(6)

(7)

(8)

(9)

2 双馈式风力发电机组起动并网控制策略

2.1 双馈式风力发电机起动并网控制过程

双馈式风力发电机并网结构图如图1所示。本文给出的双馈式风力发电机的起动逻辑顺序如下：

(1) 风速到达切入风速，风力机带动风力发电机转到同步转速。

(3) 打开K1，打开双PWM变换器的闭锁装置，闭合励磁开关K2，此时电网经过双PWM变换器对发电机进行励磁。由于此时双馈发电机没有并网，因此处于空载状态。通过控制转子励磁电流的幅值、频率、相位使空载电压跟随电网电压的变化而变化。当达到同步即可并网。

(4) 闭合并网开关K3，同时将空载并网策略切换为最大风能追踪策略。经过一段时间的振荡，完成并网。

图1 双馈式风力发电机并网结构图

2.2 双馈式风力发电机并网控制策略

目前国内外学者提出的风机控制策略有定子电压开环控制策略和定子电压闭环控制策略[3-8]。

2.2.1 基于滞环比较定子电压开环控制策略

将式(8)代入式(6)，并忽略其暂态过程，可得

(10)

采用定子磁链定向矢量控制，将d轴定为定子磁链矢量方向，定子电压为q轴负方向。定子磁场定向示意图如图2所示。

图2 定子磁场定向示意图

基于以上讨论，有ψsd=ψs，ψsq=0，usq=-us，usd=0。其中，ψs为定子磁链幅值，us为定子电压幅值。整理可得空载运行时，转子电流为[3- 4]

(11)

由式(6)～式(11)可以得到并网的控制策略，控制框图如图3所示。

图3 定子电压开环控制策略

由图3可看出，通过测得电网电压大小，根据式(11)计算出双馈风力发电机的转子电流d轴参考值ird*，令q轴参考值为0，转子侧控制利用滞环电流比较控制，使转子电流跟随参考值的变化，即可实现定子电压对网侧电压的追随。

2.2.2 基于滞环比较定子电压闭环控制策略

考虑到电网电压发生波动时，定子电压开环控制忽略暂态过程，不能精确地跟随网侧电压，并网也许会造成较大冲击电流，故采用电压瞬时值闭环控制方法[9-12]。

电压瞬时值闭环控制中，由于转子电流q轴分量是定子与电网电压的d轴分量的差值经过PI控制得到，转子电流的d轴分量是定子与电网电压的q轴分量的差值经过PI控制得到，通过电流内环与电压外环的控制，让定子电压的d、q轴分量追随电网电压的d、q轴分量，从而同时实现电压幅值、相位、频率的追踪，实现无冲击电流的并网。基于滞环比较的定子电压外环控制框图如图4所示。

图4 定子电压闭环控制框图

3 双馈式风力发电机解列控制策略

3.1 双馈式风力发电机解列控制策略

双馈式风力发电机组的起动并网过程的关键是对双馈电机的空载定子电压进行控制，而解列切出过程的关键是对双馈电机的定子电流进行控制[9]。通过对定子电流的控制，使其逐渐减小为零，在零电流的情况下将风机从电网切出，实现软解列过程。解列切出过程包含最大风能追踪控制策略与定子电流闭环控制策略。

3.1.1 最大风能追踪控制策略

采用定子磁链定向矢量控制，整理式(1)～式(5)可得DFIG定子输出有功、无功功率与转子d-q轴电流间关系为[8]

(12)

由式(12)可看出，双馈式风力发电机定子侧输出有功功率和无功功率分别由转子电流q轴和d轴分量控制，实现了有功无功解耦控制。图5为DFIG最大风能追踪控制框图。功率跟踪曲线为Pmax=kωr3，Pmax为某一风速下定子侧输出的最大有功功率，k是与风力机有关的常数[18-19]。

图5 DFIG最大风能追踪控制框图

该控制中内环为电流环控制，外环为功率控制。通过最大风能跟踪曲线，输入转子转速，得到相应的定子侧有功参考值。将有功、无功功率实际值与参考值比较，差值经PI调节器后，分别输出转子侧电流的q轴和d轴分量，与实际电流比较，差值经PI控制，经过解耦与前馈补偿后，输出转子侧电压，控制IGBT的通断，从而实现最大风能的追踪[20]。

3.1.2 定子电流闭环控制策略

将usd=0代入式(5)，得双馈式风力发电机输出功率与定子电流的关系：

(13)

根据式(13)，解列前双馈式风力发电机定子侧输出功率与定子电流、电压有关。由于定子电压由网侧电压决定，不为零，故分别控制定子电流isq、isd为零也就等价于控制定子侧输出有功、无功功率为零。为防止参考值突变造成控制失稳，故在定子电流外环(功率外环)控制上加上斜率控制，内环直接电流控制与最大风能追踪控制一样。控制框图如图6所示。

图6 定子电流闭环控制策略

由式(12)和式(13)可见： 定子电流与转子电流存在对应关系。如图6所示，定子电流isq、isd参考值与实际值进行比较，差值经过PI控制得到内环转子电流参考值，最终通过外环定子电流与内环转子电流控制，实现定子电流isq、isd为零，完成风机软解列过程。

3.2 双馈式风力发电机解列切出控制过程

双馈式风力发电机解列结构图如图7所示，具体步骤如下：

图7 双馈式风力发电机解列结构图

(1) 控制器发出停机指令，令irq*为最大指令值，提供最大的制动转矩，风力机组转速下降。

语篇中第二封信的送信人是写信人自己陶岚。这更饶有意味。“现在我却又要向你说话了。”“一边就从她衣袋内取出一封信,仔细地交给他,象交给一件宝贝一样。萧涧秋微笑地受去,只略略的看一看封面,也就仔细地将它藏进抽斗内,这种藏法也似要传之久远一般。”稍后,“他很快的走到桌边,将那封信重新取出来,用剪刀裁了口,抽出一张信纸,他靠在桌边,几乎和看福音书一样,他看下去……”如此“授受”一个“文本”,耐人寻味。

(2) 当机组转速下降到风机正常运行的最小转速时，令DFIG的定子电流参考值逐步减小为0，让实际值跟随参考值的变化。待定子电流下降为零后将开关K1断开。

(3) 将转子电流参考值设定为零，通过减小转子电流进行风机灭磁操作。

(4) 当转子电流下降为0时，将开关K2断开，实现双馈式风力发电机的解列操作。

4 双馈式风力发电系统并网解列仿真及分析

本文基于PSCAD/EMTDC仿真环境对双馈式风力发电系统的起动并网、解列切出过程和控制策略进行仿真及对比分析。其中双馈电机的额定功率P=3MW；频率f=50Hz；同步转速为 3000r/min；定、转子电阻Rs、Rr分别为0.259Ω，0.214Ω；定、转子自感Ls、Lr分别为4.507mH，4.503mH；定转子互感Lm为4.22mH。

4.1 双馈风力发电系统起动并网运行仿真

为验证本文给出的DFIG起动并网过程及控制策略的正确性，对双馈电机的并网过程进行仿真验证。仿真并网过程严格按照本文所给步骤进行，仿真结果如图8、图9所示。

图8 基于滞环比较电压闭环控制的网侧电压及定子电压波形图

图9 DFIG起动并网前后转速、直流电压、 定子电流仿真波形图

图8是基于滞环比较电压闭环控制的网侧电压及定子电压波形图。如图8所示，t=0.02s时，系统提供励磁，定子电压从0开始变化，约在0.07s时较好地跟随网侧电压，跟随后定子侧电压波形幅值波动量约为6%。

对以上仿真结果进行分析可得到以下结论：

(1) 电压闭环控制的电压幅值波动小、控制精度高、响应迅速。尽管并网过程中发电机转速变化，通过励磁控制，可实现定子电压较好地跟随网侧电压。验证了本文给出的空载并网控制的有效性及优越性。

(2) 按照本文给出的起动并网过程和控制策略完成并网，可实现定子电流的无冲击并网，同时直流母线侧电压保持稳定。由此验证了本文提出的起动并网过程和控制策略的正确性。

4.2 双馈风力发电系统解列切出运行仿真

为了进一步验证DFIG的解列切出过程，对其控制策略进行仿真验证。仿真波形如图10所示。

图10为DFIG解列切出前后定子侧电流、功率输出值、转子励磁电流及直流母线电压的仿真波形图。如图10所示，t=1s，当机组转速下降到风机正常运行的最小转速时，通过斜率控制令DFIG的输出功率参考值从1(p.u.)逐步减小，t=3s下降为0，功率实际值很好地跟随参考值的变化。由图10中定子电流波形图可看出，随着功率的下降，定子电流也同步下降，在t=3s时下降为零，此时将图7中开关K1断开，DFIG定子侧与网侧平滑解列。t=3s时，将转子电流参考值设定为零，通过减小转子电流进行风机灭磁操作，图10中的转子励磁电流波形在3s时经过0.3s的振荡后于t=3.3s时变成零值，灭磁成功，此时定子电压值为零。当转子电流下降为0时，将开关K2断开，实现双馈式风力发电机的解列切出操作。在整个解列过程中直流母线电压在风机正常运行时稳定为10kV，证明网侧变流器控制效果良好，在t=3s开始灭磁以及断开K2后，风机从电网中切出，电容电压通过放电，逐渐衰减为0。

图10 解列切出前后DFIG变量仿真波形图

通过对图10仿真分析表明：

(1) 按照本文给出的解列切出控制过程及定子电流闭环控制策略，双馈式风力发电系统在解列过程中能迅速地控制定子电流及快速灭磁，使电机从电网中快速平稳脱离，完成软解列过程。验证了文中所给控制策略和方案的正确性。

(2) 本文在定子电流外环(功率外环)控制上加上斜率控制，可以让定子电流参考值平稳地下降为零值，让实际值较好地跟随参考值，使整个解列过程更加平稳。

(3) 该方案通过控制转子侧的励磁电流间接地控制定子电流及电磁转矩制动。与传统的机械制动方案相比，制动更加迅速、能量利用率更高、成本更为低廉。

5 结 语

本文对双馈式风力发电机的起动并网、解列切出的控制过程和控制策略进行了研究，以双馈式风力发电机数学模型为基础，对相应的并网与解列控制方案进行了详细的介绍与分析。基于PSCAD/EMTDC仿真，对理论分析结果进行验证：

(1) 本文给出的并网控制策略电压幅值波动小、控制精度高、响应迅速，在变速情况下仍能较好地跟随网侧电压；按照给出的起动并网步骤，可实现定子电流的零冲击并网。

(2) 本文给出基于斜率控制的定子电流闭环控制策略能平滑且迅速地控制定子电流及快速灭磁，让整个解列过程更加平稳；按照本文所给解列步骤可使电机从电网中快速平稳脱离，完成软解列过程。

以上结论有效地验证了本文给出的起动并网及解列切出的控制过程和控制策略的正确性、有效性。为双馈式风力发电机组的控制系统及并网运行、解列切出的特性分析提供一定的参考。

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[期刊简介]

《电机与控制应用》(原《中小型电机》)创刊于1959年，是经国家新闻出版总署批准注册，由上海电器科学研究所(集团)有限公司主办的具有专业权威的电工技术类科技期刊。

期刊定位于电机、控制和应用三大板块，以中小型电机为基础，拓展新型的高效节能和微特电机技术，以新能源技术和智能控制技术引领和提升传统的电机制造技术为方向，以电机系统节能为目标开拓电机相关应用，全面报道国内外的最新技术、产品研发、检测、标准及相关的行业信息。

本刊每月10日出版，国内外公开发行，邮发代号4-199。在半个多世纪的岁月中，该杂志为我国中小型电机行业的技术进步与发展做出了巨大的贡献，在中国电机及其应用领域享有很高的影响。

依托集团公司雄厚的技术实力和广泛的行业资源，《电机与控制应用》正朝着专业化品牌媒体的方向不断开拓创新，在全国科技期刊界拥有广泛的知名度，是“中国学术期刊综合评价数据库来源期刊”、“中国科学引文数据库来源期刊”、“中国学术期刊(光盘版)全文收录期刊”，得到了业内人士的普遍认可，备受广大读者的推崇和信赖，多次被评为中文核心期刊、中国科技核心期刊、全国优秀科技期刊。

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Control and Simulation Research on Grid-Connection and Splitting of Doubly-Fed Wind Power System

ZHENGJingwen，LIUPeng，LIYuchao

(College of Electrical Engineering， Wuhan University， Wuhan 430072， China)

The control process and control strategies of Doubly-fed wind power generator’s Grid-connection and Splitting Cutting-out were studied. Based on the mathematical model of doubly-fed wind power generator, the corresponding Control schemes of Grid-connection and Splitting have carried on the detailed introduction and analysis. Then based on PSCAD/EMTDC simulation, the theoretical analysis results were verified. The results showed that: the grid-connection control strategy makes voltage amplitude fluctuation smaller and it has higher control precision, quicker response and it can follow the Grid-voltage; According to the starting grid step, it can realize the interconnection of zero impacts between the stator current. Stator current closed-loop control strategy based on slope control can smooth and rapid control stator current and fast drop-out, it makes whole solution column process more smoothly; Solution steps listed can make the doubly-fed generator cut out quickly from the power grid, completing the process of soft solution column.

doubly-fed wind power generator; grid-connection; splitting and cutting-out; control strategy; simulation verification

国家自然科学基金资助项目(51207115)

郑景文

TM 315

A

1673-6540(2015)05-0051-07

2014-12-11