双馈风电机组总体控制策略及运行性能

林子琴

新疆风能有限责任公司

双馈风电机组总体控制策略及运行性能

林子琴

新疆风能有限责任公司

随着风电机组技术不断进步、风电场装机容量逐渐增大，更多的大型风电场开始并入电网，对电力系统稳定运行的影响也随之增大，因而受到广泛关注。目前，随着单机容量为兆瓦级大型风力发电机组以及上百兆瓦风电场的迅速发展，并网电网系统的安全、可靠运行的要求需要得到更高的保证，因而使得风电系统运行性能及其总体控制策略的研究对于风电机组的控制系统设计具有重要的现实意义。

双馈风电机组；总体控制策略；运行性能

1、前言

双馈风电(DFIG)机组由于自身的优良性能逐渐成为风力发电市场发展的主流机型。为了深入研究双馈风电机组全风速下的运行性能，笔者提出对风电机组总体控制策略进行研究。首先建立了风力发电机、传动链和双馈发电机的数学模型。其次，从风能最大利用和风机安全运行角度考虑，提出了电机损耗最小的风电机组最大功率输出控制策略，以及转速和功率限制的变桨控制策略。最后，结合双馈发电机功率解耦控制策略对风电机组的总体运行性能进行仿真，并将仿真结果与理论分析和实际运行数据进行比较和验证。

2、风电机组多时间尺度特性

风电机组是一个包含电磁、机电系统及机械过程的多时间尺度动态系统，对风机各部件进行详细建模，用于电力系统分析是低效的，也是不切合实际的。下面主要探讨机电暂态时间尺度下风电机组的简化模型，用于系统的稳定性分析，简称暂态稳定模型。

双馈风电机组暂态稳定模型的导出建立在详细机理模型的基础之上，详细机理模型包含：风速、气动、变桨、传动系统、发电机、变流器、电气控制以及机组保护等组成部分，各部分的模型均具有多尺度、高阶、非线性等特征，将该详细模型降阶为暂态稳定模型需明确各部分动态的衰减速度，一般用带宽(频域)或时间常数(时域)进行度量。

2.1 风速、气动以及变桨系统模型

2.1.1 风速模型

短时间尺度风速建模通常要包含平均风速、阵风、渐变风以及湍流几个部分。由于风机对风速波动体现为低通滤波特性，且滤波时间常数较大，约为12s，与研究系统暂态稳定性的时间尺度相比(0.1~10s)以认为维持不变，所以本文风速建模采用恒定的平均风速。

2.1.2 风轮气动模型

风轮气动部分的建模在暂态稳定问题研究中通常采用类如Cp曲线拟合的静态模型。对于由桨叶载荷不平衡引起的风剪切、塔影效应等现象，可以根据需要选择合理的空间滤波器进行模拟，从而避免繁琐的叶素动量计算。单从风轮气动建模的角度来看，以上几种特定现象会对风轮的输入转矩产生一定影响，但结合整机发电控制来看，以上气动转矩的波动经风机惯量滤波后将被大幅抑制。

2.1.3 变桨系统模型

变桨系统模型包含控制器和执行机构两个部分。执行机构模型一般采用带速率和桨距角限制的一阶动态模型，T为时间常数，由于该时间常数位于暂态稳定分析的时间尺度内，所以不能忽略动态。变桨系统的控制模型包含转速控制和功率控制两部分，控制器采用PI调节器。由于变桨控制属慢过程，因此在进行暂态稳定分析时需要考虑其调节动态。

2.2 传动系模型

风电机组轴系建模通常是将风轮桨叶、轮毂、齿轮箱、发电机等旋转部件按照相互耦合强度不同等值成多质量块，较详细的轴系模型高达11阶(六质量块)，能反映5种振荡模式，但对于系统稳定性研究更关注的是轴系的低频振荡，可用等效两质量块模型表征该振荡模式。

3、双馈风电机组总体控制策略

3.1 基于电机损耗最小的风能最大输出控制策略

由于双馈发电机发电效率会随着电机参数和运行工况改变，因此风力机即使能够实现最大风能捕获，发电机发出的有功功率也会随着运行效率而改变。为了使双馈风力发电系统尽可能地利用风能以及保持较高的发电效率，笔者提出了基于电机损耗最小的最大输出控制策略。在同一风速下，不同风力机转速会使风力机输出不同的功率，为了实现最大风能的追踪，必须在风速变化时实时地调整电机转速。由此可见，风力机的最大功率值与转速的立方成正比，并用转速检测代替了风速检测。转速测量相比风速测量更加简单、容易、可靠、稳定。另外可依据已知的风力机最佳功率输出曲线，查表得到机组转速参考值，再对DFIG机组进行控制。

3.2 基于转速和功率限制的变桨距控制策略

当风速高于额定风速以上运行时，风力发电机组受机械强度、发电机容量和变频器容量限制，必须调节风力机的功率系数，降低风轮捕获的能量，保持发电机输出恒定的功率。只单独考虑转速限制或者功率限制的变桨距控制策略，并不能很好地实现机组最大风能的跟踪运行，因此有必要建立基于转速和功率限制的变桨距控制策略。

4、双馈风力发电系统全风速运行性能的仿真

为了综合验证笔者研究的功率解耦控制策略、最大风能捕获策略及风力发电机变桨距控制策略在并网双馈风电机组中的控制效果，本节对并网后双馈风电机组全风速运行性能进行仿真。仿真用2MW风电机组参数为：额定功率PN=2150kW；额定电压UN=690 V；定子电阻Rs=0.00706p.u.；定子漏感Lsσ=0.171p.u.；折算到定子侧的转子电阻Rr=0.005p.u.；折算到定子侧的转子漏感Lrσ=0.156p.u.；定、转子互感Xm=2.9p.u.；发电机惯性常数Hg=0.951s；极对数np=3；变流器直流侧电容设定电压Vdc=1200V；风力机惯性常数Hw=4.05s，传动轴刚度系数Ks=0.3p.u.；额定风速ν=11m/s。设定风速为2s时开始从5m/s逐步上升至20m/s，其全风速运行范围内的仿真结果如图1所示。

由图可以看出，随着风速ν的上升，发电机转速ωr也从0.703pu逐步上升至1.255p.u.(t=8.7s时达到同步转速)；直流链电压基本上能够稳定工作在1200V，证明网侧变流器工作正常；还可以看出DFIG输出总的电能有功功率Pelec和无功功率Qelec能够顺利实现功率的解耦控制，Pelec在转速ωr达到限定转速1.21p.u.以前跟随风速逐渐变大，实现最大风能捕获；当机组达到额定功率以上时变桨系统开始工作，限定机械载荷和转速的进一步提高，机组则保持风力机额定功率平稳运行。

图1 双馈风电机组总体控制的运行性能仿真结果

图中实线为实际测得的DFIG总的输出有功功率Pelec对转速ωr的变化曲线，加实点标记的虚线为双馈风电机组最大功率跟踪值Premf对转速ωr的变化曲线。可以看出，双馈风电机组总体运行结果和实际风电机组测试结果基本吻合；此外，通过应用笔者提出的发电机损耗最小的最大功率跟踪策略，额定功率以下每转速点对应的最大功率大于实测机组的功率，验证了所提出控制策略的优越性。

5、结语

为了全面准确分析并网风力发电机组实时运行特性，针对双馈风力发电机组类型，首先建立了风力机、传动链和双馈发电机的数学模型。其次，从风能最大利用和风机安全运行角度，提出了一种考虑电机损耗最小的风电机组最大功率输出控制策略，以及考虑转速和功率限制的变桨控制策略。最后，结合双馈发电机功率解耦控制策略对风电机组的总体运行性能进行了仿真。通过仿真、理论分析以及与实际风电机组运行数据的比较，提出的最大功率输出控制策略，能很好地跟踪最大输出功率点，其最优转速和理论分析一致。通过仿真输出功率和实际风电机组输出功率比较，双馈风电机组全程运行结果和实际风电机组测试结果基本吻合，且可以看出在额定功率以下每转速点对应的最大功率大于实测机组的功率，进一步验证了所提出控制策略的优越性。

[1]贺益康，郑康，潘再平，等.交流励磁变速恒频风电系统运行研究[J].电力系统自动化，2004，28(13)：55-59，68.