双馈风力发电系统控制策略研究

安飞华

摘要：近年来，随着可持续发展的观念的提出，人们不断找寻新型可再生能源来实现经济和生态发展的供给形势。由于能源问题日趋严重，应用新型可再生能源尤为重要。近年来风电相关技术的迅速发展使得风电并入电网技术不断完善。引入无刷双馈风力发电系统对电网的可靠性有了更高的要求，因此针对双馈型发电机系统的制策略进行研究具有重要意义。本文就此展开了论述，以供参阅。

关键词：双馈风力；发电系统；控制策略

近年来，作为新能源发电技术之一的风力发电技术在世界各国得到了大力发展。风力发电系统根据发电机运行特点大体可以分为恒速恒频系统和变速恒频系统，其中变速恒頻双馈发电机（DoublyFedInductionGenerator，DFIG）具有变流器容量小、变速恒频发电、灵活的转子交流励磁和良好的功率调节能力等特性，是目前风电场采用的主要机型之一。

1风力发电机概述

风力发电机是通过机械功带动转子旋转将风能转换为机械功最终输出交流电的电力设备。其主要有两种叶轮旋转轴：垂直轴和水平轴。水平轴具有比垂直轴更高的效率，因此通常采用水平轴的风力发电机。风力发电机根据其叶片的数目的不同可分为单叶式、双叶式、三叶式、多叶式，其中三叶式的风力发电机实际应用广泛。在实际应用中的比较常见的风力发电系统有恒速鼠笼型异步风力发电系统、变速恒频双馈感应风力发电机系统、无刷双馈风力发电系统、变速鼠笼型异步风力发电系统和永磁直驱型同步风力发电系统。

2双馈风力发电机系统的运行原理

双馈感应电机又称为交流励磁电机，其凭借着优秀的电气性能已经广泛的应用在双馈式变速恒频风力发电系统中。双馈发电机定、转子分别分布着三相分布式绕组，从结构上和绕线式异步电机类似，在正常工作情况下，定子绕组直接接到电网，转子绕组通过励磁系统提供一个幅值、频率、相位都可调的三相变频电源供电。由于双馈感应发电机可以调节的变量有三个，当风速变化时，通过改变转子励磁电流频率实现系统变速恒频运行，通过改变转子励磁电流的相位来调节发电机的有功功率，通过改变励磁电流的幅值来调节发电机的无功功率。双馈感应电机转子励磁的电路为交—直—交变频具有双向功率流动性电路，正是如此，双馈感应发电机可以运行在不同情况，按双馈感应发电机转子转速来区分，可以分为以下三种状态：（1）亚同步运行状态双馈感应发电机转子转速小于同步转速，f2>0，转子上励磁电流产生的旋转磁场的旋转方向与转子实际的旋转方向相同，发电机转子通过励磁变换器从电网吸收转差功率。（2）超同步运行状态双馈感应发电机转子转速大于同步转速，f2<0，转子上励磁电流产生的旋转磁场的旋转方向与转子实际的旋转方向相反，发电机转子通过励磁变换器向电网输出转差功率。（3）同步运行状态双馈感应发电机转子转速等于同步转速，f2=0，转子与电网之间没有能量交换，励磁变换器向转子提供直流励磁，此时双馈感应发电机相当于同步发电机。

3双馈风力发电系统的控制系统

（1）定子磁场定向矢量控制。目前，在无刷双馈型电机的控制策略中主要是矢量控制，这种控制策略具有很好的性能。因为有不同矢量定向的存在，所以矢量控制可分为定子磁场定向和电网电压定向两种类型。其中前者可以完成整个去耦控制，而后者只能完成部分去耦控制。（2）网侧PWM变流器矢量控制策略。在PWM型变流器的数学模型中，交流量是时变的，所以无法设计控制系统。但是，对PWM型整流器进行变换坐标就能够对交流量去耦控制。因为PWM型变流器的主要靠电网供电，所以可以将相对静止的三相ABC坐标转换成根据电网的基频旋转的dq坐标，并实现设计简化。双变流器能量交换示意图如图1所示。Pg为网侧变流器吸收的有功功率，Pr为机侧变流器向双馈感应发电机的转子提供的励磁功率，ig为网侧变流器流向直流母线的电流，ir为直流母线流向转子侧变流器的电流，ic为流入直流母线电容的电流，C为直流母线电容的电容值，udc为直流母线电压。

4双馈风力发电系统控制策略

4.1双PWM变流器协调控制

双馈风力发电系统采用的典型拓扑是转子通过电压源型双PWM变流器背靠背连接接入电网。在正常运行过程中，两个PWM变流器可工作于整流或逆变模式。与电网相连的变流器（简称为网侧变流器）主要用于保持直流环节电压恒定，同时在一定范围内实现电网侧的功率因数控制。与电机转子直接相连的变流器（简称为机侧变流器），通过坐标变换实现有功、无功功率解祸控制，从而实现最大风能跟踪和电机定子侧功率因数控制，以及风机并网控制等功能。因此，双馈风力发电系统运行性能的关键在于背靠背式双PWM换流器的控制。

4.2双馈风力发电系统故障穿越控制

电网故障将引起DFIG过流和过压，可能造成机侧变流器和发电机转子绕组的损坏。为了在低电压下实现机组的并网运行，并保证机侧变流器和电机安全，比较常见的保护措施是在转子侧采用撬棒保护电路（Crowbar，为转子侧大电流提供旁路，达到限制过电流、保护变流器、保持并网运行的目的。此外，在电网电压跌落幅值较小时，通过双PWM变流器实施有效的故障穿越控制策略，可以在外部保护电路不动作时，实现机组故障穿越，从而使双馈发电系统和双馈型风电场在电网故障情况下为电网提供电压和无功支撑，参与电网的电压无功调节，具有一定的理论和工程实际意义。

5结束语

由于日益加剧的全球能源危机，新型能源中风能作为可再生的清洁能源对可持续发展意义重大。风力发电技术不断发展，双馈型风力发电机系统可以与电网连接，并能够实现有功功率和无功功率的变换。本文总结分析了双馈型风力发电机系统的控制策略，在建设智能电网推进新能源发展过程中针对双馈型风力发电机系统的有效控制问题，仍需深入探索。

参考文献：

[1]刘晋.双馈风力发电系统控制策略研究[D].华北电力大学.2014.

[2]贾弘德，许晓峰，顾欣然.双馈风力发电机系统控制策略研究[J].山东工业技术.2017（10）.

[3]郭磊.带储能的双馈风力发电系统控制策略[J].城市建设理论研究（电子版）.2017（12）.

（作者单位：中广核新能源投资（深圳）有限公司浙江分公司）