双馈风电机的控制仿真

耿秀明

（内蒙古电子信息职业技术学院，内蒙古 呼和浩特010011）

1 概述

经济的飞速发展带动了各行各业的发展，电能需求的日益增长与发电容量不足的矛盾显得越来越明显。在目前能源紧缺与环境日益恶化的全球背景下，节能环保的可再生能源的的发展受到了各国的高度重视。从风能资源的形成来看，其具有典型的可再生性和无污染性，而且风能资源总量大，分布广，是清洁能源战略的重要选择路径之一[1]。

目前，我们所使用的电能中，火电，水电和核电占据了主要的部分[2]。由于制造、控制技术的发展应用比较成熟，这类发电厂生产的电能能够稳定的供给运行，并变送供给公共电网进行输电配送。在中国，火力发电的份额占有主导地位，火电厂排放的灰尘、C02等，是造成大气污染的主要来源，并且随着煤炭资源的过度开采，现有储备量也大幅度缩减。在国家大力的新能源政策扶植下，我国的风电产业迅猛发展，并相继投产了很多大容量风电场[3]。因风能资源的随机性和波动性，使发出的电能不稳定，造成大部分风电场不能并网运行。目前双馈发电机是风电场的主要机型，研究双馈风电机对研究风电并网，解决并网电压不稳定问题具有较高的应用价值和研究基础。

2 双馈风电机

双馈风电机（DFIG）是风电场的主要机型[3]，风力机通过连接机构带动双馈风电机转子转动，转子绕组通过变换器组与电网连接，通过调节控制转子转速获得最大风能捕获。定子绕组与电网连接，发电系统根据转速的变化调节励磁电流的频率，实现电机的变速恒频运行[4]。连接机构主要是齿轮箱，双馈风电机结构如图1 所示。

图1 双馈风电机结构图

当风速较高时，双馈电机转子转速大于同步转速时，转子绕组产生的旋转磁场方向与转速方向相反，电机在超同步状态运行，电能通过变换器从转子侧反馈到电网；当风速较低时，双馈电机转速小于同步转速时，转子绕组产生的旋转磁场方向与转速方向相同，发电机运行在次同步转速状态，转子将通过变流器从电网吸收功率[5]。

3 风力机的控制

风力机主要通过风吹动风机叶轮转动，产生机械转动获得功率。获得的机械功率得效率可由风能利用系数Cp 来表征。机械功率方程为：

R 风力机叶片（M），V 风速（M/S）, λ风机叶尖速比，θ 桨距角。

Cp是 θ 和 λ 的函数，若采用GE 3.6MW 风机，λ 的取值范围在2～13 之间，Cp的拟合曲线如图2 所示[6]。

图2 Cp 拟合曲线

当风速过低时，使桨距角最大，以获得最大的功率。当风速较高时，为使风电机正常工作，适当调小桨距角使风电机同步运行，当风速过高时，使桨距角最小，以限制风电机的功率输出最大值。

图3 仿真曲线图

4 双馈风电机的控制

双馈风电机的运行是通过控制变换器来实现的，以定子磁链为坐标，建立双馈电机模型方程，来实现转速的控制，使转子跟随风速变化，达到风能的最大捕获应用，同时实现定子侧电流频率的恒定，实现变速恒频运行[7]。

定子磁链方程：

定子电压方程：

Lsd-p 坐标系下定子等效电感，Lm定转子等效互感，Rs定子电阻，ω1旋转坐标系转速。下标里s 代表定子，r 代表转子。

以定子磁链的矢量方向定位d 轴，则：

由此设计d-p 轴的PI 电流控制器。

当定子磁链保持恒定时，电磁转矩与转矩电流成正比。根据瞬时功率理论，在定子磁链定向矢量控制策略下，定子侧瞬时有功和无功功率可以表示：

有以上公式可得，通过调节iqs和ids可以实现定子侧有功功率和无功功率的控制，实现有功无功解耦控制。

5 仿真分析

为验证上述控制的效果，利用PSCAD 软件搭建模型仿真验证。其系统参数设置为：[7]频率为50HZ,额定功率3.6MW，风机半径52M，空气密度1.225KG/M3额定电压13.8KV，额定角频率314.16rad/s，Rr0.01pu，Lm0.15 pu，仿真结果如图3 所示。

图3（a）中，风速在3S 时由10M/S 阶跃到13 M/S，在3S 以前风电机处于平稳运行状态，桨距角为1 度，转速为1.167pu，定子有功功率为，定子无功功率约为0pu，转子有功功率约为0pu，电机同步运行。当风速阶跃到风速13 M/S 时，由图3（b）可知风机的桨距角增加到7 度，风电机超同步运行，转速增加达到1.2pu，控制器处于恒功率控制模式。由图3（d）可知，转子向电网馈入功率约-0.2pu，在变频器的控制下，定子与电网交换的无功严格控制为零，在风速波动时仍保持不变。

有以上分析可见，所建模型对双馈风电机在风速变化下进行仿真，结果验证电机转速能够跟随风速变化，并进行桨距角调节，实现了最大风能的捕获。通过控制器控制很好的实现了电机的有功功率和无功功率率的解耦控制。可以说明所建立的风电机的模型及所选取的控制策略是正确有效的，为以后的风电并网研究提供了有效保障。