双馈风电机组异步模式控制策略研究

史晓鸣，朱长江，姜 寅

(浙江运达风电股份有限公司 浙江省风力发电技术重点实验室，浙江 杭州 310012)

0 引言

风能作为一种可再生绿色能源，由于蕴藏量高、分布广、绿色无污染等诸多优点，受到世界各国的关注与重视。近年来，风能在我国得到了快速发展，其在电力系统中的占比不断提高[1-3]。与全功率风电机组相比，双馈风电机组(Doubly-Fed Induction Generator,DFIG)具有所需发电机体积小、变流器容量小、高风速段发电效率高以及成本低等优点，因而得到了广泛应用。但同时它也有一个较为明显不足，由于变速范围受限使其在超低风速下不能追踪最佳风能利用系数，导致其超低风速段发电效率偏低[4]。

随着低风速风资源不断被开发，以及平价上网与竞价上网时代的到来，提高风电机组的发电效率，尤其是双馈风电机组在低风速下的发电效率具有重要意义，为此，国内外学者做了大量研究。文献[5]研究了双馈风电机组双模柔性切换问题，提出了一种模式柔性切换控制方法，但是，该研究对于该控制在实际工程应用中将面临的问题思考较少。文献[6]在分析双馈风电机组发电效率构成及影响因素的基础上，提出了在低风速时段将双馈发电机定子短接的方法，使其工作在感应异步电机状态，但是该研究没有介绍具体的控制策略。文献[7-8]通过增加设备提升DFIG发电量，在提高机组发电效率的同时，大大增加了设备成本。

本文面向实际工程应用，在分析现有双馈风电机组控制策略的基础之上，提出了双模控制对应的电气设计方案与主控策略，并采用机组功率作为双馈-异步模式切换的条件，克服了传统采用风速作为模式切换条件所面临的误动作等问题。利用GH Bladed软件进行仿真试验，仿真结果表明，该控制策略是有效率的，可以拓展双馈风电机组变速运行范围，进一步提高双馈风电机组在低风速段风能利用率。

1 现有控制策略分析

由空气动力学可知，风电机组从风中所能获取的能量[9]可表示为：

(1)

其中：ρ为空气密度；S为风轮扫掠面积；v为机组风速；Cp为风能利用系数。

由式(1)可知，风电机组捕获的能量P与Cp成正比。对于同样长度的桨叶，在相同的风速条件下，如果风电机组控制运行点对应的Cp越大，机组捕获的风能将越大。

在风电机组变速运行区间，控制系统通过转矩与最优桨距角协同控制将风电机组控制运行在最优叶尖速比上，实现风电机组最大风能捕获，如图1风电机组特性曲线中的最高点。

由参考文献[4]可知，叶尖速比等于风轮转速除以风速。根据叶尖速比与风速、风轮转速三者关系，由于发电机受制于电机转子端口电压，双馈风电机组运行转速受限，导致其无法在切入风速到额定风速的整个范围内实现追求最佳Cp控制，其风轮转速与风速的关系如图2所示。

在图2对应的A-B运行区间，双馈风电机组通常将采用PI控制，保持机组运行在并网转速附近。

2 异步控制方案

为了实现双馈风电机组异步运行，需要同时对变流器以及控制系统软件进行改造与升级。

2.1 异步控制电气方案

双馈风电机组异步控制电气方案如图3所示。在变流器侧需要增加发电机组定子短接接触器，并使其与原并网接触器实现互锁，以保障风电机组安全。

图1 风电机组特性曲线 图2 风轮转速与风速的关系

图3 双馈风电机组异步控制电气方案

接收到控制系统下发的异步运行指令之后，变流器将闭合定子短接接触器，控制双馈发电机组以异步模式并网发电运行，然后接收并响应主控给定的转矩指令；当接收到双馈运行指令时，将断开定子短接接触器，控制双馈发电机组以双馈模式并网发电运行，然后接收并响应主控给定的转矩指令。

2.2 主控控制方案

双馈风电机组模式切换包括双馈到异步以及异步到双馈的两个切换过程，其控制流程分别如图4、图5所示。

图4 双馈切换到异步控制流程

当风电机组工作在双馈模式下，如果机组功率小于双馈切换到异步模式机组功率时，为了提高机组风能利用率，增加机组变速运行区间，控制系统请求机组减载运行，等到功率小于变流器切换最小功率时，将下发异步命令给变流器，并将机组并网运行转速控制到异步模式下最低转速。当变流器完成切换之后，控制系统将加载并恢复功率运行。

图5 异步切换到双馈控制流程

当风电机组工作在异步模式下，如果机组功率大于异步切换到双馈模式机组功率时，控制系统请求机组减载运行，等到功率小于变流器切换最小功率时，将下发双馈命令给变流器，并将机组并网运行转速控制到双馈模式下最低转速。当变流器完成模式切换之后，控制系统将加载并恢复功率运行。

3 仿真与分析

为了验证本文所述的双模控制策略，选择Windey WD1500kW-77某型号双馈风电机组进行仿真验证，其参数如表1所示。双馈切换到异步模式机组功率为180 kW，异步切换到双馈模式机组功率为250 kW，异步模式下机组最低运行转速为950 r/min。

表1 风电机组参数

仿真测试采用风速如图6(a)所示，双模控制策略的仿真结果如图6(b)和图6(c)所示。

图6 仿真风速及仿真结果

根据图6仿真数据可知：在372 s前，风电机组工作在双馈模式且处于发电状态，机组有功功率约78 kW，机组转速约115 rad/s(1 100 r/min)；开启异步模式功能之后，由于机组有功功率小于双馈切换到异步模式机组功率，控制系统请求机组减载，377 s时，机组有功功率减小到15 kW以下，小于变流器切换最小功率(15 kW)，控制系统下发异步命令给变流器进行模式切换。完成模式切换之后，机组工作在异步模式下，机组有功功率逐渐恢复，机组转速逐渐下降，经过调整后，大约在400 s，机组有功功率从调整前的78 kW恢复到80 kW，机组转速从115 rad/s调整到99.5 rad/s；在455 s，机组风速从4 m/s逐渐升高至6 m/s，机组有功功率逐渐升高，到达509 s时，机组有功功率大于250 kW，即异步切换到双馈模式机组功率，控制系统立即请求机组减载运行，到达518 s时，机组有功功率小于变流器切换最小功率，控制系统下发双馈命令给变流器；完成切换之后，机组工作在双馈模式下，机组有功功率逐渐恢复，经过调整后，大约在550 s，机组有功功率恢复到290 kW。

分析表明，上述双馈风电机组双模控制策略是正确的，可以实现机组双馈模式与异步模式的正确切换。

双模控制策略和双馈控制策略下风电机组低风速段对应的特性曲线如图7所示。

图7 双模控制和双馈控制功率曲线对比图

从图7机组特性曲线可知，在低风速段，采用双模控制策略之后，机组功率曲线得到了明显提升，将有助于提高机组发电性能。

4 结束语

为了进一步提高双馈风电机组低风速段风能利用率，分析了现有机组控制策略，提出了双馈-异步控制策略。试验仿真表明，该控制策略是有效的，可以实现机组双馈模式与异步模式的正确切换，可以拓展双馈风电机组变速运行范围，进一步提高双馈风电机组在低风速段风能利用率与发电性能，具有工程应用参考价值。

下一阶段，将开展双馈风电机组异步控制策略与风电场能管平台有功功率调节的协同控制研究，在满足电网调度要求的情况下，实现风电机组发电性能的提升。