面向新型電力系統的雙饋風力發電機并網控制策略研究

談竹奎，文賢馗，楊 濤，曾 鵬，胡明輝

面向新型電力系統的雙饋風力發電機并網控制策略研究

談竹奎，文賢馗，楊 濤，曾 鵬，胡明輝

(貴州電網有限責任公司電力科學研究院，貴州 貴陽 550002)

雙饋感應風力發電機是一種具有三相勵磁繞組結構的異步電機，其運行具有變速恒頻的特點，因而在新型電力系統中的風力發電領域有著重要的應用價值。利用Park變換，構建了坐標系下的數學模型，實現了電機的有功、無功功率的解耦控制。并且利用電壓定向矢量控制的方法，實現雙饋感應風力發電機的變速恒頻運行。之后搭建一套完整的雙饋感應風力發電機及其控制系統的模型，并對所提控制策略的效果進行了驗證。仿真結果表明，該控制策略對功率指令值具有良好的跟蹤效果，并可以在變化的風速下實現穩定的變速恒頻運行。

新型電力系統；雙饋感應風力發電機；坐標變換；變速恒頻；功率解耦

0 引言

新型電力系統以實現碳達峰碳中和為前提，確保能源電力安全滿足經濟社會需求，最大化消納新能源[1-2]。而新型電力系統中新能源占比高，尤其風力發電、太陽能發電等新型能源并入比例較大[3]。但是風能是一種隨機性強、爆發性高、不穩定的能源，因此在并網過程中風力發電輸出功率易存在波動的現象，造成電網功率與負荷不匹配，引發停電事故[4-5]。此外，由于新型電力系統中具有大量的電力電子器件，因此對于電網的頻率振蕩較為敏感，這就對風力發電機的輸出頻率提出了更高的要求[6]?；诖?，要保證風力發電在并網過程中，其在變風速條件下輸出功率與輸出頻率控制在很小誤差范圍內，減少并網過程對現有電網的影響，提高新型電力系統的穩定性[7]。而目前在風力發電技術中，最主要的一類為變速恒頻技術。變速恒頻技術中的雙饋感應發電系統定子部分與電網連接，轉子通過背靠背的交直交變換器與電網連接[8-9]，實現柔性連接，相較于恒速恒頻技術，其并網操作更加簡單。并且其變流器要求低，體積、成本大大縮小，可以靈活調節發電機輸出功率，使得風能利用效率最大化，引起了研究人員的廣泛關注[10-11]。而對于雙饋感應電機(DFIG)的控制，研究人員主要針對矢量控制展開相關研究。文獻[12]通過對定子電壓的定向以及前饋補償控制，同時基于瞬時功率的轉子開環控制，實現網側變換器直流環節電壓、電流雙閉環控制，并實現微水電有功和無功功率的解耦及單位功率因數并網控制。文獻[13]對雙饋感應電機的并網運行進行了研究，描述了雙饋感應電機與輸電網絡的互聯模型，對電壓波動下DFIG的控制策略、換流站控制策略進行了分析與仿真。文獻[14]在傳統矢量控制策略的基礎上，引入虛擬慣量對控制方案進行了改進與分析，給出了具有可行性的控制方案。除此之外，研究人員還針對電網三相不平衡條件下的雙饋感應電機出力特性開展了研究。文獻[15]研究了不平衡電網電壓下雙饋電機的完整動態模型。雖然領域內學者開展了大量的研究，但是目前仍存在功率變化時發電機產生的電能無法完全送出；定轉子電流出現直流和二倍頻分量，對電網造成諧波污染；風速變化時，感應電機輸出功率波動等一系列問題。因此，本文利用坐標變換，對雙饋感應電機的數學模型進行簡化，基于矢量控制的思路設計了雙饋感應電機的控制方案，實現感應電機的變速恒頻運行與功率解耦控制，并通過仿真軟件對其進行了驗證。

1 雙饋感應電機數學模型建立

雙饋感應電機作為風力發電的主要組成部分，其機械結構為：轉子在機械上與風力渦輪機的傳動機構相連接，定子與電網相連[16]。當向轉子繞組通入一定頻率的電流時，形成的磁場相對于定子繞組旋轉，從而定子繞組中產生感應電動勢。其中，轉子磁場轉速與轉子旋轉的電角速度之和，與定子繞組電流產生的磁場轉速保持一致。雙饋感應電機的定子與電網直接相連，而轉子通過一組整流電路與電網相連接，從而實現轉子一側的功率雙向流動控制與勵磁控制[17]。由于雙饋感應電機的數學模型變量多且十分復雜，對它精確建模十分困難。為了使模型具有較高的簡潔性，同時又能較好地反映其電磁關系與特點，這里做出以下假設：1) 定轉子繞組中的電阻為恒定值；2) 磁路不存在飽和現象，忽略磁滯與鐵耗；3) 三相繞組間為星型連接結構，且空間分布完全對稱，合成磁動勢在氣隙方向上呈正弦規律分布；4) 忽略空間諧波影響[18]。將電機理想化，定、轉子各三相繞組的電磁關系如圖1所示。

基于電磁關系，可以將電機的瞬時電氣量表示為以下兩組微分方程。

圖1 定、轉子三相繞組電磁關系

這些微分方程較為復雜，不利于對電機行為進行分析與控制，因此需要引入坐標變換以對其進行簡化。靜止兩相-旋轉正交變換(Park變換)可以將三相靜止坐標系下的電氣量變換到正交旋轉的坐標系下，從而簡化異步電機的分析與控制[19]。恒幅值Park變換公式如式(3)所示。

2 雙饋感應發電機矢量控制策略

假設雙饋感應風力發電機并網運行時，所連接電網無窮大且電壓具有固定的幅值與頻率。在向電網供電時，需要維持輸出功率的穩定，避免有功功率與無功功率的大幅波動。通過矢量控制策略，控制功率穩定的問題就轉換成了對于轉子軸電流分量的控制，實現轉子電流對于指令值的連續穩定跟蹤[20]。此外控制過程中需要將一些關鍵的電氣量進行反饋，以獲得實際電流或電壓與其對應指令值之間的誤差，再通過控制器實現其對于指令值的跟蹤。對于雙饋感應風力發電機的矢量控制系統主要包括以下幾個部分：轉子軸電流指令值計算(含功率環)、電流環(以獲得轉子軸電壓指令值)、變換角計算。整個矢量控制系統的原理框圖如圖2所示。

圖2 矢量控制系統原理框圖

2.1 電流指令值計算

將電網電壓空間矢量定向在軸，再順時針旋轉90°得到軸。在忽略定子電阻的條件下，此時定子磁鏈空間矢量與軸同向。電流與磁鏈之間的關系[21]可以表示為

由定轉子電流間關系可得

在當前的定向策略下，電機定子的有功和無功功率間是分離的，分別由轉子電流的軸分量控制。需要注意的是，上述關系仍不是完全準確的。這不僅是因為在式(9)的推導過程中忽略了電機的定子電阻，而且電機其他參數(譬如匝數比、定轉子電感)的不精確也使得控制過程中出現誤差[22]。因此，可以增加兩個功率外環來消除由此產生的誤差。這兩個環路分別通過控制轉子的軸電流來調節有功和無功功率，此部分仿真模型結構如圖3所示，其中，PID(s)模塊為比例-積分-微分調節器。

圖3 帶有功率外環的電流指令值計算

2.2 電流控制環計算

轉子磁鏈與電流之間有

將式(10)、式(11)代入式(5)，可得

在雙饋感應電機并網運行時，正常情況下電網電壓是恒定的，因此磁鏈的導數為零，即第一個等式的最后一項可以忽略。在構建控制系統時，是一個擾動項，這是因為它僅取決于定子磁鏈，使得它與控制環本身無關，僅是一個外部變量。由于穩態下磁鏈恒定，故此項是一個常數項，可以通過控制器補償。而兩式中的項，產生的原因是坐標系與轉子旋轉不同步，在穩態時其不影響控制環功能，但通常需要對其進行計算和補償，以改進在暫態過程中的控制效果。電流控制環計算的仿真模型結構如圖4所示。

2.3 電流控制環計算

圖5 定子電壓變換角的計算

3 雙饋感應風力發電機仿真實驗結果分析

本文搭建了2 MW的雙饋感應風力發電機的仿真模型，雙饋感應電機的變速運行有3個區間，即亞同步、同步與超同步。由于電網工作頻率為50 Hz且極對數為2，同步速度為300π rad/min。根據電動機慣例，功率為負值時電機工作狀態為發電機，反之則為電動機。為了觀察在不同工作情況下雙饋感應電機各電氣量的變化，并使發電機的工作情況盡可能貼近工程實際，本文對于幾個典型的運行狀態進行了單獨的模擬。

3.1 功率變化過程的仿真結果分析

在實際的風力發電并網過程中，由于風能的不穩定性與電網的需求變化，對于雙饋感應風力發電系統的控制應能夠實現對于功率實際需求的跟蹤，因此對功率指令值變化的情況進行模擬。當電機工作在0.9倍同步轉速的亞同步轉速下，以發電機狀態向外輸出2 MW有功功率，吸收0.1 Mvar無功功率；在第1 s時有功功率突變為1.7 MW，在第2 s時無功功率突變為0.3 Mvar。仿真數據如圖7所示。

通過觀察圖7(a)可以發現，在有功和無功發生突變的時刻，定子側的實際功率在對應時刻發生突變，并且很快達到有功與無功功率的給定值；由圖7(b)可以看出，轉子軸電流與轉子軸電流分別在對應的時刻發生突變，且其中一個分量變化時，另一分量幾乎沒有影響，僅在PI控制器作用下發生了微小的振蕩。因此可以認為，有功功率與無功功率的控制實現了解耦，其分別由轉子的軸和軸電流分量單獨控制，與前文的理論分析一致。

圖6 雙饋感應風力發電機仿真模型圖

3.2 功率變化過程的仿真結果分析

風力發電系統實際運行時，必然會遇到風速變化的情況，為了驗證雙饋感應風力發電系統在風速變化情況下均可以穩定運行，進行變風速模擬仿真。為模擬不同時間段風速變化，設置雙饋感應發電機在1~2.5 s內以正弦規律由0.7倍轉速增加為1.2倍轉速，而后在2.5~4 s內以正弦規律降為0.7倍同步轉速，轉速變化曲線如圖8所示。

圖8 雙饋感應風力發電機轉速變化

在此條件下，雙饋感應風力發電系統輸出有功功率為2 MW，吸收無功功率為0.1 Mvar，利用模型仿真模擬，定子側功率與轉子三相電壓數據如圖9所示。

由圖9(a)可知，即使風速發生變化，雙饋感應電機的輸出功率始終保持在目標值，實現了變速下的功率控制。而隨著風速的變化，電機轉速也隨之產生變化，與此同時轉子繞組端電壓的頻率和幅值也在不斷調節，以維持功率恒定。如圖9(b)所示，在雙饋感應電機由亞同步狀態過渡到超同步狀態的過程中，轉子三相電壓的相序也發生了改變。

4 結論

本文對于空間矢量的表達以及坐標變換的原理進行研究，并利用空間矢量表達與坐標變換，簡化了雙饋感應電機的數學模型，為進一步建立雙饋電機的控制系統提供了數學基礎。之后通過定向電網電壓矢量建立同步旋轉坐標系，實現了感應電機的矢量控制，以及感應電機有功與無功功率間的解耦，使其可以分別跟蹤指令功率。并且對于電流指令值計算、變換角計算等進行分析。最后建立仿真模型對控制方案進行驗證。結果表明：通過坐標能夠將雙饋感應電機進行有效控制，并且在外部因素干擾(如功率與風速波動等)情況下保證雙饋感應風力發電機的正常工作。本文雖對雙饋感應風力發電機進行恒速恒頻與功率解耦控制，但是本文是基于理想條件提出的感應電機模型，并進行控制策略研究，與實際系統存在偏差，矢量控制與工程實際的結合值得后續進一步探究。

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A grid-connected control strategy for doubly-fed wind turbines for new power systems

TAN Zhukui, WEN Xiankui, YANG Tao, ZENG Peng, HU Minghui

(Electric Power Research Institute of Guizhou Power Grid Co., Ltd., Guiyang 550002, China)

The doubly-fed induction wind turbine is an asynchronous motor with a three-phase excitation winding structure, and its operation has the characteristics of variable speed and constant frequency, so it has important application value in the field of wind power generation in new power systems. In this paper, a mathematical model under thecoordinate system is constructed using the Park transformation, and the active and reactive power of the motor are controlled separately, and the voltage-oriented vector control method is used to realize the variable-speed and constant-frequency operation of the doubly-fed induction wind turbine. After that, a complete model of the doubly-fed induction wind turbine and its control system is built, and the effect of the proposed control strategy is verified. The simulation results show that the control strategy has a good tracking effect on the power command value, and can achieve stable variable-speed and constant-frequency operation with changing wind speeds.

new power system; doubly-fed induction generator; coordinate transformation; variable speed constant frequency; power decoupling

10.19783/j.cnki.pspc.220375

南方電網有限責任公司科技項目資助(GZKJXM 20210373)

This work is supported by the Science and Technology Project of China Southern Power Grid Co., Ltd. (No. GZKJXM20210373).

2022-03-21；

2022-04-27

談竹奎(1975—)，男，通信作者，碩士，教授級高級工程師，研究方向為智能電網、配網自動化；E-mail: tanzk@ 163.com

文賢馗(1972—)，男，碩士，教授級高級工程師，研究方向為新能源發電、儲能技術等；E-mail: 13985410224@ 139.com

楊 濤(1987—)，男，碩士，高級工程師，研究方向為電氣設備狀態監測等。E-mail: yangtao17@foxmail.com

(編輯 魏小麗)