雙饋變速恒頻風電系統控制研究

陳誠　錢磊　蘇俊

摘 要：文章以雙饋異步電機為風力發電的變流器，分析了雙饋式變速恒頻風電系統在功率因數校正、電網電壓畸變及無功補償方面的控制策略，重點介紹了雙饋變速恒頻風電場系統，基于功率因數校正的控制方法分析了雙饋異步發電機并網運行時電網電壓畸變對風力發電系統運行穩定性和電能質量的影響，最后通過仿真驗證了控制策略的正確性。仿真結果表明：文章提出的雙饋變速恒頻風電系統可以有效改善雙饋異步電機并網運行時因電壓畸變帶來的性能下降問題。

關鍵詞：風力發電 調速控制 變速恒頻 并網控制

1 引言

根據國家能源局的統計數據，2022年我國用電量繼續保持上升勢頭，全年用電量達到8.4萬億千瓦時，同比增長2.2％。2030年，我國一次能源消費預計將達到60億噸標準煤左右，若希望其中傳統能源占比不超過80％，則意味著二十年內非化石能源需增加一倍之多[1]，任務依舊十分艱巨。隨著風電技術和風力發電機組技術水平的提高，風電機組單機容量不斷增加，風電行業向著大功率、高功率密度方向發展。

目前雙饋風電機組的主流控制方式為電流源型矢量控制方式，但其缺乏自主的頻率與電壓支撐能力，而電壓源型虛擬同步機控制方式能解決上述缺點，通過一種雙饋風電機組電壓源電流源雙模式運行平滑切換控制策略，分析以上兩種控制方式，使控制模式切換問題轉變為保證電流內環輸入與相位平滑切換問題[2]。薛利晨等[3]在DSPACE環境中實時實現基于雙饋感應發電機（DFIG）的風能轉換系統（WECS）的自適應非線性控制策略，而且DSPACE-DS1104板與風力發電系統的實驗臺直接相關[4]。目前，非線性反步控制器已經實現，用于控制通過兩個轉換器（電網側和機器側）直接連接到電網的雙饋風電機組的轉子動能和減載功率。針對雙饋異步風力發電機組的特點，孫浩寧等[5]從轉子動能入手，通過控制減載運行方式，協調風機的轉子動能與減載功率之間的關系，控制轉子能量的釋放過程，充分利用轉子的旋轉動能，可以提升風機電網調頻能力；從另一個方面來說，隨著風電滲透率的不斷提高，雙饋風電機組能夠快速響應電網頻率的變化，具有重要的慣性響應特性。

有學者從雙饋感應發電機的勵磁控制原理入手，對比了同步發電機在故障下的瞬態頻率特性，提出雙饋感應發電機可以通過勵磁來控制發電機的轉速或有功功率[6]。為了減少風電場節點電壓偏差和網絡損耗，王耀翔等[7]基于雙饋風電機組有功功率數據，估算出機組的無功功率極限，并分析了風電場的無功容量構成及計算方法以減小風電場節點電壓偏差、降低網絡損耗和利用風電機組無功潛力為目標，構建多目標問題，最后利用優化算法求解。針對變速恒頻雙饋風力發電勵磁控制問題，彭睿等[8]基于控制算法和控制技術對變速恒頻風力發電關鍵技術進行研究分析，減少了波動電壓、電流的影響。為了解決原風電模型中存在的部分耦合和非線性問題，不少學者[9-11]有效地開展了這方面的工作，為研究高性能控制策略打下了基礎。針對風電機組參與電力系統調頻、風電功率預測等問題，徐鵬超等[12]通過研究雙饋風電機組參與系統慣量和一次調頻分析，提出了附加轉速優化虛擬慣量控制，為電力系統持續提供有功功率支撐，阻止系統頻率進一步下跌。Liu Zhichao等[13]提出一種自適應VSPS動態虛擬慣量控制策略，通過動態補償雙饋變換器的參考功率，該策略能夠有效提高電網的頻率穩定性。張宇森等[14]針對電網電壓定向的雙閉環控制策略設計了一種模糊控制算法以優化其控制效果，經仿真實驗驗證控制效果良好。

可以發現，雙饋電機具有結構簡單、低噪聲、無機械運動部件等優點，在風力發電中得到了廣泛的應用，目前已有許多學者研究了雙饋電機的控制策略。本文所提出的控制方法是將一臺雙饋異步電機和一臺永磁同步發電機串聯起來組成兩個變速恒頻風電系統，分別采用矢量控制方式實現功率補償和電壓調整?；?PSCAD/EMTDC平臺搭建仿真模型驗證控制策略的正確性。

2 雙饋變速恒頻風電場系統介紹

本文所提出的雙饋變速恒頻風電系統是一種通過改變發電機轉子的轉速來控制雙饋異步發電機轉子的轉速，實現風機最大功率運行的風電系統。雙饋調速系統主要由雙饋異步電機、三相交流同步發電機、三相逆變升壓變換器及 SVPWM調制方法等組成，雙饋異步電機采用了定子電阻較小，定子電流不對稱的永磁同步電機。

風機額定轉速下的功率和轉速關系如圖1所示。

通過雙饋式變流器和三相逆變升壓變換器可以實現風機在額定轉速下最高發電功率最大且變速恒頻運行，并保持并網逆變器最大電流輸入功率為零。

對于電網電壓畸變問題，根據雙饋異步電機功率因數校正原理和矢量控制原理，利用雙饋式變流器將額定負載條件下并網逆變器輸出電壓波形中直流側電壓進行正序分量變換得到有功分量和無功分量。

3 雙饋風電機組的數學模型及參數

考慮到風的隨機性和不確定性，為了使整個風電系統具有較好的穩定性，應采用非線性模型。本文研究的雙饋風電機組數學模型為兩臺異步電機，其轉子和定子繞組均由對稱型繞組場形成，轉子電流矢量方向與定子場矢量方向相同。轉子轉矩為ω=0的情況下，當轉速低于某一固定值時，電機旋轉方向保持不變。在雙饋風電機組中，永磁同步電機（PMSM）工作于低頻轉矩模式（LF）并聯運行方式；而定子繞組（GH）通過電感耦合方式實現高頻運行。從上述數學模型可以看出，風電機組具有較好的解耦性能和穩定性。

本文根據雙饋風電機組的具體結構及電機學原理，建立了如下所示的雙饋風電機組數學模型，有：

式中，——同步轉速（r/min）；——轉子磁場在空間的旋轉速度（r/min）；——轉子磁場相對于轉子的旋轉速度（r/min）；——轉子的旋轉速度（r/min）。

將上式可以化成：

式中，，頻率的單位為HZ。

由上式可知，不管轉子的旋轉速度怎么變化，雙饋風電機組都可以通過改變其變流器轉子繞組的電流頻率，使定子側電流頻率維持穩定，因此達到了變速恒頻的目的。

4 雙饋風電系統的變速恒頻控制策略

通過建立風電機組的數學模型，并對其進行分析后建立雙饋風電機組的最大功率點跟蹤控制策略。

風電機組的風能利用系數是葉尖速度比λ的函數，圖2為某一固定風速下的與λ的關系圖。圖中，即為最大功率點追蹤控制的最大輸出功率點?？赏ㄟ^控制風電機組的轉速調節葉片角速度，實現風電機系統的最大功率點追蹤。此時，風電機的轉矩參考值可利用描述，如式（3） 所示。

式中：ρ為空氣密度，kg/m3；R為葉片半徑；為最佳葉尖速比；為風機風輪角速度。

即式（3）可根據風速、風能利用系數計算最大功率點處風電機組的轉矩，作為控制策略的轉矩參考值。

為使雙饋風電系統在變速恒頻運行下更穩定運行，本文提出一種雙饋式風力發電系統結構，如圖3所示。

4.1 功率因數控制策略

對于雙饋異步永磁同步發電機，功率因數校正策略可以采用控制方法實現。在實際的雙饋風力發電系統中，隨著雙饋異步發電機的單機容量增大，其有功功率和無功功率會隨之增大。此時在雙饋異步電機中可以用電壓矢量的控制方法來實現。電壓矢量與有功功率控制可以采用矢量切換方式或者電壓矢量與有功功率的切換方式進行。但是傳統的電壓矢量切換方式存在以下問題：由于雙饋異步發電機具有復雜的非線性模型和非線性特性，同時，系統中存在兩個獨立工作點，使得傳統的電壓矢量法很難實現兩個穩定解耦；另外，如果所采用的電壓矢量數目過多或者控制信號發生突變時，雙饋異步發電機將無法進行有效地解耦。

針對上述問題提出了一種基于兩點坐標同步調節方法來實現雙饋異步發電機的解耦控制；同時提出了一種改進的雙饋式轉矩控制方法來實現雙饋式電機轉速與有功功率和無功功率之間相互解耦。

4.2 電網電壓畸變控制策略

并網運行時，雙饋式變速恒頻風電系統和雙饋異步發電機的控制策略如下：

1）雙饋異步發電機的有功功率由風機發電功率決定，在一定風速范圍內其出力隨電網電壓升高而減小，不會引起機組失速；

2）風力發電系統具有較大的容量，雙饋異步發電機有功功率與風機輸出有功相匹配，可有效提高風機在額定風速下的輸出功率；

3）雙饋異步發電機有功側與無功側之間沒有交互作用；

4）雙饋異步風機、雙饋同步發電機具有較好的動態性能；

5）并網運行時，不存在因電網電壓畸變引起風力機出力和轉速波動，也不會因電壓畸變引起功率波動和電壓偏差。

電網電壓畸變控制原理如圖4所示。

由圖4可知：雙饋風機和雙饋異步電機在額定風速下并網運行時對電網電壓的影響較大，但由于風力機在額定風速下并未與風電機組同時并網發電，因此對系統影響最大的環節為兩臺風機并網運行。

4.3 無功補償控制策略

在無功補償方面，由于風機容量大，功率因數低，風機的轉速較高，所以為了防止電機過負載會產生的負序電流影響系統電壓穩定，應進行無功補償。

在傳統的 PSCAD仿真軟件中可以建立風機與變流器之間的虛擬樣機并進行仿真。仿真前首先通過 Matlab搭建風機模型，然后根據系統模型對變流器的控制策略進行設計，包括并網變流器電壓電流閉環控制方案設計和功率補償方案設計以及有功無功功率的閉環控制方案設計。當電網電壓發生畸變時，在并網變流器輸入端加入無功調節器可以有效地減少網側功率因數降低，抑制諧波產生。通過對風機的虛擬樣機進行仿真研究發現：當風機并網時其輸入為正弦波時風電場在額定風速下可獲得較高功率因數。根據雙饋式變速恒頻風電系統中風機與雙饋異步發電機間有功和無功轉換關系仿真曲線圖可以看出：在給定風速下并網運行時有功功率和無功功率的差值較小。另外，根據仿真結果可以發現當網壓升高時并網逆變器電壓會出現負序現象這一現象也得到了有效改善。

5 仿真研究結果與分析

本文以雙饋風電系統為研究對象，建立了如下的仿真模型：

風機轉速為[12，12]；電網電壓為[12，5]，電壓畸變指數分別為[0.003，0.005]、[0.007，0.006]，其中電壓畸變指數均與額定電壓偏差不超過5%；風速為[12，18]。

根據仿真模型的參數設置進行仿真試驗：

1）風機轉速和風機有功功率、無功功率變化率曲線圖見圖5：

2）風電機組輸出功率曲線隨風速和額定風速變化：風速增加至30m/s時最大功率點的輸出功率增加到6800kW左右。

3）網側電壓畸變指數隨著電網輸入電壓畸變率的增加而減?。寒斴斎腚娏鳛?00A、220V時，電網電壓畸變率分別為0.35%、0.08%；當輸入電流為1A、110V、380V時，電網電壓畸變率分別為0.03%、0.02%和0.006%。

6 結論

本文針對雙饋異步式風電系統，提出了一種雙饋式變速恒頻風電系統的功率因數校正控制策略，重點研究了雙饋異步電機輸出電流的諧波分析方法，并根據該方法設計了雙饋式變速恒頻風電系統功率因數和電壓的控制策略。通過仿真驗證表明，該雙饋風機系統功率因數可以達到0.95以上。但是，由于雙饋異步電機采用雙速運行，使雙饋異步電機在額定轉速下并網會導致電網電壓發生畸變。因此針對雙閉環功率因數校正控制所帶來的電能質量問題，本文提出了一種無功補償算法以解決上述問題。通過設計一種基于功率因數校正的無功補償算法來實現雙饋式風電系統與電網電壓畸變的隔離。仿真結果表明：在額定風速下可以有效地抑制電網電壓畸變。通過對雙饋風機并網控制系統進行設計分析，建立了一套完整的雙饋風力發電系統數學模型。

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