雙饋式變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機的空載及負載并網(wǎng)策略

劉其輝 謝孟麗

（華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 北京 102206）

1 引言

并網(wǎng)是風(fēng)力發(fā)電機安全、高效運行的重要前提和條件。首先，并網(wǎng)是風(fēng)電機組的一種運行工況，是后續(xù)功率解耦控制的基礎(chǔ)[1,2]。當(dāng)風(fēng)速變化時發(fā)電機可能會發(fā)生多次并（脫）網(wǎng)操作。其次，隨著單機容量逐漸增大，并網(wǎng)安全性也將更加突出。如海上風(fēng)機單機容量一般在2～3MW以上，大功率機組的定子漏阻抗很小，微小的并網(wǎng)壓差就可能產(chǎn)生破壞性的沖擊電流，從而引起電網(wǎng)電壓的大幅下降，導(dǎo)致較大的沖擊和震蕩，嚴重時甚至?xí)p壞發(fā)電機，對電網(wǎng)安全造成威脅[3]。因此，深入研究風(fēng)電機組并網(wǎng)技術(shù)，對于保障其安全穩(wěn)定運行具有重要的意義。

傳統(tǒng)的風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)主要有同步發(fā)電機整步與同步并網(wǎng)、異步發(fā)電機直接并網(wǎng)、準同期并網(wǎng)、捕捉式準同步并網(wǎng)等[2,4,5]，這些技術(shù)對調(diào)速性能要求較高，實現(xiàn)復(fù)雜，只適用于恒速恒頻機組。相對于恒速恒頻，變速恒頻（Variable Speed Constant Frequency，VSCF）風(fēng)電技術(shù)具有效率高、磨損小和電能質(zhì)量佳等諸多優(yōu)點。采用雙饋異步發(fā)電機（Doubly-Fed Induction Generator，DFIG）的雙饋式變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機是目前應(yīng)用最廣泛的機型[6-9]。如圖1所示，DFIG定子直接接入電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子通過變換器接入電網(wǎng)，通過變換器對轉(zhuǎn)子施加頻率、幅值和相位均可調(diào)的“交流勵磁”，不但可實現(xiàn)有功、無功功率的解耦，而且還可實現(xiàn)轉(zhuǎn)速、頻率的解耦，使DFIG與電網(wǎng)之間構(gòu)成“柔性連接”，為機組的安全并網(wǎng)提供了條件。因此，DFVSCF風(fēng)電機組并網(wǎng)技術(shù)近年來得到了廣大學(xué)者的重視和研究[10-15]。文獻[10]總結(jié)了DFVSCF風(fēng)電機組的現(xiàn)有并網(wǎng)方式，指出空載并網(wǎng)實現(xiàn)簡單，是應(yīng)用最廣的并網(wǎng)技術(shù)；文獻[11]采用電網(wǎng)電壓定向建立了DFVSCF風(fēng)力發(fā)電機空載并網(wǎng)控制策略，并進行了實驗驗證；文獻[9,12]采用了定子磁鏈定向矢量控制實現(xiàn)DFVSCF風(fēng)力發(fā)電機并網(wǎng)；文獻[13]采用虛擬磁鏈定向技術(shù)實現(xiàn)了DFVSCF風(fēng)力發(fā)電機的柔性并網(wǎng)，無需檢測電網(wǎng)電壓，但需要網(wǎng)側(cè)變換器的配合和額外的硬件設(shè)計；文獻[14,15]在常規(guī)矢量控制基礎(chǔ)上，分別采用了自抗擾和模糊控制技術(shù)，提出了不需要精確發(fā)電機參數(shù)的并網(wǎng)策略，目的是提高魯棒性和穩(wěn)定性，但是算法復(fù)雜，實際性能缺乏實驗驗證。

圖1 DFVSCF風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)Fig.1 DFVSCF wind power generation system

從上述分析看出，空載并網(wǎng)是目前DFVSCF風(fēng)力發(fā)電機并網(wǎng)研究的主要內(nèi)容，各文獻已經(jīng)提出了多種控制策略和實現(xiàn)方案。但是還存在一些不足，表現(xiàn)在：①大部分文獻僅采用數(shù)字仿真來驗證策略的可行性，缺乏更深入的實驗研究；②沒有建立DFIG空載并網(wǎng)時的轉(zhuǎn)子控制模型；③并網(wǎng)策略的前提是并網(wǎng)前DFIG空載，定子沒有電流，沒有考慮并網(wǎng)前已有負載的情況。實際上有時由于本地負荷的存在，風(fēng)力發(fā)電機并網(wǎng)前定子有電流，此時上述各種空載并網(wǎng)技術(shù)不再適用，需要研究負載并網(wǎng)技術(shù)，這在目前國內(nèi)外文獻中鮮有提及。本文在分析DFIG空載、負載數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，同時研究了DFVSCF風(fēng)力發(fā)電機空載、負載兩種并網(wǎng)技術(shù)，并基于定子磁鏈定向構(gòu)建了空載、負載并網(wǎng)矢量控制策略，建立了兩種并網(wǎng)方式下的轉(zhuǎn)子控制模型，為控制器的設(shè)計提供了依據(jù)，最后對兩種并網(wǎng)控制技術(shù)的性能特征進行了實驗對比分析。實驗研究表明：兩種并網(wǎng)控制技術(shù)均不受機組轉(zhuǎn)速的影響，調(diào)節(jié)迅速，并網(wǎng)電流沖擊較小，適合于不同運行條件下的DFVSCF風(fēng)力發(fā)電機并網(wǎng)。

2 并網(wǎng)控制原理

DFIG并網(wǎng)條件是定子電壓與電網(wǎng)電壓的幅值、頻率、相位相同[9]。并網(wǎng)控制就是控制定子電壓滿足并網(wǎng)條件，盡可能減小并網(wǎng)沖擊電流。

DFIG并網(wǎng)前可運行于空載和負載兩種情況，為了方便，對應(yīng)的并網(wǎng)方式分別簡稱為空載并網(wǎng)和負載并網(wǎng)，控制結(jié)構(gòu)如圖2所示?？蛰d并網(wǎng)前發(fā)電機定子沒有電流，以電網(wǎng)電壓信息（頻率，相位，幅值）為依據(jù)，通過轉(zhuǎn)子勵磁控制定子電壓與電網(wǎng)電壓在頻率、相位和幅值上達到一致。負載并網(wǎng)前DFIG帶有負載，定子繞組有電流流過，此時需根據(jù)電網(wǎng)信息和發(fā)電機定子電壓、電流對發(fā)電機進行勵磁控制和電壓調(diào)節(jié)，實現(xiàn)安全并網(wǎng)。

圖2 DFVSCF風(fēng)力發(fā)電機并網(wǎng)控制結(jié)構(gòu)Fig.2 Grid-connection structures of DFVSCF wind power generator

3 DFIG常規(guī)模型及空載模型

為了推導(dǎo)兩種并網(wǎng)控制策略，首先建立了兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下DFIG常規(guī)模型和空載模型[1,9]。

采用發(fā)電機慣例時，mt坐標(biāo)系下DFIG常規(guī)模型（運動、轉(zhuǎn)矩方程略）為

式中R1，R2——定、轉(zhuǎn)子電阻（下標(biāo)1代表定子，2代表轉(zhuǎn)子）；

L1,L2,Lm——mt坐標(biāo)系下定、轉(zhuǎn)子等效自感及互感；

um1,ut1,um2,ut2——定、轉(zhuǎn)子電壓m、t軸分量；

im1,it1,im2,it2——定、轉(zhuǎn)子電流m、t軸分量；

ψm1,ψt1,ψm2,ψt2——定、轉(zhuǎn)子磁鏈m、t軸分量；

ω1,ωr及ωs——同步、轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)差角速度；

p——微分算子。

空載時DFIG定子電流為零，將im1=it1=0代入式（1）～式（4）可得到DFIG空載模型

4 DFIG空載及負載并網(wǎng)策略

4.1 定子磁鏈定向及磁鏈觀測

并網(wǎng)控制的實質(zhì)是根據(jù)電網(wǎng)信息及DFIG運行參數(shù)，計算出建立符合并網(wǎng)條件的定子電壓所需的參考定子磁鏈，并通過變換器對轉(zhuǎn)子電流進行有效控制。為了獲得較好的動態(tài)性能，可采用磁場定向矢量控制技術(shù)。本文采用定子磁鏈定向，將m軸定于定子磁鏈矢量ψ1方向。工頻下DFIG定子電阻可忽略不計（R1=0），定子電壓矢量u1等于定子電動勢矢量e1，且滯后于ψ190°，位于t軸負方向，即

式中，ψ1、u1分別為ψ1、u1的幅值。

根據(jù)式（9）、式（10）式及R1=0，式（1）可化簡為

由式（11）知，定子磁鏈幅值恒定，為u1與ω1之比。

定子磁鏈的準確估算是并網(wǎng)控制的關(guān)鍵，需要建立高性能磁鏈觀測器。磁鏈觀測器有多種類型，如電壓型、電流型、混合型等。電壓型觀測器存在積分誤差，電流型觀測器易受發(fā)電機參數(shù)的影響，而混合型觀測器實現(xiàn)復(fù)雜。因此，本文構(gòu)造了一種u-ω型磁鏈觀測器。如前所述，ψ1相角θs與u1相角θu滿足

根據(jù)式（11）、式（12）可設(shè)計DFIG磁鏈觀測器如圖3所示。該觀測器只檢測電網(wǎng)電壓，既不依賴于發(fā)電機參數(shù)，也無積分運算，簡單高效。

圖3 u-ω 型DFIG定子磁鏈觀測器Fig.3 u-ω type stator flux linkage obvserver of DFIG

4.2 空載并網(wǎng)控制策略

根據(jù)式（9）、式（10），式（7）、式（8）化為

可見，此時it2=0。將式（14）代入式（2），得

式中，um′2、ut′2為解耦項，Δum2、Δut2為補償項，且

由式（9）～式（17）可建立DFVSCF風(fēng)力發(fā)電機空載并網(wǎng)控制策略，該策略采用轉(zhuǎn)子電流單閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，通過電網(wǎng)電壓計算出DFIG參考定子磁鏈并對轉(zhuǎn)子電流進行控制。該策略及相應(yīng)的轉(zhuǎn)子電流控制模型可參見文獻[9]，本文不再贅述。

4.3 負載并網(wǎng)控制策略

負載并網(wǎng)思路：并網(wǎng)前DFIG負載運行（如電阻性負載），根據(jù)電網(wǎng)信息和定子電壓、電流對DFIG進行控制，滿足并網(wǎng)條件時實現(xiàn)安全并網(wǎng)。

將式（9）代入式（3）得

定義ims為定子等效勵磁電流，滿足

則ims與ψ1成正比關(guān)系，改變ims可以調(diào)節(jié)u1。由式（18）、式（19）可得出im2和ims的關(guān)系為

將式（18）代入式（4）可得

將式（21）代入式（2）得到

由式（9）～式（12）、式（18）～式（24）可建立DFVSCF風(fēng)力發(fā)電機負載并網(wǎng)控制策略，如圖4所示。負載并網(wǎng)策略采用電壓、電流雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，外環(huán)為定子電壓環(huán)，內(nèi)環(huán)為轉(zhuǎn)子電流環(huán)。與空載并網(wǎng)相比，負載并網(wǎng)除采集電網(wǎng)電壓外，還需要采集定子電壓和定子電流。

圖4 DFIG負載并網(wǎng)控制策略Fig.4 Strategy of grid-connection of DFIG with load

圖5 為DFIG負載并網(wǎng)時的轉(zhuǎn)子控制模型，不考慮耦合項時，轉(zhuǎn)子電壓到電流為一階傳遞函數(shù)，其時間常數(shù)為T2=a2/R2，據(jù)此可進行圖4中電流PI控制器的設(shè)計。

圖5 DFIG負載并網(wǎng)轉(zhuǎn)子電流控制原理圖Fig.5 Control model of rotor current of DFIG grid-connection with load

負載并網(wǎng)在并網(wǎng)前DFIG有電功率輸出，可以參與機組的功率平衡控制和速度調(diào)節(jié)。設(shè)DFIG并網(wǎng)前接有三相星形聯(lián)結(jié)的純阻型負載，每相阻值為R，電網(wǎng)相電壓有效值為U1rms，則DFIG輸出功率為

DFIG功率關(guān)系可表示為[1]

式中Pcu1，Pfe1為——DFIG定子銅耗和鐵耗；

Pe——電磁功率；

s1——轉(zhuǎn)差率；

PM，Pm′，Pm——輸入發(fā)電機機械功率、機械損耗和發(fā)電機獲得的凈機械功率。

由式（25）、式（26）可得到

如果DFIG的變速范圍為同步速的±30%，則風(fēng)力機輸出的穩(wěn)定范圍為

4.4 兩種并網(wǎng)策略的比較

空載并網(wǎng)的控制結(jié)構(gòu)簡單，檢測量少，適用于DFIG并網(wǎng)前不帶負載的情況。并網(wǎng)控制過程中DFIG無電功率輸出，完全由風(fēng)力機控制轉(zhuǎn)速。風(fēng)力機需吸收少量風(fēng)能以提供機組的機械、電氣損耗功率，如果吸收風(fēng)能過多，則會造成功率失衡而導(dǎo)致機組飛車。

相對于空載并網(wǎng)，負載并網(wǎng)的控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜，檢測量較多，適用于DFIG并網(wǎng)前帶有本地獨立負荷的情況。并網(wǎng)過程中DFIG有電功率輸出，可以參與風(fēng)力機的能量控制，既能通過改變發(fā)電機的負載來調(diào)節(jié)發(fā)電機能量輸出，又能通過改變發(fā)電機的轉(zhuǎn)速來改變能量在發(fā)電機內(nèi)部的分配關(guān)系，實現(xiàn)了發(fā)電機能量的“粗調(diào)”和“細調(diào)”。

5 實驗研究

本文對DFVSCF風(fēng)力發(fā)電機的兩種并網(wǎng)控制策略進行了實驗研究。實驗裝置采用電動機模擬風(fēng)力機，以雙PWM變換器作為DFIG的轉(zhuǎn)子勵磁電源，實驗參數(shù)如下：額定功率：15kW；定子額定電壓:380V/50Hz；極對數(shù)：pn=3；R1=0.379Ω,R2=0.314Ω,L1=0.0438H,L2=0.0449H,Lm=0.0427H；變換器開關(guān)頻率：10kHz；變換器直流電壓：150V；負載電阻：100 Ω/Δ。圖6～圖8為空載并網(wǎng)實驗結(jié)果，圖9～圖11為負載并網(wǎng)實驗結(jié)果。圖中nm、P1、Q1分別為DFIG轉(zhuǎn)速、輸出有功、無功功率。

圖6與圖9分別為DFIG空載并網(wǎng)和負載并網(wǎng)時三種典型轉(zhuǎn)速（亞同步速、同步速、超同步速）下的定子電壓與轉(zhuǎn)子電流波形。圖中，在轉(zhuǎn)速變化時，DFIG轉(zhuǎn)子電流的頻率發(fā)生變化，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)子側(cè)的“交流勵磁”，定子電壓的頻率保持恒定，實現(xiàn)了“變速恒頻”。圖7與圖10分別為空載并網(wǎng)時的電網(wǎng)電壓和定子電壓的對比波形以及定子電壓的頻譜圖?？梢钥闯?，在兩種并網(wǎng)方式下DFIG定子電壓與電網(wǎng)電壓在幅值、頻率、相位上高度一致，滿足并網(wǎng)條件。圖8、圖11為并網(wǎng)瞬間的DFIG定、轉(zhuǎn)子電流波形，其中圖8為空載并網(wǎng)后DFIG無功率輸出和有功率輸出的情況，圖11為負載并網(wǎng)后DFIG無功率輸出和有功率輸出的情況?？梢钥闯觯瑑煞N并網(wǎng)控制方式下的并網(wǎng)過程均平穩(wěn)，定、轉(zhuǎn)子電流沖擊較小，動態(tài)過渡迅速。

圖6 DFIG不同轉(zhuǎn)速下空載并網(wǎng)控制的定子電壓和轉(zhuǎn)子電流波形Fig.6 Stator voltage and rotor current of DFIG grid-connection control with no-load at different speed

圖7 空載并網(wǎng)時電網(wǎng)電壓、DFIG定子電壓波形和定子電壓頻譜Fig.7 Grid voltage and DFIG stator voltage and the frequency spectrum of stator voltage of grid-connection with no-load

圖8 （并網(wǎng)后）DFIG不同輸出情況下空載并網(wǎng)瞬間的定、轉(zhuǎn)子電流波形Fig.8 DFIG stator current and rotor current at the moment of grid-connection with no-load with different output（after grid-connection）

圖9 DFIG不同轉(zhuǎn)速下負載并網(wǎng)控制定子電壓和轉(zhuǎn)子電流波形Fig.9 Stator voltage and rotor current of DFIG grid-connection control with load at different speeds

圖10 負載并網(wǎng)時電網(wǎng)電壓、DFIG定子電壓波形和定子電壓頻譜Fig.10 Grid voltage and DFIG stator voltage and the frequency spectrum of stator voltage of grid-connection with load

圖11 （并網(wǎng)后）DFIG不同輸出情況下負載并網(wǎng)瞬間的定、轉(zhuǎn)子電流波形Fig.11 DFIG stator current and rotor current at the moment of grid-connection with load with different outputs（after grid-connection）

6 結(jié)論

本文根據(jù)DFVSCF風(fēng)力發(fā)電機與電網(wǎng)之間的“柔性連接”特性，基于定子磁鏈定向矢量控制技術(shù)，研究了DFVSCF風(fēng)力發(fā)電機空載、負載兩種并網(wǎng)技術(shù)，主要工作和結(jié)論如下：

（1）在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下建立DFIG空載模型和常規(guī)模型，基于兩種模型分別推導(dǎo)了空載并網(wǎng)和負載并網(wǎng)策略，并進行了詳細的實驗研究。

（2）空載并網(wǎng)、負載并網(wǎng)的實質(zhì)均是通過轉(zhuǎn)子勵磁建立符合并網(wǎng)條件的定子電壓。其中，定子磁鏈的準確觀測是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，本文設(shè)計了不依賴于發(fā)電機參數(shù)、沒有積分誤差的u-ω型觀測器，建立了并網(wǎng)轉(zhuǎn)子控制模型，為轉(zhuǎn)子電流控制器設(shè)計提供了依據(jù)。

（3）空載并網(wǎng)策略采用轉(zhuǎn)子電流單閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，并網(wǎng)前發(fā)電機定子無電流，轉(zhuǎn)速僅由風(fēng)力機控制，該策略實現(xiàn)簡單，適用于并網(wǎng)前DFIG無負載的情況；負載并網(wǎng)采用電壓、電流雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，并網(wǎng)前發(fā)電機有電流，可參與機組的功率及轉(zhuǎn)速控制，該策略相對復(fù)雜，適用于并網(wǎng)前DFIG有負載的情況。

[1] 劉其輝,賀益康,趙仁德.變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大風(fēng)能追蹤控制[J].電力系統(tǒng)自動化,2003,27(20): 62 -67.Liu Qihui,He Yikang,Zhao Rende.The maximal wind-energy tracing control of a variable-speed constant-frequency wind-power generation system[J].Automation of Electric Power System ,2003,27(20):62-67.

[2] 葉杭冶.風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制技術(shù)[M].北京: 機械工業(yè)出版社,1998.

[3] Gerardo Tapia,Giovanna Santamar′?a,Mikel Telleria,et al.Methodology for smooth connection of doubly fed induction generators to the grid[J].IEEE Transaction on Energy Conversion,2009,24(4): 959-971.

[4] 趙斌,許洪華.大型風(fēng)力發(fā)電機組的軟并網(wǎng)控制系統(tǒng)[J].新能源,2000,22(12): 45-47.Zhao Bin,Xu Honghua.The cut-in control system of large scale wind energy generators[J].New Energy,2000,22(12): 45-47.

[5] 吳烽.風(fēng)力發(fā)電機并網(wǎng)技術(shù)綜述[J].風(fēng)力發(fā)電,1992(1): 5-8.Wu Feng.The sum-up of wind energy generator cut-in technology[J].Wind Energy Generation,1992(1): 5-8.

[6] Pena R,Clare J C,Asher G M.Doubly fed induction generator using back-to-back PWM converters and its application to variable-speed wind-energy generation[J].IEE Proceedings on Electric Power Applications,1996,143(3): 231-241.

[7] Mustafa Kayik?i,Jovica V Milanovic.Dynamic contribution of DFIG-based wind plants to system frequency disturbances[J].IEEE Transaction on Power Systems,2009,24(2): 859-867.

[8] Christian Feltes,Holger Wrede,Friedrich W Koch,et al.Enhanced fault ride-through method for wind farms connected to the grid through VSC-based HVDC transmission[J].IEEE Transaction on Power Systems,2009,24(3): 1537-1548.

[9] 劉其輝,賀益康,卞松江.變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機空載并網(wǎng)控制研究[J].中國電機工程學(xué)報,2004,24(3): 6-11.Liu Qihui,He Yikang,Bian Songjiang.The investigation of cutting-in control of variable-speed constant-frequency wind-power generator with noload[J].Proceeding of the CSEE,2004,24(3): 6-11.

[10] 李建林,趙棟利,李亞西,等.幾種適合變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機并網(wǎng)方式對比分析[J].電力建設(shè),2006,27(5): 8-10.Li Jianlin,Zhao Dongli,Li Yaxi,et al.Comparison and analysis on network synchronization modes of several kinds of variable speed constant frequency wind power generator[J].Electric Power Construction,2006,27(5): 8-10.

[11] 吳國祥,馬棉煒,陳國呈.雙饋變速恒頻風(fēng)力發(fā)電空載并網(wǎng)控制策略[J].電工技術(shù)學(xué)報,2007,22(7):169-175.Wu Guoxiang,Ma Mianwei,Chen Guocheng.Research on idle load grid-connection control strategy of variable-speed constant-frequency wind power generation[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2007,22(7): 169-175.

[12] 趙棟利,許洪華,趙斌,等.變速恒頻風(fēng)力雙饋發(fā)電機并網(wǎng)電壓控制研究[J].太陽能學(xué)報,2004,25(5): 587-591.Zhao Dongli,Xu Honghua,Zhao Bin,et al.Study on the cutting-in voltage control of a variable-speed constant-frequency doubly-fed induction generator[J].Acta Energine Solaris Sinica,2004,25(5): 587-591.

[13] 戰(zhàn)杰,張彥,劉其輝,等.基于電網(wǎng)虛擬磁鏈的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機柔性并網(wǎng)技術(shù)[J].電力自動化設(shè)備,2009,29(12): 74-78.Zhan Jie,Zhang Yan,Liu Qihui,et al.Flexible grid-connection technology based on grid virtual linkage for VSCF wind generator[J].Electric Power Automation Equipment,2009,29(12): 74-78.

[14] 付旺保,趙棟利,潘磊,等.基于自抗擾控制器的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)控制[J].中國電機工程學(xué)報,2006,26(3): 13-18.Fu Wangbao,Zhao Dongli,Pan Lei,et al.Cutting-in control of the VSCF wind-power generator based on auto-disturbance rejection controller[J].Proceedings of the CSEE,2006,26(3): 13-18.

[15] 康忠健,陳天立,王升花,等.基于模糊控制的雙饋風(fēng)力發(fā)電空載并網(wǎng)技術(shù)研究[J].電氣傳動,2010,40(1): 47-50.Kang Zhongjian,Chen Tianli,Wang Shenghua,et al.Study on idle load grid-connection control of doubly feeding wind-power system based on fuzzy-control[J].Electric Drive,2010,40(1): 47-50.