双馈风力发电系统控制策略研究童子晋

双馈风力发电系统控制策略研究童子晋

童子晋

（江苏国信东凌风力发电有限公司江苏南通226400）

摘要：为了保证双馈风力发电机组输出功率最大，一般在额定风速以下，要求风力机保持最佳叶尖速比，才能获得最大的气动功率，风速变化、桨距角的调整和叶尖速比的变化都影响风力发电机组的输出功率。本质上风电机组的控制目标就是通过一定的控制方法时风轮的转速跟随风速的变化，保持最佳叶尖速比，实现最大风能追踪的控制。由于风电机组本身具有多变量、惯性大、非线性等特点，传统的控制方法很难保证跟随风速的变化，而且风速快速变化的情况下，严格跟踪风速又会引起较大的机械振动，对机械部件造成损害。

关键词：双馈风力发电；系统控制；措施分析

全球经济发展带来了巨大的能源需求，传统的能源供应已经很难满足需求并且也会带来雾霾等环境问题。寻找新型环保优质能源已经成为当下的热门课题。风能作为广泛存在于自然界的能量，其可再生性、无污染性和巨大的含量等优点已经被人们接受并且引起了重视。我国幅员辽阔，地理位置优越，具有丰富的风能资源，并且已经建立了很多的风力发电厂。

1双馈风力发电系统的模型

1.1双馈异步发电机的运行

双馈式异步发电机通常也叫做“异步化同步发机”，因为其本身虽属异步范畴，但是其却像同步机一样拥有独立的励磁系统，因而得到“异步化同步电机”这个称呼。其“双馈”的特点则体现在电机本体的定子和转子都可以直接和电网相连，且两侧都能够向电网输送电能。双馈电机的“异步化同步”的特点，体现在其存在励磁电流、频率和相位角三个可调量。可以像同步电机一样通过调节励磁电流达到调节无功功率的目的，还可以通过调节频率改变电机的转速实现变速恒频发电，也可以通过改变励磁的相位角使系统的功率角也发生改变。双馈异步发电机具有这些优点的前提是，电机的励磁电流是交流电。但是也正是由于这一点，对励磁电流的控制就更具有难度。现在多数电机的控制是采用基于定子磁链定向和定子电压定向的矢量控制，借助这种控制方式可以实现可以独立调节各个量却不产生相互耦合的目的。

1.2双馈异步发电机的数学模型

1）三相静止坐标系下DFIG的数学模型

在列出DFIG的数学模型前，一般将电机的定子侧按发电机惯例的列写，而转子侧以电动机的惯例列出，还要做出如下的假设：

（1）三相绕组对称排列，不计空间谐波，并且设定磁势在气隙内是按照圆周正弦分布的；（2）不计磁路饱和，认为各绕组之间的自感和互感与磁路工作点有关，但是是与磁路工作点相关的恒值；（3）忽略由频率和温度的改变引起的绕组电阻的变化；（4）忽略铁耗。在abc三相静止坐标系下的DFIG的定子电压方程表示为：

2）两相静止坐标系下DFIG的数学模型

交流励磁发电机其各个电磁量在abc三相静止坐标系下对于坐标轴是静止的，而通过坐标变换，将其转换到以同步速度1w旋转的dq0坐标系下，使各个变量变成了直流量。电机的数学模型在dq0坐标系下变成了常微分方程，电流、磁链等电磁量也变成了直流量，从而消除了abc坐标系下数学模型的非线性和强耦合性。

在矢量控制原理中，要将abc坐标系下的方程变换到dq轴坐标下的方程，需要经过两次变换。首先经过3s/2s变换，将其转到两相静止坐标系下，在经过2s/2r变换，转换到dq坐标系下。

2双馈风力发电系统的功率控制研究

双馈风力发电系统中由于拥有的变频器容量比较小，并且可以相互独立的控制系统的有功功率和无功功率，因而被广泛应用到风电场中。就目前情况看来，风电场中的双馈发电机大多数运行在功率因数下，即双馈发电机不发出无功功率，使电机本身的无功功率调节能力使用受到限制。在风速变化情况下，为了能够保证风电系统跟随风速的变化输出有功功率而无功功率基本保持不变，目前双馈式风力发电系统多采用矢量控制技术，以获得最佳的有功功率和无功功率解耦控制。

借助调节风电机组输出的有功功率的办法，达到控制电机转速的目的，进而可以使系统运行在最大风能追踪模式下。通过控制机组的输出的无功功率可以调节整个系统的功率因数，改善风电系统的静态和动态稳定性。对于转子侧变换器来说，无功功率参考值是根DFIG的最小损耗来确定的。当系统连入的电网有波动或者降落的时候，应该以单位功率因数模式运行，使得转子侧变换器以单位功率因数运行，而网侧变换器则负责整个系统中的无功电压的调节任务。对于网侧变换器来说，要想使系统保持运行在单位功率因数下，则需要对定子侧的无功功率进行一定的补充。一般来说，无功功率参考值多数由系统的调度指令来确定的，通过计算得出系统的无功功率给定值的多少。另外，也可以根据DFIG的各项参数计算无功功率参考值的大小，进而提高系统的运行效率。

3系统仿真分析

电机的电磁转矩会根据转速的变化而变化，但是当电网发生波动时，电磁转矩没有发生较大的变化。当电压波动时，定、转子电流在幅值和频率上都没有发生变化，说明本文采取的控制策略可以很好的抑制电网电压波动情况下定、转子侧的电流波动。系统输出的有功功率是跟随参考值的变化而变化的，说明系统能够很好的跟随最大风能捕获系统运行，并且当电网电压产生波动时，输出的有功功率维持不变，减小了电压波动对系统的冲击。当电网电压发生波动时，系统发出的无功功率也会发生改变，当电压恢复到稳定状态，无功功率也恢复到系统无功功率参考值，达到稳定机端电压的目的。

综上所述，全球经济快速发展，风能作为新型能源已经收到越来越多的重视和研究。随着机械，电力电子技术和现代电气技术的发展，双馈式风力发电系统成为了目前主流的风电系统。本文根据对双馈式风力发电系统的各个组成部分进行的分析和研究，在仿真平台下搭建了相应的仿真模型：使整个风电机组运行在最优区域，实现了最大风能追踪控制。

参考文献：

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[2]钟沁宏，阮毅，赵梅花，谈立.变步长爬山法在双馈风力发电系统最大风能跟踪控制中的应用[J].电力系统保护与控制，2013，09：67-73.

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