变速恒频双馈风力发电柔性并网控制策略及建模仿真

Research on Flexible Grid-connection Control Strategy and modeling-simulation

for VSCF Wind Power Generation

吴国祥

1,2

陈国呈

1

马祎炜

1

俞俊杰1 蔚兰

1

1上海大学机电工程与自动化学院、上海市电站自动化技术重点实验室 上海 200072 2南通大学电子信息学院 江苏南通 226007

Wu Guoxiang1,2 ,Chen Guo-cheng1 ,Ma Yi-wei1,Yu Jun-jie1 , Yu Lan1

1. Shanghai University shanghai 200072 China 2. Nantong University Nantong Jiangsu 226007 China

摘要：传统的风力发电并网方式为“刚性并网”，在并网瞬间会产生很大的冲击电流。本文根据交流励磁变速恒频风力发电的运行特点，将矢量控制的定子电压定向技术应用在双馈发电机的并网控制上，对风力发电的“柔性并网”进行了分析，即根据电网电压和电机转速来调节转子的励磁电流，在变速条件下实现无冲击电流并网，实现了输出有功和无功功率的解耦控制。建立了交流励磁发电机空载并网、负载并网、并网后的稳态运行和电网波动情况下的不脱网控制模型，完整的仿真研究验证了变速恒频风力发电柔性并网控制策略的正确性与有效性。

Abstract: Traditional wind power generation was rigidly cut in, the current impact on grid connection is extremely high. In this paper,by analyzing run characteristic of AC-excited variable speed constant frequency(AEVSCF) wind power generator ,stator voltage oriented vector control technique is used in doubly fed induction generator(DFIG), flexible grid-connection technique is analysed ,grid voltage and rotor speed are calculated to make generator output voltage meet grid-connection condition without overshoot current by excitating rotor current control, and obtain decoupling control of active power and reactive power .The modes of idle-load and on-load grid connection, running in ready state and fault ride through are established, complete simulation confirms the accuracy and validity of flexible grid-connection control strategy for VSCF wind power generation.

关键词：变速恒频 柔性并网 解耦 定子电压定向 建模仿真

Keywords: variable speed constant frequency (VSCF), flexible grid-connection, decoupling , stator voltage oriented，modeling and simulation

1 引言

风能是一种非常具有开发潜力的可再生能源,随着风力发电技术的大力发展，其并网技术也越来越得到重视[1,2]。风力发电的并网系统是一个多变量、时变、复杂的非线性系统[3]。传统的风力发电并网技术主要有直接并网、准同期并网和降压并网，而发出电能的频率完全取决于原动机的速度，与励磁无关，并网后要求原动机为精确同步速，且在并网瞬间产生很大的冲击电流和引起电网电压的波动。

近年来变速恒频双馈风力发电得到了

各国学者的广泛关注和重视[4,5]。为此，变速恒频双馈风力发电并别是柔性并网技术更是成为研究的热点[6,7]。变速恒频双馈风力发电的柔性并网包括并网前的控制策略和并网后的控制策略，并网前的控制主要是调节转子的励磁电流，使定子电压满足无冲击电流并网条件，而并网后又分为三大运行区：最大风能追踪区、转速恒定区和功率恒定区，其中最大风能追踪区是主要的运行区，其目的是追踪最大风能，最大限度地提高风力发电系统的运行效率。

目前，国内外相关研究主要集中于并网后基于定子磁链定向双馈电机有功功率和无功

1

功率的解耦控制[8,9]，对并网前定子电压控制的研究很少,且限于定子磁链定向[10] 。本文对变速恒频双馈风力发电柔性并网控制策略进行了较为系统的研究，对其空载并网、负载并网、并网后的稳态运行和电网波动情况下的不脱网控制策略进行了深入的分析，且采用定子电压定向控制技术，避免了定子的磁链观测，简化了控制策略。

1 柔性并网控制策略研究

图1 双馈电机风力发电系统框图

双馈电机风力发电系统框图如图1所示，当风速发生变化时，发电机转速变化，若控制转子励磁电流的频率，可使定子频率恒定，即:

ω1=nωm±ω2 （1）

式中ω1为定子磁势的角频率，ωm为转子的机械旋转角频率，ω2为转子电流角频率。当ω1与ωm旋转方向相同时，

（1）式取正号，反之取负号。此式为风力发电实现变速恒频的依据。

转子励磁电流的相序取决于ω1−nωm的符号，次同步运行时ω1−nωm＞0,相序为正，即转子磁势的旋转方向与其机械旋转方向相同；超同步运行时ω1−nωm＜0,相序为负，转子磁势的旋转方向与其机械旋转方向相反。恒压控制可以通过调节转子绕组电流的幅值、相位并由其矢量方程来实现。

双馈风力发电柔性并网是通过检测电网电压和电机转速来调节转子电流,进而调节发电机输出电压的幅值和相位来满足并网条件,因而可在变速条件下实现柔性并网，使并网瞬间定子无冲击电流产生。变速恒频风力发电柔性并网方式主要有空载并网和负载并网。

1.1 定子电压定向空载并网控制策略

空载并网方式并网前发电机不带负载,不

参与能量和转速控制,完全由原动机来控制发电机转速[11]。并网瞬间双馈机向电网输出电能，但在并网后由于定子端电压受控，使其等于电网电压，所以定子电流逐渐减小到零。并网后需切换到稳态并网控制策略，并实现最大功率点跟踪。

根据三相静止坐标系和同步旋转dq坐标系下DFIG数学模型，导出其并网前的简化形式，并采用同步旋转坐标系下矢量形式的DFIG模型来进行分析与控制。若定转子均为电动机惯例，则其两相同步模型为[12]

⎧⎨uus==RRsiis++ppψψs+jωψ ⎩r

rrr+jω1sψs (2)

r定转子的磁链方程为

⎧⎨

ψs=Lsis+Lmir

(3) ⎩ψr=Lmis+Lrir

在定子侧开路时，is=0, 定转子磁链方程可简化为

⎧⎨ψ⎩ψs=Lr

=Lmir (4) ri

r将is=0和简化磁链方程代入定转子的电压方程可得

⎧

⎪udirs=Lm⎨dt+jω1Lmir (5)⎪⎩

uRdirr=rir+Lrdt+jωsLrir

采用定子电压定向技术且忽略定子电阻

时有：Usd=Us，Usq=0，因为并网过程对定子侧动态性要求不高[13]，故再忽略其动态过程，只考虑起静态模型时有

us=jω1Lmir=usd (6)由（6）式可得

ir=ird+jirq=−jusωL (7)

1m

将（7）式代入（5）式的后项，忽略其动态过程可得

u⎛

dirq⎞r=−ωsLrirq+j⎜⎜ (8) ⎝

Rrirq

+Lrdt⎟⎟⎠此式可以作为变速恒频风力发电定子电压定向空载并网行时DFIG控制的电流内环控制器的设计依据。其控制框图如图2所示

2

i=−

(R+Rs)us (12)

图2 定子电压定向空载并网控制框图

1.2 定子电压定向负载并网控制策略

负载并网的特点是并网前已经带有独

立负载,定子有电流,因此并网控制所需要的信息不仅取自于电网侧,而且还取自于定子侧。发电机参与原动机的能量控制,表现在一方面改变发电机的负载即可调节发电机的能量输出；另一方面在负载一定的情况下,改变发电机转速,也可改变能量在电机内部的分配关系，但是控制策略较为复杂[14] 。

图3负载并网矢量形式等效电路图

在纯电阻负载并网时,其等效矢量图如

图3所示，则其静态模型为

(R+Rs)is+jω1ψs=0 (9) 在定子电压定向并网时有

us=−Ris=usd,iuss=−=isd，定子电阻很小，R可以忽略，稳态时 us=Rsis+pψs+jω1ψs≈jω1ψs (10) 当同步旋转的dq坐标定向于us时，

us=−ω1(Lsisq+Lmirq)+jω1(Lsisd+Lmird)，则

i=−LsLs

rd (11) Lisd=Lus

mmR

上式为定子电压定向负载并网相位匹配的充要条件。 将is和ψs代入(9)中可得

rqω1RLm

上式为定子电压定向负载并网幅值匹配的充要条件。而频率匹配则由2s/2r中的旋转角确定。将is、ir代入转子电压方程得

udird

r=Rrird+σLr

dt−ωsLrirq +j⎡⎢Rdirq⎛L2m⎞⎤⎣

rirq+σLr dt+ωs⎜⎜⎝Lr−L⎟⎟ird⎥s⎠⎦(13)

此式可以作为变速恒频风力发电定子电压定向负载并网运行时DFIG电流内环控制器的设计依据。但这种方法过于依赖电机

的参数Ls、Lr、Lm，对于空载并网同样存在此问题，其控制框图如图4所示

图4 定子电压定向负载并网控制框图

1.3 双馈风力发电并网后的稳态运行控制

双馈电机稳态并网运行时，us为恒定的电

网电压，其幅值、频率、相位皆不变，ψs也

是稳定的，令定子磁链 ψ s = L mims

，联立（3）

式可得

i=LmsL(ims−ir) （14） s

2 ψ r

=L m

LiσL （15） ms+rirs

其中，2

σ=1−Lm为电机的漏磁系数，此

LrLs

时d ψsdt = 0 ，将 ψ s 、 ψ r 代入（2）式，并忽略 其动态过程可得定转子电压矢量方程为

⎧⎪

us=Rsis+jω1ψs

⎨⎪di （16） r

⎩

ur=Rrir+σLr

dt

+jωsψr

此式可作为变速恒频风力发电DFIG稳态

3

并网后的矢量控制策略，按照不同的矢量定向就得到不同的矢量控制方案。稳态时忽略定子电阻，us≈jω1ψs,当采用定子电压定向时有

电网稳定时可以忽略DFIG定子励磁电流动态过程，上述矢量控制方案可使双馈风力发电系统在变速恒频运行中获得良好

⎧usd=us=−ω1ψsq=−ω1(Lsisq+Lmirq) 的稳态性能。但在电网电压波动情况下，⎨u=ωψ=ω(Li+Li)=0

1sd1ssdmrd⎩sq

DFIG简化模型的前提己不存在，以此为基

（17） 由此可得

础导出的矢量控制方案的有效性也会受到影响，应依据DFIG的精确模型，对这种矢

⎧ψsd=0量控制方案进行改进，以提高转子侧PWM⎪u⎨ψs （18） 变换器对DFIG转子电流的控制能力，从而提⎪⎩

sq

=−ω1⎧⎪⎪i=−Lsdmird⎨Ls （19） ⎪⎪iL⎩

sq=−mLi−urqssω1Ls将isd、isq代入ψr可得

ψ⎛L⎞

r=σLrird+j⎜⎜−m⎟ （20）⎝ω1Lus+σLrirqs⎟

⎠

将其代入（5）式中的ur，则

u=RσLdi

rdωLmrrird+r+sus−ωsσLrirq

dtω1Ls

+j⎛⎜⎜⎝Rrirq+σLdirqrdt+ω⎞sσLrird⎟⎟ （21）

⎠

此式可以作为变速恒频风力发电DFIG稳态并网后电流内环控制器的设计依据。其控制框图如图5所示,由此可见这种基于定子电压定向的变速恒频风力发电DFIG稳态运行控制策略，在转子电压补偿的条件下，实现了有功功率和无功功率的解耦控制,从而根据最大功率点与风速的关系曲线，可以实现最大风能跟踪。

图5并网后的稳态控制框图

1.4 电网波动情况下的不脱网控制策略

高双馈电机在电网电压波动情况下的不间断

运行能力。

定子励磁电流动态过程的DFIG精确模型矢量形式为 ⎧

⎪⎪

udis=Rsis+Lmmsdt+jω1ψs⎨⎪2

（22） ⎪u=Ri+σLdir+Lmdims+⎩

rrrrdtLjωsdtsψr式中， us和ψs不再恒定，由上式的第一个方程得

dimsdt=1L(u （23） s−Rsis−jω1ψs)

m

将其代入(22)式的第二个方程得

ur=Rrir+σLdir

dt+jωLr

sψr+mL(us−RSiS−jω1ψS)s

（24）

将（18）、（20）式代入（24）得

⎧⎪⎛L2m

⎞⎪urd=⎜⎜Rr+⎨⎝

L2Rs⎟ird+σLdirdr+ω⎛s⎜Lmu−σLi⎞⎟s⎟dt⎜ωLsrrq⎟⎠⎪⎪u⎛L2

⎠m⎞di⎝1srqRsLm⎩

rq=⎜⎜⎝Rr+L2Rs⎟iσLσωLiuss⎟⎠rq+rdt+srrd+ω21Ls （25）

图6 电网电压波动情况下的不脱网控制框图

上式可以作为电网电压波动情况下定子

电压定向时改进的电流内环控制器的设计依

4

据。控制器改进的思路是在原来控制器的基础上再加上定子励磁电流变化的补偿量:

Lm(us−RSiS−jω1ψS)

Ls,其控制框图如图6所示。

2 控制策略比较及仿真

2.1 不同控制策略的比较分析

空载并网和负载并网控制策略的差别在于并网前控制方式不同。空载并网方式并网前其转速由原动机来控制，发电机不参与能量和转速的控制，以免发电机因能量失衡而引起转速失控,所以要求原动机有足够的调速能力。

而负载并网控制策略并网前接有负载,发电机参与原动机的能量控制,改变负载即可调节发电机的能量输出,在电机调速时，也改变了能量在电机内部的分配关系。改变负载即可实现发电机能量的粗调, 调节速度即可实现能量的细调。

因此负载并网时,发电机具有一定的能量调节作用,可与原动机配合实现转速的控制,降低了对原动机调速能力的要求,但控制策略较为复杂。

并网后的稳态运行和电网波动情况下的不脱网运行相比，稳态时定子磁链值恒定，而电网波动时定子磁链值为变化量，所以控制器必须加上计及定子励磁电流变化的补偿量。

2.2 不同并网控制策略的仿真结果 双馈电机的额定功率P=4kw,2对极，RS=1.405Ω,LlS=0.005839H, Rr=

1.395Ω，

Llr

=0.005839H，

Lm=0.1722H,J=010131kg.m2,利用Matlab

仿真软件进行仿真，最大仿真步长为10−4s，相对允许误差为0.1%，仿真结果如下：

由图7可见传统的直接并网和降压并网都会在并网瞬间产生极大的冲击电流，引起电网的严重波动和产生大量的高次谐波。由图8、10可见空载和负载并网的瞬间，定子和电网电压之差几乎为0,没有产生冲击电流，波形非常完美，从而实现柔性并网。由图14可知稳态并网时转速、电磁转距恒定，功率因数为-1。图15 、16、17为电网频率、幅值、相位

严重偏离正常值时的不脱网运行情况，其中

Δf=2Hz，Δu=40V，Δϕ=2o，为了使定子侧的电流接近正弦波、功率因数接近-1，定子侧向电网输送的有功功率、无功功率、电机转速和电磁转距必须跟随电网的波动而随动，从而使定子和电网之间实现能量平衡。

图7 直接并网和降压并网定子侧的冲击电流

图8 空载并网时定子电流、电压和电网电压之差

图9 空载并网时定子和电网之间的有、无功功率的

交换

图10 负载并网时定子电流、电压和电网电压之差

图11 负载并网时定子和电网之间的有、无功功率

的交换

5

图12 稳态运行时定子电压、电流的dq分量

图13 稳态运行时转子电压、电流的dq分量

图14 稳态运行时的转速、电磁转距、功率因数

图15 电网严重波动时的功率因数和定子电流

图16电网严重波动时定子和电网的功率交换情况

图17 电网严重波动时的转速和电磁转距

3结论

本文对双馈风力发电的“刚性并网”和“柔性并网”进行了对比分析，建立了空载并网、负载并网、并网后的稳态运行和电网波动情况下的不脱网控制模型，仿真结果表明，双馈电机定子电压可以得到有效的控制，其并网过程平稳，实现了无冲击电流的单位功率因数并网和有功功率、无功功率的解耦控制，从而

提高了电力系统调节的柔性，并可根据最大功率点与风速的关系曲线来实现最大风能跟踪。此并网控制策略采用定子电压定向技术可以达到与定子磁链定向相同的控制性能，但避免了对定子磁链的观测，简化了控制策略。

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作者简介

吴国祥 男，1967年生，讲师，博士研究生，研究方向为电力电子变换及风力发电。E-mail:wuguoxiang@ntu.edu.cn

陈国呈 男，1944年生，教授，博士,博士生导师，研究方向为电力电子变换及新能源的开发与利用。

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