变速恒频双馈风力发电负载并网控制及研究

摘要：交流励磁变速恒频风力发电定子侧并网包括负载并网与空载并网两大方式，其中空载并网要求并网前定子电流为0，发电机空载；负载并网要求并网前独立负载以侧接方式与发电机定子连接起来，同时参照定子电流电压及电网信息控制发电机，即并网前定子有电流，发电机有独立负载、发电机对风力机进行能量控制。由此可见，负载并网控制所需信息源自电网及发电机定子侧。本文主要就变速恒频双馈风力发电负载并网控制进行研究。

关键字：变速恒频双馈风力发电 负载并网 交流励磁风力发电并网

Abstract: AC excited VSCF wind power generation stator side grid load grid connection and no-load cutting in two ways, the no-load grid connection requirements before connecting to the grid, the stator current is 0, generator load; load grid connection requirements grid independent front load and generator stator are connected to the side way, referring to the stator current and voltage and power control information generator, the grid before the stator current, the generator has the generator for energy control of wind turbine load, independent. Thus, load grid connection control information needed from the power grid and generator stator side. In this paper, VSCF double fed wind power generation load on the grid control .

Keywords: doubly fed VSCF wind power grid connected AC excited wind power grid load .

中图分类号：TM6 文献标识码：A

一、变速恒频双馈风力发电负载并网的原理

交流励磁风力发电并网的实现要求电网电压的相位、频率、幅值与发电机输出的电压完全相同，因此并网前必须调节发电输出的电压至要求水平，待成功并网以后，再把并网控制切换成发电控制。此外，变速恒频发电机负载并网控制系统结构要求并网前以定子电压电流及电网电压为控制信息来控制系统，其中发电机属独立负载，由此对发电机励磁进行调节，同时结合并网条件完成并网及对控制系统进行切换。若想对并网前的交流励磁发电机定子电压进行有效调节，有必要把矢量定向控制技术引入发电机并网控制。本文主要结合基于定子磁链定向控制的发电机数学模型，浅析发电机负载并网控制策略及并网前功率与速度调节。

二、基于定子磁链定向控制的发电机数学模型

图1-1为基于定子磁链定向控制的发电机的坐标变换图。

备注：M-T——采用同步转速旋转的两相旋转坐标系，令定子磁链与M轴重合；——两相静止坐标系，令与定子A相绕组轴线正方向重合；——以转子速旋转的两相旋转坐标系，令与转子绕组a相绕组轴线正放线重合；——、的夹角；——、的夹角。

图1-1 基于定子磁链定向控制的发电机的坐标变换图。

若工频状态时定子电阻允许被忽略，则发电机端电压U1较定子磁链ψ190°滞后，此时ψ190°处在坐标系T轴的负方向，其中，、、、。结合发电机惯例可得，基于定子磁链定向控制的发电机数学模型为：

其中，——定子与转子绕组各相电阻；——中定与转子等效自感与等效互感；——M轴与T轴方向定子与转子电压的分量；——M轴与T轴方向定子与转子电流的分量；——M轴与T轴方向定子与转子磁连的分量；——同步转速与同步转差速；——发电机极对数。

三、基于磁场定向的发电机负载并网控制策略

由前文可知，负载并网控制旨在实现电网电压的频率、相位、幅值与电机定子端电压相同。此时令M-T坐标系的U1与U 2分别为电网电压与定子端电压，同时对U1与U 2进行比较。若U1=U 2，那么电网电压的频率、相位、幅值与定子端电压相同。负载并网要求并网前定子有电流，发电机有独立负载，此时令定子等效励磁电流ims满足关系式：及。其中与呈正相关。考虑到同步速恒定，U1与呈线性关系，通过调节便可实现对U1的调节。

此外，若想电网电压的频率、幅值、相位与发电机定子端电压相同，可把电网电压与定子端电压放到M-T坐标系的M轴进行比较，此时准确观测定子磁链直接关乎到并网控制的成败。考虑到传统的定子磁链观测模型（见图2-1）对系统参数的依赖性较强，加上观测的准确性较低及与电网不同步，必须创建基于电网信息的发电机磁连观测器，由此结合电网信息对发电机定子磁链的相交与幅值进行求解。如图1-1所示，若不考虑定子电阻的影响，那么定子磁链与电网电压矢量的角度差为90°，其中定子磁链矢量的相位角与（为电网电压矢量角）相等。此时结合式（a）便可计算出的幅值、磁连的相位与幅值。

综上所述，变速恒频风力发电负荷并网旨在以定子电流电压及电网信息对发电机的励磁进行调节，由此确保发电机输出的电压满足负载并网的相关要求。本文针对变速恒频双馈风力发电负载并网控制，提出电压闭环控制的控制策略，即内环与外环分别设为电压环与电流环。实践证实，电压闭环控制对实现负载变化时电网电压与定子端电压的快速吻合。

图2-1定子磁连观测模型

四、并网前功率与速度的调节

贝茨理论提出风力机输出的机械能满足关系式：,其中——空气密度；——风力机运行的面积；——风速；——风力机风能利用系数，其与风力机角速度有关，其中的改变能够对风力机输出的机械能进行间接性影响。若交流励磁变速恒频风力发电定子侧并网采取空载并网方式，那么并网发电机定子保持开路状态，其中定子电流=0。由此可得，电磁转矩TE=0,风力机输出的转矩≠0。所以，对机组转速的控制主要由风力机来实现，进而提高风对风力机的应力，但此时发电机能量亦出现失衡问题，由此极易导致发电机转速处在失控状态。交流励磁变速恒频风力发电定子侧负载并网要求并网前发电机有独立负载，此时相电阻=Rload,若独立负载是以三相星形方式连接的电阻性负载，那么稳态条件下,同时满足关系式：，其中——电网a相相电压。由于变速恒频双馈风力发电负载并网采用电压闭环控制，那么电网电压与定子端电压能够快速达到吻合状态，同时稳态条件下取恒定值，此外与 e近似线性关系。

与此同时，通过对的调整便可实现对的调整，由此对 的取值进行变换。此外，通过改变的取值能够实现对发电机转速进行调节，其中与发动机转速呈正比关系。发电系统的发电机与风力机由齿轮箱（增速比为N）实现彼此连接。所以，对发电机转速的调节可实现对进行间接调节。由此可见，变速恒频风力发电负载并网可通过对的调整来实现对机组转速进行改变，由此降低风对风力机的应力及负载并网对风力机调速的要求。若稳态条件下发电机输出的能量P1满足关系式：，那么风力机被发电机吸走的能量P0满足，其中——转差率；——定子铜耗；——定子铁耗。

发电机系统的发电机所吸收到的机械能与风力机所输出的机械能完全相等，同时满足关系式：。综上所述，通过对的调节可实现对风力机转速的调节，进而实现对的调节。若风速相同，那么风力机的不同必然使其输出的机械能不同，此外考虑到发动机转速的改变必然导致转差率s发生变化，那么此时可对发动机内部的能量分配进行调节，进而规避发电机能量失衡对速度失控的影响。注意上述讨论皆以电网电压与电机端电压相吻合为前提条件。总体而言，若变速恒频双馈风力发电负载并网采用电压闭环控制，那么负载变化后定子电压必能快速恢复至期望状态。

结束语

风力资源是一种清洁的可再生资源，风力发电是时展的必然产物。近年来，风力发电技术的发展对并网技术的发展起着不可忽视的作用。本文结合基于定子磁链定向控制的发电机数学模型，对变速恒频双馈风力发电负载并网控制策略进行了全方位的分析，同时引入定子磁链定向矢量控制技术，由此实现对发电机定子端电压进行有效控制，进而降低电流冲击力及提高并网过程的稳定性。除此以外，考虑到并网前发电机对风力机能量的控制，加上发电机有独立负载，那么发电机与风力机可相互配合，由此实现对发电机转速的控制，以防并网前发电机转速因能量失衡而发生失控问题。与此同时，若风对风力机的应力有所降低，那么风力机的机械损耗必然随之降低。但需注意：本文对并网前功率与速度调节的所有讨论皆以电网电压与电机端电压相吻合为前提条件，即脱离该前提条件的讨论不能成立。

参考文献：

[1] 刘鑫.基于风力机模拟的双馈风力发电模拟系统机侧控制研究[D].哈尔滨工业大学,2012.

[2] 马祎炜,俞俊杰,吴国祥等.双馈电机风力发电柔性并网方式的分析与比较[J].上海大学学报（自然科学版）,2009,15(3):238-244.

[3] 刘纯.变速恒频交流励磁双馈风力发电系统并网控制技术研究[D].华中科技大学,2009.