双馈风力发电系统负载并网控制

谈 立， 阮 毅， 赵梅花， 葛 凯

(上海大学 机电工程与自动化学院，上海 200072)

0 引 言

变速恒频发电技术因具有易实现最大风能跟踪、四象限有功和无功功率调节及柔性并网等优点受到了广泛关注，并越来越多地应用于大型风力发电系统中[1]。在变速恒频风力发电方案中通常选用双馈发电机(Doubly Fed Induction Generator, DFIG)来实现系统变速恒频运行[2-3]。

随着双馈风力发电机组单机容量越来越大，若直接并网或解列会产生较大的冲击电流，损坏发电系统部件，甚至威胁电网的正常运行，故有效抑制冲击电流，实现柔性并网与解列是十分必要的。

双馈风力发电柔性并网常用空载并网与负载并网两种方法[4-6]。与空载并网不同，负载并网定子侧接有三相对称负载，并网前定子侧与转子侧同时参与励磁控制，定子绕组有电流通过。

本文分析了负载并网的基本原理，研究了并网后定子、负载和电网三者之间的功率关系。根据负载并网的数学模型，采用电网电压定向的矢量控制策略，构建了基于英飞凌XC2785单片机控制的双馈风力发电系统负载并网试验平台。试验结果表明，负载并网的控制策略可有效实现DFIG与电网的柔性连接，抑制并网瞬间产生的冲击电流，验证了控制策略的可行性与正确性。

1 负载并网原理及DFIG数学模型

1.1 负载并网原理

双馈风力发电系统并网条件为定子电压的幅值、相位、频率与电网电压均相同。通过并网控制策略，达到并网条件，将并网时产生的冲击电流降到最低。

双馈电机采用负载并网控制时，定子侧接有三相对称负载，定子绕组有电流通过。此时，根据电网侧反馈的电网电压信息，对双馈电机进行励磁控制，达到并网条件后，实施并网操作，以实现柔性并网。双馈风力发电系统负载并网结构如图1所示。

图1 双馈风力发电系统负载并网结构图

1.2 DFIG数学模型

在理想情况下，定子采用发电机惯例，转子采用电动机惯例，推导DFIG在同步旋转dq坐标系下的电压、磁链方程得

(1)

(2)

式中：usd、usq、urd、urq——定、转子电压dq轴分量；

isd、isq、ird、irq——定、转子电流dq轴分量；

ψsd、ψsq、ψrd、ψrq——定、转子磁链dq轴分量；

Rs、Rr——定、转子电阻；

Lm、Ls、Lr——坐标系下定转子同轴等效绕组间的互感、定子等效两相绕组的自感和转子等效两相绕组的自感；

ω1——电网电压同步旋转角速度；

ωr——转子旋转电角速度。

2 负载并网控制策略

2.1 基于电网电压定向的负载并网控制策略

采用电网电压定向：ugd=Ug，ugq=0，其中Ug为电网电压矢量的幅值；ugd、ugq为电网电压电压dq轴分量。

并网时满足：usd=ugd=Ug，usq=ugq=0，则

(3)

即

(4)

(5)

将式(4)代入式(5)得

(6)

将式(6)代入式(2)得

(7)

由式(7)可得双馈风力发电系统负载并网前后的控制框图，如图2所示。

图2 DFIG负载并网控制框图

负载并网时，双馈机组定子侧接三相对称负载，定子电流不为0，通过检测电网电压信息，由定子、转子同时进行励磁控制，待定子电压与电网电压幅值、频率与相位都相等时，实施并网操作。

并网后切换到相应的控制策略，本文采用功率、电流双闭环的稳态控制策略，通过分别控制电流有功、无功分量，实现有功、无功功率的精确解耦，实现双馈风力发电系统的并网发电，及最大风能跟踪等控制目的[7]。

2.2 负载并网后功率研究

负载并网后，定子侧接有三相对称负载，定子侧有功功率P1、负载消耗的功率PLoad、DFIG向电网发送的功率Pg之间有能量流向关系，如图3所示。

图3 负载并网后能量流向关系图

当P1>PLoad，即双馈电机发出的功率大于负载消耗的功率时，多余的有功功率将输送到网上。当P1

3 试验及结果分析

试验用直流机-绕线式异步电机机组代替双馈风力发电机组，搭建的双馈风力发电系统试验平台如图4所示。绕线式异步电机参数为：PN=3kW,UN=380V,nN=1460r/min；直流机参数为：PN=3kW，UN=220V，nN=1460r/min。网侧PWM变换器进线电感为20mH，直流母线电压设为200V，网侧PWM变换器和转子侧PWM变换器均采用英飞凌XC2785作为主控芯片，网侧PWM开关频率为10kHz,，转子侧PWM开关频率为5kHz。原动机拖动双馈电机运行在低同步n=1100r/min，并网时采用降压并网，并网电压为usa=150V，负载电阻R=112Ω。

图4 双馈风力发电系统试验平台结构图

试验开始时，系统处于带负载运行状态，通过负载并网控制策略，使定子电压迅速跟随电网电压，两者完全一致时，进行并网操作，系统切换到功率、电流双闭环的稳态控制策略。稳态时，通过上位机调节双馈电机定子输出的有功、无功功率，观察双馈电机定子侧、负载与电网三者之间能量流向关系。试验波形如图5～图10所示。

图5 负载并网前定子与电网a相电压比较波形

图6 负载并网瞬间usa与iga波形

图5为负载并网前定子电压与电网电压的比较波形图。由图可知，定子电压能很好地跟随电网电压，负载并网控制效果良好。

图6为并网瞬间定子电压与流向电网电流的波形。并网操作时，通过上位机给定，令定子侧发出的有功功率等于三相负载消耗的功率(约590W)，即没有多余的能量流向电网。如图所示在t1时刻并网，流向电网的电流几乎为0，无电流冲击，实现了柔性并网的控制目标。

并网后采用功率、电流双闭环的稳态控制策略。图7为定子侧发功瞬间的波形图，在t2时刻改变有功给定(590～1000W)，定子电流逐渐增大至稳态。

图8为发功后稳态运行的波形图，无功功率给定始终为0，定子电流趋于平稳，与电压保持同相。

图7 定子侧发功瞬间P1与isa波形

图8 稳态运行时usa与isa波形

图9为改变定子侧输出功率时，定子侧与电网侧能量流向关系图。图(a)为定子输出的功率小于负载消耗的功率，此时为维持负载正常工作，不足的能量由电网提供，定子电流与流向电网电流反相。图(b)为定子输出的功率大于负载消耗的功率，则多余的能量将流向电网，实现发电，定子电流与流向电网电流同相。

图9 isa与iga波形

如图10所示，当定子侧输出功率等于负载消耗的功率，此时流向电网的电流几乎为0，在t3时刻切除负载，此时定子侧电流与流向电网电流完全一致，成功实现向电网输电。

图10 切除负载瞬间isa与iga波形

4 结 语

本文详细分析和研究了负载并网控制策略与并网后的功率流向，得到如下结论：

(1) 并网前，通过负载并网控制策略，定子电

压能快速准确跟踪电网电压，使两者在幅值和相位上保持一致；

(2) 并网瞬间，冲击电流几乎为0，实现柔性并网；

(3) 并网后，通过功率、电流双闭环的稳态控制策略，验证了定子侧，负载与电网三者之间的能量流向关系。

通过试验验证了上述控制方案的可行性与正确性。

【参考文献】

[1] 杨淑英，张兴，张崇巍，等.变速恒频双馈风力发电机投切控制策略[J].中国电机工程学报，2007(17)： 105-110.

[2] 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]. Electric Power Applications, IEE Proceedings， 1996,143(3)： 231-241.

[3] LIE X, CARTWRIGHT P. Direct active and reactive power control of DFIG for wind energy generation[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion， 2006,21(3)： 750-758.

[4] 曾志勇，王清灵，冯婧.变速恒频双馈风力发电负载并网控制[J].电机与控制应用，2009(10)： 49-53.

[5] 吴振兴，邹旭东，黄清军，等.三相电力电子负载并网变换器研究[J].中国电机工程学报，2010(24)： 3-9.

[6] 刘其辉，谢孟丽.双馈式变速恒频风力发电机的空载及负载并网策略[J].电工技术学报，2012(10)： 66-73.

[7] 钟沁宏，阮毅，赵梅花，等.双馈风力发电转子侧PWM变换器功率控制策略[J].电机与控制应用，2012，39(12)： 46-50.