双馈风力发电机组并网机侧换流器安全性研究

双馈风力发电机组并网机侧换流器安全性研究

汤伟东

黑龙江龙源新能源发展有限公司 黑龙江哈尔滨 150090

摘要：在我国快速发展的过程中，风力发电无论是在国内还是国外已经成为人们关注的焦点。针对双馈风力发电机在并网过程中产生的冲击电流而引发的机侧换流器安全性问题，在机侧转速环上，设计了一种基于二次型性能指标学习算法的神经元自适应PID控制器。利用该控制策略来改善双馈风力发电机机侧换流器的安全性能，建立了双馈风力发电机机侧控制器仿真模型，对双馈风力发电机空载并网的前后过程进行了研究，并与传统PID控制策略的安全性进行了对比。研究表明，该控制策略具有动态响应快，并网冲击电流小的特点，提高了并网系统的安全性。在给定期望转速下，可以实现基本无超调，能够较好的满足并网要求，保证了整个系统的安全运行。

关键词：双馈风力发电机；空载并网；机侧换流器安全性；单神经元自适应控制

引言

随着风力发电机不断的改进，电力系统中风电机组装机容量和风电场规模逐渐增大，电网与风电机组之间的相互影响日益突出，大量的谐波间谐波注入电网，给电网造成很大危害，风力发电机谐波问题引起广泛重视．双馈异步风力发电机（DoublyfedInductionGenerator）是目前应用最为广泛的风力发电机，其谐波主要来自两方面：一方面是发电机气隙空间谐波磁势；另一方面是来自转子上的AC-DC-AC变流器．在不同的运行条件下风力发电系统注入电网的谐波有所不同，因此展开不同风况下双馈风力发电机组注入电网的谐波特性分析具有很大的实际意义．

1双馈风力发电机组工作原理

变速风电机组通过风轮输入的风能转化为机械能，然后通过齿轮轴，把机械能传递到双馈发电机，发电机将机械能转化成电能输出到电网中。发电机与电网间通过两个变流器相连，一个是转子侧变换器AC/DC，转子侧变换器相当于在转子回路中串联一个电压向量，其作用是对发电机进行励磁控制，可以实现对机组有功和无功功率解耦，使转子达到预期的转速。而电网侧的变换器DC/AC可以实现直流环节的有功功率和与电网间交换的有功功率的平衡，可以控制直流侧电压的稳定和交流侧功率因数。

2双馈风力发电系统数学模型

2.1机侧控制器结构分析

根据所提的机侧控制策略，计算出了耦合项，转子电压方程实现了解耦，则可以设计出采用双闭环PI结构的机侧变换器控制框图。包括转速外环和电流内环，在转速外环中，由电网对机组的无功输出要求设置无功功率参考值，通常为0，以实现功率损耗最小的目的；由于电压矢量定向之后无功功率仅和q轴定子电流有关，通过转子电流和定子电流的关系可得到q轴转子电流的参考值，同时保证无功功率为0。电流内环则利用电流反馈差值，再经PI调节、前馈补偿等得出SVPWM模块的参考输入电压实现变换器的驱动，以期达到控制目的。

2.2变换器的设计

网侧变换器的主要功能是输入功率因数可调，输入电流为正弦波，输出直流母线电压稳定，抗扰动能力强，对输入功率因数的控制即对无功电流的控制，对输入电流是否为正弦波的控制则和电流控制的调制方式有关。从有没有引入电流反馈环节可以将整流器的控制分为两种，没有引入交流电流的成为间接电流控制，反之称为直接电流控制。前者动态特性较差，后者控制结构简单，电流响应速度快，鲁棒性好，因此，在诸多因素考虑下，本设计采用直接电流控制、d轴电网电压定向的电压电流双闭环矢量控制策略。

2.3机侧变流器的数学模型

双馈风力发电机稳定运行，其定子的电压对应的频率稳定为50Hz。电网的电压频率不发生变化，并网后定子的电动势为恒值，只有定子电流可控，因此，并网条件下发电机功率就能转化为对定子电流的控制。对机侧变流器开展研究，需要考虑发电机等效模型，忽略定子电阻影响，可得发电机定子瞬时功率为： 式中：L′为定转子间的互感，ω1为同步角速度。双馈电机并网后，只有定子内部的电流大小可受控制，转换定子和转子电流，通过影响转子的电流能够实现控制发电机输出功率[1-3]。结合双馈电机模型，就能得到转子电压、电流两者的式子为： 式中：σ为漏抗因子，im为定义的子磁化电流。把上诉原理与模糊PI策略相结合，把功率误差及其变化作为系统输入量，功率增量作为输出量。

3仿真结果分析

为判断控制策略的正确性和有效性，在搭建的双馈风力发电机的机侧控制器模型中，将双馈异步发电机设置在0.25秒时刻空载并网，可观测到定子电压电流如下图所示。

图1A相定子电流曲线

由图1可以看出，风力发电机在0.25秒时刻并网，并网前定子电流保持为0，在0.31秒左右就可以完成并网启动，在之后进入稳定运行阶段，产生稳定的交流电。图2为定子电压和电网电压的对比示意图，可以看出双馈风力发电机在并网前定子电压与电网电压能保持较小误差，在并网后误差变得非常小，电压的幅值频率跟随情况良好，能较好的实现空载并网启动。双馈风力发电系统用阶跃式风速模拟实际风速。随着风速的改变，转速发生了变化，并且实际转速能始终跟随着期望转速变化，可见控制器的性能良好。由于使用爬山法实现最大风能跟踪（MPPT），加上采用的风速为阶跃式增长，导致期望转速随着风速过渡时有一定的延时。风能利用系数基本稳定在最优值附近（0.44），实现了系统最大风能跟踪的目标。随着给定风速的变化，定子的无功功率几乎不受影响，有功功率则随着风速的增大，转速的增加而增大。定子的有功和无功功率实现了解耦，可以单独控制，其中随着风速的变化无功功率一直稳定在0附近，实现了功率因数为1的要求。异步电机的A相定子电流，可以看出，随着风速的变化，定子电流幅值会发生改变，但频率保持恒定，可见实现了变速恒频的要求，并且电流的波形在风速发生阶跃改变时，能够平稳过渡，说明电流的动态性能良好。图4为转子A相电流，可以看出，随着风速的改变，转子电流的幅值和频率都在变化，这保证了定子电流频率的恒定，实现了变速恒频控制。如图5、6所示，在双馈风力发电系统处于并网启动阶段时，发电机亚同步运行，此时定子的电压、电流相位同相，网侧变换器处于整流状态，机侧变换器处于逆变状态，能量从电网经过背靠背变换器流入转子绕组进行励磁。并网启动完成之后，发电机超同步运行，定子电压和电流相位反相，网侧和机侧变换器工作状态互换，转子侧的能量经过变换器馈入电网，实现了能量的双向流动。图7智能控制与传统PID控制的控制性能对比图从图7中可以看出，在给定的期望转速下，传统PID控制下转子转速有明显超调，而改进型单神经元自适应PID控制可以实现快速跟随，基本无超调。可见由于传统的PID在智能控制的自整定调节下，PID的三个参数通过自适应调整，可以更好的应对动态变化。

图2定子电压和电网电压对比图

图3A相定子电流

图4A相转子电流曲线

图5定子电压与电流相位对比图

图6定子电压与电流相位对比放大图

图7智能控制与传统PID控制的控制性能对比图

结语

当风速出现变化时，对双馈风力发电系统中变流器的控制策略进行分析，提出一个添加有Smith模型的PI策略的逻辑控制器，避免了非线性被控对象线性化过程中的不准确，提高了系统的鲁棒性，并在PSCAD软件平台上进行模型搭建与仿真，仿真结果表明：变流器在这种运行模式时，能够保证双馈风力发电机正常工作，保证风机输出的电能可以达到系统所要求的电能质量，进行并网。

参考文献：

[1]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，2012，27（10）：60-67.

[2]冯曦.双馈发电机BP神经网络PID空载并网控制策略[D].哈尔滨理工大学，2017.

[3]双馈风力发电系统故障穿越的控制策略研究[D].湖南大学，2016.