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摘要：风能作为一种可再生无污染的绿色能源，是现今最具开发前景的新能源之一。利用风能发电是当今世界各国为解决能源紧缺制定的一项有效措施。风力发电机组是复杂的非线性系统，其电气控制系统控制的有效性和可靠性是风电机组安全运行的关键。并网技术是风电机组控制技术中的关键技术之一，随着机组容量的增大，如何有效限制并网过渡过程中产生的冲击电流，成为一个迫切需要解决的问题。介于此，本文主要对异步风力发电机组软并网控制系统进行分析探讨。
关键词：异步风力发电机组；软并网；控制系统
1 前言
风力发电机组控制系统是综合性控制系统，不仅要监视电网、风况和机组运行参数，对机组并脱网进行控制，确保运行过程中的安全性与可靠性，还要根据风速与风向的变化，对机组进行优化控制，提高机组的运行效率和发电量。软并网过程是一个强非线性过度过程，只有采用基于状态量反馈来实施闭环控制，而一般传统控制方法很难做到这一点。随着定桨距风电机组容量的增大，如何有效限制软并网冲击电流成为一个关键性的问题。
2 异步风力发电机软并网原理
在风力发电机直接并网时靠近同步速时，异步发电机可能会经历一点瞬态过渡过程，过程中会产生瞬态冲击电流，与其值大小有关系的参数包括：发电机参数、并网转速、发电机磁通饱和水平以及并网瞬间电压相位角等。直接并网时所也会产生一个过渡过程电流，电流值为：
上式（1）中，α＝θ-ψ，为发电机的等效阻抗角；θ为发电机并入电网瞬间时的合闸相位角；i0为电机的稳态交流分量；ia为发电机的暂态交流分量；id为电机的暂态直流分量；T1=x'd/ωRr/S为电机的暂态交流分量衰减时间常数，T2=x'd/ωRS其值与转子电阻值以及滑差值有关；x'd为电机的暂态直流分量衰减时间常数，其值随着电感值和定子电阻值的变动为变动。x'd=xσs+（1/xm+1/xσ）为减的直流分量电机r暂态电抗，暂态电抗的值。
电机并入电网的时候，定子绕组中所产生的稳态交流分量i0sin（ωt+α）开始产生，产生的电磁力使动转子开始旋转。当电机在靠近同步转速并网的时候，i0约等于电机空载时的电流。并入电网的瞬间，定子绕组磁链会保持原来的零状态，依据磁链守恒原理，因为转子的短路绕组中所产生了衰减的直流分量，导致产生了磁场将切割定子绕组，并且产生了衰减的暂态交流分量。暂态交流分量ia与电抗成反比，与电压成正比。此时，并入电网的一瞬间，定子绕组产生的衰减直流分量，用来控制电网中电压所产生的磁通，id与电机并网的瞬间定子气隙磁势波形和气隙均匀度有关，与电网电压和暂态电抗成正、反比，另外异步发电机的并网瞬态冲击电流的峰值还与并网瞬间的电网电压相位角相关，在相位角至为θ=ψ±π/2时，冲击电流达到最大，θ=ψ冲击电流值最小。
3 软并网控制系统软硬件设计
在文章中，三对反并联晶闸管及其保护电路构成了异步风电机组软并网控制系统的主电路。当电机转速与同步转速接近时，双向晶闸管逐渐导通，因为发电机的接触器闭合的瞬间触发脉冲控制了双向晶闸管。在次同步转速阶段，即晶闸管在开始导通的起始时刻，在电网与叶轮的共同拖动下电机处于电动运行状态，此刻电机转速立刻增加，其滑差值趋于零的速度渐渐变快。当以达到零值，晶闸管将会完全导通，并入电网后冲击电流将会缩小在不大的范围之内，从而得到一个相对平滑的并网过程。一旦发电机开始输出功率，双向晶闸管将会主动关闭触发脉冲，发电机所输出的电流不再经双向晶闸管，而通过已闭合的自动开关触点流向电网。至此，并网控制结束，风机进入发电运行控制阶段。控制系统采用属于CPU系统的DSP，系统内所有的启动、停止以及并网方式都要受到ARM的控制，并网时的命令主要由主控制器下达。上位机ARM选用的是因特尔公司的Pxa270，CPU选用TI公司的TMS320F2812芯片。由三组反向并联的晶闸管构成软并网部分，而电机定子端的交流电压是由晶闸管的开启逻辑来控制。软并网过程中程序流程可以简要作如下阐述：系统自检初始化，而后采集电网的电压与频率决定是否并网。若是，闭合并网接触器以及电机侧接触器，设定初始角与移动步长，启动定时器并确认晶闸管是否导通。若是，则报告ARM并网成功。
4 异步电机并网仿真
文章运用Matlab2010a对该软并网控制系统进行仿真。其中，发电机额定电压690V，额定电流683A，定子频率50Hz，额定功率750kW，额定转速1518r/min，级数为四级。当风速达到15m/s时，异步风力发电机的平均速度可达约1475r/min。此时进行并网，则瞬时电流峰值可达4800A；采用晶闸管软并网系统所控制，并网时的最大电流低于800A，经过0.5s后，电流恢复稳定。这样便将并网冲击电流有效地限制在额定值的1.5倍左右，上下幅度不超过17%，满足预期的并网要求。
Matlab平台上的软并网控制系统仿真结果还表明：自并网开始到电机达到同步转速的过程中，晶闸管导通速度过快或者晶闸管导通角的增大都可能会产生较大的冲击电流。因而，在此过程中应控制好导通角步长及持续时间。此外，为了有效的对软并网持续时长进行控制，在电机自身转速与并网同步转速值较为接近时，应该令晶闸管处于完全导通的状态，以便电机自身转速与同步转速同步，保持并网电流稳定。
5 异步风力发电机组软并网控制系统性能要求
软并网控制系统必有满足以下几方面的要求：
(1)软并网过渡过程时间尽可能短，以减少过渡过程中奇次谐波对电网造成的污染，同时减少晶闸管的发热量。
(2)软并网装置应限流可靠，将并网过渡过程冲击电流限定在尽可能低的范围内，以减小对软并网装置及电网的冲击。
(3)软并网过渡过程平稳，定子电流的幅值与发电机转速变化平稳，没有大的中跃变或振荡。
(4)晶闸管完全导通时刻与电机达到同步转速时刻应尽可能接近。异步风力发电机软并网过渡过程中，晶闸管的导通规律主要由切入时的风速决定，风速越大，过渡过程越短，晶闸管导通时间越短。以电机能够以当前转速加速度在2～3秒内加速到同步转速的时刻作为初始切入转速点为宜，这样可以使电机软切入过渡过程时间比较短。
异步风力发电机组的软并网控制系统是一个强非线性系统，其过渡过程状态量变化情况由初始状态决定。最优控制策略能很好地控制该复杂系统。最优控制的目标为软并网过渡过程时间最短，约束条件有过渡过程电流状态量在限定的范围内，以及在转速接近同步转速时晶闸管完全导通。由于传统基于动态规划的最优控制方法很难在实际中应用，本文采用基于神经网络的动态规划方法，即小脑模型神经网络方法，来寻找软并网最优控制策略。基于神经网络的动态规划方法，可以充分利用可以检测出的已知量，相比传统动态规划，计算量小，控制系统实时性强。
6 结语
文章针对大型异步风力发电机组，从并网原理以及控制技术方面对风力发电机组软并网控制进行了分析。提出了一种采用电流闭环控制的风力异步发电机的软并网控制系统。仿真结果表明，该方法可使电机并网瞬时电流稳定在额定电流的1.5倍左右，且系统具有较好的稳定性，满足并网要求。
参考文献
[1]王承凯，许洪华，赵斌.基于Simulink的失速型风电机组软并网控制系统的仿真分析[J].太阳能学报，2004，25(5):599-605
[2]孟岳勇，谢少军.基于DSP的异步风力发电机组软并网控制器的设计[J].电气开关，2003，(6):27-30
论文作者:梁贤立
论文发表刊物:《电力设备》2017年第32期
论文发表时间:2018/4/13
标签：晶闸管论文; 电流论文; 转速论文; 电机论文; 控制系统论文; 电网论文; 定子论文; 《电力设备》2017年第32期论文;