摘要：科技在快速的发展，社会在不断的进步，我国的综合国力在不断的加强，风力发电在我国发展十分迅速，双馈风力发电机并网成为国内外关注的热点。风力发电的装机容量与日俱增，因此，兆瓦级风力发电系统并网所引起的电流冲击已不能忽略，并网技术成为风力发电技术的一个重要组成部分。实现安全平稳并网是风力发电系统需要解决的首要问题。国内外学者对双馈风力发电机空载并网已有相当的研究进展。本文在机侧转速环上，设计了一种基于二次型性能指标学习算法的单神经元自适应PID控制器，并对双馈风力发电机并网过程进行仿真。与传统的PID控制相比，该控制策略具有动态响应快，稳态精度高等特点，提高了系统动态性能。
关键词：双馈风力发电机；机侧换流器安全性；研究
引言
近年来，随着电力电子技术和微控技术的不断发展，双馈电机在风力发电系统中的应用日趋广泛，而双馈电机控制又比较复杂，为了在风速变化时能实现变速恒频运行和最大风能追踪，网侧变换器的控制研究十分重要。实际上，双馈电机的网侧变换器即为三相电压型PWM整流器，因此，对网侧变换器的控制继而转化为三相PWM整流器的控制研究。传统的整流器通常采用相控整流电路，而相控整流电路虽然结构简单，控制技术成熟，但交流输入功率因数低，并向电网注入大量的谐波电流，不能满足双馈电机网侧变换器的控制要求，因此，为了克服相控整流电路的缺点，本文设计了一种基于电压定向的矢量控制整流电路，能实现能量双向流动，功率因数可调以及输入电流接近理想正弦波的双闭环控制系统。
1双馈风力发电机组概述
传统的风力发电系统多采用的是鼠笼式异步电机，但由于频率恒定，转速基本保持不变，因此利用率较低，功率因数也不高。现代风力发电一般要求变速恒频型，在恒频电网中，发电机转速可以根据风速变化而变化。风力发电系统中应用最广泛的是双馈变速风电系统。在风力发电机组中，慢速旋转的风轮与快速旋转的发电机转子通过齿轮轴相连。发电机的定子与电网相连，转子通过一个AC/DC/AC变频器实现并网。该发电系统抗干扰性能好，系统稳定性强，可以灵活控制有功功率、无功功率等，因此在大容量风力发电中得到广泛应用。
2双馈风力发电系统数学模型
2.1自适应模糊PI控制
自适应模糊PI控制，就是以传统PI控制为基础，对PI策略的配置进行优化实现系统的最优控制。以有功功率为例，将有功功率误差E的子集设置如下：[NB，NM，NS，NO，PO，PS，PM，PB]其误差改变CE与增量CU子集设置如下：[NB，NM，NS，O，PS，PM，PB]根据变流器运行过程中的实际情况以及专家经验，可得变流器的控制策略如表1-1所示。借助于MATLAB的数学逻辑运算策略，开展自适应模糊PI策略的编译。
表1-1
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2.2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。
2.3 DFIG并网转子侧控制器设计
DFIG的动态数学模型呈现出多变量、非线性以及强祸合等特性。针对DFIG本身的特性，通过坐标变换Clark（3s/2r）以及Park（2s/2r)得到简化的低阶数学模型。对DFIG理论建模时往往做出一定的假设，忽略不必要的参数影响，与实际风电系统中的DFIG存在一定的区别。然而在实验中得到DFIG的参数，虽然表现出很好的动态效果，但是在实际风电系统中DFIG在三种工作状态下的参数是不断发生变化的。传统PI控制器对参数以及外部扰动项依赖性强，不能实现很好的控制效果。国内外研究学者针对上述问题提出不同控制策略，有效的缓解了因参数以及外部扰动变化对系统的影响。
2.4直流电容的选择
对于PWM变换其中的滤波电容，其作用除滤波外，还有稳压的作用，因此电容的设计非常重要。假设直流电压的最大允许电压和功率分别为:VdcMAX，PMAX;则从稳定电压升到最大允许电压的这段时间ΔT内释放能量为: .png)
则直流侧的电容为: .png)
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2.5电流内环控制器的设计
网侧变换器的d、q轴变量互相耦合，为了实现d、q轴变量的有效控制，引入id、iq的前馈控制实现解耦。令
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在设计电流环时，希望电流无静差，因此可将电流环设计成典型的I型系统。设PWM变换器、电流滤波、电流PI控制器的传函分别为:.png)
其中:TS、KS为PWM变换器的开关频率和整流系数;Toi电流滤波时间常数，Ki、τi分别为电流调节器的比例系数和超前时间常数.png)
为积分系数。
3仿真结果
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。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。
结语
本文基于MATLAB构建双馈风力发电机组仿真平台，搭建不同类型风速仿真模块，仿真分析不同风况条件下双馈风力发电机组注入电网的谐波特性，研究表明：（1）不同风况下双馈风力发电机组并网给电网注入的谐波含量及其分布有所不同，电流畸变率：基本风速<阵风风速<渐变风速<随机风速，谐波主要集中在低阶次谐波；（2）风电场谐波中具有明显的高阶次谐波含量，随着电网智能化发展，电网中的高阶次谐波会对电力设备产生巨大影响，对电网中高阶次谐波的检测和治理有待进一步研究．
参考文献
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论文作者:宋振国
论文发表刊物:《电力设备》2019年第19期
论文发表时间:2020/1/9
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