摘要：现如今，我国的科技发展十分迅速，开发新能源和发展可再生能源己成为人类社会的共识，风能作为一种可再生的清洁能源受到普遍重视。在风能的开发利用方面，风力发电机组的功率控制以及频率调节对于风电并网运行将产生重要影响，本研究选择双馈风力发电系统为对象，对上述关切进行了从理论到仿真的探讨。论文阐述了双馈风力发电机的结构和工作原理，并在此基础上，通过电路等效和简化，建立了双馈风力发电机的稳态模型，为后续有关双馈风力发电机功率控制和频率调节的讨论提供理论支持。
关键词：双馈风力发电机；滑模变结构控制；矢量控制
引言
风力发电装机容量在中国和全球总电源装机容量中的比例都很小，由于风力发电受地理气候因数的影响比较大，造成在部分地区装机容量和发电量都达到的一定高度，形成了非常高的渗透率，同时风力发电具有输出功率不稳定性且随风波动的特性，这种特性使得在高渗透率随机波动的风功率纳入系统时，将导致有功功率的波动，降低电网的频率质量。另一方面，在和系统频率解祸控制过程中，变速风电机组失去了调节转子动能和调频的能力，使得电网功率支撑能力减少，加大了常规电厂的调频负担。
1双馈异步发电机变速恒频风力发电系统
双馈型异步发电机实行同步发电机性质的交流励磁，频率、幅值和相位作为可调量，使得励磁电流的调节上多样化，因此，该系统以它自身特有的优势，逐渐成为风力发电的主流。DFIG的转子绕组通过变流器接入电网，定子绕组与电网直接相连接。当DFIG的转速变化时：利用励磁电流频率的调节来维持定子绕组频率恒定；发电机发出电能的频率能够通过励磁电流的频率的调节来保持恒定；发电机发出的无功功率能够通过励磁电流的幅值来调节；对功率变流器输出的励磁电流相位的调节来改变发电机的功率角，因此交流励磁能够调节有功和无功功率。变流器流过的转子电路的最大功率，只占发电机额定功率的一小部分，使得系统运行成本减少。
2双馈风力发电机的调频控制策略
受地理气候因数的影响，风力发电输出功率随风波动而具有不稳定性。高渗透率随机波动的风功率纳入系统将导致有功功率的波动，降低电网的频率质量，这要求电网系统需要加强其接纳大规模风电场并网的能力：增强电网系统调度功能；提升风力发电系统的功率备用和调频能力，使其能够为系统调频提供支撑。在传统最大功率跟踪控制下，随机风速决定变速风电机组的功率输出。双馈风力发电系统机组转速和网侧系统频率不直接祸合，使其不能响应系统频率波动，使双馈发电机丢失了虚拟惯性响应与调频功能。所以，高渗透率风电纳入网侧系统后必将使系统惯性下降，功率备用严重不足，对于双馈风力发电系统参与电网调频问题，理论上应探究怎样更好的控制DFIG的机械功率，来为电网持续提供功率支持和满足系统一次调频的技术要求。
2.1风电机转子惯性控制
发电系统的虚拟惯性能力显示了风电机组维持频率恒定的功能，让DFIG系统有充分的时间来控制机械功率创立新的功率平衡点，达到频率恒定。在电网系统频率突变时，双馈风力发电系统能够迅速调节电磁功率，调节风力机转速，释放和存储风电机组的转子动能，虚拟出较大可调节的惯性响应为系统提供有功支撑。转子惯性控制本质特性是：利用调节转子侧变流器的励磁电流，能够短时间内改变转子速度，达到释放或者存储风电机组的转子动能的作用，使双馈风力发电系统能迅速提供转动惯性响应电网频率的暂态波动。
2.2变桨控制
通过调节桨叶的迎风角度，来控制机械功率的大小，使双馈风力发电系统工作在最大功率跟踪点（或者下方某点），释放和存储风电机组的转子动能。在可控范围内随着桨距角增大，双馈风力发电系统提供的功率支撑会更大，功率一转速特性曲线如图1所示：当风力机稳定运行在最大功率点1时，系统频率为SOHz工频，输出功率为P1；若电网负载功率增加引起电网频率下降，则需要风电机组提供更多的有功功率支撑。通过减小桨距角p增加机组的风能捕获，提升输出功率，如从点1上升到3，此时机组输出功率从P1上升到P3；反之，当电网负载减小，电网频率上升，桨距角增大，风能捕获降低，运行点从1到2，机组减载运行提供更多的功率备用。
图1 功率一转速特性曲线
2.3矢量控制
并网感应电机的矢量控制非常类似于广泛使用的笼型电机的经典矢量控制。在电机d轴、q轴同步旋转坐标系中，如果坐标系d轴采用定子磁链定向，这样d轴电流正比于转子磁链，而q轴电流正比于电磁转矩，利用d轴、q轴转子电流分量的独立调节控制，实现转矩和转子励磁电流的解祸调节。类似地，在感应电机矢量控制中，d轴、q轴转子电流分量是独立调节控制的。如果坐标系采用定子磁链定向，利用d轴转子电流独立控制来调节定子有功功率，利用9轴转子电流独立控制来调节定子无功功率。如图2所示。
图2 定子磁链定向的坐标系
2.4电流控制环
一旦计算出转子电流指令值，转子侧变换器须确保实际电流精确跟踪指令。通常来说转子变换器是一个三相逆变器，调节转子的端电压而不是电流。因此，控制环须被整合以确保电流有效跟踪指令。尽管可在任意坐标系中实现这些控制环路，但最实用的方法是使用与电流指令值相同的坐标系，使d轴定向于定子。这样，在该坐标系中稳态时变量为直流量，有利于电流调节。这样计算出的转子参考电压位于同步坐标系中，转子侧变换器需要每相电压值，这可以通过Park反变换从、和称得到。同样，电流laY和标可利用Park变换从三相电流得到。这两个变换的实现需要d轴和转子之间的角度Br己知，因此，转子的位置，即角位置Bm，必须是己知的。目前常用的是在转子上安装编码器来估算转子的位置。
2.5滑模变结构控制器
变结构控制的基本概念是由前苏联学者在1957年提出的，变结构控制的实质是非线性调节，跟其他控制策略相比，对于结构不确定的系统能够很好地调节。通过系统运行的状态和结合系统参数和控制目标，使得控制系统能够动态变化，让系统根据设定的“滑动模态”的线路运行。因此通常称变结构控制为滑动模态控制（SlidingModeControl，SMC），即滑模变结构控制。因为滑动模态与被控对象的参数和扰动无关，且可自行设计，所以滑模变结构控制优点有：系统控制响应快；不受控制对象的系统参数的干扰；和物理实现相对容易等。利用控制量的切换控制，让系统的运行轨迹跟着滑模面运动，在系统受到外界干扰或参数扰动时能够保持不变。
结语
论述了定子磁链定向的矢量控制，研究分析了双馈发电机的功率控制策略。介绍滑模变结构的基本理论，结合双馈发电机的最大功率点跟踪控制要求，研究切换控制，设计了滑模变结构控制器，实现系统状态变量及其参考值之间的误差在极短的时间降到零点，降低系统的不确定性和其他扰动。分别对PI调节器的矢量控制和滑模变结构控制策略在MATLAB中建模仿真，对比了两种控制一定条件下在双馈风力发电机系统的控制效果。双馈风力发电机系统参数的扰动对滑模变结构控制策略的干扰甚微，而电机参数的变化对PI调节器的矢量控制影响较大，表明了滑模变结构控制解决传统控制策略中对系统参数过分依赖性现象。
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论文作者:薛永强
论文发表刊物:《电力设备》2018年第28期
论文发表时间:2019/3/4
标签：转子论文; 功率论文; 系统论文; 电流论文; 电网论文; 频率论文; 定子论文; 《电力设备》2018年第28期论文;