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双馈风力发电系统控制技术研究

摘要：近年来，伴随社会各界对可再生能源重视程度的不断加深，并以此为契机，大力发展以风力发电为代表的新能源发电技术，风电场规模不断扩大，国家对风电机组的并网运行也提出了更高的要求。双馈型风力发电系统以其独有的的优越性成为了新时期发电领域研究的热点，虽然在技术上双馈型风力发电系统是具有较大优势的，但在实际应用过程中依然存在故障问题，易造成双馈型风电机组短路。基于此，本文将首先分析双馈型风力发电系统的特点，再对双馈型风电机组短路电流的特性进行分析，旨在探讨双馈风力发电系统控制技术，以有效推动风力发电产业发展。
关键词：双馈发电机；风力发电；控制技术
在能源资源短缺以及环境污染严峻的双重压力下，使人类认识到开发可再生新能源是实现可持续发展的必由之路。目前，人们认识到的除水电以外的可再生新能源中，风力发电技术是当前新能源发电中最具潜力、技术最成熟和最具备开发规模的发电方式之一，风力发电技术越来越得到社会各界的广泛重视。双馈型风力发电机作为风力发电系统的翘楚，具有灵活的的有功和无功功率调节能力，此文章主要针对双馈型风力发电系统控制技术进行深入研究。
1.双馈型风力发电系统的特点
常规的同步发电机一般采用直流励磁方式，二异步发电机无励磁绕组，其激磁一般是通过定子取自电网，普通异步风电机组的转子绕组主要通过外接电阻闭合或直接短接，一般为三相对称绕组。与同步发电机相比，没有单独的励磁绕组，当机端三相短路后机端电压降低至接近于零，电机由于无外加励磁，定子电流将逐渐衰弱，稳态路电流最终将衰竭至零。伴随信息技术的不断发展，人们在不断找新途径解决电力系统稳定的方法的时候，提出了采用交流励磁发电代替常规同步发电机的设想，并且很快将该设想付诸实践，也就是后来的双馈型风力发电机。
双馈型发电机是在同步发电机和异步发电机的基础上发展而来的，是一种新型的发电机，该发电机从定子侧角度看，交流励磁发电与同步发电机的直流励磁在电机气隙中形成的同步磁场的旋转方式是一致的；但是从能量流动的角度来看，交流励磁发电机与直流励磁发电机相比，其可调量有三个：（1）励磁电流幅值（2）频率（3）相位。因此，通过调节励磁电流，不仅可以调节发电机输出的无功功率，还可以调节发电机输出的有功功率。这些特点对双馈型风力发电机的运行带来较大的优越性。既可以借助励磁电流的频率实现在较宽范围内的恒频发电，以满足用点负载和并网要求，又可以通过调节励磁电流的有功分量和无功分量，实现对发电机的有功功率和无功功率的独立调节。
2.双馈式风电机短路电流特性分析
双馈式风电机利用投入转子Crowbar旁路电阻实现低电压穿越。当投入Crowbar电路后，DFIG风机相当于一个鼠笼式电机,其故障电流具有鼠笼式异步发电机故障电流的特征。其主要有两方面差异:（1）Crowbar电路是在故障数毫秒之后才投入的，而在此之前转子电流是受变流器的矢量解耦控制规律影响；（2）在DFIG风电机正常工作的转速变化范围更大，并不局限于在同步速附近。在PSCAD/EMTDC平台搭建简单的双馈式风机接入等值系统仿真模型，研究双馈式风机的故障特征。故障发生时刻为0s，故障前风机运行工况为转速0.7p.u.,故障类型为三相短路，故障持续时间200ms，另外，故障期间系统侧电压、电流均保持工频。双馈机组在故障期间风场侧电压频率不再保持一致，其中电流频率取决于风机运行转速。
3.双馈风力发电系统控制技术实施策略
建立风力发电模拟系统是相对于真实风力发电系统提出的概念，通过模拟系统的建立，可以对某些风力较为贫乏的地区，进行相对科学的风力评估，用于满足科学实验研究的基本要求。就双馈型风力发电机而言，其主要采用转子绕线式异步发电机替代，通过发电机与原动机进行同轴相连的方式，进行对风力发电系统的模拟，如图1所示。
图1双馈型风力发电机系统总体结构图
在该系统设计中，整个模拟平台氛围硬件系统和软件系统，其中以硬件系统为主，主要包括主电路部分和控制电路部分，然后通过该系统硬件系统和软件系统的共同作业实现双馈型风力发电系统的控制，主要实施策略如下：
3.1改进矢量控制方法
基于定子磁链定向或定子电压定向的矢量控制是双馈型风电机常用的矢量控制方法，该控制方法通过采用比例积分控制器，实现有功、无功功率独立调节。当电网电压跌落幅度较大时，产生的转子过电流需要较大的转子励磁电压进行控制，该值易超过PI控制器的输出范围，使DFIG处于非闭环的失控状态。因此，为了控制这一缺点，又研发出了新的控制励磁电压的方法，定子磁链暂态直流和负序分量相反的转子电流空间矢量及相应的漏磁场分量进行抵消，以此来限制短路过程中的过电流，提高双馈型风电机的LVRT能力。
3.2加强对直流侧的保护
从双馈型风电机直流输电的角度,引入静止同步补偿器,发现STATCOM能有效抑制暂态过电压,从而改善直流系统的暂态运行特性。变流器的直流环节由滤波电容和电感组成。当持续故障使得直流侧出现过电压时，可以投入并联的Choppcr电路，消耗直流侧多余的能量，从而将直流母线电压控制在安全范围内。
3.3加强变桨控制
DFIG的转速是由风力机的输入功率和DFIG的输出功率之差决定的。电网电压发生骤降之后，DFIG输出功率减小，而风力机的输入功率不变，所以DFIG转速将快速上升。此时可通过实行变桨距控制来增大桨叶的桨距角以减小风力机吸收的风能，从而阻止转速升高，达到加强变桨控制的目的。
3.4引入Crowbar保护
??综上所述，双馈式风电机是利用投入转子Crowbar旁路电阻实现低电压穿越。当投入Crowbar电路后，DFIG风机就相当于一个鼠笼式电机，而引入Crowbar保护是基于电网电压跌落程度较深的情况而言的，引入Crowbar保护，通过旁路开关在电机的转子绕组中串入Crowbar电阻来释放磁场储能并加快磁链的衰减，从而缓解故障对机组的冲击。尽管较大的转子保护电阻能够有效地抑制转子电流峰值，更快地吸收转子磁场的储能，然而旁路电阻过大又会使转子电压过高，会引起对直流则电容的反充电从而损坏变流器，而且还有可能击穿发电机转子绕组绝缘。
4.结语
风力发电作为最具规模和发展前景的新能源发电方式之一，是保障未来电力供应和解决全球环境问题的关键，我国不仅风能资源丰富，电网条件、风力发电设备以及电力体制和政策环境也都有利于风电的发展，双馈型风力发电机作为新型的风力发电技术，在未来风力发电市场上有较多的可能性，因此，本文从双馈型风力发电系统的特点出发，通过对双馈型风电机组短路电流的特性进行分析，旨在探讨双馈风力发电系统控制技术的实施策略，从而促进风力发电技术的更好发展，望起到有效参考价值。
Reference：
[1]蒋天龙.具有惯性特征的双馈风力发电机非理想电网条件下控制策略研究[D].浙江大学,2019.
[2]李培强,邱时严,李欣然,曾小军,周丽英,胡泽.双馈风力发电系统的滑模变结构控制技术[J].电力系统及其自动化学报,2017,29(08):29-35.
[3]邓永生.双馈风力发电系统控制数字物理混合仿真技术研究[D].昆明理工大学,2017.
[4]刘爽爽.风力发电系统无速度传感器控制策略研究[D].燕山大学,2017.
[5]区寿松.双馈风力发电机的非线性自适应控制研究[D].华南理工大学,2017.
[6]邓宁峰.双馈型风力发电机组功率与载荷控制技术研究[D].湖南大学,2017.

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