張文原，魏顯安，劉 堯

(中國電力工程顧問集團(tuán)東北電力設(shè)計(jì)院有限公司，吉林 長春 130022)

0 引言

“雙碳”背景下，除了常規(guī)并網(wǎng)發(fā)電外，風(fēng)電場將作為可控單元，更多地參與黑啟動(dòng)、源荷交互、智能運(yùn)行等場景之中，將面臨更復(fù)雜的啟停及功率控制場景，對其啟動(dòng)及并網(wǎng)的動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行仿真分析具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

目前，絕大部分雙饋式風(fēng)電機(jī)組 (doubly fed induction generator，DFIG)仿真研究僅關(guān)注穩(wěn)態(tài)發(fā)電狀態(tài)時(shí)風(fēng)速波動(dòng)、低電壓穿越等擾動(dòng)下的響應(yīng)過程，極少關(guān)注啟動(dòng)及并網(wǎng)的全過程動(dòng)態(tài)特性。雙饋式發(fā)電機(jī)并網(wǎng)前、并網(wǎng)后具有完全不同的數(shù)學(xué)模型和輸入輸出關(guān)系，使用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模無法完成并網(wǎng)動(dòng)作的連續(xù)仿真。文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]采用分開建模、分時(shí)仿真的方式，分別使用Matlab中的S函數(shù)模塊和通用模塊，建立了空載模型和發(fā)電模型，在并網(wǎng)時(shí)刻，將空載模型中的全部狀態(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)移至發(fā)電模型中作為初始狀態(tài)，分步模擬并網(wǎng)動(dòng)作。文獻(xiàn)[3]也采取該仿真思路，并同時(shí)對雙饋風(fēng)機(jī)的最大功率點(diǎn)跟蹤(maximum power point tracking，MPPT)控制過程進(jìn)行了仿真分析。文獻(xiàn)[1]～文獻(xiàn)[3]中提出的仿真方法能夠模擬并網(wǎng)動(dòng)作，但建模及狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程較為復(fù)雜，且完全依托狀態(tài)方程建立的發(fā)電機(jī)模型過于理想化，與實(shí)際存在差距；文獻(xiàn)[4]提出基于動(dòng)力和電氣特性，運(yùn)用SIMPACK與Matlab聯(lián)合建立仿真模型，對專業(yè)軟件依賴較大，可借鑒性較差。

針對以上問題和現(xiàn)狀，本文利用PSCAD仿真軟件，研究了機(jī)組升速、充電、勵(lì)磁和并網(wǎng)等各動(dòng)作的連續(xù)仿真方法，并對MPPT控制、恒功率控制等運(yùn)行模式進(jìn)行了模擬，實(shí)現(xiàn)了雙饋式風(fēng)電機(jī)組全階段全工況的連續(xù)一體化仿真。

1 DFIG發(fā)電系統(tǒng)介紹

1.1 DFIG結(jié)構(gòu)及原理

DFIG的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組與電網(wǎng)連接，能夠與電網(wǎng)進(jìn)行能量交換，運(yùn)行過程中，雙脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，PWM)變頻器能夠根據(jù)軸系轉(zhuǎn)速大小，對轉(zhuǎn)子繞組的勵(lì)磁電流進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，保證定子繞組中感生出的三相電壓與電網(wǎng)一致，即實(shí)現(xiàn)了變速恒頻運(yùn)行。

圖1 DFIG系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 DFIG運(yùn)行區(qū)域

雙饋式風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行區(qū)域可以分為啟動(dòng)階段、最大功率追蹤階段、恒功率階段，如圖2所示。

圖2 雙饋風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行區(qū)域

當(dāng)滿足啟動(dòng)條件時(shí)，機(jī)組進(jìn)入啟動(dòng)流程，機(jī)組進(jìn)行并網(wǎng)前一系列準(zhǔn)備直至發(fā)電。當(dāng)風(fēng)速高于切入風(fēng)速但小于額定風(fēng)速時(shí)，機(jī)組執(zhí)行MPPT。在此階段，槳距角置于0°，以便風(fēng)輪最大限度地吸收風(fēng)能；PWM變流器對勵(lì)磁電流進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，以便調(diào)整機(jī)組葉尖速比達(dá)到最佳值，使風(fēng)能利用系數(shù)達(dá)到最大值，如圖3所示，此階段也稱作恒Cp階段；當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，為限制功率繼續(xù)增大，變槳控制系統(tǒng)將槳距角β增大，以減少風(fēng)力機(jī)對風(fēng)能的吸收，此時(shí)風(fēng)能利用系數(shù)Cp將下降，以達(dá)到限制功率的目的。

圖3 風(fēng)能利用系數(shù)與葉尖速比關(guān)系曲線

1.3 DFIG控制策略

網(wǎng)側(cè)變流器控制的目的是維持直流母線電壓的穩(wěn)定，采取基于定子電壓定向的矢量控制方式，控制系統(tǒng)采用電壓外環(huán)功率內(nèi)環(huán)的結(jié)構(gòu)。d軸采用直流電容電壓參考值作為目標(biāo)值，q軸采用iq= 0作為目標(biāo)值。

機(jī)側(cè)變流器控制目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)子兩軸分量電流的有效控制，實(shí)現(xiàn)有功功率、無功功率的解耦控制。機(jī)側(cè)變流器通常采用基于定子磁鏈定向的矢量控制方法。空載模式下，采取電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的控制結(jié)構(gòu)，將電網(wǎng)電壓合成矢量幅值Us作為d軸目標(biāo)值，iq=0作為q軸電流目標(biāo)值；發(fā)電模式下，采用功率外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，將定子有功功率P1、無功功率Q1作為外環(huán)的目標(biāo)值。

最大風(fēng)能控制的目的是，動(dòng)態(tài)調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，使葉尖速比達(dá)到最佳值，從而使風(fēng)能利用系數(shù)達(dá)到最大值。在實(shí)際中，風(fēng)機(jī)處風(fēng)速難以準(zhǔn)確測量，故采用無風(fēng)速測量的功率控制方法，定子有功功率目標(biāo)值可以按照式(1)給出：

式中：λopt為最佳葉尖速比；ρ為空氣密度；R為風(fēng)機(jī)葉輪半徑；ω為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速；Cpmax為最大風(fēng)能利用系數(shù)；s為轉(zhuǎn)差率。

啟動(dòng)階段升速過程中，通過轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制生成槳距角指令信號，最終維持風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速在并網(wǎng)轉(zhuǎn)速附近。在最大風(fēng)能追蹤階段，槳距角將維持在0°，以保證風(fēng)力機(jī)能夠最大限度地吸收風(fēng)能。在恒功率控制階段，通過功率閉環(huán)控制輸出槳距角指令，維持功率恒定。

2 DFIG啟動(dòng)流程

當(dāng)10 min平均風(fēng)速高于機(jī)組切入風(fēng)速時(shí)，機(jī)組進(jìn)入啟動(dòng)流程。首先，偏航系統(tǒng)調(diào)整風(fēng)輪方向與風(fēng)速方向一致，制動(dòng)系統(tǒng)解除，槳距角由90°迅速向下調(diào)整，機(jī)組轉(zhuǎn)速開始升速，通過槳距角控制，使機(jī)組轉(zhuǎn)速維持在并網(wǎng)轉(zhuǎn)速附近；然后，網(wǎng)側(cè)變流器啟動(dòng)，對直流電容充電，隨之啟動(dòng)機(jī)側(cè)變流器，對轉(zhuǎn)子繞組進(jìn)行勵(lì)磁，使之在定子繞組中生成與網(wǎng)側(cè)電壓頻率、電壓、相位一致的感應(yīng)電動(dòng)勢；最后，閉合并網(wǎng)開關(guān)，完成定子的并網(wǎng)。

3 DFIG啟動(dòng)過程仿真

3.1 仿真模型搭建

DFIG啟動(dòng)過程仿真模型主要包括雙饋式發(fā)電機(jī)模型、風(fēng)輪模型、變流器及電氣系統(tǒng)模型和控制系統(tǒng)模型。

1) DFIG模型

DFIG空載運(yùn)行和發(fā)電運(yùn)行階段具有完全不同的數(shù)學(xué)模型和控制方法，在空載階段，定子三相電壓由轉(zhuǎn)子的磁場感生形成，是模型的輸出量，并網(wǎng)后，定子三相電壓受電網(wǎng)電壓鉗制，是模型的輸入量。因此，如果通過數(shù)學(xué)狀態(tài)方程詳細(xì)建模，必須同時(shí)建立空載模型和發(fā)電模型，且必須考慮在并網(wǎng)時(shí)刻兩模型之間的狀態(tài)轉(zhuǎn)移問題，導(dǎo)致建模過程復(fù)雜。

PSCAD軟件中自帶基于電磁特性的異步繞線式電機(jī)模型，模型如圖4所示。轉(zhuǎn)子繞組具備外接引腳，可以連接額外的勵(lì)磁電路；接線端口屬性為“電氣節(jié)點(diǎn)”，不對輸入及輸出加以區(qū)分。與此同時(shí)，電機(jī)采用轉(zhuǎn)矩控制模式進(jìn)行控制，兼顧機(jī)械特性。并網(wǎng)前，可以實(shí)現(xiàn)對升速、充電、勵(lì)磁動(dòng)作的模擬。在并網(wǎng)時(shí)刻，閉合并網(wǎng)斷路器，發(fā)電機(jī)將在空載階段各項(xiàng)機(jī)械、電氣參數(shù)自動(dòng)轉(zhuǎn)入發(fā)電模式，完成對并網(wǎng)動(dòng)作的仿真。

圖4 PSCAD軟件中繞線式異步電機(jī)模型

該電機(jī)模型所采用的等效電路如圖5所示，數(shù)學(xué)模型如式(2)所示，式中R1、X1分別為定子側(cè)的電阻和漏抗，R'2、X'2分別為轉(zhuǎn)子折算到定子側(cè)的電阻和漏抗，Xm為勵(lì)磁電抗，、、分別為定子側(cè)電壓、感應(yīng)電勢和電流，、分別為轉(zhuǎn)子側(cè)感應(yīng)電勢，轉(zhuǎn)子電流經(jīng)過頻率和繞組折算后折算到定子側(cè)的值。轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電壓經(jīng)過繞組折算后的值，/s為再經(jīng)過頻率折算后的值。

圖5 PSCAD軟件中繞線式異步電機(jī)模型

在仿真模型中，可以對以上電機(jī)參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)置，如圖6所示。

圖6 發(fā)電機(jī)模型參數(shù)設(shè)置

2)風(fēng)輪模型

本文采用基于氣動(dòng)設(shè)備的子模型進(jìn)行建模。風(fēng)力機(jī)實(shí)際吸收的機(jī)械功率可由含有風(fēng)能利用系數(shù)的式(3)表達(dá)：

式(3)中的風(fēng)能利用系數(shù)Cp用式(4)計(jì)算：

式中：λr為葉尖速比；β為槳距角。

本文中，使用PSCAD中自帶的通用數(shù)學(xué)模塊按照式(3)～式(5)對風(fēng)輪進(jìn)行建模，風(fēng)輪吸收的功率除以機(jī)組的角速度即得到風(fēng)輪的輸出轉(zhuǎn)矩，將轉(zhuǎn)矩值送至發(fā)電機(jī)模型，即完成了風(fēng)輪即軸系的建模。

3)變流器及電氣系統(tǒng)模型

變流器及機(jī)組電氣主結(jié)構(gòu)，使用PSCAD中自帶的IGBT、二極管、斷路器、電容器、電阻器、電感器等基礎(chǔ)元器件搭建而成。

4)控制系統(tǒng)模型

使用PSCAD中的通用數(shù)學(xué)模塊對網(wǎng)側(cè)、機(jī)側(cè)變流器系統(tǒng)、變槳控制系統(tǒng)等主要控制系統(tǒng)進(jìn)行建模，并設(shè)置PID參數(shù)。

3.2 仿真參數(shù)設(shè)置

本文基于黑龍江某50 MW風(fēng)電場設(shè)備實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真建模，該風(fēng)電場安裝20臺(tái)單機(jī)容量為2.5 MW的雙饋式風(fēng)電機(jī)組，機(jī)組主要參數(shù)如下：

額定容量為2 500 kW，葉輪直徑為121 m，額定風(fēng)速為9.2 m/s，定子額定電壓為690 V，額定頻率為50 Hz，直流電容為0.2 F，直流電壓為1 200 V，齒輪箱增速比為1∶131，發(fā)電機(jī)極對數(shù)為2，定子電阻R1為0.004 3 p.u.，定子漏抗 X1為 0.044 7 p.u.，轉(zhuǎn)子電阻 R2'為 0.005 4 p.u.，轉(zhuǎn)子漏抗X2'為0.071 4 p.u.，勵(lì)磁電抗Xm為2.105 6 p.u.，槳距角調(diào)節(jié)速度為10/s。雙饋式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)仿真模型如圖7所示。

圖7 雙饋式發(fā)電系統(tǒng)仿真模型圖

各主要PID控制器參數(shù)設(shè)置見表1所列。

表1 各PID控制器參數(shù)設(shè)置

仿真過程設(shè)置如下：仿真開始即將槳距角置于30°，并根據(jù)升速狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使轉(zhuǎn)速達(dá)到1 350 r/min附近，t = 10 s時(shí)刻，啟動(dòng)網(wǎng)側(cè)變流器，對直流電容充電，t = 11.5 s時(shí)刻，啟動(dòng)機(jī)側(cè)變流器，對轉(zhuǎn)子繞組進(jìn)行勵(lì)磁，t = 12.5 s時(shí)刻，閉合并網(wǎng)斷路器，開始發(fā)電。初始風(fēng)速為6 m/s，在t = 20 s時(shí)刻增大至8 m/s，在t = 30 s時(shí)刻增大至12 m/s。仿真步長為50 μs，仿真時(shí)長為50 s。

3.3 仿真結(jié)果分析

系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖8所示。

1)風(fēng)電機(jī)組啟動(dòng)過程仿真分析

風(fēng)機(jī)啟動(dòng)后，槳距角初始值為30°，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速開始上升，在t = 10 s時(shí)刻，轉(zhuǎn)速上陣至約0.7 p.u.，即1 050 r/min左右，槳距角已經(jīng)向下調(diào)整為15°左右，如圖8(b)所示，此時(shí)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速已經(jīng)上升并穩(wěn)定在同步速附近，如圖8(a)所示，機(jī)械系統(tǒng)具備并網(wǎng)條件，可以啟動(dòng)風(fēng)機(jī)電氣系統(tǒng)。

t = 10 s時(shí)刻，啟動(dòng)網(wǎng)側(cè)變流器，對直流電容充電，從圖8(k)中可以看出，直流電壓在約在t = 11 s時(shí)刻達(dá)到1 300 V。在t = 11.5 s時(shí)刻，啟動(dòng)機(jī)側(cè)變流器，對轉(zhuǎn)子繞組進(jìn)行勵(lì)磁，轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生幅值約600 A的勵(lì)磁電流，如圖8(i)所示，該勵(lì)磁電流在定子線圈中感生出三相交流電，如圖8(c)所示。在t = 12.5 s時(shí)刻，定子線圈中的三相交流電達(dá)到與電網(wǎng)電壓頻率、相位一致，如圖8(l)所示，在此時(shí)刻，閉合并網(wǎng)開關(guān)，定子電壓開始受電網(wǎng)電壓鉗制，成功并網(wǎng)。

圖8 雙饋式發(fā)電系統(tǒng)啟動(dòng)、并網(wǎng)及運(yùn)行控制連續(xù)一體仿真結(jié)果

2)最大風(fēng)能追蹤仿真分析

t = 12.5 s風(fēng)機(jī)并網(wǎng)后，執(zhí)行最大功率跟蹤控制。在風(fēng)速為6 m/s時(shí)間段內(nèi)，經(jīng)過調(diào)整，最終機(jī)組轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在約0.68 p.u.左右，有功功率穩(wěn)定在0.7 MW左右；在t = 20 s時(shí)刻，風(fēng)速上升至8 m/s，有功功率迅速自動(dòng)調(diào)整為1.9 MW，轉(zhuǎn)速為0.9 p.u.左右。在風(fēng)速變化過程中，槳距角維持在0°，風(fēng)能利用系數(shù)能夠維持在0.48附近，僅在t =20 s風(fēng)速突變時(shí)刻出現(xiàn)了短暫下降，并且迅速恢復(fù)至最大值，表明最大功率追蹤效果良好。

3)恒功率控制仿真分析

t = 30 s時(shí)刻，風(fēng)速上升至12 m/s，高于額定風(fēng)速，進(jìn)入恒功率控制模式，此時(shí)啟動(dòng)變槳控制，槳距角迅速調(diào)整至13°附近，風(fēng)能利用系數(shù)也隨之降低，風(fēng)機(jī)總有功功率被限制在2.5 MW以下。整個(gè)過程中，發(fā)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子電流變化如圖(i)～圖(j)所示，均與預(yù)期相符。

4 結(jié)語

本文利用PSCAD軟件對雙饋式風(fēng)電機(jī)組包含升速、充電、勵(lì)磁和并網(wǎng)等整個(gè)啟動(dòng)階段的連續(xù)一體仿真，解決了傳統(tǒng)方法中對并網(wǎng)前空載階段和并網(wǎng)后發(fā)電階段的單獨(dú)建模，以及復(fù)雜的狀態(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)移環(huán)節(jié)導(dǎo)致的仿真難度大、過程不連貫問題，實(shí)現(xiàn)了對DFIG并網(wǎng)動(dòng)作的準(zhǔn)確仿真模擬，同時(shí)，對風(fēng)速變化下的MPPT控制過程、恒功率控制過程也進(jìn)行了仿真模擬。結(jié)果表明，本文提出的仿真方法及模型，能夠有效反應(yīng)雙饋式發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)、并網(wǎng)、運(yùn)行等全階段全工況的動(dòng)態(tài)特性，為風(fēng)電機(jī)組的仿真研究工作提供了新思路。