风电机组的控制及并网11.详解

其中给定直流电压Ud*与实际检测到的直流连接环 电压Ud相比较，所得误差信号经比例积分控制器调 节产生有功参考电流iq*，而无功功率外环产生无功 电流id*。电压环外环控制直流电压稳定，可以使逆 变器稳定地向电网传输功率，而无功功率环控制逆 变器输出无功功率，从而满足电网对于无功功率的 要求。电流内环依然采用基于旋转坐标轴的解耦控 制，采用比例积分调节器作为电流环的控制器。


1、由于采用交-直-交变频系统，使发电机 组工作频率与电网频率相互独立，因此不必 担心并网时可能出现的失步问题。发电机可 以运行在不同转速下，最大限度地捕捉风能。 2、采用变频装置进行输出控制，并网时没 有电流冲击，对系统几乎没有影响。

目前在变速恒频发电领域中，直驱永磁同步 发电机组较受欢迎。永磁同步电机结构简单， 没有励磁绕组，节省了电机的用铜量，无电 刷，无滑环，消除了转子损耗，运行可靠。 直驱永磁同步发电机与风力机直接耦合，省 去了变速箱，提高可靠性，减少系统噪声， 降低了维护成本。是未来风电机组发展的一 个重要方向。

近年来，风力发电在技术上日趋成熟，商业 化应用不断提高，同时，风力发电的成本也 在不断降低，这为充分利用风能提供了诸多 有利条件。现就当前流行的几种风电系统的 控制方式和风电机组并网的相关问题做下简 单介绍
二 变速恒频风力发电系统

风力发电技术经历了从恒速恒频风电系统到变速恒 频风电系统的演变过程。早期的风电系统中大多采 用恒速恒频风电系统，恒速恒频风电系统的发电机 转速保持不变，其运行范围比较窄，因此逐步被后 来的变速恒频系统所取代。变速恒频风电系统的发 电机的转速能随风速的变换而变换，能够按照最佳 效率运行，变速恒频发电系统是当今风电系统发展 的一个趋势。

采用Matlab7.0中Simulink根据PWM整流器的 数学模型以及控制模型对系统进行建模仿真。 取仿真参数为电机侧交流电压为500v，频率 为10赫兹，给定直流电压U*为1300v，电网 侧交流电压为220V，频率为50赫兹。
1500 1300 1100 900 700 500 300 100 -100 0 0.05 0.1 0.15 0.2 t 0.25 0.3 0.35 0.4
采用PWM整流器可以对功率因数进行控制，从而降 低了发电机的铜耗和铁耗，并且PWM整流器可提供 几乎为正弦的电流，因而减少了发电机侧的谐波电 流。直流环节并有一大电容，可维持电压恒定。电 网侧串联电感可用于滤波。通过控制系统的控制， 将永磁电机发出的变频变幅值电压通过网侧逆变器 转化为可用的恒频电压，并达到俘获最大风能的目 的。
2.1 变速恒频风力发电系统的分类

在变速恒频风电系统中，主要有以下几种风 电系统：(a)永磁直驱风力发电系统; (b)绕线 转子型异步双馈风力发电系统;(c) 异步电机风 力发电系统;(d)无刷双馈风力发电系统; 但目前应用较为广泛且较有发展前景的主要 是双馈式和永磁直驱式。
图2.2 永磁直驱风力发电系统
abc

isd

usd
isq
usq

L d
ud
ud dec
uq
-
usq
usq
*
usd *
PI PI -
L L
f
L q
uq dec
PI -
usd
功率计算 -
PI
*
iq PI
isq*
id *
*
PI -
PI
isd *
-
Q
P
-
udc*
Q*
MPPT
图3.2 永磁直驱变速恒频风力发电系统控制框图
永磁同步电机
Ug
idc
iL
Ro Lo C
Us
电网
g
位置检测
iu iv iw
abc dq
整流器
Su Sv Sw
逆变器
Sa Sb bc dq
usa usb usc
abc dq
g
d dt
PWM发生器 uu uv uw
g
dq abc
PWM发生器 ua ub uc dq

变流器 AC DC 桨距角度 发电机转速 电流 PWM 直流电压 DC AC PWM 直流母线电压 控制 电流 有功功率和无 功功率
发电机
电网
桨距驱动
有功功率和无 功功率控制
P 负载曲线 桨叶角控制 转速控制 -启动 -满载时 -半载 -关机 桨距控制 风速 风向 桨距控制模式 风机主控制系统 偏航驱动
Udc
图3.3 直流电压Udc仿真图 从图3.3可以看出，在PWM控制下实际的直流电压 Udc迅速跟从给定的Udc*=1300V，保持了直流连接 电压为恒定值。
500 400 300 200 100
Ueu,ieu
0 -100 -200 -300 -400 -500 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 t 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2
整流器 风力机 永磁同步电机
直流环节
逆变器 电网
图3.1 基于双PWM的永磁直驱风力发电系统图
采用了低速（多级）交流同步永磁发电机，因此在风 力机与交流发电机之间不需要安装升速齿轮箱 。优点 主要有以下： (1)不采用齿轮箱，使机组的工作寿命更加有保障。 (2)避免了齿轮箱部件的维修及更换。 (3)由于发电机具有大的表面，散热条件更加有利，可 以使发电机运行时的温升降低，减小发电机温升的 起伏。 (4)使用这种风力发电结构，在低风速时也具有较高的 效率。

对于发电机侧的整流器，在同步旋转(d,q)坐标系中 采取电流矢量解耦控制，从而可以独立控制有功无 功电流，实现无静差控制。控制结构如图3.2所示, 采用速度外环，电流内环双环控制方式。其中外环 速度参考值由最大功率点跟踪算法得出,它根据发电 机实际转速和输出有功功率的变化得出一个最优的 参考速度，发电机在该转速下运行便能获得最大的 能量。
图2.6 风力机的输出功率与发电机转速的关系图
变速恒频风力发电机组的运行分三个阶段。 (1)起动阶段。发电机转速从静止上升到切入速度。 在切入速度以下，发电机并没有工作，机组在风 力作用下作机械转动，并不涉及发电机变速的控 制。 (2) 在变速运行阶段。发电机转速被控制以跟踪风速 的变化，从而获取最大的能量。 (3)功率恒定阶段。在额定风速以上，风力发电机组 的机械和电气极限要求转子速度和输出功率维持 在限定值以下。

图3.4 发电机输出的电压和电流仿真图
图3.4为发电机输出的电压Ueu和电流ieu，其频率为 10赫兹，从图中可以看出，通过0.06秒时间的调节， 电流迅速稳定下来，与发电机输出电压相位保持一致， 即发电机侧的功率因数为1。

图2.4 异步电机风力发电系统
使用异步电机具有以下优点： 1：异步电机相当结实，无电刷，可靠，经济而普遍。 2：整流器可产生用于电机的可调励磁。 3：快速瞬态响应。 4：当有剩余容量时，逆变器可作为无功或谐波补偿 器。 它的缺点主要有： 1：复杂的系统控制（FOC），其性能依靠对于电机 参数的了解，而电机参数是随温度和频率而变化。 2：为了满足电机的磁场需要，定子侧变流器容量要 比额定功率高30~40%。
风电机组的控制及并网等问题的 研究
黄守道 湖南大学电气与信息工程学院
一

前言
1、风力发电研究的背景和意义 风力发电是电力可持续发展的最佳战略。技术 创新使风电技术日益成熟，具有市场竞争能力， 风电作为一项高新技术产业而将带来的巨大前景。 风力发电将能迅速缓解我国能源急需和电力短缺 的局面，是解决边远农村供电的重要途径，减少 资源消耗和环境污染,减少温室气体等有害气体 的排放,缓解全球变暖,保护环境，有着巨大的社 会效益和经济效益,中央把风力发电自主创新提 高到战略高度，风力发电技术的研究和产业化对 于我国的发展具有深远的意义。


永磁直驱式风电系统的风轮与永磁同步发电机直接 相连，无需升速齿轮箱，同时转子为永磁式结构， 无需励磁绕组，因此不存在励磁绕组的损耗，提高 了效率。另外转子上没有滑环，运行更加安全可靠。 缺点是永磁体增加了电机的成本，永磁物质具去磁 性，并且电机的功率因数不可控。 永磁直驱式风电系统是未来风电系统发展的一个重 要方向。
图2.3 绕线转子型异步双馈风力发电系统
它的优点是： 1：减小了逆变器损失，因为逆变器功率只需为 整个系统总功率的1/4，这是因为变流器只需要 控制转子滑差功率。 2：减小逆变器和电磁噪声滤波损失。 3：在外部扰动下，双馈电机具有更好的鲁棒性 和可靠性。 双馈电机的缺点就是使用滑环，需要定期维修， 这极为不方便，尤其是用于海上风力发电时。
(1)风力机把风能转化为动能。 (2)变速齿轮箱进行转速转换，将风力机的低 转速转化为发电机运行所需要的高转速。 (3)风力发电发电机把风力机输出的机械能转 变为电能。 (4) 发电机侧变流器由自关断器件（如 GIR 、 IGBT、GTO等）构成的AC/DC变流器，采 用一定的控制方法将发电机发出的变频的 交流转换为直流。
功率因数控制

变流控制系统 刹车控制 变流控制命令
图2.7 变速恒频风力发电机组的主控制框图
根据变速风力发电机组在不同区域的运行将 基本控制策略确定为： (1)低于额定风速时，通过对变频器进行控制， 从而控制发电机的电磁转矩，以改变发电 机的转速，从而能在在变速运行区域跟踪 曲线，风力发电机受到给定的功率-转速曲 线控制，获得最大能量。 (2)风力机在高于额定风速时，进入功率恒定 区，通过对桨距角和发电机的电磁转矩的 控制，跟踪曲线，并保持输出稳定。
(5)直流环节：一般直流环节的电压控制为恒 定。 (6) 网侧变流器由自关断器件构成的 DC/AC 变 流器，采用某种控制方法使直流电转变为三 相正弦波交流电（如50Hz、690V的三相交 流电），并能有效的补偿电网功率因数。 (7) 变压器通过变压器以及一些开关设备和保 护设备，把电能变为高压交流电（如 11kV 或33kV等）。