双馈风力发电机组恒电压控制系统的双闭环控制

双馈风力发电机组恒电压控制系统的双闭环控制

作者：金博

来源：《建筑工程技术与设计》2014年第10期

【摘要】双馈感应电机（DFIG）在恒电压运行方式下能够发出无功功率，提供电压支持。本文通过对双馈风力发电机的恒电压控制系统和BP神经网络PI整定原理的研究，分析了风速变化和电网电压跌落对恒电压控制系统和风电机组机端电压的影响，然后建立

matlab/simulink模型对经典PI控制进行仿真。结果表明，在风速变化和电网电压跌落时，能够提高双馈风电机组的并网电压的稳定性并减小响应时间，实现了PI参数的自适应调整。

【关键字】双馈风力发电机；恒电压控制系统；双闭环控制

引言

风能是一种洁净的可再生能源，在当今能源和环境问题日益受到关注的情况下，风能发电越来越受到人们的重视。风电机组的输出功率受风速和风向的影响，由于风速和风向的随机性和可变性的特点，使得风电机组输出的功率是随时间变化的，同时大型风电场一般处于偏远地区，其输出功率的变化将给风电场并网电压的稳定带来不利的影响。对于风电比例较高的电力系统，当电网电压跌落到一定值的时候，风电机组的解列可能造成电网电压和频率的崩溃，从而带来诸多不利后果[1]。因此《风电接入电网技术规定》中明确要求并网风电场应配置无功-电压控制系统，能够控制并网点电压在额定电压的97%～107%。

DFIG有恒功率因数和恒电压控制两种运行方式，双馈式风电场采用恒电压控制方式能够为电网提供电压支持[2-3]。文献[4]分别说明了恒功率因数和恒电压运行方式下机组的无功功率和电压控制策略，提出了恒电压控制方式在改善系统电压稳定性方面比恒功率因数运行方式具有更大的优越性，但没有分析在风速变化和电网故障情况下如何优化恒电压运行。文献[5]研究了基于DFIG的定子磁链定向矢量控制，说明在恒功率控制方式下并网系统电压比传统的异步风力发电机更为稳定，但没有进行恒电压控制方式下双馈风电机组并网电压稳定性的研究。文献[6]提出了用奈奎斯特约束算法设计最优PI控制参数，但不能在风速变化和电网故障的情况下实现自适应控制。文献[7]引入等值风速作为前馈控制，对恒电压控制进行改进，该方法有效抑制了由于风速变化导致的电压波动。

1、双馈异步发电机的稳态数学模型

2、恒电压控制系统基本原理

由以上分析得双馈发电机定子磁链定向的矢量控制，实现了功率的解耦控制，因此双馈发电机采用转子侧变流器来实现机端电压的控制。风电场输送给电网的无功功率 可由（4），

（5）推得：

（6）

将（6）式中的转子电流分量 分为两个部分，一部分为发电机的励磁电流 ，另一部分 用于控制与电网交换的无功功率。总的无功功率也可以分为 和 两部分。由此可得：

（7）

由于机端电压会随注入电网的无功功率的变化而变化，因此恒电压控制必须满足2个要求：

（1）由DFIG消耗的无功功率应当由 补偿；

（2）与参考值相比较，若机端电压过高或过低时， 应做出相应的调节。

因此，在恒电压控制方式下，当电网电压有很小的变化时， 会作出相应的调节，增发或减发无功功率，从而维持了机端电压近似不变。图1是恒电压运行方式的无功控制原理图。

3、结论

本文基于双馈风电机组稳态数学模型，采用定子磁链定向的矢量控制方法，实现了功率的解耦控制，并分析了恒电压控制系统和PI参数整定的基本原理。建立matlab/simulink模型对经典PI控制两种控制方法进行仿真，研究风速变化和电网电压跌落对恒电压控制系统和双馈风电机组机端电压的影响。

参考文献

[1] 任永峰 安中全等著. 双馈式风力发电机组柔性并网运行与控制[M]北京：机械工业出版社. 2011

[2] 樊艳芳，晁勤，高瑜. 大型双馈式变速恒频发电机组对电网影响仿真分析[J]. 电力系统保护与控制，2008，36（16）：30-32.

[3] 杨之俊，吴红斌，丁明，等.故障时双馈风力发电系统的控制策略研究[J]. 电力系统保护与控制，2010，38（1）：14-18.

[4] 丁明，李宾宾，韩平平. 双馈风电机组运行方式对系统电压稳定性的影响[J]. 电网技术2010年10期 26-31.

[5] 赵清声，王志新. 双馈风力发电机组系统接入与稳定运行仿真[J]. 电网技术，2007，31

（22）： 69-74.

[6] KO H S， BRUEY S， JATSKEVICH J， et al. A PI control of DFIG based wind farm for voltage regulation at remote location[C] // Proceedings of 2007 IEEE Power Engineering Society General Meeting， Tampa， FL ， USA，June， 2007： 24-28.

[7] 栗然，唐凡，刘英培，柯拥勤. 双馈式风电场改进的恒电压控制策略[J]. 电力系统保护与控制，2012. 6期：79-85.

[8]刘金琨著. 先进PID控制MATLAB仿真（第二版）[M].北京：电子工业出版社. 2004