摘要：双馈风力发电机组作为目前热门风电机组类型，大规模的应用会给机组自身控制和电网安全稳定运行带来一系列的问题。本文基于双馈风力发电机运行的特点，构建双馈发电机矢量控制方法，采用双馈电机磁链关系的模型参考自适方法进行转速及转子位置的跟踪，并提出了基于电网电压矢量定向的双馈发电机灭磁控制策略，以期完善电网并网规约对风电机组运行的要求。
关键词：微电网；双馈发电机组；变速恒频
世界范围内对能源需求持续增加，各国政府和国际组织都相继投入大量的资金用于新能源的开发。风力发电技术相对成熟、最具大规模商业开发条件、成本相对较低，具有巨大的优越性。随着我国风力发电装机容量的持续增长，以及太阳能光伏发电的大力开发，同时国家也加大对新能源汽车和直流充电桩的市场投入，直流负荷比重增加，直流微电网技术应运而生。
一、双馈发电机的特点及系统的基本结构
传统的交流同步电机采用直流励磁，而异步电机没有励磁绕组。近年来，微机控制技术和电力电子技术的发展，双馈型异步发电机受到广泛的重视，这种电机的转速可以随着交流励磁频率的改变而改变，结构上有定子和转子两套绕组，由于定子和转子中都有能量馈送，因此为双馈，从发电机的转子转速来判断，交流励磁发电机应为异步发电机，但是又有同步发电机的特点，比如有独立的励磁绕组，和同步发电机一样可以调节功率因数，双馈发电机有许多同步发电机的特性，是在其基础上发展起来的一种新型电机，在性能方面得到了改善曙¨。控制同步电机，只能控制励磁电流的幅值，即可调量只有一个，而且只能对无功调节，双馈电机可调量有三个：励磁电流的幅值，励磁电流的频率，励磁电流的相位。可调量比同步电机多了两个，可以控制它们实现电机转速的改变，实现变速恒频的目的性引。当发电机的负荷突然变化时，可以控制发电机的励磁频率使电机的转速改变，减小负荷对电机的影响，使对电网的扰动得到减小。转子励磁电流相位的改变可以调节电机的功率角，原因是相位改变时，转子电流的磁场，在气隙空间上有位移，使发电机与电网电压向量相对位置发生了改变。所以交流励磁对无功功率和有功功率都能进行调节。因此双馈发电机和同步发电机相比有明显的优势，有同步发电机没有的变速恒频能力。在风力发电中，风速是时刻变化的，因此JxL力机会随风速的变化而变化，以往的风力发电方式中，发电机的转速不能随便改变，以免对电网造成冲击，风力机通常运行在一个转速下，使风力发电的效率大大降低，而且发电质量也不好。双馈发电机在这方面有了很大的改善，它可以通过调节励磁电流的幅值、频率和相位，在风力机随风速变化时，也能保证向电网输送恒频的电能，提高了风力发电的效率。现代电力系统，单机容量变大，送电线路变长，由于社会需求增大，电网负荷随之增大，线路会出现工频过电压，给系统造成安全隐患，通常是在线路上加静止无功补偿器，这不仅需要采用更加复杂的运行技术，而且提高了运行成本。双馈发电机可以通过改变功率角，吸收无功功率，进行无功功率调节，使发电机稳定运行，提高电力系统的稳定性和安全性。
二、双馈发电机矢量控制方法
将同步旋转(d-q)坐标系的d轴按电网电压空间矢量定向，则电网电压在同步坐标系里的q轴分量为0，双馈电机数学模型中的定子电压方程式简化为（公式1）:
双馈电机定子绕组直接与电网相连，当所连电网为强电网的时候，定子电压的幅值和频率都是恒定的。忽略定子电阻上的压降，稳态时定子磁链落后定子电压90°，落在q轴的负半轴上，则有（公式2）:
双馈电机采用电网电压定向矢量控制时，由于功率变换器在转子一侧，需要将转子电流通过矢量坐标变换变换到同步坐标系中，因此需要知道转子对于定子A相绕组的空间位置角。一般采用增量式码盘获取转子的位置信息。转子的初始位置跟码盘的机械安装有关，可以通过实验测定的方法获取。
双馈电机并网条件是定子电压和电网电压在幅值、频率及相位上相同，因而并网之前应对定子电压进行调节。并网之后，风电机组需要调整发出的有功功率，无功功率。因而并网之后应对双馈电机的功率进行调节，为了最终实现双馈电机的并网运行，采用双馈电机分段并网控制策略，其可以分为定子电压的建立阶段、双馈电机的并网阶段。
在定子电压的建立阶段，双馈电机处于定子空载运行，励磁电流全部由转子电流提供。可以通过控制双馈电机转子电流间接地控制定子电压使其满足并网条件。将公式1代入公式2，考虑定子电流为零，整理得:
选择电压环控制器
当定子电压建立并满足并网条件标志着第一阶段调节过程结束，通过控制并网接触器闭合实现双馈电机并网。在这一阶段双馈电机的控制策略由定子电压闭环控制切换为定子侧功率闭环控制。并网运行过程中，风电机组控制器根据实际风速和电网要求动态调节发电机输出有功功率和无功功率。
将公式代入，可以导出定子侧功率与转子电流的关系：
由上式可以看出，定子侧的有功无功功率是互相解耦的。
三、双馈风电机组的并网控制策略
双馈感应发电机等新型发电装备在结构和运行特性上与传统同步发电机具有较大差别，且电力电子器件的快速调控、高阶耦合和强非线性等特点，使得电力系统的运行特性发生深刻变化，造成电力系统的故障特性发生变化，故障分析方法面临新的理论和技术问题。从故障数值模拟方面来看，风电并网对数字模拟方法的影响涉及数学模型和求解算法两个方面。定速异步风电机组、双馈感应风电机组以及永磁直驱风电机组等当前主流的风电机组均具有与同步发机完全异构的特点，同步发电机的数学模型并不能用于表述风电机组的暂态过程。风电机组的矢量控制、直接转矩控制和复合控制等技术使得风电机组具备有功、无功解耦的灵活控制能力，但也造成了风电机组暂态特性的复杂化。在电力电子器件的快速调控作用下，电网故障期间控制系统对风电机组的运行状态和输出具有十分明显的影响。风电机组控制系统模拟是否准确将直接影响故障分析结果的精确性。
从故障电气量计算方面来看，由于风电机组的运行控制特性与同步发电机具有较大差别，在电力系统故障计算的等值网络中如何表述风电机组成为系统故障计算面临的最大问题。与同步发电机暂态电势可近似为恒定不同，定速异步风电机无外加励磁电源，机端电压随电网运行工况的改变而变化；双馈风电机组转子绕组接有外加激磁电压，但无强励作用，故障期间机组暂态电势无法保持恒定；永磁直驱风电机组通过变流器与电网相连，其暂态特性主要由并网变流器决定，与变流器的控制性能、控制方式等因素有关。传统电力系统故障计算中通常用叠加原理将故障状态分解为故障前的稳态网络和故障后的故障分量网络分别求解，故障前电气量由潮流计算确定，而故障分量网络中，仅有故障点一个电源，求解十分方便。此外，对于电网不对称故障时，常利用对称分量法，根据对应的简化网络得到各序网络，然后基于边界条件建立复合序网，即可利用求解电路的方法求得所需要的故障电气量，对称分量法实质上也是一种叠加的方法。
参考文献
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作者简介
董彬（1993-），男，本溪桓仁人，国家能源集团国华投资有限公司通辽分公司，助理工程师。
论文作者:董彬
论文发表刊物:《基层建设》2019年第9期
论文发表时间:2019/8/1
标签：定子论文; 发电机论文; 电网论文; 机组论文; 转子论文; 风电论文; 电压论文; 《基层建设》2019年第9期论文;