[科普中国]-风电机组并网起动

简介目前变速式风电机组已成为主流机型，在运行过程中面临的问题如低电压穿越、功率优化及电能质量等，受到国内、外学者的广泛关注。然而一般大型变速式风电机组价格昂贵，给科研人员在实验室内进行试验、研究带来了极大困难。研究人员通过电动机可有效模拟风力机风轮转矩气动特性，但由于机组机械系统中传动链、发电机转矩变化及变桨执行机构响应直接影响风轮转矩输出，因此有必要研究风机模拟系统，为研究风电技术提供新途径。

近几年部分学者对风电机组模拟控制开展了一定的研究。采用开关磁阻电机实现了风力机模拟，通过转速调节模拟风力机输出功率，缺少对风力机转矩特性的模拟与分析。设计了基于RT － lab 的无刷直流电机硬件在环模拟系统，利用电动机模拟了风力机转矩特性，没有研究实际发电机并网后的情况。基于矢量控制利用感应电动机模拟风力机，分析了风力机的静态特性与动态特性。但没有研究并网后发电机转矩和桨距角变化对风轮气动转矩的影响。在不同风速、负载等条件下进行模拟，对模拟系统作了一定简化，控制系统回路中引入了微分算子，易造成系统不稳定。对比分析了风力机静态与动态模拟方法的风力机转矩特性，没有考虑风机变桨系统。设计负载转矩观测器实现风力机模拟，利用负载转矩和风力机转矩共同觉得模拟电机的转矩参考值，但没有包含发电机转速、转矩等控制算法。针对以上模拟控制方法存在的不足，基于转矩观测器通过用电动机模拟风力机转矩特性。考虑桨叶机械执行机构响应时间慢，并设计变桨系统。研究了发电机转矩控制器，实现发电机最优转速控制，分析了机组起动到脱网过程。最后分别对永磁、双馈风力发电机进行仿真与试验，验证了所提控制策略的有效性1。

风力机系统模型为实现并网型风电机组风力机模拟控制，必须考虑发电系统反馈转速、功率对风力机转矩的影响，变桨系统对风轮吸收风能的多少至关重要，因此需建立由风轮模拟系统、发电系统及变桨系统组成的风电系统。

发电系统控制策略1 基于变增益的速度控制

由于采用拖动电机及电力电子装置模拟风轮转矩特性，系统具有一定的滞后性。另外，在机组起动并网后且桨叶尚在开桨阶段时，发电机转速同时受桨距和转矩控制器二者约束。桨距控制器根据转速偏差改变桨距角指令，转矩控制器根据转速偏差改变转矩指令，对转速实施耦合控制。为提高系统响应能力，使机组桨叶尽快达到目标位置吸收较大功率，提出基于变增益速度控制，实现最优转速与最大风能跟踪控制。在起动过程中桨距控制优先于转矩控制，使机组转速大幅度爬升。当桨叶达到目标位置后，转矩控制优先于桨距控制，此后桨距控制主要控制机组额定功率。

2 并网控制

永磁与双馈风力发电机因其结构、特性不同，转矩控制算法也不同。永磁风力发电机励磁电流一般设为常值零，双馈风力发电机转子励磁电流随转速变化。对采用矢量控制的永磁、双馈风力发电机模拟控制进行验证。

风机达到并网转速，网侧变流器完成电容充电合闸，机侧变流器开始动态调节励磁电流。对于永磁风力发电机，变流器直接调节转矩电流向电网发电。对于双馈风力发电机，转子励磁电流使发电机定子产生电压，检测定子电压满足并网要求后闭合并网开关，且调节转矩电流向电网发电。若未达到并网要求，转速被变桨系统维持在并网转速以下。当风电机组完成并网后，主控系统根据反馈电磁转矩与转速得出变流器转矩参考值，此阶段主要模拟风轮、发电机及变桨系统。

并网后机组发出功率，负荷增加，风轮转矩增加且随风功率变化。当达到额定风速后，变桨系统将发电功率保持在额定功率以下。当风速低于起动风速时，发电机给定转矩降为零，变流器与电网断开，桨叶处于关桨阶段。

3 低电压穿越控制

为验证所提出并网型风电机组风力机模拟控制算法的有效性，在电网电压跌落情况下，采用永磁风力发电机进行仿真分析，实现其低电压穿越功能。由于电网电压跌落，导致变流器母线电压骤升，向电网输出电流增大。传统低电压穿越控制策略为定子及直流母线回路增加额外回路或者增大变流器过流、过压能力，增加了机组成本。为此提出机侧变流器与变桨改进控制策略，完善风力发电系统模拟控制算法进行完善。

当低电压故障持续到超过允许时间625ms没有回升时，风电机组需完全退出运行，直流母线电容并联卸荷电路维持2～3s时间。

电网卸荷电路在母线电压超出规定值时使用，相比单纯的耗能电路而言，结构简单，能耗较小，不需要考虑较多成本与散热难题。卸荷电路由电阻和IGBT组成，其阻值大小表征机组可承受穿越功率的能力。

通过对永磁风力发电机模拟控制策略建模，进行低电压穿越仿真，永磁风力发电系统参数:齿轮箱变比i 为1;风轮桨叶数3;桨叶半径62.94m;风轮转速0～20r/min;额定风速12m/s;电动机额定功率15kW;电动机额定电压400V;电动机额定电流30A;电动机额定频率51Hz;电动机额定转速1500r/min;永磁发电机额定功率10kW;发电机定子额定电压380V;发电机定子额定电流30A;发电机额定频率50Hz;发电机额定转速110r/min;发电机定子电阻0.9Ω;发电机直轴电抗4.2Ω;发电机交轴电抗16.6Ω;直流母线电压580V。仿真时间为1s，在0.03s时电网电压跌落至20%，跌落时间为625ms。电网电压跌落瞬间，母线电压增大，发电机功率立即由10kW减小至2 kW左右。随后由于功率有效减少，母线电压逐渐恢复平稳。在0.655s时恢复电网电压正常，功率也跟随恢复正常值，由于功率变化率较大，导致母线电压出现波动。基于风力机模拟控制策略实现了永磁风力发电机低电压穿越功能2。

试验验证为进一步验证所提并网型风电机组风轮模拟控制算法对双馈风力发电机的有效性和真实性，研制了一套10 kW 双馈风力发电机模型机组试验平台，具备兆瓦级风电机组的基本功能。在模型机组中，采用电动机直接拖动发电机，并通过齿轮带动轮毂。

并网型风电机组模拟控制策略感应电动机由变频器控制，双馈发电机由基于矢量控制的双PWM 变流器控制。轮毂内采用伺服电机驱动桨叶开、关桨。

主控系统调用由美国可再生能源实验室开发FAST 软件生成的湍流风速，使风轮模拟系统吸收风能，双馈风力发电机组起动。达到并网转速时，发电机投入励磁电流进入并网状态。通过计算得出风轮转矩，由拖动电机模拟并驱动发电机，给定变流器功率因数为1.0.

模型机组在约3s时开始并入电网。随着桨距角不断增大，模型机组吸收的模拟风功率不断增大，发电机转矩增加，发电机功率与模拟的风轮转矩增大，同时，桨距角开桨至0°。尽管风速变化波动很大，拖动系统中模拟的风轮转矩变化趋势较为平滑。随着Cp值不断增大，在机组起动开桨阶段，转速受桨叶控制因素较多，处于迅速上升阶段。当正常运行后，桨叶位置较为稳定，转速受发电系统转矩控制，处于稳定变化范围内。

风能利用系数Cp值在25s左右突然变化，使风力机转速与转矩波动。从30s之后Cp值逐步稳定，机组也逐步稳定。为了进一步验证电动机的转矩模拟特性，在上述模型机并网试验情况较稳定后记录了80s的电动机相关数据。

在风速变化较大的情况下，通过模型机组拖动系统控制，电动机所模拟风轮转矩受风速大小等参数影响，转矩波动情况与实际基本一致，达到了预期试验效果。对电动机转矩偏差进行PI控制，计算得出转矩电流参考值，由转矩电流偏差经过电流调节器，控制电动机输出转矩。试验结果表明电流实际值较稳定跟踪参考值变化，且与实际转矩变化波形基本一致，转矩动态调节响应较快。

总结1) 通过跟踪最优转速方法实现最大风能跟踪，并分别针对永磁与双馈两种风力发电机进行了仿真与试验，验证了风电机组模拟控制策略的正确性，并对其进行了完善。对风轮模拟采用转矩控制，实现了更加准确地模拟风轮转矩特性。试验结果表明可以通过最优转速跟踪保证转风力机矩特性更加稳定。

2) 并网前风机转速受桨距角约束，风力机转矩较小。并网后在开桨阶段转速上升，转矩控制器与变桨控制器同时对转速实施耦合控制。通过所提基于变增益PI 的转速控制算法，实现对转速的优先控制，使桨叶快速到达目标位置，提高机组效率3。