张文原，魏显安，刘 尧

(中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司，吉林 长春 130022)

0 引言

“双碳”背景下，除了常规并网发电外，风电场将作为可控单元，更多地参与黑启动、源荷交互、智能运行等场景之中，将面临更复杂的启停及功率控制场景，对其启动及并网的动态过程进行仿真分析具有重要现实意义。

目前，绝大部分双馈式风电机组 (doubly fed induction generator，DFIG)仿真研究仅关注稳态发电状态时风速波动、低电压穿越等扰动下的响应过程，极少关注启动及并网的全过程动态特性。双馈式发电机并网前、并网后具有完全不同的数学模型和输入输出关系，使用传统的数学建模无法完成并网动作的连续仿真。文献[1]和文献[2]采用分开建模、分时仿真的方式，分别使用Matlab中的S函数模块和通用模块，建立了空载模型和发电模型，在并网时刻，将空载模型中的全部状态参数转移至发电模型中作为初始状态，分步模拟并网动作。文献[3]也采取该仿真思路，并同时对双馈风机的最大功率点跟踪(maximum power point tracking，MPPT)控制过程进行了仿真分析。文献[1]～文献[3]中提出的仿真方法能够模拟并网动作，但建模及状态转移过程较为复杂，且完全依托状态方程建立的发电机模型过于理想化，与实际存在差距；文献[4]提出基于动力和电气特性，运用SIMPACK与Matlab联合建立仿真模型，对专业软件依赖较大，可借鉴性较差。

针对以上问题和现状，本文利用PSCAD仿真软件，研究了机组升速、充电、励磁和并网等各动作的连续仿真方法，并对MPPT控制、恒功率控制等运行模式进行了模拟，实现了双馈式风电机组全阶段全工况的连续一体化仿真。

1 DFIG发电系统介绍

1.1 DFIG结构及原理

DFIG的系统结构如图1所示。双馈发电机的转子绕组与电网连接，能够与电网进行能量交换，运行过程中，双脉冲宽度调制(pulse width modulation，PWM)变频器能够根据轴系转速大小，对转子绕组的励磁电流进行实时控制，保证定子绕组中感生出的三相电压与电网一致，即实现了变速恒频运行。

图1 DFIG系统结构图

1.2 DFIG运行区域

双馈式风电机组运行区域可以分为启动阶段、最大功率追踪阶段、恒功率阶段，如图2所示。

图2 双馈风电机组运行区域

当满足启动条件时，机组进入启动流程，机组进行并网前一系列准备直至发电。当风速高于切入风速但小于额定风速时，机组执行MPPT。在此阶段，桨距角置于0°，以便风轮最大限度地吸收风能；PWM变流器对励磁电流进行实时控制，以便调整机组叶尖速比达到最佳值，使风能利用系数达到最大值，如图3所示，此阶段也称作恒Cp阶段；当风速高于额定风速时，为限制功率继续增大，变桨控制系统将桨距角β增大，以减少风力机对风能的吸收，此时风能利用系数Cp将下降，以达到限制功率的目的。

图3 风能利用系数与叶尖速比关系曲线

1.3 DFIG控制策略

网侧变流器控制的目的是维持直流母线电压的稳定，采取基于定子电压定向的矢量控制方式，控制系统采用电压外环功率内环的结构。d轴采用直流电容电压参考值作为目标值，q轴采用iq= 0作为目标值。

机侧变流器控制目标是实现对转子两轴分量电流的有效控制，实现有功功率、无功功率的解耦控制。机侧变流器通常采用基于定子磁链定向的矢量控制方法。空载模式下，采取电压外环电流内环的控制结构，将电网电压合成矢量幅值Us作为d轴目标值，iq=0作为q轴电流目标值；发电模式下，采用功率外环电流内环的双闭环控制结构，将定子有功功率P1、无功功率Q1作为外环的目标值。

最大风能控制的目的是，动态调整风机转速，使叶尖速比达到最佳值，从而使风能利用系数达到最大值。在实际中，风机处风速难以准确测量，故采用无风速测量的功率控制方法，定子有功功率目标值可以按照式(1)给出：

式中：λopt为最佳叶尖速比；ρ为空气密度；R为风机叶轮半径；ω为风机转速；Cpmax为最大风能利用系数；s为转差率。

启动阶段升速过程中，通过转速的闭环控制生成桨距角指令信号，最终维持风机转速在并网转速附近。在最大风能追踪阶段，桨距角将维持在0°，以保证风力机能够最大限度地吸收风能。在恒功率控制阶段，通过功率闭环控制输出桨距角指令，维持功率恒定。

2 DFIG启动流程

当10 min平均风速高于机组切入风速时，机组进入启动流程。首先，偏航系统调整风轮方向与风速方向一致，制动系统解除，桨距角由90°迅速向下调整，机组转速开始升速，通过桨距角控制，使机组转速维持在并网转速附近；然后，网侧变流器启动，对直流电容充电，随之启动机侧变流器，对转子绕组进行励磁，使之在定子绕组中生成与网侧电压频率、电压、相位一致的感应电动势；最后，闭合并网开关，完成定子的并网。

3 DFIG启动过程仿真

3.1 仿真模型搭建

DFIG启动过程仿真模型主要包括双馈式发电机模型、风轮模型、变流器及电气系统模型和控制系统模型。

1) DFIG模型

DFIG空载运行和发电运行阶段具有完全不同的数学模型和控制方法，在空载阶段，定子三相电压由转子的磁场感生形成，是模型的输出量，并网后，定子三相电压受电网电压钳制，是模型的输入量。因此，如果通过数学状态方程详细建模，必须同时建立空载模型和发电模型，且必须考虑在并网时刻两模型之间的状态转移问题，导致建模过程复杂。

PSCAD软件中自带基于电磁特性的异步绕线式电机模型，模型如图4所示。转子绕组具备外接引脚，可以连接额外的励磁电路；接线端口属性为“电气节点”，不对输入及输出加以区分。与此同时，电机采用转矩控制模式进行控制，兼顾机械特性。并网前，可以实现对升速、充电、励磁动作的模拟。在并网时刻，闭合并网断路器，发电机将在空载阶段各项机械、电气参数自动转入发电模式，完成对并网动作的仿真。

图4 PSCAD软件中绕线式异步电机模型

该电机模型所采用的等效电路如图5所示，数学模型如式(2)所示，式中R1、X1分别为定子侧的电阻和漏抗，R'2、X'2分别为转子折算到定子侧的电阻和漏抗，Xm为励磁电抗，、、分别为定子侧电压、感应电势和电流，、分别为转子侧感应电势，转子电流经过频率和绕组折算后折算到定子侧的值。转子励磁电压经过绕组折算后的值，/s为再经过频率折算后的值。

图5 PSCAD软件中绕线式异步电机模型

在仿真模型中，可以对以上电机参数进行详细设置，如图6所示。

图6 发电机模型参数设置

2)风轮模型

本文采用基于气动设备的子模型进行建模。风力机实际吸收的机械功率可由含有风能利用系数的式(3)表达：

式(3)中的风能利用系数Cp用式(4)计算：

式中：λr为叶尖速比；β为桨距角。

本文中，使用PSCAD中自带的通用数学模块按照式(3)～式(5)对风轮进行建模，风轮吸收的功率除以机组的角速度即得到风轮的输出转矩，将转矩值送至发电机模型，即完成了风轮即轴系的建模。

3)变流器及电气系统模型

变流器及机组电气主结构，使用PSCAD中自带的IGBT、二极管、断路器、电容器、电阻器、电感器等基础元器件搭建而成。

4)控制系统模型

使用PSCAD中的通用数学模块对网侧、机侧变流器系统、变桨控制系统等主要控制系统进行建模，并设置PID参数。

3.2 仿真参数设置

本文基于黑龙江某50 MW风电场设备实际数据进行仿真建模，该风电场安装20台单机容量为2.5 MW的双馈式风电机组，机组主要参数如下：

额定容量为2 500 kW，叶轮直径为121 m，额定风速为9.2 m/s，定子额定电压为690 V，额定频率为50 Hz，直流电容为0.2 F，直流电压为1 200 V，齿轮箱增速比为1∶131，发电机极对数为2，定子电阻R1为0.004 3 p.u.，定子漏抗 X1为 0.044 7 p.u.，转子电阻 R2'为 0.005 4 p.u.，转子漏抗X2'为0.071 4 p.u.，励磁电抗Xm为2.105 6 p.u.，桨距角调节速度为10/s。双馈式并网发电系统仿真模型如图7所示。

图7 双馈式发电系统仿真模型图

各主要PID控制器参数设置见表1所列。

表1 各PID控制器参数设置

仿真过程设置如下：仿真开始即将桨距角置于30°，并根据升速状态进行调节，使转速达到1 350 r/min附近，t = 10 s时刻，启动网侧变流器，对直流电容充电，t = 11.5 s时刻，启动机侧变流器，对转子绕组进行励磁，t = 12.5 s时刻，闭合并网断路器，开始发电。初始风速为6 m/s，在t = 20 s时刻增大至8 m/s，在t = 30 s时刻增大至12 m/s。仿真步长为50 μs，仿真时长为50 s。

3.3 仿真结果分析

系统仿真结果如图8所示。

1)风电机组启动过程仿真分析

风机启动后，桨距角初始值为30°，风机转速开始上升，在t = 10 s时刻，转速上阵至约0.7 p.u.，即1 050 r/min左右，桨距角已经向下调整为15°左右，如图8(b)所示，此时发电机转速已经上升并稳定在同步速附近，如图8(a)所示，机械系统具备并网条件，可以启动风机电气系统。

t = 10 s时刻，启动网侧变流器，对直流电容充电，从图8(k)中可以看出，直流电压在约在t = 11 s时刻达到1 300 V。在t = 11.5 s时刻，启动机侧变流器，对转子绕组进行励磁，转子绕组中产生幅值约600 A的励磁电流，如图8(i)所示，该励磁电流在定子线圈中感生出三相交流电，如图8(c)所示。在t = 12.5 s时刻，定子线圈中的三相交流电达到与电网电压频率、相位一致，如图8(l)所示，在此时刻，闭合并网开关，定子电压开始受电网电压钳制，成功并网。

图8 双馈式发电系统启动、并网及运行控制连续一体仿真结果

2)最大风能追踪仿真分析

t = 12.5 s风机并网后，执行最大功率跟踪控制。在风速为6 m/s时间段内，经过调整，最终机组转速稳定在约0.68 p.u.左右，有功功率稳定在0.7 MW左右；在t = 20 s时刻，风速上升至8 m/s，有功功率迅速自动调整为1.9 MW，转速为0.9 p.u.左右。在风速变化过程中，桨距角维持在0°，风能利用系数能够维持在0.48附近，仅在t =20 s风速突变时刻出现了短暂下降，并且迅速恢复至最大值，表明最大功率追踪效果良好。

3)恒功率控制仿真分析

t = 30 s时刻，风速上升至12 m/s，高于额定风速，进入恒功率控制模式，此时启动变桨控制，桨距角迅速调整至13°附近，风能利用系数也随之降低，风机总有功功率被限制在2.5 MW以下。整个过程中，发电机定子、转子电流变化如图(i)～图(j)所示，均与预期相符。

4 结语

本文利用PSCAD软件对双馈式风电机组包含升速、充电、励磁和并网等整个启动阶段的连续一体仿真，解决了传统方法中对并网前空载阶段和并网后发电阶段的单独建模，以及复杂的状态参数转移环节导致的仿真难度大、过程不连贯问题，实现了对DFIG并网动作的准确仿真模拟，同时，对风速变化下的MPPT控制过程、恒功率控制过程也进行了仿真模拟。结果表明，本文提出的仿真方法及模型，能够有效反应双馈式发电机组启动、并网、运行等全阶段全工况的动态特性，为风电机组的仿真研究工作提供了新思路。