摘要：随着国家工业经济的迅速发展，对电能的需求越来越高，在环境形势日益严峻的背景下，可再生环保能源的开发越来越重要，在此契机下，风电能得到了迅猛发展。双馈风电机是目前风电场的主要机型，现对双馈风力发电机进行研究，建立了以定子磁链为参考坐标的旋转矢量方程，利用PSCAD进行建模仿真验证，能够实现最大风能捕获以及定子侧的功率解耦，为后续的风电并网研究打下了坚实的基础。

关键词：双馈风电机;风能捕获;解耦

0    引言

随着经济及工业迅猛发展，电能的应用越来越广泛，已成为人类生活和发展不可或缺的一部分。电能的容量及供给是衡量一个国家工业发展和人民生活水平的重要指标之一[1]。在今天我们所使用的电能中，火电、水电和核电占据了主要部分。由于制造、控制技术的发展应用比较成熟，这类发电厂生产的电能能够稳定地供给运行，并变送供给公共电网进行输电配送。

近些年来，可持续发展成为人们对生活提出的更高要求，环境保护和可再生能源是重中之重，以风力发电为代表的可再生能源发展迅速，应用前景大好[2]。从风能资源的形成来看，其具有典型的可再生性和无污染性，而且风能资源总量大，在全世界广泛分布，是实现清洁能源战略的重要路径。

在我国，火力发电是电能的主要构成部分，但火电厂的大量排放是造成温室效应的主要原因之一，在国家政策的大力扶植下，我国风电场建设的结构已趋于完整[3]。但风能资源具有随机性和波动性，发出的电能不稳定，这就造成大部分风电场不能并网运行。目前，双馈风电机是风电场的主要机型，故研究双馈风电机对研究风电并网，解决并网电压不稳定问题具有较高的应用价值。

1    双馈风电机

1.1    双馈风电机结构

双馈风电机（DFIG）是风电场的主要机型，风机通过连接机构带动双馈风电机转子转动，转子绕组通过变换器组与电网连接，通过调节控制转子转速实现最大风能捕获。定子绕组与电网连接，发电系统根据转速的变化调节励磁电流的频率，实现电机的变速恒频运行，同时可以通过改变励磁电流的幅值和相位来实现发电机输出有功和无功功率的独立控制[4]。双馈风电机结构如图1所示。

当风速较高，双馈电机转子转速大于同步转速时，转子绕组产生的旋转磁场方向与转速方向相反，电机在超同步状态运行，电能通过变换器从转子侧反馈到电网;当风速较低，双馈电机转速小于同步转速时，转子绕组产生的旋转磁场方向与转速方向相同，发电机运行在次同步转速状态，转子将通过变流器从电网吸收功率[5]。

1.2    变换器

变换器主要包括转子侧变换器和网侧变换器，结构如图2所示。

变换器给电机提供转差功率，调节电机转速。

2    风电机的建模

双馈风电机的运行是通过控制变换器来实现的，以定子磁链为坐标，建立双馈电机模型方程，来实现转速的控制，使转子跟随风速变化，实现风能的最大捕获应用，同时使定子侧电流频率恒定，实现变速恒频运行。

2.1    风电机模型

2.2    变换器控制

转子侧变换器根据风机功率调节电机转速，实现最大风能捕获。采用外环功率控制、内环电流控制策略[6]，控制框图如图3所示。

网侧变换器的功能是在转子的任何状态下维持直流侧电压恒定，通过电流的调节实现与电网无功功率转换。控制框图如图4所示。

3    仿真分析

依据以上模型及控制框图，利用PSCAD/EMTDC平台建立仿真模型进行仿真。其中，风机模型利用系统自有模型，系统参数设置[7]：频率50 Hz，额定功率3.6 MW，额定电压13.8 kV，额定角频率314.16 rad/s，Rr=0.001 5 p.u.，Lm=0.15 p.u.。仿真结果如图5所示。

图（a）中，风速在1 s时由10 m/s阶跃到15 m/s，在1 s以前风电机处于平稳运行状态，当风速阶跃到高于额定风速的15 m/s时，由图（b）可知风机机械转矩立即增加且大于电磁转矩，转速增加。风电机控制器处于恒功率控制模式，输出总有功功率（为定子有功和转子有功功率之和）增加并保持在1 p.u.，双馈发电机运行在超同步模式，转子向电网馈入功率，如图（c）所示。图（d）中，在转子侧变频器的控制下，定子与电网交换的无功严格控制为零，在风速波动时仍保持不变;转子电流q轴分量和d轴分量跟随定子有功和无功功率的变化而变化。

4    结语

在风速波动状态下，利用所建模型对双馈风电机进行仿真，结果验证实现了最大风能的捕获以及电机有功和无功功率的解耦控制，说明所建风电机模型正确有效，可为以后的风电研究奠定基础。

[参考文献]

[1] 贺益康，胡家兵，徐烈.并网双馈异步风力发电机运行控制[M].北京：中国电力出版社，2012.

[2] 刘振亚.中国电力与能源[M].北京：中国电力出版社，2012.

[3] 于强，孙华东，汤涌，等.雙馈风电机组接入对电力系统功角稳定性的影响[J].电网技术，2013，37（12）：3399-3405.

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[5] 徐海亮，章玮，贺益康，等.双馈型风电机组低电压穿越技术要点及展望[J].电力系统自动化，2013，37（20）：8-15.

[6] 李文津，汤广福，康勇，等.基于VSC-HVDC的双馈式变速恒频风电机组启动及并网控制[J].中国电机工程学报，2014，34（12）：1864-1873.

[7] 孙文博，徐华利，付媛，等.应用于大型风电基地功率外送的多端直流输电系统协调控制[J].电网技术，2013，37（6）：1596-1601.

收稿日期：2019-12-09

作者简介：耿秀明（1982—），女，内蒙古赤峰人，副教授，工程师，从事电气控制、机械控制及教学研究工作。