變速恒頻雙饋風力發電機組的空載并網技術
郭家虎12， 張魯華2， 馬斌2，蔡旭2
（1安徽理工大學電氣學院，安徽淮南232001；2上海交通大學風力發電研究中心，上海200240）
摘要：傳統的風力發電機組直接并網和降壓并網都會在并網瞬問產生很大的沖擊電流，基于定子磁鏈定向的雙饋發電機組空載并網，由于并網前定子磁鏈的檢測不準確也會對電網造成沖擊。根據變速恒頻雙饋風力發電機組的運行特點，通過對其數學模型的分析，建立了雙饋異步發電機的空載數學模型，研究r其基于電網電壓定向的空載并網控制策略，避免了由于定子磁鏈準確造成的電網沖擊。試驗結果表明，該控制策略可以實現大容量風電機組的無沖擊軟并網，是一種理想的風電機組并網方式。
關鍵詞：雙饋發電機；空載并網：電網電壓定向
中圖分類號：tm315文獻標識碼：a文章編號：1673-6540(2010)03-0046-04
0引言
傳統的風力發電并網技術主要有直接并網和降壓并網兩種形式，在并網瞬間會產生很大的沖擊電流，進而引起電網電壓波動。隨著風電機組的單機容量越來越大，這種沖擊是必須要避免的。變速恒頻雙饋風力發電機組在發電機和電網之間構成了柔性連接，可以通過調節轉子勵磁電流實現在不同轉速下的軟并網，避免并網時發生電流沖擊和過犬的電壓波動。
變速恒頻雙饋風力發電機組的并網方式主要有負載并網和空載并網兩種形式。這兩種并網方式都允許機組轉速在較大的范圍內變化，并且其定子電壓均能迅速向電網電壓收斂，對電網的沖擊較小。其中負載并網形式下，并網前，發電機參與原動機的能量控制，定子有電流，并網控制所需要的信息不僅取自電網側，還取白定子側，控制策略較為復雜。而空載并網使用設備少，并網前發電機不參與原動機的能量控制，定子電流為0，所以其控制方程可以降階，簡化算法。目前的雙饋風力發電機的空載并網大多采用定子磁鏈定向的空載并網方式，它通過調節轉子勵磁電流對雙饋異步電機的定子電壓進行調節，在雙饋異步電機的定子電壓和電網電壓的幅值、頻率和相位完全相同時進行并網，并網完成后將其從并網控制切換到發電控制，根據實際風速進行功率的實時調整。但是在雙饋異步電機沒有并網之前，定子磁鏈并不是恒定不變的，定子磁鏈的檢測和定向都不可能做到十分準確，從而使得空載并網的控制性能惡化，不可避免地對電網產生沖擊。而采用電網電壓定向的空載并網方式不需要觀測定子磁鏈，避免了由于定子磁鏈檢測不準確而造成的并網性能惡化，使并網過程更加順滑，真正實現不同轉速下的無沖擊并網。
本文對變速恒頻雙饋風力發電機在電網電壓定向下的空載并網策略進行了深入的分析和研究，并建立了一套7.5 kw的風力發電試驗平臺，對整個并網過程進行了詳細的試驗研究，試驗結果表明本文提出的空載并網控制策略可以有效地實現雙饋風力發電機的無沖擊并網。
1 雙饋異步發電機的空載數學模型
雙饋電機定子側、轉子側均采用電動機慣例，在同步旋轉d-q坐標系下的數學模型由下述電壓方程、磁鏈方程、電磁轉矩方程及運動方程組成[4，6]。
空載并網方式是在并網前發電機不帶負載，不參與風電機組的能量和轉速控制，發電機定子端開路，此時有式(5)成立：
在式(5)約束下，雙饋異步發電機的磁鏈方程變為：
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