双馈异步发电机的并网控制策略优化

传统的恒速恒频发电机与电网之间为刚性连接，并网操作依赖于机组转速的调节，实现条件严格因而比较困难。交流励磁变速恒频风力发电机与电网之间为柔性连接。采用转子交流励磁后，DFIG和电网之间构成了柔性连接。所谓柔性连接，是指可根据电网电压、电流和DFIG的转速，通过控制机侧变换器来调节DFIG转子励磁电流，从而精确地控制DFIG定子电压，使其满足并网条件。本节将从分析变速恒频风力发电机组的运行特点出发，把磁场定向矢量控制技术应用到DFIG的并网控制上。双馈感应电机并网如图8-1所示。

图8-1　双馈感应电机并网示意图

双馈感应电机并网的优点是交流励磁、可以调节转速和无功功率、空气动力学效率相对较高，变流器容量小，噪声低。缺点是部分功率馈入转子、电气效率低，成本较高。

根据DFIG并网前的运行状态，DFIG并网方式有两种：①空载并网方式：并网前DFIG空载，调节DFIG的定子空载电压实现并网；②负载并网方式：并网前DFIG接独立负载（如电阻），调节其定子电压实现并网。两种并网方式都允许机组转速在较大的范围内变化，故适用于变速恒频风力发电系统。在两种并网方式控制下，DFIG定子电压均能迅速向电网电压收敛，实现较小冲击的并网。

1.空载并网方式

并网前DFIG空载，定子电流为零，提取电网的电压信息（包括频率、相位、幅值）作为依据，供DFIG控制系统实现励磁调节，使建立的DFIG定子空载电压与电网电压的频率、相位和幅值一致。空载并网方式控制结构如图8-2所示。

图8-2　空载并网控制结构图(www.xing528.com)

2.负载并网方式

负载并网方式的思路是：并网前DFIG负载运行（如电阻性负载），根据电网信息和定子电压、电流对DFIG进行控制，在满足并网条件时进行并网。负载并网方式的特点是并网前DFIG已带有独立负载，定子有电流，因此并网控制所需的信息不但取自于电网侧，同时还取自DFIG定子侧，负载并网控制结构图如图8-3所示。

图8-3　负载并网控制结构图

3.两种并网方式的比较

交流励磁变速恒频风力发电机的两种并网控制方式作用是一致的：调节DFIG的定子电压使其与电网电压在幅值、相位、频率上达到高度吻合，使DFIG安全、顺利地并入电网，降低甚至消除并网冲击电流。

两种并网方式的差别在于并网前运行方式不同。空载并网方式由于并网前发电机不带负载，不参与能量和转速的调节。为了防止在并网前发电机的能量失衡而引起的转速失控，应由风力机来控制机组的转速。负载并网方式并网前接有负载，发电机可以参与风力机的能量控制，主要表现在：一方面改变发电机的负载能调节发电机的能量输出；另一方面在负载一定的情况下，发电机转速的改变能改变能量在发电机内部的分配关系。前一作用实现了发电机能量的“粗调”，后一个作用是发电机能量的“细调”。可以看出，空载并网方式需要风力机具有足够的速度调节能力，对风力机的要求比较高；负载并网方式发电机具有一定的能量调节作用，可与风力机配合实现转速的控制，降低了对风力机调速能力的要求，但控制较为复杂。