贺军，张俊洪

（海军工程大学，电气工程学院，武汉 43033）

摘  要：双馈感应风力发电机(DFIG)与鼠笼感应风力发电机(SCIG)是风力发电领域采用较多的两种机型。本文先分析比较了这两种机型，再利用 Matlab/Simulink对DFIG ，SCIG在电压骤降时暂态运行特性进行仿真。结果表明SCIG 在电压骤降时的影响主要是输入输出功率不匹配造成转子转速的剧增，而 DFIG 是因变化器耐流耐压不高，容易因低电压造成的转子过电流而损坏，但DFIG可通过自身变化器提供无功功率可在一定范围内维持电压稳定，运行较比SCIG稳定。最后介绍静止无功补偿器（STATCOM）通过STATCOM来稳定端口电压。仿真表明静止同步器可以明显提高风力发电机组的动态稳定性。

关 键 词：双馈感应风力发电机；鼠笼感应风力发电机；静止无功补偿器；动态稳定性

Abstract: This thesis analyzes and compares double fed induction generator (DFIG) and squirrel cage induction generator (SCIG)，which are used commonly in wind power industry. Then the transient responses of SCIG and DFIG are simulated by using Matlab/Simulink during a voltage sag .From the simulation result the main problem that the SCIG encountered is the rapidly increased rotor speed for Input and output power does not match. As for DFIG the over current in the rotor induced by the voltage sag could damage the power electronic device easily. But DFIG can supply reactive power by itself and keep voltage stable within a certain range, so it has more stable operation than SCIG.. at last a static synchronous compensator is applied to supply reactive power for the system to regulate the port voltage. It can be concluded from the simulation results that the proposed STATCOM is capable of improving system performance.

Keywords：DFIG ; SCIG; STATCOM; Dynamic Stability

0 引言

风能作为一种开发利用较早的清洁能源，具有成本低、技术较为成熟等优点，在世界各国都得到了大力提倡与发展。双馈感应风力发电机(DFIG)与鼠笼感应风力发电机(SCIG)是风力发电领域采用较多的两种机型。DFIG转子通过背靠背变换器接入电网，改变转子绕组频率、相位及振幅，就可调整发电机定子侧的功率输出。DFIG可以运行在超同步，同步及欠同步状态，流过变化器的功率一般为发电机容量30%。电网扰动时，DFIG能量输出的变化会使转子过电流，直流电容持续充电，过电流过电压会对变化器及直流电容造成损害，当故障发生时，没有额外装置暂态性能差的DFIG就会采取保护动作脱网，这也表明机组不具备低电压穿越功能。而SCIG并网运转时需从电网吸收无功，一般在每部SCIG出口端并联约发电容量30%的电容器补偿无功。SCIG运行时定子旋转磁场频率等于电网频率，经变速箱使转子转速维持在高于同步速转动，转差率一般为 3%～5%，因此转子本身的转速变化范围很小。当转子速度高於同步转速 3%～5%时，SCIG额定容量电容已不能提供足够无功维持机组稳定运行时,SCIG进入不稳定区域，严重时导致脱网。随着风力发电机单机容量的不断提高和并网运行风电场规模的不断扩大，风电稳定运行对系统频压稳定性产生重要影响，因各种扰动故障使得动态稳定问题日益凸显，本文将对DFIG，SCIG并网运行动态稳定性进行探讨和研究。

1 机组及其控制原理

1.1 DFIG按发电机惯例建立数学模型如下

背靠背变化器电机侧:

采用定子磁链定向(矢量控制，同时假定定子磁链大小不变，则。定子电压方程简化为      

转子电压方程为

式中，s, r代表定,转子侧分量，d, q代表d轴与q轴分量，为同步频率，转差频率是。有功无功分别与定子电流在d, q轴上的分量成正比，调节转矩电流分量与励磁电流分量可分别独立调节P, Q。因此调节转子电流分量就可独立调节双馈输出有功与无功。上式前两项为实现P, Q解耦控制的解耦项，后两项为计及定子电流变化提高控制精度的补偿项。

背靠背变化器网侧：

根据整流器结构图及相应的坐标变化，可得变化器在d, q坐标系下的模型

将同步速坐标系的d轴定向电压矢量上，从而电网电压d, q轴分别为

 其中   

式中为电网电压d, q分量，输入电流d, q分量，是变换器侧电压d, q分量，为开关函数d, q分量。上式前两项为实现P, Q解耦控制的解耦项，后两项为计及定子电流变化提高控制精度的补偿项。

图1-1 转子侧控制框图                          图1-2 网侧控制框图

1.2 SCIG数学模型

定子侧:

式中R是定子电阻，是转子时间常数，是定子绕组自电抗，是定子绕组暂态电抗，是d, q轴暂态电动势，是d, q轴电流电压，为同步频率。

转子侧:

式中：为机械转矩与电磁转矩

电磁转矩方程式为

式中是d, q轴磁链分量与电流分量。

2 DFIG与SCIG的仿真

DFIG由于其自身比较优异的控制策略，使其对于一般由风速变化引起的电压波动有较好的自控作用。而SCIG在正常运转时，其转子速高于同步转速，转差一般为 3～5%，转子本身的转速变化范围很小。所以本文不描述风速扰动的影响,风速设定为常值10，而只关注电网扰动对于发电机的影响。

图2-1 DFIG仿真图

图2-2 SCIG仿真图

由上图所示电机出口电压都为为575V，输出电压首先通过升压变压器将电压等级提升至25kV，经过在25kV节点上游的升压变压器将电压等级提升至120kV，最后经过输电线路并入电网。仿真时间持续30秒，在第10秒时电压骤降0.25pu，故障持续时间为1秒。具体参数如下表

                                   表 2-1

2.1 DFIG仿真结果

          图2-3  端口电压                             图2-4 无功功率

        图2-5  转子电流                             图2-6  直流母线电压

仿真分析采用一台大容量DFIG代替风电场集总模型分析其动态响应，由于受到双馈风力发电系统自身拓扑结构的限制，电网电压对双馈发电系统的影响很大。当电网电压骤降0.25pu时由于双馈机型本身能提供无功维持电压稳定，由图2-3所示发电机端口电压在第十秒只降0.2pu。由于发电机端电压的跌落会使定子磁链中产生直流分量，致使图2-4所示发电机转子电流迅速增加。图2-5所示发电机端电压下降使电机输出功率变化，而风力机的调节速度比较缓慢，输入输出功率的不匹配，致使图2-6所示直流电容电压产生些微波动。

2.2 SCIG仿真结果

            图2-7 端口电压      &nbs, p;                图2-8 转子速度

                             图2-9 转矩差

仿真分析采用一台大容量SCIG代替风电场集总模型分析其动态响应。当电网电压骤降0.25pu时,由图2-7所示鼠笼机型电压在第十秒骤降接近0.3pu。发电机端电压下降使电磁转矩减小，进而导致图2-9所示发电机机械转矩与电磁转矩相差甚大而转子转速迅速增加，如图2-8所示。

2.3两种机型暂态运行比较

                图2-10  DFIG与SCIG电压骤降时无功功率变化比较

图2-11  DFIG与SCIG电压骤降时端口电压比较

两种机型相比较，由图2-10可知双馈机型由于自身能提供无功，鼠笼型机组需吸收无功维持机组运行。在额定容量电容已不能提供足够无功维持机组运行时机组会陷入震荡，图2-11显示双馈机型端口电压比鼠笼机型在电网电压骤降时更平稳，

3 利用STATCOM提高风机动态稳定性

3.1 STATCOM介绍

STATCOM与DFIG网侧变换器相似，在架构上是由一直流电容器来提供电压来源，并使用脉宽调制技术调节三相电压源型变换器的输出电压。

数学表达式为

式中为电网瞬时电压，K为逆变器的调制比，为STATCOM直流侧电压，是电网电压与STATCOM输出电压相角差。

由数学模型及瞬时功率理论推导出无功表达式为：

式中为 STATCOM 并网点电压的有效值，R 为等效电阻。由上式可知STATCOM 产生的无功功率可通过改变来控制。 当，Q 为负值STATCOM将从系统吸收无功功率,等效于电感;当时，Q为正值STATCOM 向系统提供无功功率等效于电容。 STATCOM可通过改变角间接控制无功功率。下图是系统仿真图，DFIG的STATCOM额定容量3MW,SCIG的STATCOM额定容量30MW.

图3-1 含STATCOM的风电仿真系统简化图

图3-2  STATCOM无功输出

3.2 DFIG有无STATCOM运行比较

                    图3-3 有无STATCOM双馈机型端口电压比较

图3-4有无STATCOM双馈机型转子电流比较

双馈型风力发电机组在STATCOM接入后，端口电压图3-3下降幅度明显改善，转子电流图3-4上升幅度得到抑制。由于双馈优良的控制技术电网电压小值跌落使双馈型电机的直流母线电压以及有功无功输出区别不大。

3.3 SCIG有无STATCOM运行比较

图3-5 有无STATCOM鼠笼机型端口电压比较

图3-6 有无STATCOM鼠笼机型转子速度比较

图3-7  有无STATCOM鼠笼机型无功吸收变化比较

当鼠笼型风力发电机组的额定容量电容已不能提供足够无功维持机组稳定运行时，需使用其他装置协助其改善暂态运行，STATCOM接入后，图3-5端口电压，图3-6转子速度，图3-7无功吸收，较无STATCOM平稳。

3结论

对于电压小值跌落DFIG适应性更强，DFIG本身能够提供无功功率而SCIG运行就需要吸收无功，由仿真所知，DFIG比SCIG运行更稳定，端口电压下降幅度小。电压骤降情况下SCIG转速激增与DFIG转子电流激增可以导致保护装置动作进而使机组脱网，随着风电规模的扩大风电机组已不能随便切机，脱网会影响电网频压稳定，所以有必要增加额外装置增强稳定运行。本文采用静止同步补偿器抑制风电机组运行变动,提高风电场的故障极限切除时间，仿真结果表明当系统受到扰动时，静止同步器可以明显提高风力发电机组的暂态性能。

4参考文献

[1] 王伟,孙明冬,朱晓东等.双馈式风力发电机低电压穿越技术分析[J].电力系统动化,2007,31(23):84-89.

[2] 周伟,晁勤.新型无功补偿器在异步风力发电机上应用的仿真研究[J].可再生能源,2008,26(2):20-23.

[3] 何丽平,李春亮,肖伟杰等.鼠笼感应风力发电机的风电场无功功率补偿方法研究[J].吉林电力,2008,36(6):17-19.

[4] 栗春,姜齐荣,王仲鸿等.STATCOM电压控制系统性能分析[J].中国电机工程学报,2000,20(8):46-50..

[5] 田中伟,吴政球,龚志敏等.并网型异步风力发电机电力系统稳定器控制与仿真[J].电机与控制应用,2013,40(8):52-56.

[6] 李建林, 许洪华, 等. 风力发电系统低电压运行技术[M].北京:机械工业出版社: 2009: 48 -51.

[7] 艾芊, 郑志宇. 分布式发电与智能电网[M].上海.上海交通大学出版社: 2012：27-34

[8] Morren, J,De Haan S W H. Ride through of wind turbines with doubly-fed induction generator during a voltage dip[J]. IEEE Trans. on Energy Conversion, 2005, 20(2): 435 -441.

[9] 吴方劼,张文豪,柯联锦.应用 STATCOM 与 Crowbar 提高风电场低电压穿越能力[J].电测与仪表. 2014,51 (7):33-38.

[10] 姜齐荣, 沈东, 韩英铎, 等. 新型静止无功发生器的建模及其控制[J]. 清华大学学报. 1997,37(7): 23 -25.

[11] 杨志越,李凤婷.风电场异步风力发电机端无功补偿方案研究[J].大电机技术,2011,(6):25-28.

[12] 胡家兵,孙丹,贺益康等.电网电压骤降故障下双馈风力发电机建模与控制[J].电力系统自动化,2006,30(8):21-26.