变速恒频双馈风力发电机组的空载并网技术
郭家虎12， 张鲁华2， 马斌2，蔡旭2
（1安徽理工大学电气学院，安徽淮南232001；2上海交通大学风力发电研究中心，上海200240）
摘要：传统的风力发电机组直接并网和降压并网都会在并网瞬问产生很大的冲击电流，基于定子磁链定向的双馈发电机组空载并网，由于并网前定子磁链的检测不准确也会对电网造成冲击。根据变速恒频双馈风力发电机组的运行特点，通过对其数学模型的分析，建立了双馈异步发电机的空载数学模型，研究r其基于电网电压定向的空载并网控制策略，避免了由于定子磁链准确造成的电网冲击。试验结果表明，该控制策略可以实现大容量风电机组的无冲击软并网，是一种理想的风电机组并网方式。
关键词：双馈发电机；空载并网：电网电压定向
中图分类号：tm315文献标识码：a文章编号：1673-6540(2010)03-0046-04
0引言
传统的风力发电并网技术主要有直接并网和降压并网两种形式，在并网瞬间会产生很大的冲击电流，进而引起电网电压波动。随着风电机组的单机容量越来越大，这种冲击是必须要避免的。变速恒频双馈风力发电机组在发电机和电网之间构成了柔性连接，可以通过调节转子励磁电流实现在不同转速下的软并网，避免并网时发生电流冲击和过犬的电压波动。
变速恒频双馈风力发电机组的并网方式主要有负载并网和空载并网两种形式。这两种并网方式都允许机组转速在较大的范围内变化，并且其定子电压均能迅速向电网电压收敛，对电网的冲击较小。其中负载并网形式下，并网前，发电机参与原动机的能量控制，定子有电流，并网控制所需要的信息不仅取自电网侧，还取白定子侧，控制策略较为复杂。而空载并网使用设备少，并网前发电机不参与原动机的能量控制，定子电流为0，所以其控制方程可以降阶，简化算法。目前的双馈风力发电机的空载并网大多采用定子磁链定向的空载并网方式，它通过调节转子励磁电流对双馈异步电机的定子电压进行调节，在双馈异步电机的定子电压和电网电压的幅值、频率和相位完全相同时进行并网，并网完成后将其从并网控制切换到发电控制，根据实际风速进行功率的实时调整。但是在双馈异步电机没有并网之前，定子磁链并不是恒定不变的，定子磁链的检测和定向都不可能做到十分准确，从而使得空载并网的控制性能恶化，不可避免地对电网产生冲击。而采用电网电压定向的空载并网方式不需要观测定子磁链，避免了由于定子磁链检测不准确而造成的并网性能恶化，使并网过程更加顺滑，真正实现不同转速下的无冲击并网。
本文对变速恒频双馈风力发电机在电网电压定向下的空载并网策略进行了深入的分析和研究，并建立了一套7.5 kw的风力发电试验平台，对整个并网过程进行了详细的试验研究，试验结果表明本文提出的空载并网控制策略可以有效地实现双馈风力发电机的无冲击并网。
1 双馈异步发电机的空载数学模型
双馈电机定子侧、转子侧均采用电动机惯例，在同步旋转d-q坐标系下的数学模型由下述电压方程、磁链方程、电磁转矩方程及运动方程组成[4，6]。
空载并网方式是在并网前发电机不带负载，不参与风电机组的能量和转速控制，发电机定子端开路，此时有式(5)成立：
在式(5)约束下，双馈异步发电机的磁链方程变为：
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