摘要：随着对能源需求的不断增长，风力发电已成为世界各国重要的能源之一。双馈异步发电机(DFIG)因其优越的性能已成为风力发电机组采用的主流机型。在异步发电机的仿真研究中，传统模型对系统变拓扑、非线性的特性分析比较困难。动态相量法的思想源于传统的平均值法，动态相量法在电力系统分析、FACTS器件等领域的仿真中表现出比传统模型更好快速性和准确性。将动态相量法引入双馈异步发电机的建模，克服了传统模型的局限性，提高了计算效率而又不失准确性。变速恒频风电机组的发电机部分多采用双馈感应发电机，该模型双馈电机转子绕组与系统间变流器的作用，介绍了双馈异步发电机的工作原理，分析了发电机的数学模型，分析了双馈异步发电机控制模型，在 STAR-90 仿真支撑平台上得出仿真结果，结果显示：本文建立的双馈异步发电机模型以及控制模型符合发电机的特性。
关键词：双馈异步；发电机；仿真模型
风力发电是最有发展前途的可再生能源形式之一, 对于节约能源、保护环境和促进可持续发展具有重要作用。我国风能资源丰富, 随着国家对风电产业的政策扶持和政策导向力度的加大, 近年来, 我国风电市场高速发展。同时, 我国 风电国产化率有待提高,大型风力发电机组主要依赖进口, 创新能力不足已经成为制约我国风力发电产业持续、快速发展的瓶颈之一。交流励磁变速恒频发电是 全新高效发电方式, 适用于风力﹑水力等可再生能源开发利用, 尤其在风力发电中得到了广泛的应用。 变速恒频风力发电技术与恒速恒频发电技术相比具有显著的优越性, 首先大大提高了风能转换效率, 显著降低了由风施加到风力机上的机械应力;其次通过对发电机转子交流励磁电流幅值﹑频率和相位可调的控制, 实现了变速下的恒频运行, 提高电力系统调节的灵活性和动、静态稳定性
一、双馈异步风力发电机的特点
发电机最常见类型是同步发电机，异步发电机很少使用，同步发电机定子绕组流过直流励磁建立磁场，异步发电机通过交流励磁。由于风力发电具有随机性和波动性，这样的同步发电机对于风力发电系统很不适用，难以满足风速剧烈变化时发电机变速恒频的要求。DFIG兼有同步电机和异步电机的特点，DFIG转速可以调整，类似于异步电机，与同步电机运行特性则更加相似。DFIG的定子绕组直接与电网相连，转子通过一组AC-DC-AC功率电子变流器和电网连接。由于具有独立的交流转子励磁绕组，因此相对异步电机DFIG的无功出力是可调的。另外，通过转子AC-DC-AC变流器的控制交流励磁电流使得DFIG相对同步电机不仅转子励磁电流的幅值、频率、相位均可调，从而使DFIG的有功、无功均可调整，控制相对更灵活。负载产生变化后，通过控制转子励磁电流频率间接控制发电机转速，吸收或者发出功率，减小负荷变化对电网的扰动；另外，转子电流气隙磁场产生移位控制转子励磁电流相位，改变发电机机端电压和电网电压相对位置——调节发电机的功率角，使发电机的有功和无功变为可调量。由于电网无功富余发电机吸收大量无功，使得功率角变大后，电网稳定性会下降，这时可采取改变励磁电流相位减小发电机功率角，增加发电机无功吸收，使得电力系统稳定性增强。可见，双馈异步电机对于解决电网电压过高导致的电网稳定性变差的问题具有积极的作用，有助于提高电网的安全稳定性。
二、双馈异步风力发电机仿真模型
1、双馈异步发电机工作原理。双馈异步发电机由绕线转子异步发电机和在转 子电路上带交流励磁变频器组成。发电机向电网输 出的功率由两部分组成：即直接从定子输出的功率 和通过变频器从转子输出的功率。风力机的机械速 度是允许随着风速而变化的。通过对发电机的控 制，使风力机运行在最佳叶尖速比，从而使整个运 行速度的范围内均有最佳风能利用系数 。结构如图所示。
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双馈异步发电机的变速运行，是建立在交流励 磁变速恒频发电技术的基础上的。当风速变化引起发电机转速n变化时，应控制转子电流的频率fr ，使定子输出频率fs 恒定。根据关系式：
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2、双馈异步发电机数学模型。在建立双馈异步发电机模型时，定子绕组采用发电机惯例，定子电流以流出为正；转子绕组采用电动机惯例，转子电流以流入为正。为了便于分析问题假定如下：忽略空间谐波，设三相绕组对称，均为星 形连接，磁动势沿气隙正弦分布；不考虑温度对电机参数的影响；转子绕组均折算到定子侧，折算后每相绕 组匝数相等；忽略磁饱和，各绕组的自感和互感都是恒 定的；忽略铁芯损耗。 发电机并网是一个瞬变过程，受制于并网前发 电机的运行状况、影响并网后发电机的运行行为。并网前﹑后发电机的运行状态和运行控制均不相同：并网前发电机空载运行，实施空载并网控制；并网后发电机发电运行，实施最大风能追踪控制、转速控制和功率控制 [1]。发电机空载运行时定子电压为输出量，并网后定子电压受制于电网电压，为输入量，为此需建立 分别适用于不同运行状态的发电机模型。在仿真系统中，分别建立了空载发电机模型和并网发电的发电机模型以及相对应的空载并网控制模型和并网发电控制模型。 并网后的双馈异步发电机模型.dp坐标下的发电机模型方程如下。定子绕组电压方程：
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三、双馈异步风力发电机控制策略
1、矢量控制策略。基于定子磁链矢量和定子电压矢量定向。忽略了定子漏抗和转子漏抗时基于定子电压矢量定向的控制策略更为简单，气隙磁链矢量与同步旋转的d-q坐标下的d轴重合。缺点是这种控制策略明显过于粗糙，影响了控制精度，不利于准确地定向气隙磁场，对于参数要求有较高的辨识度，加大了控制策略设计的难度和硬件设计的复杂度。基于定子磁链矢量定向的控制策略假设定子磁链矢量与同步旋转的d-q坐标系下的d轴重合。假设电网电压不变时，定子磁链矢量可以粗略认为是常数，可以大大简化控制模型。但是，这种控制策略要经过复杂的坐标变换才能得到，控制系统的设计一样很复杂，对于参数也要求有较高的准确度。
2、多标量控制策略。这种控制策略适用于Krzteminski的感应电机多目标模型。该模型在定子磁链为常数的前提下搭建，并且要求有功和无功功率能够近似解析，虽然控制模型简单，但实际系统中应用较少。
3、直接功率控制。这种控制策略TokuoOhnish提出的，这种控制策略将瞬时功率控制和直接转矩控制结合在有功和无功瞬时分析后搜索电压矢量。与矢量控制的不同之处在于没有电流内环控制，优点是简化了控制模型，动态响应特性好，对参数不敏感，易于在工程中实现。缺点是采用了开关频率很高的电力电子变流器件，波动较大，硬件实现比较困难，因此，投入实际应用还需进一步研究。
3、4H∞鲁棒控制。Hamiton能量函数法在H∞控制、稳定性分析等方面表现出一定的优势，可以有效解决非线性结构、参数不确定、存在外界扰动和建模误差等问题具有较强的鲁棒性。因此，Hamiton能量理论在风电控制中也有所应用。
4、自适应控制。自适应控制需要实时计算系统输入和输出值，适应出合理的控制器参数。随着运行状态的变化控制器增益也会变化，因此，在不稳定或受干扰状态下具有较强的鲁棒性。缺点是由于软硬件延迟等问题很难达到实时控制的效果。有学者将初能控制与自适应控制相结合解决系统动态响应较差的问题，如自适应模糊控制。基于Lyapunov稳定性理论设计了非线性鲁棒自适应控制器，实现了最大风能捕获，在外界扰动和参数不确定情况下仍能保持系统稳定。
基于双馈异步风力发电机原理，并建立了双馈异步发电机的数学模型，分析了双馈异步发电机并网前定子电压控制，因此，设计合理的并网控制策略和发电策略已经成为风力发电研究中的关键技术。
参考文献：
[1] 贺益康，胡家兵．并网双馈异步风力发电机运行控制研究[D].南京理工大学.2017.
[2] 贺益康，胡家兵.双馈异步风力发电机故障预警与诊断方法的研究[D].华北电力大学.2018.02.
[3] 赵长风.基于滑模控制器的双馈异步风力发电机组低电压穿越控制策略[J].通信电源技术.2018（01）.