张鹏 隋秋楠 张磊 董吉星 吴佳润
蒙东协合新能源有限公司 内蒙古自治区通辽市 028011
摘要：文章介绍了双馈型风力发电机组的典型结构、运行原理及特性、控制系统结构等基础理论。在此基础上，讲解了DIgSILENT软件中双馈发电机（DFIG）的控制系统模型。
引言：电力系统是当今社会最重要的能源系统之一。仿真分析一直是电力系统研究、设计、规划的主要手段。随着国家“30·60”双碳计划的提出，新能源发电将成为未来电力系统的主体。为了有效应对和规划大规模新能源发电给电力系统带来的挑战，针对风力发电系统的仿真分析受到了普遍的重视。目前，能够对风力发电系统进行仿真的软件有很多，例如MATLAB/Simulink、PSCAD、PSS/E、PSASP和DIgSILENT/PowerFactory等，不同种类的仿真软件具备不同的功能特点及优势。DIgSILEN/PowerFactory的元件库中包含风力发电机组电气部分的主要模型，并且可以通过动态仿真语言DSL（Dynamic Simulation Language）搭建机械、空气动力学及控制系统等模型，具备较高的自由度和灵活性。[1]本文主要阐述了DIgSILENT/PowerFactory在双馈型发电机（DFIG）控制系统仿真中的应用。文章首先介绍了双馈型风力发电机组的基本结构、运行特征，然后介绍了双馈型风力发电机组的控制系统结构，最后介绍了DIgSILENT/PoweFactory中双馈型发电机的控制系统模型。
1双馈型风力发电机组主要结构
如图1所示，双馈型风力发电机组由风轮系统、齿轮箱及传动系统、双馈感应发电机（DFIG）和背靠背PWM功率变换器组成。风轮系统吸收风能中的能量转化为机械能，通过齿轮箱等机械传动系统驱动双馈感应电机，双馈感应发电机转子绕组通过功率变换器与电网相连，定子绕组直接与电网相连。
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2双馈型风力发电机组的运行原理及特性
双馈型发电机是一种变速发电机，可以在在特定的转速区间内变速运行。双馈型风力发电机组在超同步状态（s>0）和次同步状态(s<0)下均可以发电，因此双馈型风力发电机组配备背靠背PWM功率变换器。背靠背PWM功率变换器是由两个独立的电压功率变换器通过直流母线连接组成，具备双向运行的能力。背靠背功率变换器通过调整感应电机转子侧的励磁电流，控制双馈发电机的有功及无功功率。因此，背靠背功率变换器只需要控制发电机转速变化区间内的功率，即双馈型风力发电机组的功率变换器容量主要取决于发电机的转差功率，这也大大缩小了功率变换器的额定容量。例如当双馈发电机运行的转速区间为±40%额定转速，则背靠背功率变换器最低只需要具备发电机40%的容量。
转差率s是指异步电机转速与同步转速之差对同步转速之比：
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其中：
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为转差率
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为发电机同步转速；
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为发电机实际转速
因此，在不考虑发电机定子及转子电路中损耗状态下，发电机转子侧功率、发电机定子侧功率和上网功率可用如下关系表示：
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其中：
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为发电机转子侧功率；
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为发电机定子侧功率；
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为发电机上网功率。
当发电机运行在次同步状态时（s<0）,发电机转子通过功率变换器从电网吸收电能（protor<o）；当发电机运行在超同步状态时（s>o），发电机转子通过功率变换器向电网馈电（protor>o）。发电机定子在两种状态下均向电网馈电。
3双馈型风力发电机组控制系统
双馈型风力发电机组控制系统主要由风轮控制系统和双馈发电机控制系统组成。双馈发电机控制系统主要控制双馈发电机和功率变换器，实现对风力发电机组的有功和无功功率的调节，控制速度较快。风轮控制系统主要控制风力发电机变桨系统等机械部分，以达到限制发电机转速和功率的目的，控制速度相对较慢。
双馈风力发电机控制系统主要由两部分组成，分别是转子侧变流器控制系统和网侧变流器控制系统。转子侧变流器控制用来实现发电机的有功和无功功率的解耦控制。网侧变流器控制系统则控制背靠背功率变换器中直流母线的电压并保证转子侧为单位功率因数。
风轮控制系统主要包含风轮转速度控制和限功率控制两个部分。两部分控制通过交叉耦合的方式，控制风力发电机组的变桨系统，实现风力发电机组的最大风能捕捉。[2]
4DIgSILENT中的DFIG控制系统模型结构
DIgSILENT中双馈型发电机的控制系统结构如图2所示，其中DFIG模型和功率变换器模型均为软件元件库中的标准模型。功率变换器控制系统模块并非软件的自带模块，用户可通过DIgSILENT中的DSL语言进行自定义建模。如图2中所示，DFIG控制系统结构主要包含参数测量模块、参考坐标系转换模块、转子侧变流器控制模块和网侧变流器控制模块。由于在DIgSILENT中DFIG模型和变流器控制系统模型的d-q矢量控制参考坐标系不同，因此需通过坐标系转换模块进行坐标变换，以实现信号的传递。
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如前所述，DFIG控制系统主要由两部分组成，分别是转子侧功率变换器控制和网侧功率变换器控制。在DIgSILENT中，转子侧功率变换器具有预设的d-q矢量控制参考坐标系和输入和输出参数。
转子侧变流器采用功率外环控制与电流内环控制的双闭环控制策略。q轴电流分量用于有功功率的控制，d轴电流分量用于无功功率的控制。
DIgSILENT中网侧变流器采用电压外环控制和功率内环控制的双闭环控制，d轴电流分量用于控制直母线电压为常量，q轴电流分量用于无功功率的控制。[3]
5总结
本文简要介绍了双馈型风力发电机组典型结构、运行特性及控制系统结构，并简要阐述了DIgSILENT软件中DFIG控制系统模型的典型结构及主要参量。
参考文献：
[1] 邱纪星.基于DIgSILENT的双馈型风力发电机组低电压穿越研究(D).杭州：浙江大学,2016
[2] 于泽洋.基于DIgSILENT软件的双馈风电场等值建模研究（D）.大连：大连海事大学，2019
[3] Anca D. Hansen, Florin Iov, Poul S?rensen, Nicolaos Cutululis, Clemens Jauch, Frede Blaabjerg.Dynamic wind turbine models in power system simulation tool DIgSILENT[M].丹麦：Ris? National Laboratory Technical University of Denmark