電網電壓不對稱跌落下雙饋風力發電機機側變頻器控制策略的研究

鄔冬臨， 佘 岳， 徐鳳星， 劉志星， 蔣耀生

(南車株洲電力機車研究所有限公司，湖南株洲 412001)

0 引言

由于變速恒頻雙饋感應風力發電機(Doubly Fed Induction Generator，DFIG)的優越性，使其在風力發電中得到廣泛應用。但是，風能資源分布的特殊性使得風場接點處電網相對較薄弱，會在風力發電機連接點處出現電網電壓不平衡現象。電網電壓的不平衡會影響電機的運行狀態，對整機產生不良影響，減少整機使用壽命，如不采取相應的控制措施將會影響電網的穩定性。因此，在電網電壓不對稱跌落下如何控制DFIG的運行，已成為國內外風電技術以及各整機制造商研究的重點［1-4］。目前，關于這方面的研究策略主要是通過電機的轉子電流或轉子電壓，從雙饋電機本身的控制實現雙饋電機的抗電網電壓不平衡運行特性。本文在傳統的定子磁鏈定向矢量的基礎上通過加入電流諧振調節器來控制轉子電流。仿真結果和試驗波形能夠證明，本文所提出的電流諧振控制策略，在電網電壓不對稱跌落時能夠很好地控制轉子電流，提高DFIG發電機組運行的可靠性。

1 雙饋風力發電機系統數學模型

變速恒頻DFIG風力發電系統原理框圖如圖1所示。從圖1可看出，DFIG發電機組主要由風力機、齒輪箱、控制電路、變頻器和變壓器等組成。

圖1 變速恒頻DFIG風力發電系統示意圖

按電動機慣例，同步旋轉坐標系下DFIG的電壓方程為

式中:Us、Ur——定、轉子電壓矢量;

Is、Ir——定、轉子電流矢量;

ψs、ψr——定、轉子磁鏈矢量;

Rs、Rr——定、轉子電阻;

Ls，Lr——定、轉子繞組全自感，Ls=Lsσ+Lm，Lr=Lrσ+Lm;

Lsσ、Lrσ、Lm——定子漏感、轉子漏感和定、轉子間的互感;

ωl——同步電角速度;

ωs——滑差角速度，ωs=ωl－ωr;

ωr——轉子旋轉電角速度。

其磁鏈方程為

2 比例-諧振控制器的提出

2.1 電網電壓不平衡下雙饋發電機的數學模型

當電網電壓發生不平衡故障時，DFIG發出的功率不能及時送出，在定子側將會產生很大的故障電流。由于定子和轉子之間存在的強耦合關系，故障電流被傳遞到轉子側，在電網電壓發生不平衡時會導致運行滑差增大，電磁轉矩變小，使饋入轉子的功率增加，致使轉子側的電流和電壓增加，大電流又會導致電抗減少、電機鐵心飽和，實際上轉子電流還會加大。在電網電壓不對稱跌落時，轉子電流除了含有基波成分外，還包含諧波頻率為二倍頻的諧波成分。在電網電壓不平衡條件下，兩相靜止αβ坐標系中矢量形式的DFIG定、轉子電壓和磁鏈方程分別為

在上式中以各自正、負序分量分別表達的靜止αβ坐標系中定、轉子電壓、電流和磁鏈方程:

將式(5)～式(7)代入式(3)和式(4)，并經過整理，可得正、反轉同步速度旋轉dq+、dq－坐標系中分別由各自正、負序分量表示的DFIG電壓、磁鏈方程。

式中:ωslip+——正轉滑差角頻率，ωslip+=ωl－ωr;

ωslip－——反轉滑差角頻率，ωslip－=－ωl－ωr。

式(9)和式(11)表明，電網電壓不平衡時可以有轉子電流的正、負序分量作為可控變量，即:、，通過對轉子電流運行能力控制策略，可以降低不平衡電網電壓時，負序電壓對DFIG系統的不利影響，提高不對稱電網電壓故障下DFIG風電機組的不間斷運行能力。

2.2 PR控制器的定義

由于在電網電壓產生不平衡故障時，轉子側將會產生較大的沖擊電流，如何控制在電網電壓不平衡時的轉子側電流是目前風電技術研究的重點之一。本文將研究不平衡電網電壓條件下，DFIG轉子側變換器的設計和性能評估，并給出仿真結果和驗證試驗波形。逆變器輸出波形的質量及動靜態性能是衡量逆變器性能優劣的重要依據。由于負載的多變性，簡單的開環控制不能滿足對動態響應的要求，為了能夠實時調控逆變器的輸出波形，提高逆變器性能，引入各種實時反饋控制方法對逆變器輸出的波形進行控制。因此模糊控制、重復控制、諧波反饋控制及滑模變結構控制等各種高性能的波形控制技術迅速發展起來。雖然PI控制器具有較快的動態響應特性和魯棒性等優點，但是在交流系統的反饋控制時，PI控制并不能實現無靜差控制。由于比例諧振控制器能夠直接控制交流量，并且具有非常好的穩態和瞬時性能［5-7］，為了能夠提高對轉子側電流波形的控制，本文采用了比例-諧振控制器。比例-諧振控制器直接通過控制交流量來消除穩態誤差的目的，其數學傳遞函數為

式中:ω0——諧振角頻率，在此為 100 π(工頻為50 Hz)。

式(12)的轉換原理是把一個期望的直流補償器轉換成一個等價的交流補償器，并且使它們在帶寬范圍內具有相同的頻率響應。由于模擬系統中的部件誤差以及數字系統中有限的精確度，直流補償器通常用一個低通傳遞函數來表示

式中:ωC——直流補償器的截止頻率。

將式(13)代入式(12)得到比例-諧振(PR)控制器為

當電網電壓發生不平衡時，雙饋發電機(DFIG)數學模型中存在交流分量，在正序dq坐標系下為2倍頻交流量。根據比例-諧振控制器對交流量的直接控制特點，將其引入常規的雙饋風力發電機的控制中。

3 加入諧振控制器的DFIG機側控制策略

DFIG在dq坐標系下電壓方程為

根據電機磁通定義:

根據轉子側勵磁控制策略［8］，可以大大提高風電機組在電網發生跌落情況下的不間斷運行能力。采用定子磁鏈定向，定義定子磁鏈為旋轉坐標系的d軸，即ψsq=0，將式(16)代入式(15)，得到正序坐標系下包含正負序的轉子電壓方程:

Vurd+、Vurq+——兩倍頻電網電壓的補償項。

將式(18)作為電網電壓不對稱跌落時，雙饋風力發電機控制策略的實現依據與傳統的矢量控制策略相比較，改進后的控制策略是在原來的基礎上增加轉子電壓兩倍頻補償項Vurd+、Vurq+，可以通過比例-諧振控制器無差跟蹤實現。由以上DFIG的數學模型可推導出電網電壓不平衡跌落時的控制框圖如圖2所示。

圖2 電網電壓不平衡跌落時的控制系統框圖

4 仿真分析及試驗結果

為了驗證本文提出的對轉子側變流器轉子電流加入的諧振控制，能夠在電網電壓不平衡時對轉子電流進行有效控制。本文采用PSIM仿真軟件進行仿真驗證，并在1.65 MW風機功率試驗臺上進行試驗。在PSIM仿真軟件中搭建的1.65 MW雙饋風力發電機模型，系統仿真參數如下:額定電壓UN=690V，額定功率PN=1.65 MW，額定頻率f=50 Hz，定子繞組電阻Rs=0.007 84 Ω，轉子繞組電阻Rr=0.005 9 Ω，定子繞組漏感Lsσ=0.053 Ω，轉子繞組漏感Lrσ=0.062 Ω，互感Lm=3.71 Ω，極對數p=2，直流母線電壓Udc=1 150 V，選取 RCrowbar=0.2 Ω。在仿真試驗中分別在電網電壓單相跌落33%時，對轉子電流進行不加入諧振控制和加入諧振控制進行仿真，仿真波形如圖3、圖4所示。

圖3 在單相電壓跌落33%時對轉子電流不加入諧振控制的電網電壓波形圖和轉子電流波形圖

在1.65 MW風機功率試驗臺上，當電網單相電壓跌落33%時，分別對轉子電流不加入諧振控制和加入諧振控制得到的轉子電流試驗波形，如圖5、圖6所示。

圖4 在單相電壓跌落33%時對轉子電流加入諧振控制的電網電壓波形圖和轉子電流波形圖

從仿真圖3和試驗波形圖5可看出，在電網電壓單相跌落33%時，對轉子電流不加入比例-諧振控制，轉子電流將會產生較大的諧波，并且容易產生轉子側過流故障，影響風機在電網電壓不平衡時的不間斷運行能力。從仿真圖4和試驗波形圖6中可看出，在電網電壓單相跌落33%時，加入對轉子電流的諧振控制后，能夠對轉子電流的諧波進行較好的控制，以實現波形控制，實時地調控輸出的電流波形，提高逆變器的質量，快速減少電流的振蕩，具有快速限流的保護能力，使整機系統的可靠性得到提高。

5 結語

針對PI控制器在瞬時值反饋控制中不能完全消除交流系統穩態誤差的問題，本文提出了在不平衡電網電壓條件下DFIG風電機組用比例-諧振(PR)控制器方案。在電網電壓不對稱跌落時，該諧振控制器能夠對轉子側變換器交流實現有效、快速調節控制，并且能夠對降低轉子電流的過流產生較好控制。仿真結果和試驗結果有力表明比例-諧振電流控制方案能夠在電網電壓不平衡時實現既定的控制目標。在電網電壓不平衡故障時具備良好的調節性能，有效保障和增強了在不平衡電網電壓故障下DFIG風電機組的故障穿越(不間斷)運行能力。因此，在實際的DFIG風電機組運行中具有相當實用的工程應用價值。由于變流器容量和器件耐壓等級等因素的限制，在電網電壓嚴重不平衡情況下的諧振控制，以及怎樣通過諧振控制減少電網電壓不平衡下電機轉矩脈動是下一步工作研究的重點。

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