電網電壓不平衡條件下雙饋電機轉子側功率控制

楊立永，岳彥哲（北方工業大學，北京 100041）

電網電壓不平衡條件下雙饋電機轉子側功率控制

楊立永，岳彥哲
（北方工業大學，北京 100041）

本文提出了一種新型的補償控制策略，能夠提高電網不平衡下雙饋電機的動態性能，有效減小有功功率和無功功率的波動。論文對轉子側變換器（Rotor-side converter—RSC）正序旋轉坐標系下d軸電壓進行定向，因不需要雙矢量控制，所以提出的控制方法簡單、可靠。這種方法具體實施在RSC中，在電網工作在不同功率情況下，提高了RSC運行能力，同時減弱對電機的損傷。本文最后通過Matlab/Simulink仿真和4kW雙饋異步電機實驗平臺對所提出的控制策略進行驗證。仿真和實驗結果吻合，都能夠達到所需要求。

DFIG；電網電壓不平衡；RSC；鎖相環；功率控制

0　簡介

能源一直是全球各個國家的生存和發展的基礎。隨著能源的利用，化石燃料的弊端也越來越凸顯。風能作為清潔能源，其擁有的諸多優點也備受重視。雙饋風力電機（Double-fed Induction generator，DFIG）自身的優越性在于能夠通過轉子側變流器對電網功率實施控制，通過有功功率控制實現最大風能捕捉，通過無功功率來滿足電網無功需求［1］。

在雙饋風力發電機轉子側中，控制策略最多應用的就是雙矢量變速恒頻控制，定子連接電網，轉子通過AC-DC-AC變流器連接，控制轉子的電流幅值，相位和頻率。而這只是對三線三相制電網電壓平衡狀態下的控制，因此不存在零序和負序分量。如今，多數研究的是不平衡電網下的運行控制策略。但實際的情況是電網不平衡狀態下為更頻繁，很小的不平衡電壓將造成定轉子電流的高度不平衡，使得定轉子繞組產生不平衡發熱，發電機轉矩產生脈動，導致輸向電網的功率發生震蕩［2］。

文獻［3，4］對轉子側的改進算法也得到了優化控制等，用改進鎖相角的方法和補償脈動量的矢量控制來減小DFIG轉子諧波含量、電磁轉矩和有功無功的波動。

在電網不平衡下，在文獻［5，6］中提出的正負序解耦分離分別控制。實現對轉子正負序電流的獨立跟蹤控制，有效提高其在電壓不平衡下的風力機的運行能力，提高了風電機組的不間斷運行能力。

一些提高動態性能和實現簡單控制，文獻［2］和［7］在電流控制環中引入諧振控制器，構成比例諧振控制器或者是比例積分控制器來替代PI調節器，無需對電網不平衡導致的二倍頻分量進行分離控制，具有優良的動態調節性能。

本文提出了在不平衡電網電壓下簡單的控制策略，內環只用電流環對有功無功進行控制，功率的擾動補償在正旋轉坐標系下并用定子電壓定向的方式控制。不需要雙PI和正負序解耦控制影響系統的動態性能。使轉子側的電網有功無功功率的擾動減弱，降低了對電機的損傷。控制方法在Simulink中仿真，并用4kW繞線式異步電機作為模型。實驗驗證所用的電機是4kW雙饋實驗平臺。本文系統圖和轉子側控制結圖分別如圖1和2所示。

1　轉子側建模

圖1　系統結構圖

圖2　轉子側控制結構圖

不平衡狀態下，除產生的瞬時平均有功功率、平均無功功率外，還有二倍脈動成分［8］。雙饋系統中轉子側的控制策略減少有功功率和無功功率、轉矩和網側電流等等的二倍頻波動。傳統的轉子側控制策略包括雙閉環PI控制器，本文提出的一種簡單的控制只需要2個PI就能消弱不平衡導致的震蕩。不平衡狀態下，定子電壓Vs的空間矢量表示為（在一般的三相三線制忽略零序電流）

在平衡電網電壓下，dq軸坐標下的定子有功功率和無功功率表示為

而在不平衡電網下，定子側有功功率和無功功率是穩態狀態和二倍頻狀態的和，表示為

在平衡電網電壓下，由于定子電壓定向，所以q軸定子電壓為零。然而，在不平衡電網條件下，由于存在二倍頻波動，則q軸電壓不為零。則imsd就不為零。由上述不平衡公式（1）～（3）可得（4），能夠有效抑制有功功率和無功功率的二倍頻波動。而且補償了參考電流的二倍頻波動帶來的系統影響。

因此，可得（5）

令：

穩態運行條件下：

此時可得定子磁鏈的方程：

在忽略定子電阻時，得到表達式

由正負序分量的定子磁鏈方程

因此，轉子電流給定參考由定子磁鏈和定子參考電流可得

為了得到預期穩定有功功率和無功功率與減少其二倍頻的震蕩，需要得到轉子側波動補償，也就是將負序電流補償到正序電流的策略中，因此所需的表達式

轉子側電壓方程為

如上述方程，涉及dq軸的耦合項是對轉子側控制的前饋補償。能夠降低控制的轉矩和功率震蕩。

2　系統鎖相環

一般的軟件PLL鎖相環只適用于電網電壓中僅含有基波正序分量的理想情況［9］。當電網電壓不平衡時，q軸的正序旋轉坐標系中不僅僅還有正序分量，還有二倍頻波動的負序交流量。使常規的PLL中的PI調節無法實現調節，從而不能跟蹤所需的頻率和相位。

1/4鎖相即先將定子側電壓3/2變換到兩相靜止坐標系下（不平衡電網電壓下雙饋風電系統的控制研究），將矢量延遲四分之一個周期后，通過與原矢量的加減運算來實現矢量的正負序分離。然后，將q軸正序基波分量再進行鎖相，如圖3所示。

圖3

3　仿真結果驗證

為了驗證上述提出的控制算法，應用Matlab/Simulink軟件搭建雙饋電機仿真模型。仿真中在0.4 s～0.5 s中A相電壓發生20%的電壓跌落時，在未采取功率補償方法時，電網電壓不平衡導致其存在負序分量，在傳統控制策略中反應為定子側輸出有功功率和無功功率存在二倍頻分量，如圖4所示。仿真中給定有功功率Ps=0.2 p.u.，無功功率Qs=0p.u.，在0.4s～0.5s時，A相電壓發生跌落，并且有功功率和無功功率上下波動40%。

當采取功率補償方法時，A相電壓跌落20%時，從圖5可以看出，有功功率和無功功率波動減小20%左右，進而可以得到功率補償控制方法可以有效地減少電網電壓不平衡時劇烈波動的影響。

圖4　未補償仿真圖

圖5　補償后仿真圖

4　實驗結果驗證

通過實驗進一步驗證所提出的功率補償控制方法，實驗平臺如圖6所示。實驗中，當未采用功率補償策略，在A相發生電壓跌落時，從圖7中可以看出，有功功率和無功功率變化有劇烈的震蕩。

從仿真和實驗結果可以看出，所提出的功率補償控制方法，能夠有效地減少二倍頻震蕩的影響。

圖6　雙饋異步電機實驗平臺（RSC）

搭建的實驗平臺主要部分為：呈對拖結構的4kW的繞線式異步電機與伺服電機、DSP28335控制板、WEINVIEW觸摸屏和安川變頻器。實驗中的A相跌落14%左右是由定子供電電壓A相串接10Ω電阻組建的。圖7和圖8分別為未采用補償控制和采用這種控制策略的實驗波形圖。其中示波器1通道為A相相電壓，示波器通道2、3分別為電網的有功功率和無功功率。有功功率和無功功率實驗中參數設置分別為2kW和0kVar。未補償導致的有功功率和無功功率波動30%左右。而補償后的有功功率和無功功率波動14%左右。因此，新型控制目標能夠減少功率控制的波動，實驗結果得到了驗證，具有可行性。

圖7　未補償實驗圖

圖8　補償實驗圖

5　結論

本文針對電網電壓工作在不平衡狀態下雙饋異步風力發電機轉子側功率兩倍頻的影響，提出一種新的功率補償控制方法來減小有功和無功功率的兩倍頻震蕩。同時，對系統電壓鎖相環進行改進，提高了系統的動態響應速度，增強系統工作在不平衡電網電壓狀態下的運行能力，并為控制策略提供了可靠旋轉變換角度。在系統控制方法中僅僅對電流內環進行控制，可降低系統的控制復雜度。最后，用Matlab/Simulink仿真和搭建的實驗平臺均驗證了所提出的功率補償方法可行性，此方法可減少功率波動的影響。單相跌落后對有功功率和無功功率都有一定的優化控制，以減弱其波動。

［1］陳思哲，章云，吳捷，等.不平衡電網電壓下雙饋風力發電系統的比例-積分-諧振并網控制［J］.電網技術，2012，36（8），62-68.

［2］胡家兵，賀益康，王宏勝.不平衡電網電壓下雙饋感應發電機轉子側變換器的比例-諧振電流控制策略［J］.中國電機工程學報，2010，30（6），48-56.

［3］趙帥央，葛寶明，畢大強.電網電壓非平衡狀態下雙饋發電機轉子側變換器的改進控制策略［J］.電力系統保護與控制，2010，38（19），10-16.

［4］劉盟偉，徐永海.不平衡電網電壓下雙饋電機的協調控制策略［J］.電機與控制應用，2011，38（1），33-37.

［5］陳思哲，張淼，吳捷.不平衡電壓下雙饋電機的正負序直接電壓控制［J］.太陽能學報，2012，33（7），1080-1087.

［6］胡家兵，賀益康，郭曉明，等.不平衡電壓下雙饋異步風力發電系統的建模與控制［J］.電力系統自動化，2007，31（14），47-56.

［7］ Van-Tung Phan，Hong-Hee Lee，and Tae-Won Chun. An Effective Rotor Current Controller for Unbalanced Stand-Alone DFIG Systems in the Rotor Reference Frame［J］.Journal of Power Electronics，2010，10（6），724-732.

［8］劉晉，張一工，賈俊川.電網電壓不平衡條件下雙饋風力發電系統控制策略［J］.現代電力，2013，3（5），19-24.

［9］賀益康，胡家兵，徐烈.并網雙饋異步風力發電機運行控制［M］.北京：中國電力出版社，2012：176.

審稿人：宮海龍

PowerControlforRotor-Side Converterof Double-fed Induction GeneratorUnderUnbalanced Grid Voltage Conditions

YANGLiyong1，YUEYanzhe2
（North China University of Technology，Beijing 100041，China）

This paper presents a novel compensation control strategy.This strategy can improve dynamic performance of the doubly fed induction generator under the unbalanced power grid andcan reduce the active power and reactive power fluctuate.Rotor-side converter-RSC is implemented in positive d reference frame using stator voltage vector control.This kind of control strategy is no need for dual vector control，so it is simple and reliable.This method is used in the RSC.The focus is improved the ability of fault ride-through and decrease the damage of machine for different power demand of the grid.In order to test and verify this control strategy，model of matlab/simulink and 4kW DFIG experimental platform are built.The simulation and experimental results are to meet the required requirements.

DFIG；unbalanced grid voltage；RSC；PLL；power control

TM301.2

A

1000-3983（2016）04-0006-04

2015-05-04

楊立永（1974-），男，2006年畢業于北京科技大學，控制理論與控制工程博士，主要從事電機控制技術和電力電子技術等方面研究，副教授。