基于正負序的雙dq 電流控制策略的雙饋風電機組研究

李巧琦，馬麗軍

（南通理工學院，江蘇 南通 226000）

0 引 言

目前，有大量的文獻研究雙饋風電機組電網(wǎng)電壓的正常情況，同時有大量文獻研究雙饋感應電機（Double Fed Induction Generator，DFIG）風力發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學模型和控制策略[1-2]。當電網(wǎng)發(fā)生不對稱故障時，采用傳統(tǒng)控制策略的網(wǎng)側變換器將產(chǎn)生2 倍頻的有功信號和無功信號[3-4]。這些2 倍頻變化將被反饋回直流側，引起直流母線的負荷變化，從而造成整個電網(wǎng)的負荷變化。通過深入的分析和探索，發(fā)現(xiàn)采取雙重電流控制策略可以有效減少負序電流，改善電網(wǎng)的運行狀態(tài)[5]。同時，采用雙重旋轉坐標系下的雙電流控制策略，可以進一步穩(wěn)定直流母線電壓并降低直流側波動。

1 不平衡電網(wǎng)電壓對網(wǎng)側變換器的影響

DFIG 雙饋風電系統(tǒng)中，網(wǎng)側逆變器的主要功能是控制直流母線電壓保持在恒定數(shù)值。然而當三相電網(wǎng)工作在不平衡狀態(tài)時，脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）變換器開關對應的觸發(fā)角度會發(fā)生不對稱的情況，導致PWM 變換器中非特征諧波的含量增加。當電網(wǎng)中出現(xiàn)電壓不平衡時，通過對傳統(tǒng)網(wǎng)側變換器控制策略的仿真研究，發(fā)現(xiàn)在系統(tǒng)初始狀態(tài)下，電網(wǎng)電壓三相平衡且沒有負序和零序分量，DFIG 網(wǎng)側變換器會產(chǎn)生瞬時有功功率Pg和無功功率Qg等[6]。經(jīng)過分析，當三相短路時，直流母線電壓明顯包含2 倍頻波動，影響DFIG 風力發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2 電網(wǎng)電壓不對稱時抑制負序電流的控制策略

2.1 外環(huán)設計

為確保三相電網(wǎng)電流的穩(wěn)定性，采取負序電流的抑制策略至關重要。負序電流的參考值為

2.2 內(nèi)環(huán)設計

在內(nèi)環(huán)設計方面，文章提出一種基于電流前饋解耦的PI 控制器。該控制器針對三相逆變器的正負序電流，提出前反饋解耦算法的設計，表達式為

3 基于正負序的雙dq 電流控制策略

3.1 基于正負序的雙dq 電流控制策略工作原理

當電網(wǎng)處于非穩(wěn)定狀態(tài)時，傳統(tǒng)PI 控制策略不能充分反映負序分量的變化，導致變換器產(chǎn)生的瞬間有功功率和無功功率變化超出正常范圍，影響系統(tǒng)性能。交流側的功率發(fā)生劇烈波動，將影響變換器的直流端，使直流母線電壓出現(xiàn)振蕩。為維持這一狀態(tài)，將穩(wěn)定的有功功率輸入電網(wǎng)，消除振蕩，使二次諧波為零。將負序電流指令值設置為0，在保證單位功率因數(shù)的情況下使用變換器。該指令值通常用來描述變換器的瞬時值，即

式中：pg0為交流側平均有功功率；D為控制器常數(shù)。當電網(wǎng)電壓失去均勻性時，采用三相PWM 整流電路來抑制二次諧波很有必要。將相應的負序分量添加到整流電路中，能夠有效降低二次諧波，實現(xiàn)對直流電壓二次諧波的有效控制[8]。

在使用PI 控制器的情況下，三相PWM 整流器的輸出與直流指令相對應。三相PWM 整流器的直流電流可以表示為

三相PWM 整流器平均有功功率為

通過對三相PWM 整流器正負序電流的無靜差控制，可以實現(xiàn)對直流電壓二次諧波的有效控制。

3.2 基于正負序旋轉坐標系下雙電流控制系統(tǒng)的仿真分析

通過使用雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)模型，得到輸出直流電壓波形如圖1 所示。

圖1 輸出直流電壓波形

從圖1 可以看出：在0.2 s 接入A 相短路故障，直流母線電壓出現(xiàn)波動；在0.6 s 加入本控制策略后，母線電壓的倍頻分量得到抑制。綜合分析，采用雙電流控制策略將這種變化降至最低，穩(wěn)定性較好。

4 結 論

通過基于電流前反饋解耦的PI 控制器的電網(wǎng)電壓分離方法，可以有效解決電力系統(tǒng)的電壓不均勻問題，優(yōu)化DFIG 的動態(tài)穩(wěn)定性。經(jīng)過MATLAB/Simulink 的模擬仿真，成功將DFIG 風力發(fā)電機的運行狀態(tài)調(diào)節(jié)至預期的最佳狀態(tài)，實現(xiàn)DFIG 風電機組的穩(wěn)定性控制。