基于簡化模型的雙饋發(fā)電機控制方法研究

李煒華,王紅陽

（1.西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院,西安 710048;2.河南省電力公司開封供電公司,河南開封 475000）

基于簡化模型的雙饋發(fā)電機控制方法研究

李煒華1,王紅陽2

（1.西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院,西安 710048;2.河南省電力公司開封供電公司,河南開封 475000）

0 引言

隨著資源枯竭和環(huán)境惡化加劇，尋求可再生能源迫在眉睫，風力發(fā)電成為目前技術(shù)最成熟、最具規(guī)模的新能源發(fā)電方式。雙饋發(fā)電機（DFIG）[1-2]因其良好的控制性能而被廣泛應(yīng)用于風電場入網(wǎng)。

傳統(tǒng)的同步發(fā)電機采用直流勵磁，轉(zhuǎn)速嚴格固定為同步轉(zhuǎn)速。發(fā)電機通過調(diào)節(jié)勵磁電流來調(diào)節(jié)機端電壓，轉(zhuǎn)速則依賴于原動機的輸入轉(zhuǎn)矩，當系統(tǒng)突然遭受大擾動或者短路時，不平衡轉(zhuǎn)矩會引起系統(tǒng)振蕩甚至解列，此外當系統(tǒng)的負荷較低時過剩的無功會引起電力系統(tǒng)的工頻過電壓，從而可能危及設(shè)備和人身安全。雙饋發(fā)電機如圖1采用交流勵磁方式，發(fā)電機的定子直接和電網(wǎng)連接，轉(zhuǎn)子通過雙PWM變頻器接入電網(wǎng)，發(fā)電機通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流的大小、方向以及頻率來實現(xiàn)任意轉(zhuǎn)速下輸出恒頻恒壓的電能。由于發(fā)電機的轉(zhuǎn)速可調(diào)，能夠?qū)崿F(xiàn)與電網(wǎng)的柔性連接從而提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，發(fā)電機也可以運行于原動機的最佳工況下，減少磨損，延長壽命。此外發(fā)電機在發(fā)出有功的同時吸收無功解決電力系統(tǒng)的工頻過電壓問題[3-4]。因此雙饋發(fā)電機得到越來越多的重視，且日益成為研究的熱點。

圖1 雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)

目前，雙饋發(fā)電機的研究都以實現(xiàn)有功和無功的解耦控制為目標[5]，采用矢量控制策略[6]，大部分研究都是在系統(tǒng)的三相建模和發(fā)電機的并網(wǎng)控制上[7-9]。實際上雙饋發(fā)電機都安裝在較為偏遠的地區(qū)，這些地方電網(wǎng)薄弱，抗干擾能力差，電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定，因此研究發(fā)電機的電壓控制方法有著積極的意義。

本文根據(jù)同步發(fā)電機直流勵磁的模型建立了雙饋發(fā)電機獨立數(shù)學(xué)模型，分析了發(fā)電機定子側(cè)并聯(lián)電容對發(fā)電機電壓和輸出電能質(zhì)量的影響。推導(dǎo)了發(fā)電機空載時簡化的RL模型，搭建了通過轉(zhuǎn)子電流的PI調(diào)節(jié)器來控制發(fā)電機電壓的系統(tǒng)原理圖，最后通過仿真研究，表明該方法能夠有效地控制發(fā)電機輸出電壓，提高發(fā)電機輸出的電能質(zhì)量。

1 雙饋發(fā)電機的等效電路圖

雙饋發(fā)電機的獨立等效模型如圖2所示，發(fā)電機轉(zhuǎn)子電壓為ur由變流裝置提供，ωn表示轉(zhuǎn)子的機械轉(zhuǎn)速，定子電阻和轉(zhuǎn)子電阻分別為Rs和Rr，定子電感和轉(zhuǎn)子電感分別為Ls和Lr，發(fā)電機在轉(zhuǎn)速和負荷恒定時可認為是線性化系統(tǒng)。定子回路中的電流調(diào)節(jié)器可看作額外負載，電路中的電流電壓都歸算到定子側(cè)，發(fā)電機定子電壓幅值|us|正比于轉(zhuǎn)子電流幅值|ir|，即可用轉(zhuǎn)子電流調(diào)節(jié)定子電壓。

圖2 雙饋發(fā)電機的單相等效電路

發(fā)電機的漏感Lrs和定子繞組并聯(lián)電容C組成發(fā)電機的濾波器，選擇合適的電容值就可以濾除發(fā)電機輸出的非工頻電流，并聯(lián)電容器不能過多補償無功，這樣才能維持發(fā)電機端電壓穩(wěn)定。

發(fā)電機在運行中需要測量電網(wǎng)頻率和轉(zhuǎn)子位置角來確定轉(zhuǎn)子電流的頻率,同步鎖相裝置PLL測得電網(wǎng)電壓向量us*以及發(fā)電機定子電壓向量us，通過計算得到發(fā)電機的轉(zhuǎn)子電流ir的角速度ωr。當發(fā)電機處于低負荷或空載運行時，發(fā)電機的阻尼率較低、變流器中每個開關(guān)元件的電流最小，此時發(fā)電機處于最不穩(wěn)定狀態(tài)。當發(fā)電機運行于同步轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)子電流為直流電流，此時發(fā)電機和同步發(fā)電機相似，可用單相RL數(shù)學(xué)模型代替，如圖3所示，其中電感Lm可以等效為勵磁電感Leq，發(fā)電機的等效電感可以通過發(fā)電機定子輸出的無功功率來計算，對于容量較大的雙饋發(fā)電機的定子電阻Rs則可忽略不計，此時等效的無功功率Qeq和等效電感Leq滿足下面關(guān)系：

其中Qs表示漏磁的無功功率，Qc表示電容C補償?shù)臒o功功率，us表示發(fā)電機定子電壓，fs表示發(fā)電機輸出的頻率，發(fā)電機的等效電感Leq可表示為：

式中，fr表示轉(zhuǎn)子電流的頻率；fn表示轉(zhuǎn)子的機械頻率，且滿足ωn＝2πfn，定子電感Ls＝Lm＋Lsσ。

圖3 轉(zhuǎn)子繞組的單相等效電路

空載狀態(tài)時，簡化RL模型和完整模型反映電流動態(tài)響應(yīng)是近似的，驗證如圖4所示，RL模型下轉(zhuǎn)子電流imod和完整模型下轉(zhuǎn)子電流ira的波形幾乎重合。

圖4 簡化模型和完整模型的轉(zhuǎn)子電流曲線

2 雙饋發(fā)電機的電壓控制原理

由前文可知定子電壓的幅值與轉(zhuǎn)子電流的大小成正比，因此可以通過轉(zhuǎn)子電流PI調(diào)節(jié)器來控制發(fā)電機端電壓的幅值，定子電壓的相位與參考坐標系的選取有關(guān)，可以通過它們在dq同步坐標系下的正交分量求出，而發(fā)電機的頻率可以通過鎖相環(huán)PLL檢測同步坐標系中的向量計算得到。當發(fā)電機穩(wěn)定運行時定子電壓幅值和相位在同步坐標系下是相互獨立的，因此改變定子電壓幅值不會影響電壓相位角，改變電壓的相位角也不會影響電壓幅值，所以控制器是獨立的，即可用2個PI調(diào)節(jié)器來控制。

位置角調(diào)節(jié)器Rθ的輸出信號ωr*確定了轉(zhuǎn)子電流矢量ir的位置角θr*，在發(fā)電機并網(wǎng)時采用定子電壓矢量和同步旋轉(zhuǎn)坐標系來控制，可以有效控制xy坐標系（見圖5）下的轉(zhuǎn)子電流。這種方法和傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)同步坐標系下d軸分量和q軸分量相比，能更有效地控制發(fā)電機輸送到電網(wǎng)的有功和無功。

圖5 電壓參考值Us*和定子電壓Us的鎖相原理圖

發(fā)電機運行時，發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流矢量ir的位置角將隨其參考值ir*變化，因此發(fā)電機定子電壓矢量us將跟隨電壓參考值us*。當發(fā)電機轉(zhuǎn)速變化時轉(zhuǎn)子電流ir的位置角將會偏離坐標系βr角度，由于定子電壓位置角控制器Rθ的調(diào)節(jié)作用，旋轉(zhuǎn)坐標系將會從xy位置偏移到x′y′。定子電壓位置角調(diào)節(jié)器所控制的定子電壓位置角θs決定了轉(zhuǎn)子電流矢量ir的初始位置以及xy坐標系的位置，轉(zhuǎn)子電流PI調(diào)節(jié)器確定了轉(zhuǎn)子電流矢量的初始相位。

轉(zhuǎn)子電流的參考值ir*從極坐標到xy坐標系的變換方程為

由（4）式可知轉(zhuǎn)子電流幅值|ir*|和0是ir在xy坐標軸上的投影值，轉(zhuǎn)子三相電流irabc到αβ坐標系的變換方程為：

靜止坐標系到xy坐標系的變換方方程為

要獲得良好的控制效果，需采用兩個PI調(diào)節(jié)器（PIrx和PIry）來控制轉(zhuǎn)子電流。將轉(zhuǎn)子電流的實際值經(jīng)過坐標變換得irx和iry，將irx和iry分別與|ir*|和0作比較經(jīng)過調(diào)節(jié)器得到轉(zhuǎn)子電壓在xy坐標系的分量urx*和ury*，再經(jīng)過xy坐標系到abc坐標變換，可以得到轉(zhuǎn)子電壓信號urabc。xy坐標系到abc坐標變換如下：

3 仿真研究

本文采用PSCAD/EMTDC作為仿真平臺，如圖6所示搭建雙饋發(fā)電機控制系統(tǒng)模型，發(fā)電機具體參數(shù)如下：

圖6 雙饋發(fā)電機控制原理圖

額定功率0.25MW，額定電壓0.38kV，額定頻率50Hz，定子漏電抗Lls=0.012mH，轉(zhuǎn)子漏電抗Llr=0.012mH，勵磁電抗Lm=4.06mH，額定功率因數(shù)：cos φ=0.91。為了驗證該簡化模型的可行性，仿真系統(tǒng)中發(fā)電機在最不穩(wěn)定的空載狀態(tài)下運行，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流觀察定子電壓的幅值和相位。

圖7分析：irOL表示簡化RL模型下開環(huán)轉(zhuǎn)子電流，irPI是經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器后的轉(zhuǎn)子電流，urPI是經(jīng)PI調(diào)節(jié)后的轉(zhuǎn)子電壓，irPI比irOL有更快的階躍響應(yīng)，上升至穩(wěn)態(tài)的時間大為縮減，約為0.03s。

圖7 開環(huán)轉(zhuǎn)子電流和經(jīng)PI調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)子電流的階躍響應(yīng)曲線

圖8分析：iry*始終為零，轉(zhuǎn)子電流參考值irx*在0.2s由50A階躍至150A，發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流實際值irx，iry能快速跟蹤各自參考值而變化，表明系統(tǒng)有良好的控制性能；定子電壓Usd和Usq變化趨勢分別與irx和iry相一致，Usd的增長倍數(shù)與irx*的增長倍數(shù)相同，即實現(xiàn)了有功和無功的解耦控制，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流控制了定子電壓。

圖8 轉(zhuǎn)子電流參考值突變時電流實際值和電壓的變化曲線

圖9分析：在0.2s，發(fā)電機定子電壓參考值|us|*由300V階躍至600V，定子電壓實際值|us|跟蹤其變化并快速穩(wěn)定，表明系統(tǒng)具有良好的控制性；轉(zhuǎn)子電流參考值irx*和實際值irx快速響應(yīng)，其幅值增大一倍，與電壓幅值的增長倍數(shù)相同，iry*及其實際值iry保持在較小的波動后在0值穩(wěn)定，整個系統(tǒng)階躍響應(yīng)時間和超調(diào)量都比較小，穩(wěn)態(tài)運行時電壓、電流波形平穩(wěn)，發(fā)電機輸出的電能質(zhì)量比較理想。

圖9 發(fā)電機定子電壓參考值突變時，電壓和電流變化曲線

4 結(jié)論

本文建立了雙饋發(fā)電機的系統(tǒng)模型，闡述了發(fā)電機定子側(cè)并聯(lián)電容對發(fā)電機電壓和輸出電能質(zhì)量的影響。推導(dǎo)了發(fā)電機空載時簡化的RL模型，在該模型下建立控制系統(tǒng)原理圖，最后通過仿真研究，結(jié)果表明該方法能夠有效地控制發(fā)電機輸出電壓，提高發(fā)電機輸出電能的質(zhì)量。

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Control Method of Doubly-Fed Induction Generator Based on Simplified Model

LI Wei-hua1,WANG Hong-yang2
(1.Institute of Water Resource and Hydro-Electricity，Xi’an University of Technology,Xi’an 710048,Shaanxi Province,China;2.Kaifeng Power Supply Company，Henan Electric Power Company,Kaifeng 475000,Henan Province,China)

This paper describes a doubly-fed induction generator system ofstandalone linear model and the RL simplified model,and analyzes the effect of the filtering capacitance on the stator voltage and power quality,and sets up system of using current to control the stator voltage.Simulation results show that this model can control the output voltage effectively and decoupling the amplitude and frequency of the stator voltage,and can improve the output power quality.

doubly-fed induction generator;simplified model;voltagecontrol

建立了雙饋發(fā)電機的獨立線性化系統(tǒng)模型以及簡化RL模型，分析了定子側(cè)濾波電容對發(fā)電機電壓和輸出電能質(zhì)量的影響，搭建了通過電流來控制發(fā)電機電壓的系統(tǒng)，最后通過仿真研究，其結(jié)果表明該模型能夠有效地控制發(fā)電機輸出電壓，實現(xiàn)發(fā)電機幅值和頻率的解耦控制，提高了發(fā)電機輸出的電能質(zhì)量。

雙饋發(fā)電機；簡化模型；電壓控制

1674-3814（2010）08-0058-04

TM31

A

2010-09-16。

李煒華(1982—)，男，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)的測量與控制。

（編輯 李 沈）