雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)變流器聯(lián)合控制策略

周羽生，鄭劍武，向軍，付小偉

（長沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長沙 410004）

近年來，全球風(fēng)電以年均28%的速度快速增長，成為最具發(fā)展前景的可再生能源。變速恒頻雙饋異步電機以其調(diào)速范圍寬、有功和無功功率可以獨立控制以及所需的勵磁變流器容量較小等優(yōu)點，成為主流風(fēng)電機組[1]。這種風(fēng)力發(fā)電機組具有兩套繞組，其定子直接與電網(wǎng)相連，轉(zhuǎn)子則通過背靠背（back-to-back）電壓型變流器進行勵磁。其中與轉(zhuǎn)子相連接的稱為轉(zhuǎn)子側(cè)變流器，與電網(wǎng)連接的變流器稱為網(wǎng)側(cè)變流器。

轉(zhuǎn)子側(cè)變流器主要作用是調(diào)節(jié)并解耦輸出的有功和無功功率，實現(xiàn)風(fēng)電機組在不同風(fēng)速下的最大功率捕獲。而網(wǎng)側(cè)變流器的功能是穩(wěn)定直流母線電壓與調(diào)節(jié)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)，使整個風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)更加靈活[2]。

傳統(tǒng)上網(wǎng)側(cè)變流器的控制策略均假定電網(wǎng)電壓理想，不存在任何故障和擾動，然而實際的電網(wǎng)無時無刻不處于動態(tài)過程中，電網(wǎng)對稱、不對稱故障下，將使傳統(tǒng)控制方法失去定向基準、破壞解耦控制條件，影響風(fēng)電機組的運行穩(wěn)定[3]。尤其是在不對稱故障下，負序分量的存在使得網(wǎng)側(cè)變流器有以下性能變化：①交流側(cè)存在負序電流，三相電流不平衡；②直流側(cè)電壓存在偶數(shù)次紋波，通過PWM調(diào)制導(dǎo)致交流側(cè)電流產(chǎn)生奇數(shù)次諧波[4]。因此針對不對稱故障下網(wǎng)側(cè)變流器控制方法的研究尤為重要，本文分析了傳統(tǒng)基于電網(wǎng)理想情況下控制方法的優(yōu)點和不足，并結(jié)合恒功率控制和無差拍控制[5]兩種控制方法的優(yōu)點，提出了恒功率無差拍聯(lián)合控制策略，在電網(wǎng)不對稱故障下對該控制方法進行仿真分析。仿真結(jié)果表明該控制方法可以有效抑制網(wǎng)側(cè)變流器直流電壓的紋波分量，從而優(yōu)化整個雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在電網(wǎng)故障下的運行性能。

1 網(wǎng)側(cè)變流器數(shù)學(xué)模型

雙饋異步發(fā)電機網(wǎng)側(cè)變流器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 網(wǎng)側(cè)變流器結(jié)構(gòu)Fig.1 Configuration of grid side convertor

在abc三相坐標下，網(wǎng)側(cè)變流器數(shù)學(xué)模型為

在dq旋轉(zhuǎn)坐標系下，網(wǎng)側(cè)變流器的數(shù)學(xué)模型為[6]

式中：ugd和ugq為電網(wǎng)電壓的dq軸分量；vgd和vgq為變流器的輸出電壓dq軸分量；Rg和Lg為網(wǎng)側(cè)變流器出口電阻和電感。

2 基于電網(wǎng)電壓定向的網(wǎng)側(cè)變流器直流電壓、電流雙閉環(huán)控制

傳統(tǒng)的網(wǎng)側(cè)變流器控制結(jié)構(gòu)設(shè)計均基于電網(wǎng)對稱運行的情況下，采用電網(wǎng)電壓（或磁鏈）矢量定向的電流閉環(huán)控制方式，當(dāng)采用電網(wǎng)電壓定向時有

此時變流器向電網(wǎng)發(fā)出的有功和無功功率為

Pg小于零表示網(wǎng)側(cè)PWM變流器工作于整流狀態(tài)從電網(wǎng)吸收有功，反之為工作在逆變狀態(tài)，能量從直流側(cè)回饋到電網(wǎng)；Qg小于零表示網(wǎng)側(cè)PWM變流器呈現(xiàn)容性，吸收超前無功，反之呈現(xiàn)感性，從電網(wǎng)吸收滯后無功。

傳統(tǒng)基于電網(wǎng)電壓定向的網(wǎng)側(cè)變流器直流電壓、電流雙閉環(huán)的控制方法通過控制igd和igq來實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)變流器有功和無功功率的獨立控制，電壓外環(huán)用于穩(wěn)定直流側(cè)母線電壓，電流內(nèi)環(huán)則實現(xiàn)功率調(diào)節(jié)，控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 網(wǎng)側(cè)變流器傳統(tǒng)控制策略Fig.2 Conventional control strategy of grid side convertor

運用Simulink建立如圖2所示仿真模型，基本參數(shù)為：網(wǎng)側(cè)相電壓有效值U=220 V；Rg=0.1 Ω；Lg=4mH；負載電阻R=100Ω；直流側(cè)電壓控制目標值Udcref=525 V；直流電容C=400μF；采用電網(wǎng)電壓定向的網(wǎng)側(cè)變流器直流電壓、電流雙閉環(huán)的控制方法，并令igqref=0；對電網(wǎng)出口在0.3 s時發(fā)生AB兩相接地短路故障進行仿真分析，仿真結(jié)果如圖3～圖5所示。接地電阻R=0.001Ω。

圖3 故障時短路點三相電壓波形Fig.3 Three-phase voltagewave form s for two-phase ground faultat short-circuit point

圖4 故障時負載電流和直流母線電壓波形（雙閉環(huán)控制）Fig.4 Load current and DC bus voltage waveforms for two phase ground fault（double closed-loop controt）

圖5 故障時直流母線電壓波形和頻譜細節(jié)圖（雙閉環(huán)控制）Fig.5 Detailed diagram of DC bus voltage and it’s spectrum for two-phase ground fault（double closed-loop controt）

由仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生兩相接地短路時，基于電網(wǎng)電壓定向，直流電壓、電流雙閉環(huán)控制并不能有效地控制直流側(cè)的電壓，而且產(chǎn)生比單相短路時[7]幅值更大的紋波分量。這將會危及變流器運行的穩(wěn)定，同時也會影響直流側(cè)電容的壽命。

目前對于不平衡電壓下的控制設(shè)計大都采用正負序變量分離方法、雙PI閉環(huán)控制方法和比例諧振控制方法，控制系統(tǒng)的性能很大程度上取決于正負序變量分離方法的準確性和快速性，多次的坐標變換和正負序分離都會增加控制系統(tǒng)的響應(yīng)時間造成很大的延時，增加控制算法的復(fù)雜程度[8]。而且多個PI控制器和比例諧振控制器參數(shù)設(shè)計比較困難，設(shè)計者的經(jīng)驗和水平會直接影響控制系統(tǒng)的跟蹤精度、響應(yīng)時間和魯棒性[5]。

3 恒功率和無差拍聯(lián)合控制

恒功率控制[4]方法的優(yōu)點是無需進行正負序分離，只需一個PI控制器用來產(chǎn)生平均有功功率指令值；無差拍控制[5，9]具有一拍即達的快速響應(yīng)和跟蹤精度，廣泛地應(yīng)用于PWM整流與逆變、有源濾波以及不間斷電源等電力電子變換器[10]。

3.1 恒功率控制原理

電壓電流矢量關(guān)系如圖6所示。

圖6 電壓電流矢量關(guān)系Fig.6 Vector relation graph of voltage and current

則網(wǎng)側(cè)變流器的輸入功率為

為了消除2次紋波分量，維持直流母線電壓恒定，假定如下：

再令φ1=φ2=-θ，即可求得

由此可以推導(dǎo)出三相電流指令值分別為

3.2 無差拍控制原理

由式（1）進行離散化可得在n+1時刻的狀態(tài)方程為

平均有功功率指令值與電壓給定值有關(guān)，即

式中：Sj（n）為第n時刻j相的控制輸出量，-1≤Sj（n）≤1，j=a，b，c；Udc（n）為直流側(cè)電壓；b1=Lgn/T，b2=Rgn，Lgn和Rgn分別為Lg和Rg的標稱值；T為開關(guān)采樣周期，T=1/fk；fk為PWM開關(guān)頻率。

令ij（n+1）=ijref（n），則由式（11）可得

3.3 恒功率和無差拍聯(lián)合控制原理

恒功率和無差拍聯(lián)合控制結(jié)合了恒功率和無差拍控制的優(yōu)點，通過給定的直流側(cè)母線電壓指令值，由式（10）算出功率指令值，將其送入恒功率控制器模塊產(chǎn)生三相電流指令值，再經(jīng)過無差拍控制器模塊計算輸出控制量指令，PWM控制器接收到控制量指令后可直接控制變流器上下的橋臂的通斷，從而達到控制直流側(cè)電壓的目的。整個控制系統(tǒng)僅用一個PI控制器，完全省去了任何坐標變換環(huán)節(jié)，實際調(diào)節(jié)方便快捷，整個控制系統(tǒng)響應(yīng)速度快，這對一個實時控制系統(tǒng)是非常重要的。恒功率和無差拍聯(lián)合控制結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 恒功率和無差拍聯(lián)合控制結(jié)構(gòu)Fig.7 Configurational figure of constant power and deadbeat conbination control

3.4 仿真分析

建立如圖1所示仿真模型，基本參數(shù)和傳統(tǒng)控制策略仿真相同，PWM開關(guān)頻率fk=1 500 Hz；運用恒功率和無差拍聯(lián)合控制方法；對電網(wǎng)在0.3 s時發(fā)生AB兩相接地短路進行仿真分析，仿真結(jié)果如圖8和圖9所示。接地電阻R=0.001Ω。

圖8 故障時負載電流和直流母線電壓波形（聯(lián)合控制）Fig.8 Load current and DC bus voltage waveforms for two-phase ground fault（combination control）

圖9 故障時直流母線電壓波形和頻譜細節(jié)圖（聯(lián)合控制）Fig.9 Detailed diagram of DC bus voltage and it’s spectrum for two-phase ground fault（combination control）

由圖4和圖8可知，恒功率和無差拍聯(lián)合控制方法在電網(wǎng)故障下對直流母線電壓的控制能力要明顯優(yōu)于傳統(tǒng)控制方法。通過對兩種控制策略的直流側(cè)電壓頻譜圖進行定量分析，THD由圖5（b）中的5.41%降到圖9（b）的0.11%，直流電壓中紋波分量得到了大幅削弱。因此恒功率和無差拍聯(lián)合控制策略不僅可以將直流母線電壓穩(wěn)定在給定值上，還能有效抑制直流側(cè)電壓的紋波分量，使DFIG在電網(wǎng)故障下的運行性能得到大幅提高。

4 結(jié)語

本文提出了恒功率和無差拍聯(lián)合控制方法，該控制方法不存在任何坐標變換環(huán)節(jié)，避免了現(xiàn)有不平衡控制策略中坐標變換對控制系統(tǒng)響應(yīng)時間的影響；整個控制系統(tǒng)僅需一個PI控制器，實際調(diào)節(jié)更加方便快捷；在電網(wǎng)兩相短路接地故障下的仿真分析，也表明該聯(lián)合控制策略不僅能穩(wěn)定了直流側(cè)電壓，而且大幅削弱了直流電壓的紋波分量，控制效果要明顯優(yōu)于傳統(tǒng)控制方法，因此恒功率和無差拍聯(lián)合控制策略有利于改善雙饋異步發(fā)電系統(tǒng)在電網(wǎng)不對稱故障下的運行性能。

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