雙饋式風力發(fā)電機低電壓穿越控制策略

高仕紅，張昌華，耿東山，李紹武

（湖北民族學院信息工程學院，恩施445000）

雙饋式風力發(fā)電機低電壓穿越控制策略

高仕紅，張昌華，耿東山，李紹武

（湖北民族學院信息工程學院，恩施445000）

為解決PI電流控制器作用下雙饋式風力發(fā)電機低電壓穿越能力弱的問題，提出基于改進三態(tài)滯環(huán)電流矢量控制VCBTLHC的復合電流控制策略。分析了VCBTLHC的原理，解決了VCBTLHC電壓矢量選擇的不確定現象，導出了VCBTLHC的開關表。在Matlab/Simulink中實施了復合電流控制中兩個電流調節(jié)器之間的切換策略。仿真結果表明，所提出的低電壓穿越控制策略提高了雙饋式風力發(fā)電機的低電壓穿越能力。

雙饋式風力發(fā)電機；低電壓穿越；復合電流控制；改進三態(tài)滯環(huán)電流矢量控制器；轉子過電流；直流沖擊電壓

目前，變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)大多采用雙饋感應發(fā)電機DFIG，但其對電網擾動非常敏感[1-2]。當電網故障引起DFIG機端電壓跌落時，在其轉子繞組中產生過電流，從而引起轉子側變換器RSC（rotor-side converter）的熱損壞[2]。許多學者對雙饋感應發(fā)電機低電壓穿越問題進行了大量研究，主要成果可歸納為兩類：①添加硬件法：在轉子側或直流側添加active crowbar[3-4]、在DFIG系統(tǒng)中安裝額外的變換器或動態(tài)電阻器等[5-6]，這些方法在一定程度上提高了DFIG的低電壓穿越能力，但增加了DFIG系統(tǒng)的費用和復雜性；②改進的控制策略法：改進的傳統(tǒng)PI控制策略、定子磁鏈去磁法等[7-8]，此類方法在電網故障期間使整個控制系統(tǒng)的瞬態(tài)響應性能變差，極大地限制了DFIG的低電壓穿越能力。

針對PI電流調節(jié)器瞬態(tài)響應性能差和控制帶寬窄的缺點，提出一種基于VCBTLHC的復合電流控制的DFIG低電壓穿越策略。所提出的VCBTLHC具有非常快的瞬態(tài)響應速度和較寬的控制帶寬，改善了電流調節(jié)器的瞬態(tài)響應性能。

1 DFIG的數學模型

依據電動機慣例，在任意參考坐標系下DFIG定、轉子電壓及磁鏈的動態(tài)矢量方程分別為[1，3，6]

式中：v、i、ψ分別為電壓、電流、磁鏈矢量；R、L分別為電阻、電感；ω為任意參考坐標的電角速度；下標s、r、m分別為定子、轉子和激磁參數；p為微分算子。

消除式（1）、（2）中的is及ψr可得轉子電壓vr的表達式[4]為

式中：vr0為轉子開路電壓（由定子磁鏈產生），是影響轉子電流瞬態(tài)性能的擾動項；σ為轉子漏磁系數

忽略定子電阻，DFIG采用定子磁鏈定向矢量控制，由式（1）、（2）可得DFIG的有功和無功功率

式中：Ss為DFIG發(fā)出的復功率；i^s為定子電流矢量的共軛；ird、irq為轉子電流的d、q軸分量；ω1為同步電角速度。

由式（4）可看出，DFIG發(fā)出的有功和無功功率分別由轉子電流的q、d軸分量獨立控制。

2 復合電流控制的低電壓穿越策略

PI電流調節(jié)器具有優(yōu)良的穩(wěn)態(tài)性能，但瞬態(tài)響應性能較差。而滯環(huán)電流矢量控制器具有快速的瞬態(tài)響應速度，但穩(wěn)態(tài)性能不佳。在此集兩者之優(yōu)點，提出一種基于改進VCBTLHC的復合電流控制的DFIG低電壓穿越策略，即正常運行時PI電流控制器作用，電網故障期間根據監(jiān)控單元的指令，激活改進的VCBTLHC，待暫態(tài)穩(wěn)定后再切換到PI電流控制器。電網故障清除期間復合電流控制的作用原理與電網故障期間相同。在此，PI電流控制器和改進的VCBTLHC在性能上是互補的，PI電流控制器應用于穩(wěn)態(tài)過程的RSC控制，而改進的VCBTLHC應用于暫態(tài)過程的RSC控制。

2.1PI電流控制器

在式（3）中用ω1代替ω可得同步坐標系下的轉子電壓方程為

式中：ωslip為轉差角速度，ωslip=ω1-ωr；上標dq表示同步參考坐標系下的參數。

在PI電流調節(jié)器作用下，式（5）可表示為

式中：kp、ki分別為PI電流調節(jié)器的比例和積分系數；下標ref表示參考值。

由式（6）可看出，在PI電流調節(jié)器作用下，轉子電流跟蹤參考電流是通過改變RSC的輸出電壓。因此，在DFIG等效電路中RSC可視為一個電流控制的電壓源。

2.2 三態(tài)滯環(huán)電流矢量控制器

VCBTLHC以其快速的瞬態(tài)響應速度被廣泛應用于有源電力濾波器[9-10]，以消除電網因非線性負載和開關操作引起的諧波污染。把VCBTLHC快速的瞬態(tài)響應速度性能，應用于RSC暫態(tài)過程控制，有望提高DFIG的低壓穿越能力。

2.2.1RSC輸出的離散電壓矢量

由分析可知，RSC三相橋臂之間存在關聯(lián)現象，即RSC輸出的各相電壓取決于其三相橋臂的總體狀態(tài)Sa、Sb、Sc[10]。為消除相間影響，在靜止正交α、β坐標下引入空間矢量，當α軸與a軸重合時可得RSC輸出的8個離散電壓矢量[10-12]為

2.2.2 三態(tài)滯環(huán)電流矢量控制器的原理及改進

在式（3）中用ωr代替ω可得轉子坐標系下DFIG的轉子電壓方程為

式中，上標r表示轉子坐標系下的參數。

忽略轉子電阻，由式（9）可得簡化后的DFIG轉子電流誤差矢量方程為

由圖1可看出，三態(tài)滯環(huán)電流矢量控制器的開關狀態(tài)選擇如表1所示。

圖1 三態(tài)滯環(huán)電流比較器的實施Fig.1Implementation of three-level hysteresis comparator

表1 三態(tài)滯環(huán)電流矢量控制器開關表Tab.1Switching table of VCBTLHC

由表1可看出，當Dα=1時，RSC輸出電壓矢量的選擇不唯一，如Dβ=0，施加v5/v6都可減小轉子電流的β分量irβ。為了使RSC輸出電壓矢量的選擇唯一，下面就這種輸出電壓不確定情況進行討論。

情況1DαDβ=11

為了最大限度降低RSC的開關頻率，所施加的零電壓矢量（v0/v7）遵循如下原則：如果RSC上面3個開關中的兩個處于導通狀態(tài)，就選擇零電壓矢量v7，由于僅需改變6個開關中兩個開關的狀態(tài)。否則，選擇零電壓矢量v0。v0/v7的選擇邏輯為Sa·Sb+Sb·Sc+Sc·Sa。

情況2DαDβ=10

在這種情況下電流誤差的β分量是負值，即Δirβ＜0，由此可導出關系

由式（11）看出，轉子c相電流誤差大于b相，根據Δirb和Δirc的符號和大小，可能出現3種情況，即

由式（12）可看出，|Δirb|＞|Δirc|表示b相電流誤差的絕對值大于c相，則施加的電壓矢量應提供一個較大的c軸分量，使b相電流誤差的絕對值加速減小，根據此原則電壓矢量v6被選擇。否則|Δirb|＜|Δirc|時選擇電壓矢量v5，即

情況3DαDβ=12

在這種情況下電流誤差的β分量是正值，即Δirβ＜0，按情況（2）分析，同理可得電壓矢量v2/v3的選擇原則，即

結合上述討論，就可完全消除表1中電壓矢量選擇的不確定現象，RSC輸出的電壓矢量就能被精確地選擇，改進三態(tài)滯環(huán)電流矢量控制器的開關狀態(tài)選擇如表2所示。

表2改進三態(tài)滯環(huán)電流矢量控制器的開關表

Tab.2Switching table of the improved VCBTLHC

Dα Dβ 0 1 2 0 v5v4v31 v5||Δirb|＜|Δirc| v6||Δirb|＞|Δirc| v0|v1，v3，v5v7|v2，v4，v6v2||Δirb|＜|Δirc| v3||Δirb|＞|Δirc| 2 v6v1v2

基于上述分析，所提出的VCBTLHC僅需測量轉子電流的瞬態(tài)值，不需參考電壓矢量空間位置偵測器，RSC門信號直接由兩個三態(tài)比較器的輸出狀態(tài)值DαDβ查詢得到，取消了傳統(tǒng)矢量控制的調制單元，使其具有內在電流限制屬性和非常快的瞬態(tài)響應速度。因為滯環(huán)電流矢量控制僅利用轉子電流的瞬時值，不需調制單元，轉子電流跟蹤參考電流直接由開關表產生RSC所需的門信號。因此，在DFIG轉子等效電路中RSC可視為一個可控電流源，其對系統(tǒng)參數的變化和電網電壓的擾動具有很強的魯棒性。VCBTLHC的原理框圖如圖2所示。

圖2 改進三態(tài)滯環(huán)電流矢量控制器的原理框圖Fig.2Principle of the improved VCBTLHC

3 低電壓穿越策略仿真研究

3.1 復合電流控制中兩個控制器之間的切換

所提出的DFIG低電壓穿越策略由兩個不同的開關策略組成。正常運行時PI電流調節(jié)器以最優(yōu)的穩(wěn)態(tài)性能調節(jié)轉子電流；電網故障導致機端電壓跌落瞬態(tài)期間，PI控制器的動態(tài)響應速度不足以維持轉子瞬態(tài)電流的精確控制，電流跟蹤誤差將超過PI電流調節(jié)器的誤差帶寬，當觸擊到控制器的電流設計限值Ith_VCBHTLC時，故障監(jiān)控單元激活VCBTLHC，設其作用時間為50 ms（目的在于觀察VCBTLHC作用的動態(tài)過程及兩個控制器之間切換的平穩(wěn)性）；電網故障清除過程期間，開關控制策略與電網故障期間相同。開關控制策略的實施如圖3所示。

圖3 開關策略Fig.3Switch strategy

3.2 仿真研究

為了驗證上述所提出的復合電流控制對提高DFIG低電壓穿越能力的有效性，以2 MW雙饋式風力發(fā)電機為例，在Matlab/Simulink中建立了仿真模型，DFIG主要參數見附錄A表A。為達到在不同電流控制器之間的精確比較，仿真時RSC外部功率控制環(huán)的功率和轉子速度保持為常數。所提出的低電壓穿越策略實施框圖如圖4所示，其主要由3個部分組成：電壓跌落監(jiān)控單元、PI電流控制器以及改進的VCBTLHC。

圖4 低電壓穿越控制策略框圖Fig.4Block diagram for low voltage ride-through control strategy

設電網故障前DFIG以轉差-0.2且功率因數cos φ=0.9滿載穩(wěn)定運行。t=0.05 s時電網發(fā)生故障，t=0.15 s時故障清除。為了評估所提出的低電壓穿越策略在電網不同故障類型時的穿越能力，在此對電網3種故障類型導致風電場母線電壓跌落情況進行了仿真研究，轉子電流irabc和DC-link電壓Vdc的波形如圖5所示。并與PI電流調節(jié)器作用下的低電壓穿越能力進行了對比，其irabc和Vdc的波形見附錄A圖A。

一般情況下，在轉子側變換器過調制運行下DC-link的安全限值電壓為額定電壓的1.3倍，允許轉子安全限值電流為額定電流的2倍[8]。由圖5及附錄中圖A的分析比較可知，在所提復合電流控制下，風電場母線電壓深度跌落時，DFIG能滿足電網要求的低壓穿越要求，仿真比較結果如表3所示。

圖5 復合電流控制下的irabc和VdcFig.5irabcand Vdcwith hybrid current control

表3 仿真結果Tab.3Simulation results

4 結語

為提高雙饋式風力發(fā)電機的低電壓穿越能力，在此提出了基于改進三態(tài)滯環(huán)電流矢量控制器的復合電流控制的低電壓穿越策略，詳細分析了三態(tài)滯環(huán)電流矢量控制器的原理及改進措施，實施了兩個控制器切換的開關策略。

為評估所提出的DFIG低電壓穿越策略，對電網對稱和不對稱短路故障引起的風電場母線電壓深度跌落進行了仿真研究，通過圖5及圖A的對比分析，所提出的基于改進三態(tài)滯環(huán)電流矢量控制器的復合電流控制的低電壓穿越策略具有非?？斓乃矐B(tài)響應速度，有效地限制了轉子過電流和DC-link的直流電壓沖擊值，使其保持在安全限度以下，提高了DFIG的低電壓穿越能力。

附錄A

（1）2MW雙饋感應風力發(fā)電機主要參數

表A雙饋感應風力發(fā)電機主要參數Tab.ADFIG main parameters

（2）PI控制器作用下的irabc和Vdc的波形

圖API控制下的irabc和VdcFig.Airabcand Vdcwith PI control

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Control Strategy of Low Voltage Ride-through for Double-fed Wind Generator

GAO Shi-hong，ZHANG Chang-hua，GENG Dong-shan，LI Shao-wu
（School of Information Engineering，Hubei University for Nationalities，Enshi 445000，China）

In order to improve the low voltage ride-through capability under the action of PI current controller for DFIG，the hybrid current control strategy is proposed，and the method is on the basis of improved three-level hysteresis current vector controller（VCBTLHC）.For VCBTLHC the principle is analyzed，the uncertainty of voltage vector selection is solved，and the improved switch table is deduced.In Matlab/simulink，the switching strategy of the two current regulators in the hybrid current control is implemented.Simulation results show that the proposed low voltage ride-through control strategy improves the low voltage ride-through capability of DFIG.

double-fed wind generator（DFIG）；low voltage ride-through；hybrid current control；improved vector controller based three-level hysteresis current（VCBTLHC）；rotor overcurrent；impulse voltage of DC-link

TM614

A

1003-8930（2014）08-0034-06

高仕紅（1971—），男，碩士，副教授，研究方向為新型電機及其控制。Email：gaosh0708@163.com

2013-06-24；

2013-08-13

湖北省自然科學基金項目（2011CDC016）

張昌華（1962—），男，碩士，副教授，研究方向為電力電子及其控制技術。Email：1228486979@qq.com

耿東山（1983—），男，碩士，講師，研究方向為控制理論與控制工程。Email：269398492@qq.com