雙饋風(fēng)力發(fā)電機組動態(tài)性能改善的控制策略

高仕紅

( 湖北民族學(xué)院 信息工程學(xué)院，湖北 恩施445000)

(1)和式(2)中消除is、ψr，即可得轉(zhuǎn)子電壓vr 的表達式:

隨著能源價格的不斷高攀以及對環(huán)保的日益重視，全球的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)近10 年來以年均25%以上的速度快速增長，成為可再生能源發(fā)電產(chǎn)業(yè)之最．在風(fēng)力發(fā)電機組中雙饋感應(yīng)發(fā)電機(double－fed induction generator，DFIG)占據(jù)了風(fēng)電大部分市場，已成為風(fēng)電機組的主流產(chǎn)品．與其它風(fēng)電機組比較，其具有以下主要優(yōu)點:調(diào)速范圍寬、可通過部分功率的轉(zhuǎn)子側(cè)變換器獨立調(diào)節(jié)定子側(cè)的有功和無功功率輸出［1］．

雙饋風(fēng)力發(fā)電機組采用交流勵磁，改變發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩可調(diào)節(jié)發(fā)電機組轉(zhuǎn)速，其是通過調(diào)節(jié)發(fā)電機的有功功率來實現(xiàn)的．因此，獨立調(diào)節(jié)發(fā)電機有功和無功功率是風(fēng)電機組運行控制的關(guān)鍵［2］．因此，國內(nèi)外許多學(xué)者特別針對轉(zhuǎn)子側(cè)變換器(rotor－side converter，RSC)的控制技術(shù)進行了大量研究，主要研究成果體現(xiàn)如下:①采用標(biāo)量控制技術(shù)［3］，此方法動態(tài)控制性能較差，難以實現(xiàn)有功和無功功率的解耦控制;②采用矢量控制技術(shù)，其中以定子磁鏈定向和電網(wǎng)電壓定向矢量控制技術(shù)為主流［4－7］;③采用直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)［8］，此方法的缺點是DFIG 參數(shù)的變化嚴重影響轉(zhuǎn)子磁鏈的估計精度以及轉(zhuǎn)子磁鏈參考值的計算;④采用直接功率控制技術(shù)［9］，此方法僅需機組的定子參數(shù)，其對運行條件變化和機組參數(shù)攝動具有較強的魯棒性．

目前，DFIG 轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的控制一般采用基于定子磁鏈定向矢量控制技術(shù)的PI 電流調(diào)節(jié)器．由于PI電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)調(diào)節(jié)麻煩，且瞬態(tài)響應(yīng)速度慢和控制帶寬窄．因此，針對傳統(tǒng)PI 電流調(diào)節(jié)器的上述缺點，提出基于雙滯環(huán)電流矢量控制技術(shù)的電流調(diào)節(jié)器，通過大量的仿真研究證明了基于雙滯環(huán)電流矢量控制技術(shù)的電流調(diào)節(jié)器具有非常快的瞬態(tài)響應(yīng)速度和較寬的控制帶寬，其動態(tài)性能優(yōu)于基于定子磁鏈定向矢量控制技術(shù)的PI 電流調(diào)節(jié)器，可滿足雙饋風(fēng)力發(fā)電機組對有功和無功功率快速調(diào)節(jié)的要求．

1 DFIG 建模

雙饋風(fēng)力發(fā)電機組的詳細建模在大量的文獻中已被研究［6］，在此僅介紹其數(shù)學(xué)模型的重要部分．根據(jù)電動機慣例，DFIG 在任意參考坐標(biāo)系下的定、轉(zhuǎn)子電壓及磁鏈動態(tài)方程為［1］:

式中:v，i，ψ 為電壓、電流及磁鏈矢量;R，L為電阻、電感;下標(biāo)s，r，m表示定子、轉(zhuǎn)子及激磁參數(shù);ω 為任意參考坐標(biāo)的電角速度;ωr為轉(zhuǎn)子的電角速度．

對轉(zhuǎn)子側(cè)變換器來說最重要的變量是雙饋風(fēng)力發(fā)電機組的轉(zhuǎn)子電壓，為了導(dǎo)出轉(zhuǎn)子電壓的表達式，從式

(1)和式(2)中消除is、ψr，即可得轉(zhuǎn)子電壓vr的表達式:

式中:vr0為轉(zhuǎn)子繞組開路時的開路電壓，由定子磁鏈產(chǎn)生，并影響轉(zhuǎn)子電流的動態(tài)性能;σ 為轉(zhuǎn)子繞組的漏磁系數(shù)

在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下DFIG 通常采用定子磁鏈定向矢量控制技術(shù)，在忽略定子電阻的條件下，由式(1)和式(2)可得DFIG 發(fā)出的有功和無功功率表達式:

式中:Ss為DFIG 的定子復(fù)功率為定子電流矢量的共軛為定子的有功和無功功率;ird，irq為轉(zhuǎn)子電流的d、q軸分量;ω1為同步電角速度．

2 電流調(diào)節(jié)器

2．1 PI 電流調(diào)節(jié)器

在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，若DFIG 轉(zhuǎn)子側(cè)變換器采用定子磁鏈定向矢量控制技術(shù)，由式(3)可得DFIG 的轉(zhuǎn)子電壓矢量方程:

式中:上標(biāo)dq表示同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的參數(shù)．

若DFIG 轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的控制采用PI 電流調(diào)節(jié)器，式(5)可表示為:

圖1 傳統(tǒng)PI 控制的原理圖Fig．1 Principle diagram of the traditional PI control

式中，kp，ki為PI 電流調(diào)節(jié)器的比例和積分系數(shù)．下標(biāo)ref表示參考值．

DFIG 轉(zhuǎn)子側(cè)變換器采用定子磁鏈定向矢量控制技術(shù)，在傳統(tǒng)PI 控制策略下的控制原理圖如圖1 所示．

2．2 雙滯環(huán)電流矢量控制的電流調(diào)節(jié)器

滯環(huán)電流矢量控制技術(shù)最初應(yīng)用于有源電力濾波器的控制，滯環(huán)電流矢量控制技術(shù)在工程應(yīng)用中表現(xiàn)出諸多優(yōu)越性能，例如快速的動態(tài)響應(yīng)速度、硬件實施簡單以及對系統(tǒng)參數(shù)變化具有很強的魯棒性［10－12］．

為了分析基于雙滯環(huán)電流矢量控制技術(shù)的電流調(diào)節(jié)器工作原理，在此引入三個開關(guān)函數(shù)Sa、Sb和Sc，可得轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的8 種開關(guān)模式．由于轉(zhuǎn)子側(cè)變換器輸出的各相電壓取決于三相橋臂的總體狀態(tài)SaSbSc．因此，可得轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的開關(guān)狀態(tài)及輸出的對應(yīng)電壓如表1 所示(以Dc－link 的電壓Vdc為基準)［11－12］．

為了消除相間影響，由此引入空間矢量．在靜止正交的α－β 坐標(biāo)系下，當(dāng)α 軸線與a相軸線重合時，由表1 可得轉(zhuǎn)子側(cè)變換器輸出的電壓矢量:

表1 RSC 的開關(guān)狀態(tài)及輸出電壓Tab．1 Switch state andoutput voltage of RSC

若考慮所有的開關(guān)狀態(tài)組合，由(7)式可得轉(zhuǎn)子側(cè)變換器輸出的8個離散電壓矢量:

轉(zhuǎn)子側(cè)變換器輸出的8 個離散電壓矢量的空間分布及參考電壓區(qū)間如圖2 所示．

在轉(zhuǎn)子參考坐標(biāo)下，由式(3)可得DFIG 轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的輸出電壓:

在忽略轉(zhuǎn)子電阻的條件下，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器輸出的參考電壓矢量可定義為:

圖2 離散電壓矢量的空間分布Fig．2 Spatial distribution of the discrete voltage vectors

由式(10)和式(11)可得簡化的DFIG 轉(zhuǎn)子電流誤差矢量表達式:

由式(11)和式(12)分析可知，要完全消除轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的電流跟蹤誤差，必精確計算出轉(zhuǎn)子的參考電壓矢量由于在工程應(yīng)用中轉(zhuǎn)子的開路電壓vr0和參考電流的導(dǎo)數(shù)很難準確獲取，所以不可能準確計算出轉(zhuǎn)子的參考電壓矢量．但在工程實踐中并不需要計算轉(zhuǎn)子的參考電壓矢量，只需判斷出轉(zhuǎn)子參考電壓矢量所處的空間位置，由此恰當(dāng)?shù)剡x擇轉(zhuǎn)子側(cè)變換器輸出的電壓矢量來控制轉(zhuǎn)子電流誤差矢量的變化率，就可達到控制轉(zhuǎn)子電流誤差矢量的目的．因此，基于雙滯環(huán)電流矢量控制技術(shù)的電流調(diào)節(jié)器的原理圖如圖3 所示．

由圖2 可看出，基于雙滯環(huán)電流矢量控制技術(shù)的電流調(diào)節(jié)器由三個部分組成:①外滯環(huán)比較器，其滯環(huán)帶寬設(shè)計為δ+Δδ，由輸出的狀態(tài)值BaoBboBco確定轉(zhuǎn)子參考電壓v*r的空間位置，由此確定出轉(zhuǎn)子側(cè)變換器輸出的最優(yōu)電壓矢量集;②內(nèi)滯環(huán)比較器，其滯環(huán)帶寬設(shè)計為δ，由其輸出的狀態(tài)值BaiBbiBci從外滯環(huán)比較器確定的最優(yōu)電壓集中選擇最優(yōu)電壓作為轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的輸出電壓矢量，用于跟蹤轉(zhuǎn)子參考電流;③開關(guān)狀態(tài)選擇表．另外，為了減少轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的開關(guān)損耗，主動引入零電壓矢量(v0/v7)以達到減少轉(zhuǎn)子側(cè)變換器平均開關(guān)頻率的目的．基于雙滯環(huán)電流矢量控制技術(shù)的電流調(diào)節(jié)器采用的開關(guān)狀態(tài)選擇表如表2 所示．

圖3 基于雙滯環(huán)電流矢量控制技術(shù)的電流調(diào)節(jié)器原理圖Fig．3 Principle diagram of the current regulatorbased on the double hysteresis current vector control technology

3 仿真實驗研究

表2 雙滯環(huán)電流矢量控制的開關(guān)表Tab．2 Switch table of the double hysteresis current vector control

所提出的基于雙滯環(huán)電流矢量控制技術(shù)的電流調(diào)節(jié)器具有快速的動態(tài)響應(yīng)速度以及對系統(tǒng)參數(shù)變化具有很強的魯棒性，為了驗證其對雙饋風(fēng)力發(fā)電機組有功和無功功率具有快速調(diào)節(jié)能力的有效性．在Matlab/Simulink 仿真平臺中構(gòu)建了基于雙滯環(huán)電流矢量控制技術(shù)的電流調(diào)節(jié)器的仿真模型，仿真用的雙饋風(fēng)力發(fā)電機組為2 MW 的商用機組，其主要參數(shù)如表3 所示．

雙饋風(fēng)力發(fā)電機組在t=3s前以單位功率因數(shù)穩(wěn)定運行，q 軸轉(zhuǎn)子電流參考值設(shè)定為0．2 p．u．為評估所提出的基于雙滯環(huán)電流矢量控制技術(shù)的電流調(diào)節(jié)器的動態(tài)性能，在此對d、q 軸轉(zhuǎn)子電流參考值階躍變化進行了仿真研究，仿真采樣時間為5×10－6s．設(shè)在t=3s時q軸轉(zhuǎn)子電流參考值階躍變化到0．55 p．u，且在t=4s時d軸轉(zhuǎn)子電流參考值階躍變化到0．5 p．u．在d、q 軸轉(zhuǎn)子電流階躍變化時雙饋風(fēng)力發(fā)電機組的a 相轉(zhuǎn)子電流ira、d、q 軸轉(zhuǎn)子電流ird，irq，有功和無功功率P，Q的動態(tài)響應(yīng)波形如圖4(a)、(b)、(c)、(d)所示．

表3 雙饋風(fēng)力發(fā)電機主要參數(shù)Tab．3 Main parameters of DFIG

圖4 d、q 軸轉(zhuǎn)子電流階躍變化時的仿真波形Fig．4 Simulation waveform ofd and q axis rotor current step change

由圖4(a)、(b)、(c)可看出，當(dāng)d、q 軸轉(zhuǎn)子電流發(fā)生階躍變化時，雙饋風(fēng)力發(fā)電機組的a 相轉(zhuǎn)子電流和d、q 軸轉(zhuǎn)子電流都能很好地跟蹤參考電流，沒有出現(xiàn)任何超調(diào)，驗證了基于雙滯環(huán)電流矢量控制技術(shù)的電流調(diào)節(jié)器具有很好的參考電流跟蹤能力，同時也驗證了雙饋風(fēng)力發(fā)電機組具有快速的有功和無功功率的調(diào)節(jié)能力(見圖4(d))．因此，基于雙滯環(huán)電流矢量控制技術(shù)的電流調(diào)節(jié)器改善了雙饋風(fēng)力發(fā)電機組的動態(tài)性能．

4 結(jié)論

針對傳統(tǒng)PI 控制的電流調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)節(jié)麻煩且瞬態(tài)響應(yīng)速度慢和控制帶寬窄的缺陷，本文所提出的基于雙滯環(huán)電流矢量控制技術(shù)的電流調(diào)節(jié)器具有硬件結(jié)構(gòu)簡單，僅需測量轉(zhuǎn)子電流的瞬態(tài)值，變換器的門信號直接用開關(guān)表產(chǎn)生，取消了傳統(tǒng)PI 控制的調(diào)制單元，使其具有內(nèi)在的電流限制屬性、非?？斓膭討B(tài)響應(yīng)速度和優(yōu)良的參考電流跟蹤能力，且對系統(tǒng)參數(shù)變化具有很強的魯棒性，具有一定的商業(yè)化應(yīng)用前景．

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