基于動態(tài)勵磁電流的雙饋風機組控制策略

曹 娜，黃 坤，于 群，李 琰，王 真

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基于動態(tài)勵磁電流的雙饋風機組控制策略

曹 娜1，黃 坤1，于 群1，李 琰2，王 真2

(1.山東科技大學電氣與自動化工程學院，山東 青島 266590；2.中國電力科學研究院，北京 100192)

針對定子勵磁電流動態(tài)過程對雙饋變速風電機組(DFIG)暫態(tài)特性的影響，在傳統控制策略基礎上，分析了故障時定子勵磁電流的變化過程及其對雙饋風電機組暫態(tài)特性的影響，建立了計及定子勵磁電流動態(tài)過程的DFIG控制模型。在PSCAD/EMTDC仿真平臺上，對傳統控制策略和改進后的控制策略進行了仿真比較。結果表明，在電網故障下，改進后的控制策略比傳統控制策略能更有效地抑制轉子側輸出電流的波動，提高了機組的暫態(tài)穩(wěn)定性和不間斷運行能力，驗證了其正確性和有效性。

雙饋變速風電機組；定子勵磁電流；PSCAD；控制策略；電網故障

0 引言

在電網故障時，風力發(fā)電機組機端電壓會降低，導致轉子過電流、直流側母線過電壓、轉矩振蕩等一系列暫態(tài)過程[1-4]，對風力發(fā)電機組并網運行的穩(wěn)定性和電力電子變流器的安全運行產生了嚴重威脅。因此，研究電網故障狀態(tài)下風電機組的電磁暫態(tài)過程有著重要的意義。

故障時，風電機組暫態(tài)特性與外部電網運行工況、控制系統、硬件結構等諸多因素有關，本文主要研究控制系統對于風電機組暫態(tài)特性的影響。文獻[5]考慮到雙饋變速風電機組網側控制與機端電壓相位跳變這兩個因素，建立了DFIG故障暫態(tài)模型，研究了雙饋變速風電機組故障狀態(tài)下的暫態(tài)運行特性；文獻[6]采用了一種基于電網電壓定向的滅磁控制策略，有效地減小了雙饋變速風電機組在故障狀態(tài)下運行的暫態(tài)過渡時間；文獻[7]在控制策略中考慮到主、漏磁路的飽和因素，討論研究了電網發(fā)生三相短路故障時雙饋變速風電機組的運行特性。

目前，轉子側控制策略廣泛采用基于定子磁鏈定向矢量控制和基于定子電壓定向矢量控制，文獻[8-12]和文獻[13-15]分別采用這兩種矢量控制并對其進行了仿真研究，在上述研究中，針對文章所提出的研究問題忽略了定子勵磁電流的動態(tài)過程，在電網正常運行時，仿真結果表明采用這兩種矢量控制都能使雙饋風電機組獲得良好的運行特性。轉子側PWM變換器的最大輸出電流是在電網故障下制約DFIG發(fā)電系統不間斷運行能力的重要因素之一，在電網故障時，發(fā)電機轉子側電流波動很大，影響控制策略的有效性，可能會導致控制失誤。計及定子勵磁電流能夠有效地減小電網故障對轉子側輸出電流的影響[16]。因此在傳統控制策略的基礎上應計及定子勵磁電流的變化過程，建立DFIG控制系統模型。

本文在PSCAD環(huán)境[17]下搭建了雙饋風機的模型，在轉子側控制策略中計及定子勵磁電流動態(tài)過程，建立了DFIG控制系統模型。通過仿真比較驗證了在電網電壓驟降時，計及定子勵磁電流能夠有效地抑制轉子側輸出電流的波動，提高機組的暫態(tài)穩(wěn)定性。

1 ?DFIG的數學模型

兩相任意旋轉坐標系下DFIG的數學模型[18]。

1.1 磁鏈方程

定子磁鏈方程

轉子磁鏈方程

(2)

1.2 電壓方程

定子電壓方程

轉子電壓方程

(4)

1.3 轉矩方程和運動方程

轉矩方程

運動方程

(6)

(8)

2 ?計及定子勵磁電流動態(tài)過程的轉子側控制策略

雙饋變速風力發(fā)電機組中的轉子側PWM變換器的控制目標是：①?在變速恒頻前提下實現最大風能追蹤，關鍵是雙饋發(fā)電機轉速或有功功率的控制；②?雙饋發(fā)電機輸出無功功率的控制，以保證所并電網的運行穩(wěn)定性。由于雙饋發(fā)電機輸出有功功率和無功功率與轉子、軸電流分量密切相關，轉子側PWM變換器的控制目的就是實現對轉子、軸電流分量的有效控制。

本文轉子側PWM變換器控制策略采用基于定子磁鏈定向矢量控制，由此可得定子磁鏈的、軸分量分別為，。

令定子勵磁電流矢量

將式(9)代入式(2)中得

將式(9)和式(10)代入DFIG電壓方程得

如此，式(11)就是一個計及了定子勵磁電流動態(tài)過程的DFIG數學模型。

由式(11)中的定子電壓方程可得

將式(12)代入轉子電壓方程可得

(13)

在定子磁鏈定向條件下，式(13)可寫成如下軸分量形式

雙饋發(fā)電機輸出的有功、無功功率與轉子側輸出電流、軸分量之間的關系如下：

(15)

由式(15)可知，控制策略采用定子磁鏈定向時，雙饋發(fā)電機輸出的有功、無功功率分別與轉子側輸出電流的、軸分量有關。

因此可得出改進后的轉子側控制策略。整個控制系統采用雙閉環(huán)控制，電機輸出的無功功率和電機的轉速閉環(huán)控制為外環(huán)控制，分別產生轉子軸和軸的電流分量參考值；內環(huán)控制為電流控制環(huán)。

首先，將檢測到的電機輸出無功功率和電機轉速作為外環(huán)控制的反饋值，從減少轉子勵磁電源雙PWM變換器損耗的角度考慮，將電機輸出無功功率的指令值設定為0；電機轉速的指令值由風力機轉速特性確定。將檢測到的定、轉子電壓電流，經過坐標變換，通過計算得出定子磁鏈。將電機轉速指令、無功功率指令與電機轉速、無功功率反饋值進行對比，差值經由PI調節(jié)器可以分別得出轉子電流、軸分量指令值、，再和轉子電流反饋量、比較，其差值經由PI調節(jié)器后輸出電壓分量、，、加上傳統控制策略中的電壓反饋項和改進策略中引入的動態(tài)補償項——定子勵磁電流的微分項，它在傳統控制中常常被視為零而將其忽略。原理如圖1所示。

圖1 計及定子勵磁電流動態(tài)過程的基于定子磁鏈定向轉子側控制策略原理圖

3 ?仿真驗證

為了驗證當電網故障時，在轉子側控制策略計及定子勵磁電流能夠有效地抑制電流波動，在PSCAD平臺上搭建了1.5 MW的DFIG變速恒頻風力發(fā)電系統的仿真模型，其仿真參數如下：額定功率1.5 MW，額定電壓0.69 kV，慣性常數為0.85 s，定轉子匝比為0.3，定子電阻為0.007 06，轉子電阻為0.005，定子漏感為0.171，轉子漏感為0.156，勵磁電感為2.9(以上參數均為標么值)。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

1：改進策略；2：傳統策略

圖2 電網故障時改進和傳統定子勵磁定向矢量控制仿真結果對比

Fig. 2 Comparison of simulation results between the traditional scheme and improved control scheme under gridfault

圖2(a)和圖2(b)為轉子側輸出電流、軸分量波形，電網故障時，、軸的電流最大值出現在=2.006?s，此時，傳統控制策略下=-2.78，= 2.42；改進的控制策略下=-2.21，=1.60。通過對比可以看出，改進控制策略下電流波動要比傳統控制策略下小很多，、軸電流分量分別減小20.5%、33.9%。表明計及定子勵磁電流的改進控制策略能夠有效地抑制電流波動，防止了電網故障時轉子側變換器過電流的發(fā)生。

圖2(c)為雙饋電機的電磁轉矩波形，電網故障時，轉矩的最大值出現在=2.004?s，此時，傳統控制策略下TE=-3.48；改進的控制策略下TE=-2.42。通過對比可以看出，改進的控制策略下電磁轉矩的波動幅度比傳統控制策略下小，減小了30.5%。有效地減小了電磁轉矩在電網故障期間對風電機組轉軸系統機械應力的沖擊，延長了轉軸機械系統的工作壽命。

圖2(d)和圖2(e)為雙饋電機輸出的有功和無功功率，故障解除恢復期間，在2.15~2.35 s之間，傳統控制策略下，有功功率的波動幅度為2.24，無功功率的波動幅度為1.33；改進的控制策略下，有功功率的波動幅度為1.59，無功功率的波動幅度為1.05。通過對比可以看出，改進的控制策略下，兩者的波動幅度減小了，有功和無功分別減小了29%和21%。

圖2(f)為發(fā)電機的轉速，在=2.16 s時，轉速值最大，此時傳統控制策略下轉速值為1.27，改進的控制策略下轉速值為1.28。通過對比可以看出，改進的控制策略對轉速的控制并沒有太大幫助。

4 ?結論

傳統的控制策略都是在假定電網電壓恒定、忽略DFIG定子勵磁電流動態(tài)過程的條件下得到的，電網故障時會導致轉子側過電流、轉矩震蕩等危害。定子勵磁電流在電網故障時是變化的，本文在傳統控制策略的基礎上，計及定子勵磁電流的動態(tài)過程，建立了DFIG控制策略模型。

仿真結果表明，電網故障時，與傳統控制策略相比，改進后的控制策略使轉子側電流波動減小了20%~30%，電機電磁轉矩波動減小了30.5%。改進后的控制策略能夠有效地抑制電網故障時轉子側電流以及電機電磁轉矩的波動。提高了機組的不間斷運行能力。

在以后的研究中，重點研究基于改進控制策略的風電機組動態(tài)特性對電網穩(wěn)定性及繼電保護的影響。

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(編輯 姜新麗)

A control strategy of doubly-fed induction generator based on dynamic process of excitation current

CAO Na1, HUANG Kun1, YU Qun1, LI Yan2, WANG Zhen2

(1. College of Electrical Engineering and Automation, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China; 2. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China)

According to the influence of the dynamic process of stator excitation current on the transient characteristics of doubly-fed induction generator (DIFG), this paper, on the basis of traditional control strategy, analyzes the change process of fault stator excitation current and its effect on DIFG’s transient characteristics, establishes the DIFG control model including the dynamic process of stator excitation current. This paper compares the traditional control strategy with improved control strategy on the simulation platform of PSCAD/EMTDC. The results show that the improved control strategy can suppress the fluctuation of rotor-side current more effectively under grid voltage fault, and enhance uninterrupted operation capacity and transient stability. By simulation, the correctness and validity of the control strategy are proved.

doubly-fed induction generator; stator excitation current; PSCAD; control strategy; grid fault

10.7667/PSPC150894

2015-05-29；

2015-12-22

曹 娜(1971-)，女，通信作者，博士，副教授，研究方向為新能源發(fā)電技術；E-mail: caona_2006@163.com 黃 坤(1990-)，男，碩士研究生，研究方向為電力系統及其自動化；E-mail: huangkun_2009@126.com 于 群(1970-)，男，博士，副教授，研究方向為電力系統及其自動化。