雙饋感應(yīng)電機(jī)的兩種直接功率控制策略的對(duì)比仿真

賀惟明， 李 嵐， 李 濱

(太原理工大學(xué) 電氣與動(dòng)力工程學(xué)院， 山西 太原 030024)

雙饋感應(yīng)電機(jī)的兩種直接功率控制策略的對(duì)比仿真

賀惟明， 李 嵐， 李 濱

(太原理工大學(xué) 電氣與動(dòng)力工程學(xué)院， 山西 太原 030024)

為比較雙饋感應(yīng)電機(jī)(DFIG)基于空間矢量調(diào)制(SVM)的直接功率控制(DPC)策略和基于SVM的預(yù)測(cè)直接功率控制(P-DPC)策略的性能特點(diǎn)，提出兩種直接功率控制策略。針對(duì)轉(zhuǎn)子側(cè)變換器，建立DFIG的系統(tǒng)模型，依次給出了SVM DPC策略和SVM P-DPC策略的設(shè)計(jì)過(guò)程，并利用Simulink搭建各自的仿真模型進(jìn)行仿真對(duì)比。仿真結(jié)果表明，兩種直接功率控制策略都能保證定子輸出功率的穩(wěn)定解耦控制。相同條件下，SVM P-DPC策略的設(shè)計(jì)過(guò)程復(fù)雜，但定子輸出功率的超調(diào)小，且動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快。

雙饋感應(yīng)電機(jī)； 轉(zhuǎn)子側(cè)變換器； 直接功率控制； 仿真

0 引 言

采用雙饋感應(yīng)電機(jī)(Doubly-Fed Induction Generator, DFIG)直接功率控制(Direct Power Control, DPC)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)因其所需變換器的容量較小，且魯棒性好，能較快響應(yīng)追蹤風(fēng)力機(jī)輸出功率等特點(diǎn)，近年來(lái)受到了越來(lái)越多的學(xué)者關(guān)注[1-3]。在對(duì)DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)變換器DPC策略[4-14]的研究中，目前應(yīng)用較多的是通過(guò)標(biāo)志電壓矢量的空間位置，推導(dǎo)出不同扇區(qū)各個(gè)電壓矢量分別對(duì)有功功率和無(wú)功功率的作用效果，形成開(kāi)關(guān)表DPC，即LUT-DPC策略。LUT-DPC策略制定開(kāi)關(guān)表的過(guò)程復(fù)雜，并且存在開(kāi)關(guān)頻率不穩(wěn)定等問(wèn)題。

本文在對(duì)DFIG數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)轉(zhuǎn)子側(cè)變換器，首先給出了基于空間矢量調(diào)制(Space Vector Modulation, SVM)的SVM DPC策略。該控制策略省去了傳統(tǒng)矢量控制的電流內(nèi)環(huán)，避免LUT DPC查詢開(kāi)關(guān)表帶來(lái)的頻率不穩(wěn)定等問(wèn)題，具有穩(wěn)定的輸出性能。

預(yù)測(cè)直接功率控制(Predictive Direct Power Control, P-DPC)策略能夠?qū)崿F(xiàn)開(kāi)關(guān)頻率恒定，有穩(wěn)定的輸出性能，但算法復(fù)雜、計(jì)算量繁瑣。本文通過(guò)將SVM與P-DPC結(jié)合，提出通過(guò)預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)采樣功率的變化，并計(jì)算出消除功率偏差所需的轉(zhuǎn)子側(cè)電壓的SVM P-DPC策略。該策略簡(jiǎn)化了P-DPC的繁瑣計(jì)算，并且輸出功率的諧波分量小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。

在Simulink仿真平臺(tái)搭建各自控制系統(tǒng)的仿真模型，通過(guò)仿真結(jié)果對(duì)SVM DPC和SVM P-DPC策略進(jìn)行對(duì)比研究[15-22]，為DPC策略進(jìn)一步的研究和應(yīng)用提供有效參考。

1 同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下的DFIG數(shù)學(xué)模型

DFIG的定子和轉(zhuǎn)子模型均以電動(dòng)機(jī)的模型形式給出，在同步轉(zhuǎn)速ω1下，其磁鏈方程式為

(1)

其中：

ψs=ψsd+jψsq

ψr=ψrd+jψrq

Is=isd+jisq

Ir=ird+jirq

式中：ψsd、ψsq,ψrd、ψrq——定、轉(zhuǎn)子磁鏈的dq軸分量；

isd、isq,ird、irq——定、轉(zhuǎn)子電流的dq軸分量。

同時(shí)，電壓方程為

(2)

其中：

ωs=ω1-ωr

Us=usd+jusq

Ur=urd+jurq

式中：ωs——轉(zhuǎn)差角速度；usd、usq,urd、urq——定、轉(zhuǎn)子電壓的dq軸分量；

p——微分算子。

DFIG定子輸出的瞬時(shí)功率為

(3)

其中，由于DFIG的定、轉(zhuǎn)子均為電動(dòng)機(jī)模型，故按電網(wǎng)輸入來(lái)定義DFIG的定子瞬時(shí)輸出有功Ps和無(wú)功功率Qs時(shí)，有功和無(wú)功功率應(yīng)為負(fù)值，因此需要在瞬時(shí)功率的計(jì)算中加上負(fù)號(hào)。

2 轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的SVM DPC策略

SVM DPC策略是SVM與DPC策略的結(jié)合，即該策略將功率作為直接控制量對(duì)定子的輸出功率進(jìn)行獨(dú)立調(diào)節(jié)，并采用SVPWM模塊進(jìn)行變換控制。令電網(wǎng)電壓定向dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸，在電網(wǎng)穩(wěn)定且忽略定子電阻影響的條件下，由式(2)可知：

Us=jω1ψs=Usd=-ω1ψsq=Us

(4)

將式(4)代入式(3)得到有功和無(wú)功功率的瞬時(shí)功率表達(dá)式：

(5)

其中：

(6)

將式(5)的等號(hào)兩邊進(jìn)行微分運(yùn)算和變換處理后代入式(2)，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的電壓參考值為

(7)

式(7)相當(dāng)于利用一個(gè)比例控制器P對(duì)轉(zhuǎn)子側(cè)電壓進(jìn)行控制，在此基礎(chǔ)上引入比例積分PI控制器，能夠更好地實(shí)現(xiàn)定子側(cè)輸出功率的無(wú)靜差調(diào)節(jié)。故將式(7)做如下變換，得到最終的轉(zhuǎn)子電壓參考值：

(8)

式中：Κpp、Κpq、Κip、Κiq——轉(zhuǎn)子電壓dq分量參考值的PI控制器的比例和積分系數(shù)。

最終，根據(jù)式(4)及式(8)可得到基于SVM DPC的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，如圖1所示。

圖1 SVM DPC的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

定子輸出功率可按式(9)計(jì)算：

(9)

圖1中，有功功率參考值P*是通過(guò)風(fēng)力機(jī)模型捕獲的輸出有功功率，無(wú)功功率參考值Q*一般按照電網(wǎng)無(wú)功需求直接給定為0。功率偏差經(jīng)過(guò)式(8)的作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)子側(cè)電壓參考值，再經(jīng)變換和SVPWM的調(diào)制形成控制轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的開(kāi)關(guān)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)最終的DPC獨(dú)立追蹤調(diào)節(jié)。

3 轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的SVM P-DPC策略

在SVM P-DPC策略中，假設(shè)第K次采樣的功率偏差為

(10)

為使下一個(gè)采樣(第K+1次采樣)周期中的功率偏差為0，則：

(11)

式中：Ps(k)、Qs(k)——第K次采樣功率值；

Ps(k+1)、Qs(k+1)——第K+1次采樣功率值；

故在下一個(gè)采樣周期中，功率的變化量為

(12)

(13)

將式(13)代入式(12)，得到

(14)

Ps(k)err、Qs(k)err——追蹤的功率偏差。

與SVM DPC策略相似，令電網(wǎng)電壓定向dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸，并對(duì)式(6)微分變換得到：

(15)

再將式(15)離散化作用和相應(yīng)的變換處理，可以得到功率變化的預(yù)測(cè)模型：

(16)

(17)

得到基于SVM P-DPC策略的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，如圖2所示。

圖2 SVM P-DPC的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

預(yù)測(cè)算法計(jì)算產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子電壓參考值，經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換及SVPWM后形成轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的開(kāi)關(guān)控制信號(hào)，達(dá)到控制轉(zhuǎn)子側(cè)電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)功率獨(dú)立追蹤調(diào)節(jié)的目的。

4 仿真結(jié)果及分析

在Simulink平臺(tái)分別搭建控制系統(tǒng)的仿真模型，對(duì)提出的雙饋電機(jī)SVM-DPC和SVM P-DPC策略進(jìn)行對(duì)比仿真。其中，DFIG的仿真參數(shù)如下： 額定功率2.2kW，定子額定電壓380V/50Hz，極對(duì)數(shù)2，直流側(cè)電壓210V，采樣周期 10μs；風(fēng)力機(jī)仿真參數(shù)如下： 風(fēng)輪半徑1.5m，空氣密度1.225kg/m3，最佳葉尖速比8，最大風(fēng)能利用系數(shù)0.4798，額定功率2.4kW。

仿真過(guò)程中，為使DFIG兩種控制策略的對(duì)比效果更加明顯，將風(fēng)力機(jī)的實(shí)際風(fēng)速v以階躍形式給出，共持續(xù)5s時(shí)間，如圖3所示。起始風(fēng)速為8m/s，持續(xù)到3s時(shí)風(fēng)速產(chǎn)生階躍變化為 6m/s 的仿真結(jié)束。在對(duì)應(yīng)的風(fēng)速下，風(fēng)力機(jī)捕獲的風(fēng)能，即給定的有功功率值分別在1300W和730W(1300W→730W)附近，而給定的無(wú)功功率值按電網(wǎng)要求為0。

圖3 實(shí)際風(fēng)速

仿真結(jié)果的波形如圖4所示。其中，圖4(a)為SVM DPC和SVM P-DPC策略DFIG定子輸出的有功功率，圖4(b)為SVM DPC和SVM P-DPC策略DFIG定子輸出的無(wú)功功率。

圖4 仿真波形圖

由圖4可以看出，兩種DPC策略穩(wěn)態(tài)時(shí)DFIG定子輸出的有功和無(wú)功功率均能夠保持基本恒定，且較好地追蹤風(fēng)力機(jī)的輸出功率，但基于SVM DPC比基于SVM P-DPC策略的功率波動(dòng)大。同時(shí)，當(dāng)定子輸出功率發(fā)生突變時(shí)，基于SVM P-DPC策略下的DFIG能夠快速達(dá)到穩(wěn)態(tài)，響應(yīng)速度比SVM DPC快。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)變換器，提出了基于SVM DPC和SVM P-DPC兩種控制策略對(duì)定子輸出功率的獨(dú)立控制，均實(shí)現(xiàn)了DFIG定子側(cè)輸出功率對(duì)風(fēng)力機(jī)捕獲風(fēng)能的追蹤。兩種控制策略均有各自的優(yōu)劣勢(shì)，通過(guò)對(duì)比仿真結(jié)果得出結(jié)論：

(1) SVM DPC和SVM P-DPC兩種控制策略都能對(duì)定子輸出功率進(jìn)行獨(dú)立控制，輸出保持基本恒定，具有較好的穩(wěn)態(tài)性。

(2) SVM DPC控制簡(jiǎn)單，但控制效果受PI參數(shù)的制約，定子輸出功率具有較大的波動(dòng)。

(3) SVM P-DPC功率諧波分量小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，穩(wěn)態(tài)性能好，但控制過(guò)程相對(duì)復(fù)雜。

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[主要欄目]

·綜述 ·研究與設(shè)計(jì) ·變頻與調(diào)速 ·控制與應(yīng)用技術(shù)

·應(yīng)用 ·運(yùn)行與保護(hù) ·新產(chǎn)品介紹 ·新能源與風(fēng)力發(fā)電

·電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能 ·測(cè)試技術(shù)與檢測(cè)設(shè)備 ·行業(yè)信息

引領(lǐng)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 報(bào)道經(jīng)典實(shí)用案例 反映行業(yè)最新動(dòng)態(tài)

Comparison and Simulation of Two Direct Power Control Strategies of Doubly-Fed Induction Generator

HEWeiming,LILan,LIBin

(College of Electrical and Power Engineering， Taiyuan University of Technoloy， Taiyuan 030024， China)

To compare the performances and characteristics of the director power control(DPC) strategies which were based on the space vector modulation(SVM)and the prediction of space vector modulation(SVM P-DPC), two control strategies were proposed.For the rotor side converter, established the system model of doubly-fed induction generator,and gave the design process of SVM DPC strategy and SVM P-DPC strategy in turn,and then, simulation models were built by using Simulink. The simulation results of the Simulink showed that, two kinds of direct power control strategy could ensure the decoupling control of the output power of the stator stably. Under the same conditions, the design process of the P-DPC SVM strategy was complex, while the overshoot of the output power was smaller, and the dynamic response speed was more quickly.

doubly-fed induction generator(DFIG); rotor side converter; director power control(DPC); simulation

賀惟明(1990—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)樾履茉达L(fēng)力發(fā)電技術(shù)。

TM 346

A

1673-6540(2017)02- 0008- 05

2016-06-29