基于雙饋發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)型微水電交流勵磁控制策略

葉陽建，肖蕙蕙，古 亮，丁 婭

(重慶理工大學(xué)電子信息與自動化學(xué)院，重慶 巴南 400054)

基于雙饋發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)型微水電交流勵磁控制策略

葉陽建，肖蕙蕙，古 亮，丁 婭

(重慶理工大學(xué)電子信息與自動化學(xué)院，重慶 巴南 400054)

微水電是新能源的重要組成部分，但其供電質(zhì)量較差，微水利用率低。為提高微水電電能質(zhì)量和微水資源利用率，在傳統(tǒng)微水發(fā)電系統(tǒng)的研究基礎(chǔ)上，采用雙饋發(fā)電機(jī)和雙脈寬調(diào)制(pulse width modulation，PWM)變換器，分析基于交流勵磁發(fā)電機(jī)和雙PWM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可并網(wǎng)微水電勵磁控制策略，可分為網(wǎng)側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)控制策略。網(wǎng)側(cè)變換器采用了定子電壓定向和前饋補(bǔ)償控制，實現(xiàn)了網(wǎng)側(cè)變換器直流環(huán)節(jié)電壓、電流雙閉環(huán)控制，有效控制了交流側(cè)輸入的有功功率；轉(zhuǎn)子側(cè)變換器采用了基于瞬時功率的開環(huán)控制，使其輸出電流與電壓保持同頻同相，實現(xiàn)微水電有功和無功功率的解耦及單位功率因數(shù)并網(wǎng)控制。仿真實驗結(jié)果表明，在亞同步轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)控制策略具有可行性和有效性。

微水電；雙脈寬調(diào)制(pulse width modulation，PWM)拓?fù)洌唤涣鲃畲虐l(fā)電機(jī)；并網(wǎng)

0 引言

微水電是微型水力發(fā)電的簡稱，是指利用微小水能資源發(fā)電的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特點是可以離網(wǎng)獨立運(yùn)行、無需變電、直接向用戶供電，或與地方農(nóng)網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行[1]。目前，開發(fā)和利用微水能的主要形式是離網(wǎng)微水電。相比之下，微水電并網(wǎng)運(yùn)行[2]或與光伏、風(fēng)電互補(bǔ)發(fā)電運(yùn)行等[3]，用于解決偏遠(yuǎn)地區(qū)缺電需求，受到的關(guān)注較少。能源問題日益嚴(yán)峻，微水能、風(fēng)能等可再生能源的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)展和延伸，微水電除了可離網(wǎng)發(fā)電，還可與其他能源組成互補(bǔ)系統(tǒng)，用于道路照明和通信電源，且小型的微水電并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)還可作為分布式電源和微電網(wǎng)的有機(jī)組成部分，可為中小型微水并網(wǎng)應(yīng)用作必要的補(bǔ)充[4]。

微水發(fā)電主要有三次諧波勵磁同步發(fā)電機(jī)、電容勵磁異步發(fā)電機(jī)和永磁同步發(fā)電機(jī)3種類型：其中三次諧波勵磁同步發(fā)電機(jī)和永磁同步發(fā)電機(jī)具有效率高和可靠性較好等優(yōu)點，但電壓調(diào)節(jié)性能較差，成本較高；電容勵磁異步發(fā)電機(jī)價格低，但其電容勵磁可靠性差，發(fā)電效率低；然而，雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(doubly fed induction generator，DFIG)可通過變換器給轉(zhuǎn)子繞組提供交流勵磁，實現(xiàn)發(fā)電機(jī)有功、無功功率和轉(zhuǎn)速的獨立調(diào)節(jié)，和電網(wǎng)構(gòu)成了 “柔性連接”。在微水輪機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)載變化情況下實現(xiàn)定子恒頻特性[5]，還可根據(jù)電網(wǎng)電壓、電流和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)勵磁電流，使其能滿足輸出有功和無功功率的要求[6]。

在雙饋微水電系統(tǒng)中，為提高能量轉(zhuǎn)換率和抗干擾能力，在發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)間引入脈寬調(diào)制(pulse width modulation，PWM)變換器，使得系統(tǒng)控制更加靈活。此外，還可通過中間直流緩沖電容實現(xiàn)雙PWM變換器兩側(cè)獨立控制，然后分別對兩側(cè)變換器采取相關(guān)控制策略，較好地實現(xiàn)對發(fā)電系統(tǒng)功率的控制，使系統(tǒng)的設(shè)計變得簡單且系統(tǒng)具有較好的魯棒性[7]。

本文在已有新能源并網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上[2-7]，采用基于雙饋電機(jī)采用雙PWM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，研究微水電并網(wǎng)勵磁控制策略，使微水發(fā)電系統(tǒng)的功率因數(shù)可調(diào)，網(wǎng)側(cè)變換器輸出直流電壓恒定且有良好的動態(tài)響應(yīng)能力，且在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，轉(zhuǎn)子交流勵磁正常工作，穩(wěn)定定子輸出電壓，從而實現(xiàn)有功和無功功率的解耦控制，提高微水利用率和電能質(zhì)量；通過建立仿真模型，驗證控制策略的正確性和有效性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及數(shù)學(xué)模型

1.1 雙饋發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

不論是網(wǎng)側(cè)還是轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制策略，其分析研究均以DFIG和相應(yīng)的變換器的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)。假設(shè)雙饋發(fā)電機(jī)定子電壓、電流正方向按發(fā)電機(jī)慣例，轉(zhuǎn)子電壓電流的正方向按電動機(jī)慣例時，同步旋轉(zhuǎn)d-q軸系下雙饋發(fā)電機(jī)的磁鏈和電壓方程為

(1)

(2)

(3)

式中：下標(biāo)s和r分別代表定子量和轉(zhuǎn)子量；u為電壓矢量；i為電流矢量；ψ為磁鏈；R為電阻；L為電感；Lm為定轉(zhuǎn)子之間的互感；D=d/dt為微分算子；ω1和ω2為電機(jī)同步角速度和轉(zhuǎn)差角速度，且滿足ω2=ω1-ωr，ωr為電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度；J為轉(zhuǎn)動慣量；np為電機(jī)極對數(shù)；Tem、TL分別為電磁轉(zhuǎn)矩和微水輪機(jī)提供的機(jī)械轉(zhuǎn)矩。

1.2 系統(tǒng)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

基于雙饋發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)型微水電系統(tǒng)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，Lg為濾波電感；C為直流母線電容；Cg為濾波電容。當(dāng)用戶負(fù)載變化時，發(fā)電機(jī)輸出功率與負(fù)載需求功率的差額功率通過微型水力控制電路回饋給電網(wǎng)，從而保證發(fā)電機(jī)輸出穩(wěn)定。虛線部分為變壓器，防止定子輸出電壓對電網(wǎng)產(chǎn)生較大的擾動；若輸出電壓滿足并網(wǎng)要求，也可省略。為避免控制回路給發(fā)電機(jī)輸出增加諧波，微水電系統(tǒng)控制電路采用雙PWM變換器控制，如圖1、2所示，通過中間緩沖電容，可實現(xiàn)穩(wěn)壓和交-直-交變換器解耦控制。

圖1 基于雙饋發(fā)電機(jī)的微水發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of micro hydropower generation system based on DFIG

圖2 雙PWM變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Topology of dual PWM converter

由圖1可知，該系統(tǒng)的PWM變換器由2部分組成，即轉(zhuǎn)子側(cè)變換器和網(wǎng)側(cè)變換器，這2部分彼此獨立控制、結(jié)構(gòu)完全對稱，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖3 網(wǎng)側(cè)PWM變換器的控制系統(tǒng)框圖Fig.3 Control system block diagram of grid-side PWM converter

由圖2分析推導(dǎo)可知，PWM變換器在同步旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為

(4)

式中：igd、igq分別為網(wǎng)側(cè)PWM變換器交流側(cè)電流d、q軸分量；usd、usq分別為電網(wǎng)電壓在d軸和q軸的分量；Ud=Sdudc和Uq=Squdc分別為網(wǎng)側(cè)變換器交流端電壓d軸和q軸的分量；Sd和Sq為PWM變換器的開關(guān)函數(shù)d、q軸的分量。為實現(xiàn)對d、q軸電流的有效控制，必須設(shè)計能解耦d、q軸電流和消除電網(wǎng)電壓擾動的控制策略。

2 控制策略

與常規(guī)異步電機(jī)運(yùn)行控制相似，早期DFIG以矢量控制(vector control，VC)[8]為主，后來逐漸發(fā)展到直接轉(zhuǎn)矩控制(direct torque control，DTC)[9]、直接功率控制(direct power control，DPC)[10]、多標(biāo)量控制、非線性控制等。DFIG是一個高階、多變量、非線性、強(qiáng)耦合的時變系統(tǒng)，而VC控制是交流電機(jī)實現(xiàn)解耦控制的關(guān)鍵。為實現(xiàn)解耦控制，基于雙PWM拓?fù)?，將勵磁系統(tǒng)控制策略分解成轉(zhuǎn)子側(cè)和定子側(cè)變換器控制策略進(jìn)行分析。

2.1 網(wǎng)側(cè)PWM變換器控制策略

網(wǎng)側(cè)變換器主要是用于控制直流母線電壓的穩(wěn)定和獲得良好的交流輸入性能，并不直接參與對DFIG的控制，因而輸入電流的有效控制是網(wǎng)側(cè)變換器控制的關(guān)鍵。

由于電網(wǎng)電壓恒定，對交流側(cè)有功功率的控制實際上就是對輸入電流有功分量的控制；輸入功率因數(shù)的控制實際上就是對輸入電流的無功分量的控制；而交流側(cè)輸入電流的正弦與否，主要與電流控制的有效性和調(diào)制方式有關(guān)。由此可知，網(wǎng)側(cè)PWM變換器的控制系統(tǒng)分為電壓外環(huán)控制和電流內(nèi)環(huán)控制2個環(huán)節(jié)。

在雙閉環(huán)控制中，為簡化控制算法，采用電網(wǎng)電壓定向矢量控制，將同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸定向在電網(wǎng)電壓矢量us方向上，則定子電壓d、q軸分量為

(5)

式(4)可重寫為

(6)

因此，為獲得恒定的直流電壓，將直流電壓設(shè)為控制外環(huán)，而定子側(cè)變換器兩端的電壓受交流側(cè)電流影響，所以將交流側(cè)電流作為控制內(nèi)環(huán)；采用PI控制器消除式(6)中的1階微分環(huán)節(jié)，同時，釆用前饋控制來消除耦合項，網(wǎng)側(cè)PWM變換器控制系統(tǒng)如圖3所示。

2.2 轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變換器控制策略

基于雙饋發(fā)電機(jī)的微水發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)控制主要是DFIG的功率控制，這是通過轉(zhuǎn)子側(cè)變換器來實現(xiàn)的。由于直流環(huán)節(jié)的解耦作用，雙PWM勵磁變換器功能相互獨立，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器則是用以實現(xiàn)整個微水發(fā)電系統(tǒng)的控制，其控制策略的有效性將直接影響微水電系統(tǒng)的運(yùn)行性能。定子磁鏈定向矢量控制中需要對定子磁鏈進(jìn)行觀測，在一定程度上增加了控制的復(fù)雜性。

在忽略定子電阻的情況下，在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，定子電壓與定子磁鏈?zhǔn)噶恐g有如下近似關(guān)系：

(7)

當(dāng)電網(wǎng)電壓矢量定向d軸時，式(7)可進(jìn)一步整理為

(8)

(9)

在電網(wǎng)電壓即定子電壓定向條件下，定子輸出有功、無功功率與轉(zhuǎn)子d、q軸電流之間的關(guān)系為

(10)

為簡化控制結(jié)構(gòu)和控制策略，基于瞬時功率相

關(guān)原理，電網(wǎng)瞬時有功功率P1和無功功率Q1分別為

(11)

為得到轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)子側(cè)變換器三相電壓，采用PI控制。

(12)

式中：下標(biāo)pu表示標(biāo)么值；ref_pu表示參考值下的標(biāo)么值。綜上，設(shè)計圖4所示轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制結(jié)構(gòu)。

為驅(qū)動空間矢量脈寬調(diào)制(space vector PWM，SVPWM)模塊，需產(chǎn)生電壓信號，其相關(guān)控制如圖5所示。

3 仿真實驗分析

基于Matlab/Simulink搭建雙饋發(fā)電機(jī)微水電并網(wǎng)仿真平臺，仿真參數(shù)如下：Rs=0.023 Ω；Rr=0.016 Ω；Lr=0.16 H；Ls=0.18 H；Lm=2.9 H；雙饋電機(jī)額定功率為15 kW，微水輪機(jī)出力穩(wěn)定時，三相電網(wǎng)電壓有效值為575 V；給定的直流母線電壓為

圖4 轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制框圖Fig.4 Control block diagram of rotor-side converter

圖5 轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的電壓控制圖Fig.5 Voltage control diagram of rotor-side converter

800 V；中間直流緩沖電容1 000 μF；電機(jī)定子與負(fù)載公共連接點的濾波電容Cg為10 μF；網(wǎng)側(cè)變換器輸入端濾波電感為0.2 mH；雙饋發(fā)電機(jī)的極對數(shù)為6。

當(dāng)雙饋發(fā)電機(jī)工作在亞同步轉(zhuǎn)速時，給定P_ref=1.0 pu，Q_ref=0，得到定子輸出的有功、無功功率，轉(zhuǎn)子三相電壓和直流母線電壓波形如圖6所示。

圖6 DFIG亞同步運(yùn)行狀態(tài)下的波形Fig.6 Waveform of DFIG under sub-synchronous operation state

當(dāng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行在亞同步狀態(tài)時，圖6(a)驗證了采用按定子電壓定向矢量控制策略后，P、Q基于瞬時功率控制，達(dá)到了很好的解耦效果；由圖6(b)可知，中間直流母線電壓基本恒定，從而實現(xiàn)了轉(zhuǎn)子側(cè)和網(wǎng)側(cè)變換器的解耦控制，實現(xiàn)了電網(wǎng)電壓定向條件下的交流側(cè)輸入功率的平衡控制；圖6(c)中，定子輸出電壓和電流同相，實現(xiàn)了單位功率因數(shù)控制；圖6(d)表明了基于瞬時功率控制下的DFIG亞同步中轉(zhuǎn)子三相勵磁電壓波形為正弦波，且變換器輸出電壓和電流頻率、相位相同。

當(dāng)雙饋發(fā)電機(jī)工作在超同步轉(zhuǎn)速時，波形如圖7所示。

圖7 DFIG超同步運(yùn)行下的波形Fig.7 Waveform of DFIG under super-synchronous operation

圖7(b)表明了由于直流環(huán)節(jié)的解耦作用，使得雙PWM勵磁變換器功能相互獨立，即使在超同步作用下，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的瞬時功率控制策略對網(wǎng)側(cè)變換器的直流電壓控制影響也不大；相反，圖7(a)表明在超同步狀態(tài)下，基于雙饋發(fā)電機(jī)的微水電系統(tǒng)輸出的有功和無功功率仍存在耦合，且系統(tǒng)不再工作在單位功率因數(shù)，即發(fā)電機(jī)輸出電壓和電流、三相轉(zhuǎn)子電壓等控制效果不理想。

上述問題的出現(xiàn)有以下幾個原因：首先，基于瞬時功率控制的轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制策略，受電網(wǎng)電壓不平衡的影響很大，不平衡因素來源很多，如轉(zhuǎn)子勵磁控制力度不夠、瞬時功率過大等；其次，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制是開環(huán)控制，且無法做到完全解耦，最后使得系統(tǒng)不能正常運(yùn)行。

4 結(jié)論

本文針對微水電中的微水利用率和微水電輸出電能質(zhì)量較低的問題，建立了雙饋發(fā)電機(jī)和雙PWM變換器數(shù)學(xué)模型；分別對網(wǎng)側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變換器進(jìn)行控制；采用了電網(wǎng)電壓定向控制和瞬時功率控制方法，結(jié)合前饋補(bǔ)償和PI控制，有效地實現(xiàn)了網(wǎng)側(cè)變換器交流側(cè)輸入有功功率的控制、基于亞同步轉(zhuǎn)速下的雙饋發(fā)電機(jī)定子輸出有功和無功功率的解耦控制，以及網(wǎng)側(cè)變換器單位功率因數(shù)控制。雖然在超同步轉(zhuǎn)速下仍有網(wǎng)側(cè)變換器輸出直流電壓恒定且有良好的動態(tài)響應(yīng)能力；但由于轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制為開環(huán)控制，功率控制無法完全解耦，存在一定的局限性，需要進(jìn)一步地改進(jìn)轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的控制策略，為雙饋發(fā)電機(jī)交流勵磁控制在并網(wǎng)型微水電系統(tǒng)中的推廣奠定基礎(chǔ)。

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葉陽建

(編輯 谷子)

AC Excitation Control Strategy for Grid-Connected Micro Hydropower Based on Doubly-Fed Generator

YE Yangjian, XIAO Huihui, GU Liang, DING Ya

(College of Electronic Information and Automation, Chongqing University of Technology, Banan District, Chongqing 400054, China)

Though the power supply quality of micro hydropower is poor and the utilization of micro water is low, micro hydropower is also an important part of the new energy resources. In order to improve the power quality of micro hydropower and the utilization of the micro water, on the basis of the research of traditional micro hydropower generation system, this paper adopts the doubly-fed generator and the dual pulse width modulation (PWM) converter, and analyzes the excitation control strategy for grid-connected micro hydropower based on the AC excitation generator and double PWM topology, which can be divided into grid-side control strategy and rotor-side control strategy. When it comes to the grid-side converter, it employs the stator voltage oriented and feed-forward compensation control, achieving double closed loop control of DC link voltage and current of the grid-side converter, as well as effectively regulating the AC-side input active power of the grid-side converter in the end. On the other hand, as to the rotor-side converter, it adopts open-loop control based on the instantaneous power, making the output current and voltage of the rotor-side converter keep the same frequency and phase, and realizing the active and reactive power decoupling control and the grid-connected control of the unit power factor of the micro hydropower as well. The results of simulation experiment show the feasibility and effectiveness of the control strategy in the range of sub-synchronous speed.

micro hydropower; double pulse width modulation (PWM) topology; AC excitation generator; grid-connected

TK 71

A

2096-2185(2017)02-0062-06

10.16513/j.cnki.10-1427/tk.2017.02.010

重慶市教育委員會科學(xué)技術(shù)研究項目(KJ1400914)；重慶市基礎(chǔ)與前沿研究計劃項目(cstc2013jcyjA90019)

2017-02-05

葉陽建(1989—)，男，碩士研究生，主要從事電氣設(shè)備測試與控制研究，cqutmaitin@163.com；

肖蕙蕙(1964—)，女，教授，主要從事自動控制理論及應(yīng)用研究；

古 亮(1976—)，男，副教授，主要從事高電壓絕緣新技術(shù)理論和應(yīng)用及新能源技術(shù)研究；

丁 婭(1990—)，女，碩士研究生，主要從事風(fēng)力發(fā)電控制方面的研究。