基于滯環(huán)轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)器的DFIG直接功率控制

趙梅花，鄭 鵬，李廣倫，孫南海

(洛陽(yáng)理工學(xué)院 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，河南 洛陽(yáng)，471023)

基于滯環(huán)轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)器的DFIG直接功率控制

趙梅花，鄭 鵬，李廣倫，孫南海

(洛陽(yáng)理工學(xué)院 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，河南 洛陽(yáng)，471023)

文章提出一種滯環(huán)轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)器獲得轉(zhuǎn)子位置角，實(shí)現(xiàn)雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(DFIG)無(wú)速度傳感器條件下的矢量控制。通過調(diào)節(jié)實(shí)際轉(zhuǎn)子電流ir與估算轉(zhuǎn)子電流ir的相位偏差來(lái)估算轉(zhuǎn)子位置，不需要調(diào)節(jié)控制器參數(shù)，且觀測(cè)精度對(duì)電機(jī)參數(shù)的變化不敏感；將設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)器用于DPC控制策略，并用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提方案的正確性。

雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)；滯環(huán)轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)器；無(wú)速度傳感器；直接功率控制

無(wú)速度傳感器技術(shù)不需要安裝轉(zhuǎn)子位置傳感器，適合在惡劣環(huán)境下工作，可靠性高。該技術(shù)在雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)(Doubly-fed induction generator, DFIG)的控制中深受國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注[1]。

文獻(xiàn)[2]提出了用定子、轉(zhuǎn)子側(cè)勵(lì)磁電流估算轉(zhuǎn)子位置和速度的無(wú)速度傳感器控制方案。該方法適用于DFIG由定子、轉(zhuǎn)子雙邊勵(lì)磁的工作狀態(tài)。文獻(xiàn)[3]提出模型參考自適應(yīng)轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)器，采用PI調(diào)節(jié)器作為控制器，轉(zhuǎn)子位置估算精度受PI參數(shù)和電機(jī)參數(shù)影響，且文獻(xiàn)[3]在坐標(biāo)系下用定子磁鏈估算轉(zhuǎn)子電流，定子磁鏈的估算偏差將直接影響轉(zhuǎn)子電流的估算精度，進(jìn)而影響觀測(cè)器的觀測(cè)精度。

1 DFIG數(shù)學(xué)模型

DFIG在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下電壓和磁鏈?zhǔn)噶糠匠虨?/p>

(1)

(2)

式中，下標(biāo)“s”表示定子，“r”表示轉(zhuǎn)子;us,ur,is,ir,ψs,ψr分別為定子、轉(zhuǎn)子電壓、電流、及磁鏈?zhǔn)噶?；Lm,Ls,Lr分別為定、轉(zhuǎn)子同軸等效繞組間的互感、定子等效兩相繞組的自感和轉(zhuǎn)子等效兩相繞組的自感；ω1為電網(wǎng)電壓同步旋轉(zhuǎn)角頻率，ωs為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差角頻率。

將式(1)-(2)寫成d、q分量形式得

(3a)

(3b)

(4a)

(4b)

2 基于轉(zhuǎn)子電流的轉(zhuǎn)子位置估算原理

2.1 dq坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子電流估算模型

在dq坐標(biāo)系下，采用定子電壓矢量us定向時(shí)有

(5)

式中Us為定子電壓合成矢量us的幅值。

忽略式(3a)中定子磁鏈的動(dòng)態(tài)過程，即可認(rèn)為dψsd/dt=dψsq/dt=0。忽略Rs，將式(5)代入式(3a)得

(6)

將式(6)代入式(4a)得

(7)

(8)

式(8)中影響估算精度的主要因素是Ls/Lm。

2.2 轉(zhuǎn)子位置偏差函數(shù)εr的構(gòu)建

轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)器設(shè)計(jì)的核心是轉(zhuǎn)子位置偏差函數(shù)εr，依據(jù)εr調(diào)節(jié)θr。εr構(gòu)建方程式為

(9)

(10)

3 滯環(huán)轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)器

提出的HC轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 HC控制觀測(cè)器結(jié)構(gòu)Fig.1 Schematic of observer based on HC controller

控制器的滯環(huán)寬度設(shè)為H，其大小影響控制器的控制精度，滯環(huán)控制規(guī)律為：

(11)

4 基于HC觀測(cè)器的SVM-DPC策略

將提出的HC轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)器應(yīng)用于文獻(xiàn)[4]提出的SVM-DPC策略，得如圖2所示的基于HC檢測(cè)裝置的SVM-DPC策略。

圖2 基于HC觀測(cè)器的SVM-DPC策略框圖Fig.2 SVM-DPC based on HC observer

5 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

為驗(yàn)證本文所提控制策略的正確性，搭建了如圖3所示的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

圖3 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)Fig.3 The structure of DFIG wind power generation system

圖4 HC觀測(cè)器起動(dòng)時(shí)瞬態(tài)波形Fig.4 Transient response of HC detector at starting

穩(wěn)態(tài)波形

b)H=0時(shí)穩(wěn)態(tài)波形

c)H=2時(shí)穩(wěn)態(tài)波形圖5 H變化對(duì)觀測(cè)器精度的影響Fig.5 Position error produced by the variation H

圖6 穿越同步轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)運(yùn)行Fig.6 Rotor position and current dynamic operation across synchronous speed

改變DFIG的輸入轉(zhuǎn)矩，使DFIG轉(zhuǎn)速nr從1300r/min上升到1700r/min。圖6為DFIG從亞同步1300r/min到超同步1700r/min過度時(shí)運(yùn)行在同步轉(zhuǎn)速1500r/min附近時(shí)波形。圖6可看出，DFIG從亞同步到超同步運(yùn)行穿越同步轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)過程中，轉(zhuǎn)子電流很小，但觀測(cè)器仍能獲得準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子位置，驗(yàn)證了轉(zhuǎn)子電流的幅值不影響觀測(cè)器精度的理論分析。

穩(wěn)態(tài)波形

穩(wěn)態(tài)波形圖7 電機(jī)參數(shù)變化對(duì)估算精度的影響(K=Ls/Lm)Fig.7 Position error produced by the variation K

圖7驗(yàn)證電機(jī)參數(shù)(K=Ls/Lm)變化對(duì)觀測(cè)器精度的影響。實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)ΔK在[-35%K,+35%K]區(qū)間變化時(shí)對(duì)估算精度沒有明顯影響。驗(yàn)證了HC觀測(cè)器對(duì)電機(jī)參數(shù)變化不敏感的分析。

a)有功突變波形

b)無(wú)功突變波形

c)功率因數(shù)調(diào)節(jié)波形圖8 SVM-DPC功率響應(yīng)波形Fig.8 Step response to active and reactive power of SVM-DPC.

圖8為DFIG在轉(zhuǎn)速n=1000r/min，運(yùn)行于SVM-DPC直接功率控制模式下的有功和無(wú)功功率動(dòng)態(tài)響應(yīng)波形。當(dāng)有功和無(wú)功功率給定值發(fā)生突變時(shí)，其瞬時(shí)值均能快速跟隨給定值(圖8a、8b)，當(dāng)無(wú)功功率改變時(shí)，能實(shí)現(xiàn)定子功率因數(shù)的快速調(diào)節(jié)(圖8c)；由圖8還可看出：DFIG定子輸出功率突變的瞬間θr-error均為零，觀測(cè)器均能正常估算轉(zhuǎn)子位置。

6 結(jié)論

文章提出了基于HC的DFIG轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)器，并對(duì)其性能進(jìn)行了分析和討論。通過實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論：

1)HC檢測(cè)裝置能在DFIG允許運(yùn)行速度范圍內(nèi)的任何工況下穩(wěn)定工作；

2)HC檢測(cè)裝置的檢測(cè)精度對(duì)電機(jī)參數(shù)K=Ls/Lm的變化不敏感。

3)將檢測(cè)裝置應(yīng)用于SVM-DPC策略，能實(shí)現(xiàn)定子有功和無(wú)功功率的解耦控制及功率因數(shù)的任意調(diào)節(jié)，具有快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力和穩(wěn)態(tài)特性。

綜上所述，HC檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，能獲得和有速度傳感器同樣的控制性能。

[1]PENRA R.Sensorless control of doubly-fed induction generators using a rotor-current-based MRAS observer [J].IEEE Trans on Industrial Electronics ,2008 ,55(1):330-339.

[2]IWANSKI G,KOCZARA W.Sensorless stand-alone variable speed system for distributed generation [J].IEEE Power Electron.Spec.Conf.,2004,3:1915-1921.

[3]張鳳閣,金 石,張 武.基于無(wú)速度傳感器的無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2011,26(12),pp:20-25.

[4]趙梅花，阮毅，宋文祥，等.DFIG 的SVM-IPC與SVM-DPC比較[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào).2014(9):68-73.

Direct power control of doubly-fed induction generator based on hysteresis rotor position detector

ZHAO Meihua,ZHENG Peng,LI Guanglun,SUN Nanhai

(School of Electrical Engineering and Automation,Luoyang Institute of Science and Technology，Luoyang 471023,China)

A hysteresis rotor position detector was presented to obtain rotor position of doubly-fed induction generator(DFIG)in order to implement sensorless vector control on DFIG.The detector estimated rotor position and speed by adjusting the phase deviation between actual rotor current and estimated rotor current.It does not need parameter determination for the controllers and shows a considerable independence of motor parameters.The detector structure is relatively simple and easy to achieve.The observer is applied to the direct power control based on space vector modulation to verify feasibility.The experiment results show that the control strategy is feasible and efficient.

doubly-fed induction generator;hysteresis rotor position detector;speed sensorless；direct power control

1672-7010(2017)04-0044-06

2017-05-22

國(guó)家自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目(51407124);河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目(16A470012)

趙梅花(1966-),女，河南洛陽(yáng)人，副教授，博士，從事新型電力電子變換及新能源發(fā)電控制技術(shù)研究

TM46

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