雙饋異步電機低電壓穿越控制方法的研究

李 明，劉國榮，楊小亮

(1.湖南工程學院 電氣信息學院，湘潭 411104；2.湖南大學 電氣信息學院，長沙 410012)

雙饋異步電機低電壓穿越控制方法的研究

李 明1，劉國榮1，楊小亮2

(1.湖南工程學院 電氣信息學院，湘潭 411104；2.湖南大學 電氣信息學院，長沙 410012)

針對電網(wǎng)電壓跌落時矢量控制方法魯棒性差、沖擊電流大等問題，提出一種將矢量控制與多階滯環(huán)控制相結(jié)合的新控制方法。電網(wǎng)故障時滯環(huán)控制響應快，轉(zhuǎn)子沖擊電流限制在1.5 pu內(nèi)，保護了雙饋電機轉(zhuǎn)子側(cè)變流器；無故障期間，矢量控制定轉(zhuǎn)子電流諧波含量少，電能質(zhì)量符合要求。仿真結(jié)果表明，低電壓穿越控制新方法魯棒性好、響應快、電流諧波含量少，提高了低電壓穿越的能力。

低電壓穿越；雙饋異步電機；矢量+滯環(huán)控制

0 引言

國內(nèi)外對提高雙饋異步電機的低電壓穿越能力做了很多研究[1-4]，文獻[1-2]主要從改進的控制策略方面進行研究.矢量控制(Vector Contor，VC)[3-4]是最早運用在實踐中并取得理想效果的控制方法，該方法在電網(wǎng)正常運行時有很好的控制效果，包括恒定的開關頻率，較小的跟蹤誤差.但在電網(wǎng)電壓跌落時尤其是不對稱跌落時，傳統(tǒng)PID只能對直流量實現(xiàn)無靜差跟蹤，對交流量的跟蹤易出現(xiàn)輸出飽和而使控制器處于失控狀態(tài)，暫態(tài)過程中定子有功功率、無功功率以及電磁轉(zhuǎn)矩會出現(xiàn)二倍頻分量，對風機造成大的機械損害，同時電網(wǎng)可能因此產(chǎn)生震蕩甚至解裂.因此在低電壓穿越問題上通常使用改進的矢量控制方法[5].考慮到雙饋異步風力發(fā)電系統(tǒng)是一個高階的多輸入多輸出非線性系統(tǒng)，有文獻提出了直接功率控制(Direct Torque Contor，DTC)[6-7]和直接轉(zhuǎn)矩控制(Direct Power Contor，DPC)[8-9]，這兩種方法是較早應用在交流電機傳動控制方面的控制技術(shù).和矢量控制方法相比省去了復雜的坐標變換，直接對輸出量進行控制.電網(wǎng)電壓跌落時，瞬間的沖擊電流會對電機和轉(zhuǎn)子側(cè)變流器造成損害，為了減小沖擊電流，滯環(huán)電流控制方法在雙饋風電系統(tǒng)低電壓穿越問題中得到應用.滯環(huán)電流控制方法具有內(nèi)在的限流能力、響應快、魯棒性好等優(yōu)點，但這種直接選擇開關矢量的控制方法最大缺點是變流器的開關頻率不固定，導致穩(wěn)態(tài)運行時的功率波動大，且定轉(zhuǎn)子電流中諧波含量高.

針對這些缺點，本文從控制策略上進行研究，將矢量控制在穩(wěn)態(tài)運行控制中的優(yōu)勢與滯環(huán)電流控制方法在故障瞬間的快速響應等優(yōu)勢相結(jié)合，引入切換模式，即在風電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時用矢量控制方法，當電網(wǎng)電壓跌落時，檢測轉(zhuǎn)子故障電流增大到一定值時切換到滯環(huán)電流控制策略，迅速響應，將故障電流限制在一定范圍內(nèi)，從而避免機組受到損害、電網(wǎng)受到?jīng)_擊.當電網(wǎng)故障恢復時，檢測到故障電流減小到正常值，將控制策略再切換到矢量控制模式，保證變流器產(chǎn)生的電流諧波含量少，減少電磁濾波器(EMI)的設計難度.

1 雙饋風電系統(tǒng)

雙饋風力發(fā)電機并網(wǎng)運行時定子直接與電網(wǎng)相連，轉(zhuǎn)子通過雙向變流器與電網(wǎng)相連，如圖1所示.由于雙饋電機這種特殊的結(jié)構(gòu)，導致它對電網(wǎng)故障特別敏感.

圖1 雙饋異步電機并網(wǎng)結(jié)構(gòu)

這種敏感體現(xiàn)在以下兩個方面：(1)由于雙饋異步電機靠轉(zhuǎn)子側(cè)變流器給轉(zhuǎn)子勵磁，該變頻器只需提供轉(zhuǎn)差功率，相對于永磁直驅(qū)式的全功率變流器減小了工業(yè)成本，但同時由于容量的限制，電網(wǎng)故障時轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器不足以提供相應的補償電流來抵消故障電流；(2)雙饋電機定子側(cè)轉(zhuǎn)子側(cè)都直接或間接與電網(wǎng)相連，進行功率的交換，導致電網(wǎng)故障時對定轉(zhuǎn)子側(cè)都有一定的影響.因此雙饋異步電機低電壓穿越控制策略的研究是國內(nèi)外近年來研究的熱點[10].

雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)不同于永磁直驅(qū)風電系統(tǒng)，不僅可以通過定子向電網(wǎng)饋電，還可以通過轉(zhuǎn)子與電網(wǎng)進行能量交換.雙饋電機與電網(wǎng)之間能量的流動和雙饋電機的轉(zhuǎn)速有關.當電機轉(zhuǎn)速小于同步轉(zhuǎn)速時，電機轉(zhuǎn)子從電網(wǎng)吸收電能，定子向電網(wǎng)輸送電能；當電機轉(zhuǎn)速大于同步轉(zhuǎn)速時，電機轉(zhuǎn)子向電網(wǎng)輸送電能，定子向電網(wǎng)輸送電能；當電機轉(zhuǎn)速等于同步轉(zhuǎn)速時，電機轉(zhuǎn)子與電網(wǎng)之間無能量的交換，定子向電網(wǎng)輸送電能.為了保證雙饋電機變速恒頻運行，轉(zhuǎn)子勵磁電流的頻率與電機轉(zhuǎn)速對應的頻率之和等于同步轉(zhuǎn)速.雙饋風電系統(tǒng)的控制部分分為機側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器.網(wǎng)側(cè)變流器的作用主要是維持直流母線電壓恒定，保持網(wǎng)側(cè)變流器與電網(wǎng)之間的電流為對稱正弦波，以及網(wǎng)側(cè)變流器按指定的功率因素運行.機側(cè)變流器的作用主要是實現(xiàn)雙饋電機的變速恒頻運行以及控制電機定子的發(fā)出功率.當電網(wǎng)電壓跌落時通過采取一定的措施，對機側(cè)網(wǎng)側(cè)變流器進行控制，減小沖擊電流對電機和變流器的損壞.

2 矢量+滯環(huán)控制方案

矢量+滯環(huán)控制方案結(jié)合矢量控制與多階滯環(huán)電流控制的優(yōu)勢，在正常運行狀態(tài)時選擇矢量控制方法，當故障檢測器檢測到故障發(fā)生，立即切換為多階滯環(huán)電流控制方法，當故障檢測器檢測到電網(wǎng)電壓故障恢復時再切換回矢量控制方法.矢量+滯環(huán)控制方案既保證了電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運行時雙饋異步電機定子側(cè)良好的電能質(zhì)量，又能在電網(wǎng)故障瞬間有迅速的暫態(tài)響應使電機不失控.圖2為矢量+滯環(huán)控制方案結(jié)構(gòu)圖，圖中電網(wǎng)檢測故障模塊可以檢測電網(wǎng)電壓跌落，也可以檢測轉(zhuǎn)子電流大小.本文故障檢測模塊與切換機制結(jié)合，采用檢測轉(zhuǎn)子故障電流的方法，當故障電流達到1.5倍標幺值時切換機制將開關S與S2接通采用多階滯環(huán)電流控制方法，當故障電流小于標幺值時切換機制將開關S與S1接通，采用矢量控制方法.

圖2 矢量+滯環(huán)控制方案結(jié)構(gòu)圖

3 仿真分析

本文仿真所用雙饋異步電機為繞線式.參數(shù)如下：額定功率11 kW，定子額定電壓(線)轉(zhuǎn)子漏感Llr=0.002 H，互感Lm=0.0315 H，轉(zhuǎn)子電阻Rr=0.6 Ω，定子電阻Rs=0.4 Ω，極對數(shù)N=3.該仿真中基準值如下：定子電壓UsN=220 V，轉(zhuǎn)子電流IrN=28.6 A，定子電流IsN=15.15 A，有功功率PN=10 kW，無功功率QN=1 kW.

圖3為矢量控制方法在電網(wǎng)電壓對稱跌落時的各指標情況,圖4為多階滯環(huán)電流控制方法在電網(wǎng)電壓對稱跌落時的各指標情況，圖5為矢量控制方法與多階滯環(huán)電流控制方法相結(jié)合的提高低電壓穿越能力的新控制策略在電網(wǎng)電壓對稱跌落時的各指標情況.

圖3 矢量控制方法在電網(wǎng)電壓對稱跌落時的各指標情況

圖3(a)為電網(wǎng)發(fā)生對稱電壓跌落時雙饋異步電機的定子電壓，可以看出電網(wǎng)在t=0.4 s時，三相電壓對稱跌落20%，故障時間從0.4 s持續(xù)了625 ms，在t=1.025 s時電壓恢復正常.圖3(b)為故障條件下雙饋異步電機定子發(fā)出的有功功率，圖3(c)為故障條件下雙饋電機定子發(fā)出的無功功率.在t<0.4 s故障發(fā)生前，定子實際功率與參考功率一致，為標幺值1.說明矢量控制方法在電網(wǎng)電壓無故障條件下能實現(xiàn)功率的跟蹤控制；在0.4 s

圖4(a)為電網(wǎng)電壓跌落情況，與圖3(a)電網(wǎng)故障情況一致.圖4(b)到圖4(e)為同等故障條件下用多階滯環(huán)電流控制控制的雙饋電機各參數(shù)情況.圖4(b)和圖4(c)分別為故障條件下雙饋異步電機定子有功功率和無功功率跟蹤情況.可以看出，無論是故障前還是故障后，有功功率、無功功率基本跟蹤良好，但有功功率在t<0.4 s電網(wǎng)電壓跌落之前出現(xiàn)波動，說明在電網(wǎng)正常運行時多階滯環(huán)電流控制方法，在電機功率控制上效果不好.在0.4 s

圖4 多階滯環(huán)電流控制方法在電網(wǎng)電壓對稱跌落時的各指標情況

圖5(a)為電網(wǎng)對稱跌落情況，在t=0.4 s時電網(wǎng)電壓對稱跌落20%，故障時間持續(xù)625 ms，在t=1.025 s時，電網(wǎng)故障恢復.圖5(b)和5(c)分別為新控制策略在電網(wǎng)對稱故障時雙饋異步電機的定子有功功率和無功功率.從圖5(b)可以看出，在0.4 s

圖5 矢量+滯環(huán)控制方案在電網(wǎng)對稱故障時的各指標情況

4 結(jié) 語

本文設計了一種新的雙饋式風電系統(tǒng)在低電壓穿越時的控制方案.首先介紹了雙饋風電系統(tǒng)整體概況，然后對雙饋電機進行數(shù)學建模，結(jié)合矢量控制在“低穿”時的缺點，將滯環(huán)電流控制器引入對風機的控制中.但滯環(huán)電流控制器的優(yōu)勢局限于故障發(fā)生時刻，在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時缺點明顯，即諧波含量大.因此將兩種控制方法的優(yōu)勢結(jié)合起來，引入一種切換機制，在電網(wǎng)正常運行時使用矢量控制方法，在電網(wǎng)故障時，切換至滯環(huán)電流控制方法，當電網(wǎng)故障恢復后再切換至矢量控制方法.最后對電網(wǎng)故障時三種方法做了仿真比較，仿真效果說明，矢量+滯環(huán)的控制方案在穩(wěn)態(tài)時跟蹤效果好，電能質(zhì)量好，在暫態(tài)時響應迅速，有效地限制了故障損失沖擊電流，避免了對機組及變流器造成損害.

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ResearchonControlStrategyofLowVoltageRideThroughBasedonDoublyFedInductionGenerator

LI Ming1,LIU Guo-rong1,YANG Xiao-liang2

(1. College of Electrical and Information, Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411104, China;2. College of Electrical and Information, Hunan University, Changsha 410012, China)

In view of the poor robustness, large impact current of the Vector Control when the grid voltage drops, this paper proposes a new control method that Vector Control is combined with multilevel hysteresis control method. It can protect the rotor side converter for its quick response and limit the impact current in the range of 1.5 pu. It has less harmonics of rotor current and the power quality can meet the requirements with the Vector Control during the fault-free period. The simulation results show that the novel control method of Low Voltage Ride Through(LVRT) has good robustness, fast response and less current harmonic and it can improve file ability of LVRT.

low voltage ride through; doubly fed induction generator(DFIG); vector+hysteresis control scheme

TM614

A

1671-119X(2017)03-0005-06

2017-03-16

李 明(1990-)，女，碩士，研究方向：風電系統(tǒng)控制.