雙饋感應發(fā)電機機側(cè)變換器直接功率控制策略比較研究*

趙梅花, 鄭 鵬, 孫南海, 李廣倫

(洛陽理工學院 電氣工程與自動化學院,河南 洛陽 471023)

雙饋感應發(fā)電機機側(cè)變換器直接功率控制策略比較研究*

趙梅花, 鄭 鵬, 孫南海, 李廣倫

(洛陽理工學院 電氣工程與自動化學院,河南 洛陽 471023)

對雙饋感應發(fā)電機(DFIG)的兩種直接功率控制(DPC)策略進行比較研究。根據(jù)DFIG的數(shù)學模型，導出對DFIG進行DPC的統(tǒng)一控制模型；首先設(shè)計基于滯環(huán)比較器的直接功率控制(HC-DPC)策略，采用開關(guān)型滯環(huán)控制器，直接實現(xiàn)定子有功功率和無功功率的解耦控制；其次將SVM技術(shù)應用于DPC，提出SVM-DPC策略，根據(jù)DFIG定子有功、無功功率偏差，采用PI調(diào)節(jié)器，直接實現(xiàn)定子有功、無功功率的解耦控制；最后對兩種DPC策略進行試驗研究，驗證了兩種DPC策略的正確性和可行性，并對其控制性能進行了對比評估。

雙饋感應發(fā)電機；直接功率控制；滯環(huán)控制器；空間矢量調(diào)制

0 引 言

雙饋感應發(fā)電機(Doubly-Fed Induction Generator,DFIG)的轉(zhuǎn)子采用雙PWM勵磁變換器為交流勵磁電源，以實現(xiàn)變速恒頻運行。轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變換器與DFIG的運行控制策略主要有矢量控制(Vector Control,VC)[1-2]和直接功率控制(Direct Power Control，DPC)[3-5]。在電網(wǎng)電壓正常時，VC具有良好的動、靜態(tài)控制性能，但因控制過程采用PI調(diào)節(jié)器，當電網(wǎng)發(fā)生故障時，其動態(tài)響應能力便不能滿足控制要求。

DPC把DFIG定子輸出有功功率Ps和無功功率Qs作為被控量，具有動態(tài)響應快、魯棒性好等優(yōu)點。將DPC應用于DFIG的運行控制，以提高系統(tǒng)的動態(tài)響應能力。文獻[6]提出了基于滯環(huán)控制器的DPC策略(DPC Based on Hysteresis Comparator，HC-DPC)，模型結(jié)構(gòu)簡單，具有優(yōu)良的動態(tài)響應能力。該文獻對HC-DPC進行了仿真研究。在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標系αrβr下推導DFIG HC-DPC的控制模型，使DPC的內(nèi)在機理較為明晰。推導模型時需引入多個中間角度變量，多次采用坐標旋轉(zhuǎn)變換，過程較為復雜；HC-DPC策略控制性能的不足之處是開關(guān)頻率不恒定，使定子輸出電流對電網(wǎng)產(chǎn)生寬頻范圍的諧波污染。文獻[7]將空間矢量調(diào)制(Space Vector Modulation,SVM)技術(shù)與DPC策略結(jié)合，提出SVM-DPC策略，實現(xiàn)開關(guān)頻率恒定的DPC。文中對SVM-DPC進行仿真研究,其控制效果只能減小而不能完全消除功率偏差。

本文在DFIG同步旋轉(zhuǎn)dq坐標系數(shù)學模型基礎(chǔ)上，導出采用定子電壓定向條件下，對DFIG實施DPC的控制模型，分別提出改進的HC-DPC與SVM-DPC兩種實現(xiàn)策略；統(tǒng)一了HC-DPC與SVM-DPC的控制模型，揭示了兩者之間的區(qū)別與聯(lián)系，簡化了DPC模型推導過程；搭建了雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)試驗平臺，對HC-DPC與SVM-DPC策略進行了對比試驗研究，得出對DFIG DPC控制有指導意義的結(jié)論。

1 DFIG DPC控制模型

定子采用發(fā)電機慣例，轉(zhuǎn)子采用電動機慣例，在同步旋轉(zhuǎn)dq坐標系中，DFIG電壓和磁鏈矢量方程分別為

式(1)、式(2)的d、q分量形式為

式中: 下標s——DFIG定子相應物理量；

下標r——DFIG轉(zhuǎn)子相應物理量。

由式(2)可得：

將坐標系d軸定向于定子電壓矢量us得

式中:Us——定子電壓矢量的幅值。

穩(wěn)態(tài)時，忽略DFIG定子電阻Rs，將式(7)代入式(3)得

DFIG定子向電網(wǎng)輸出的復功率為

將式(7)、式(8)代入式(9)并寫成實部和虛部形式：

式(10)說明，當電機參數(shù)和電網(wǎng)電壓恒定時，控制轉(zhuǎn)子磁鏈的d、q軸分量ψrd、ψrq，就能直接控制DFIG定子輸出的Ps和Qs。這就是直接功率控制的基本思想。

將式(10)等號兩邊取微分得

式(11)說明，DFIG定子有功功率Ps、無功功率Qs的變化率取決于轉(zhuǎn)子磁鏈矢量的dq分量ψrd與ψrq的變化率。

式(11)即為對DFIG實施DPC的控制模型。本文依據(jù)式(11)，分別提出了改進的HC-DPC策略和SVM-DPC策略。

2 HC-DPC

2.1HC-DPC控制機理

忽略轉(zhuǎn)子電阻，轉(zhuǎn)子磁鏈空間矢量ψr和電壓矢量ur的關(guān)系近似為

式(12)表明：轉(zhuǎn)子磁鏈ψr的變化取決于施加的轉(zhuǎn)子電壓矢量ur，通過ur的選用及作用時間的調(diào)節(jié)控制轉(zhuǎn)子磁鏈ψr的變化規(guī)律，從而將對轉(zhuǎn)子磁鏈ψr的控制轉(zhuǎn)化為對轉(zhuǎn)子電壓ur的控制。

轉(zhuǎn)子電壓矢量ur對轉(zhuǎn)子磁鏈ψr的作用及扇區(qū)N分配如圖1所示。

圖1 電壓矢量對轉(zhuǎn)子磁鏈的作用及扇區(qū)N分配

根據(jù)圖1所示的定子電壓矢量us所在的扇區(qū)，可確定各轉(zhuǎn)子電壓矢量對磁鏈分矢量ψrd、ψrq的影響，繼而確定出作用的轉(zhuǎn)子電壓矢量對有功功率Ps和無功功率Qs的控制效果。

按此規(guī)則，可規(guī)劃出電壓空間矢量ur選用的開關(guān)表，決定出減少有功和無功功率控制誤差的最佳電壓空間矢量。這就是HC-DPC的實現(xiàn)機理。

2.2HC-DPC策略

依據(jù)式(11)，6個有效轉(zhuǎn)子電壓矢量在圖1所示的第1扇區(qū)作用效果為

6個有效轉(zhuǎn)子電壓矢量在其他扇區(qū)的作用效果可依次推出。

采用式(13)所示的滯環(huán)控制規(guī)律，產(chǎn)生與Ps與Qs狀態(tài)相對應的標志信號SP與SQ。

式中:HP、HQ——有功和無功功率的滯環(huán)寬帶；

SP=1——有功功率Ps需要增加；

SP=0——Ps不變；

SP=-1——Ps需要減少；

SQ=1——無功功率Qs需要增加；

SQ=0——Qs不變；

SQ=-1表示Qs需要減少；

依據(jù)以上分析得到如表1所示的HC-DPC優(yōu)化開關(guān)表。DFIG HC-DPC策略框圖如圖2所示。

表1 HC-DPC開關(guān)表

圖2 DFIG HC-DPC結(jié)構(gòu)框圖

3 SVM-DPC

將式(8)、式(9)分別恒等變形可得

忽略轉(zhuǎn)子電阻，將式(13)、式(14)帶入式(4)得

由式(16)可知，DFIG的Ps由urd控制，Qs由urq控制。式(16)是SVM-DPC閉環(huán)控制器設(shè)計的主要依據(jù)。

為實現(xiàn)對DFIG輸出功率的無靜差控制，采用PI調(diào)節(jié)器，用PI調(diào)節(jié)器輸出控制式(16)中的定子功率微分項，則轉(zhuǎn)子電壓控制方程為

二是嚴格質(zhì)量標準并打造知名品牌。提高產(chǎn)品科技含量，發(fā)展農(nóng)業(yè)科技，加強對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的培訓力度，提高生產(chǎn)效率，增加農(nóng)產(chǎn)品附加值，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)架構(gòu)；三是通過多種途徑提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者的品牌意識，使規(guī)范生產(chǎn)變?yōu)槌Ｒ?guī)操作，在根源上保障產(chǎn)品質(zhì)量，并且要加強品牌保護意識，對假冒產(chǎn)品予以打擊。

式中:kPP、kiP、kPQ、kiQ——DFIGPs及QsPI控制器的比例、積分系數(shù)。

圖3為DFIG SVM-DPC策略結(jié)構(gòu)框圖。

圖3 DFIG SVM-DPC結(jié)構(gòu)框圖

4 試驗及結(jié)果分析

搭建雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)試驗平臺，將HC-DPC與SVM-DPC策略進行對比試驗。用直流電機-繞線式異步電機模擬風力機-雙饋感應發(fā)電機組。

繞線電機參數(shù)：PN=3 kW,UN=380 V,nN=1 450 r/min；

直流電機參數(shù)：PN=3 kW,UN=220 V,nN=1 500 r/min；

網(wǎng)側(cè)PWM變換器進線電感8 mH，直流母線電壓200 V；PWM開關(guān)頻率10 kHz；定子并網(wǎng)電壓180 V。圖4～圖6為試驗波形。

圖4 穩(wěn)態(tài)波形

圖5 有功跟隨波形

圖6 無功突變波形

5 結(jié) 語

該文對DFIG的HC-DPC和SVM-DPC兩種控制策略進行比較研究，得出如下結(jié)論：

(1) HC-DPC和SVM-DPC均能實現(xiàn)定子Ps、Qs良好的跟隨性能，且能實現(xiàn)Ps、Qs的解耦控制，定子功率因數(shù)任意可調(diào)。

(2) HC-DPC采用滯環(huán)控制器，其控制特性與PWM變換器的開關(guān)非線性特性相匹配，具有快速的動態(tài)響應能力，但其開關(guān)頻率不固定，靜態(tài)特性不佳，限制了其現(xiàn)場應用；SVM-DPC開關(guān)頻率恒定，具有良好的動、靜態(tài)控制性能，但受PI參數(shù)的制約，動態(tài)響應比HC-DPC稍慢。

綜上所述，采用SVM-DPC能使系統(tǒng)同時具有良好的動態(tài)和靜態(tài)性能，具有實際的應用價值。

[1] 劉其輝,謝孟麗.雙饋式變速恒頻風力發(fā)電機的空載及負載并網(wǎng)策略[J].電工技術(shù)學報,2012,27(10): 60-67.

[2] LUNA A, LIMA F K, SANTOS D, et al. Simplified modeling of a DFIG for transient studies in wind power applications[J].IEEE Trans Ind Electron,2011,58(1):9-20.

[3] MOHSENI M, ISLAM S M, MASOUM M A.Enhanced hysteresis based current regulators in vector control of DFIG wind turbines[J].IEEE Trans Power Electron,2011,26(1): 223-234.

[4] NIAN H, SONG Y, ZHOU P, et al. Improved direct power control of a wind turbine driven doubly fed induction generator during transient grid voltage unbalance[J].IEEE Trans Energy Convers,2011,26(3):976-986.

[5] 趙方平,楊勇,阮毅,等.三相并網(wǎng)逆變器直接功率控制和直接功率預測控制的對比[J].電工技術(shù)學報,2012,27(7): 212-220.

[6] XU L, CARTWRIGHT P. Direct active and reactive power control of DFIG for wind energy generation[J].IEEE Trans Energy Convers,2006,21(3): 740-748.

[7] DAWEI Z, LIE X. Direct power control of DFIG with constant switching frequency and improved transient performance[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2007,22(1): 110-118.

ComparativeStudyonDPCStrategyofDFIGGrid-SideConverter*

ZHANMeihua,ZHENGPeng,SUNNanhai,LIGuanglun

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

Two kinds of direct power control strategy of Doubly-fed Induction Generator (DFIG) were presented and made Comparative Study on their performance. According to the mathematical model of DFIG, The direct power control (DPC) model for DFIG was deduced. Firstly, the direct power control based on hysteresis controller (HC-DPC) strategy was presented, it implements directly decoupling control between DFIG stator active power and reactive power by hysteresis controller. Secondly, the SVM-DPC strategy was designed by applying the SVM technology to DPC. It had no rotor current control loop to implement directly decoupling control between DFIG stator active power and reactive power by PI controller. Finally, simulations and experiments did done for HC-DPC and SVM-DPC to verify its correctness and feasibility and compare its control performance.

doubly-fedinductiongenerator(DFIG);directpowercontrol(DPC);hysteresiscontroller;spacevectormodulation

國家自然科學青年基金項目(51407124)；河南省高等學校重點科研項目(16A470012)

趙梅花(1966—)，女，博士，副教授，研究方向為新型電力電子變換及新能源發(fā)電技術(shù)。

TM 301.2

A

1673-6540(2017)10- 0053- 06

2017 -02 -22