不平衡電網(wǎng)電壓下雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制策略研究

陳凱杰，趙葵銀，任曉紅，唐勇奇，朱積嘉

（湖南工程學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，湘潭411104）

隨著化石能源的不斷枯竭，以風(fēng)能為代表的可再生能源在世界能源中的地位愈顯重要.近些年來，隨著國家政策支持和商業(yè)價(jià)值的提升，風(fēng)力發(fā)電在整個(gè)電力系統(tǒng)中的滲透率越來越高［1］.由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大多安裝在風(fēng)能資源豐富的偏遠(yuǎn)地區(qū)，其電網(wǎng)分支與主干電路距離遠(yuǎn)，電力系統(tǒng)維護(hù)不及時(shí)且難度大，易出現(xiàn)電網(wǎng)電壓不平衡問題［2］.當(dāng)電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)，采用PI控制策略的DFIG會(huì)出現(xiàn)輸出功率和直流母線電壓倍頻波動(dòng)的問題，影響DFIG的運(yùn)行安全和可靠性.尤其對(duì)兆瓦級(jí)的大型風(fēng)電場(chǎng)而言，不平衡電網(wǎng)電壓下的輸出功率和直流母線電壓倍頻波動(dòng)，會(huì)極大地沖擊電力系統(tǒng)，損壞電力設(shè)備，增加維護(hù)成本，甚至易造成安全事故［3］.因此平抑不平衡電網(wǎng)電壓下的輸出功率和直流母線電壓倍頻波動(dòng)問題，成為亟待解決的技術(shù)難題.

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于DFIG和變流器在不平衡電壓下的運(yùn)行控制做了大量的研究.文獻(xiàn)［4］提出了一種典型的正、負(fù)序雙d-q、PI電流控制方案，其基本方法是將不對(duì)稱系統(tǒng)分解成正、負(fù)序?qū)ΨQ分量，再實(shí)行各自的d-q軸解耦控制.文獻(xiàn)［5］提出了一種擴(kuò)展矢量控制策略，在雙旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下對(duì)雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流的正、負(fù)序分量分別進(jìn)行控制，取得了較好的控制效果，采用同樣的方法用于不平衡電壓下網(wǎng)側(cè)變流器的控制.文獻(xiàn)［6-7］提出了基于正轉(zhuǎn)同步速旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中比例積分諧振（PIR）電流調(diào)節(jié)器的矢量控制系統(tǒng)，在傳統(tǒng)基于PI控制器的控制方法下引入諧振環(huán)節(jié)，針對(duì)二倍頻脈動(dòng)的負(fù)序分量進(jìn)行消除，該方案優(yōu)點(diǎn)在于無須對(duì)轉(zhuǎn)子電流實(shí)現(xiàn)正負(fù)序分量分離，可對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)節(jié)且比例積分參數(shù)可按照傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行設(shè)計(jì)，有效保證了系統(tǒng)電流調(diào)節(jié)的精度和穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)性能.

針對(duì)不平衡電網(wǎng)電壓下的輸出功率和直流母線電壓的倍頻波動(dòng)問題，本文提出一種基于模糊-比例諧振控制器（Fuzzy-PR）的矢量控制策略，建立了不平衡電網(wǎng)電壓下DFIG和網(wǎng)側(cè)變換器的數(shù)學(xué)模型，通過仿真分析，突出Fuzzy-PR矢量控制策略在維持系統(tǒng)穩(wěn)定上的優(yōu)越性.

1 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，DFIG通過齒輪箱與風(fēng)輪機(jī)連接，將風(fēng)輪機(jī)側(cè)的低速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為高速旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電.發(fā)電機(jī)的定子繞組直接連接電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子側(cè)通過背靠背的雙PWM變換器與電網(wǎng)相連，中間通過直流電容連接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)交流勵(lì)磁從交流到直流再到交流的轉(zhuǎn)換［8］.

圖1 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

2 電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)的DFIG風(fēng)電系統(tǒng)建模

2.1 電網(wǎng)電壓不平衡的DFIG建模

DFIG為三相三線制，其中點(diǎn)未與地面連接，處于斷路狀態(tài)，無須討論零序分量對(duì)系統(tǒng)的影響，即可假設(shè)無零序分量，DFIG的等效電路可用正序電路和負(fù)序電路之和的形式表示.建立呈“T”形的正、負(fù)序等效電路模型，如圖2所示.

圖2 DFIG的正、負(fù)序等效模型

參照三相平衡電壓下DFIG的數(shù)學(xué)模型建立方法，將同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d-q軸分為正d、q軸和負(fù)d、q軸，在基于正、負(fù)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上建立雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電壓方程和磁鏈方程［9］.

基于正序d-q坐標(biāo)系，建立DFIG的正序電壓方程和磁鏈方程：

1）電壓方程

2）磁鏈方程

式中Lm為d-q軸定子、轉(zhuǎn)子繞組的互感；Ls為d-q軸定子繞組的自感；Lr為d-q軸轉(zhuǎn)子繞組的自感.式中各參數(shù)上標(biāo)“+”號(hào)代表其為正序分量.

同理，基于負(fù)序d-q坐標(biāo)系，建立的DFIG負(fù)序電壓方程和磁鏈方程.各參數(shù)上標(biāo)為“-”以代表其為負(fù)序分量.

2.2 電網(wǎng)電壓不平衡的網(wǎng)側(cè)變換器的建模

由于網(wǎng)側(cè)變換器經(jīng)濾波設(shè)備與電網(wǎng)直接連接，電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)，導(dǎo)致其運(yùn)行性能受到影響.參照DFIG建模，網(wǎng)側(cè)變換器的連接結(jié)構(gòu)與DFIG同屬三相三線制，因此其零序分量也可以忽略.建立不平衡電網(wǎng)電壓下的網(wǎng)側(cè)變換器的正、負(fù)序電路等效模型.

建立基于正、負(fù)序坐標(biāo)系的網(wǎng)側(cè)變換器模型，其正序d-q坐標(biāo)系模型如式（5）方程式

同理，網(wǎng)側(cè)變換器負(fù)序d-q坐標(biāo)系模型與正序模型類似.各參數(shù)上標(biāo)為“-”以代表其為負(fù)序分量.

3 電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)的DFIG風(fēng)電系統(tǒng)控制

電網(wǎng)電壓處于不平衡狀態(tài)時(shí)，傳統(tǒng)控制策略下的雙饋風(fēng)機(jī)系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)電機(jī)三相繞組不均勻發(fā)熱、引發(fā)過電流現(xiàn)象；與電網(wǎng)直接相連的網(wǎng)側(cè)變換器交流側(cè)引入負(fù)序電流，直流側(cè)存在倍頻波動(dòng)；電機(jī)有功功率、無功功率和電磁轉(zhuǎn)矩中存在二倍頻波動(dòng)，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行［10］.

傳統(tǒng)控制策略難以對(duì)電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)的風(fēng)電系統(tǒng)進(jìn)行有效控制，因此提出基于Fuzzy-PR的控制策略來解決傳統(tǒng)控制方式產(chǎn)生的倍頻波動(dòng)問題.

3.1 基于Fuzzy-PR控制的轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)，對(duì)轉(zhuǎn)子側(cè)變換器而言，其能用于控制的變量有.根據(jù)式（1）到式（4）中電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)的DFIG正序數(shù)學(xué)模型，令原式中的ωe=0，進(jìn)而得到兩相靜止坐標(biāo)系下的電機(jī)電壓和磁鏈表達(dá)式：

式中，Usαβ、Urαβ為定、轉(zhuǎn)子α-β軸的電壓；Isαβ、Irαβ為定、轉(zhuǎn)子α-β軸的電流；ψsαβ、ψrαβ為定、轉(zhuǎn)子的α-β軸的磁鏈.

根據(jù)上述式子，可建立兩相靜止坐標(biāo)系下DFIG等效電路，如圖3所示.

圖3 兩相靜止坐標(biāo)系下DFIG等效電路圖

根據(jù)DFIG等效電路，得到基于α-β坐標(biāo)系的不平衡電網(wǎng)電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓方程式：

由于電網(wǎng)電壓在不平衡時(shí)，轉(zhuǎn)子電流可分為角頻率為ω0的正序和負(fù)序的電流分量，如式（7）所示.因此可以利用PR控制器來對(duì)轉(zhuǎn)子電流分量進(jìn)行統(tǒng)一的調(diào)節(jié).通過對(duì)Irαβ的求導(dǎo)，可得基于轉(zhuǎn)子側(cè)的準(zhǔn)PR控制器在α-β坐標(biāo)系上輸出的控制電壓參考值可通過準(zhǔn)PR控制器設(shè)計(jì)為：

其中

式中krp、krr為轉(zhuǎn)子側(cè)PR控制器的比例、諧振系數(shù)，ωr1為轉(zhuǎn)子側(cè)PR調(diào)節(jié)器的截止頻率.

建立電網(wǎng)電壓不平衡條件下的轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制系統(tǒng)，如圖4所示.1

圖4 轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制系統(tǒng)框圖

3.2 基于Fuzzy-PR控制的網(wǎng)側(cè)變換器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電網(wǎng)不平衡下的網(wǎng)側(cè)變換器，交流側(cè)有功、無功功率均出現(xiàn)了二倍頻脈動(dòng)，可參考電流為和.根據(jù)網(wǎng)側(cè)變換器的數(shù)學(xué)模型建立不平衡電網(wǎng)電壓下的網(wǎng)側(cè)變換器數(shù)學(xué)模型，令原式中的ωe=0，可得到兩相靜止坐標(biāo)系下的網(wǎng)側(cè)變換器電壓表達(dá)式為：

將上式寫成矢量形式為：

對(duì)Igαβ進(jìn)行求導(dǎo)，可得基于網(wǎng)側(cè)PR控制器在α-β坐標(biāo)系上輸出的控制電壓參考值通過PR控制器調(diào)節(jié)可得到：

其中：

式中kgp、kgi、kgr為網(wǎng)側(cè)PR控制器的比例、積分、諧振系數(shù)，ωg1為網(wǎng)側(cè)PR調(diào)節(jié)器的截止頻率.

建立電網(wǎng)電壓不平衡條件下的網(wǎng)側(cè)變換器控制系統(tǒng)，如圖5所示.

圖5 網(wǎng)側(cè)變換器控制系統(tǒng)框圖

4 仿真模型的建立與分析

4.1 仿真模型的搭建

根據(jù)圖1所示的雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，結(jié)合DFIG和網(wǎng)側(cè)變換器不平衡電網(wǎng)電壓下的數(shù)學(xué)模型和本文提出的基于Fuzzy-PR的控制策略，通過Matlab/Simulink仿真平臺(tái)，搭建雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型.

電機(jī)內(nèi)部參數(shù)設(shè)置：電機(jī)額定功率為1.5 MW，額定頻率為50 Hz，磁極對(duì)數(shù)為3，定子電阻和轉(zhuǎn)子電阻設(shè)置為0.023 pu、0.016 pu，定、轉(zhuǎn)子互感為2.9 pu，定子和轉(zhuǎn)子的漏電感設(shè)為0.18 pu和0.16 pu.直流母線電壓設(shè)為1200 V，直流電容設(shè)為18000μF，網(wǎng)側(cè)變換器等效電感設(shè)為2 mH，等效電阻設(shè)為0.01Ω.

針對(duì)不平衡電網(wǎng)電壓下，電流負(fù)序分量導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定波動(dòng)，提出Fuzzy-PR控制策略，實(shí)時(shí)整定控制器參數(shù)，消除負(fù)序電流分量.

4.2 仿真分析

在0 s到1.5 s接入理想電網(wǎng)電壓，電網(wǎng)電壓對(duì)稱平衡.在1.5 s到4 s設(shè)置A相電壓跌落，為便于觀察改進(jìn)控制策略的效果，將不平衡度設(shè)置為5%.在0 s到2 s內(nèi)，仿真采用傳統(tǒng)基于PI的矢量控制策略；2 s到4 s采用基于模糊-諧振控制的矢量控制策略，通過對(duì)比，更能直觀的分析仿真結(jié)果.設(shè)置電網(wǎng)電壓仿真波形如圖6所示.

圖6 電網(wǎng)電壓仿真圖

如圖6所示，1.5 s時(shí)電網(wǎng)電壓發(fā)生不平衡，發(fā)生電壓跌落現(xiàn)象.因此在2 s時(shí)引入本文的改進(jìn)控制策略，通過陷波器提取正序電壓.d-q坐標(biāo)下的定子電壓u sdq，如圖7所示.

圖7 d-q坐標(biāo)系下定子電壓u s dq仿真圖

其中d軸、q軸的定子電壓正、負(fù)序分量仿真圖，分別如圖8、圖9所示.

圖8 d軸定子電壓正負(fù)序分量仿真圖

圖9 q軸定子電壓正負(fù)序分量仿真圖

分析圖8、圖9，在電網(wǎng)電壓不平衡的系統(tǒng)中，前1.5 s采用傳統(tǒng)控制策略下的仿真波形出現(xiàn)較為明顯的失真，2 s后，由于采用改進(jìn)的控制策略，在短時(shí)間的過渡后，消除負(fù)序電流的影響，波形趨于穩(wěn)定.

圖10、圖11分別為轉(zhuǎn)子和定子電流仿真圖.

圖10 轉(zhuǎn)子電流仿真圖

圖11 定子電流仿真圖

分析圖10、圖11，在1.5 s到2 s采用傳統(tǒng)控制策略下的轉(zhuǎn)子和定子電流波形出現(xiàn)明顯的失真現(xiàn)象，倍頻脈動(dòng)明顯.2 s后使用本文提出的基于Fuzzy-PR控制的策略，對(duì)波形進(jìn)行迅速調(diào)節(jié)，在極短的時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定波動(dòng)，很好地消除了負(fù)序電流的影響，波形逐漸趨于平衡對(duì)稱.

分析圖12，在1.5 s時(shí)由于電壓跌落，傳統(tǒng)策略下的功率波形呈現(xiàn)出明顯的振蕩；在2 s時(shí)采用改進(jìn)得控制策略，振蕩明顯減弱.

圖12 有功和無功功率仿真圖

通過對(duì)比，本文提出的基于Fuzzy-PR的控制策略可以有效地平抑不平衡電網(wǎng)電壓下DFIG產(chǎn)生的輸出功率和直流母線倍頻波動(dòng)，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行.

5 結(jié)論

針對(duì)電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)，采用傳統(tǒng)PI控制策略的DFIG風(fēng)電系統(tǒng)的輸出功率和直流母線電壓出現(xiàn)倍頻波動(dòng)問題.本文通過對(duì)不平衡電網(wǎng)電壓下的數(shù)學(xué)模型分析，建立基于Fuzzy-PR控制策略的控制模型，通過仿真分析驗(yàn)證了本文的改進(jìn)控制策略可以較好地對(duì)倍頻波動(dòng)進(jìn)行控制，保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行.