雙饋風(fēng)力發(fā)電機并網(wǎng)控制及穩(wěn)態(tài)運行研究

1、第44卷第5期2010年5月電力電子技術(shù)PowerElectronicsVol.44，No.5May，2010雙饋風(fēng)力發(fā)電機并網(wǎng)控制及穩(wěn)態(tài)運行研究徐鳳星1，2，劉連根2，盛建科2，佘（1湖南工業(yè)大學(xué)，湖南株洲岳2412001）412008；2株洲電力機車研究所有限公司，湖南株洲摘要：在考慮定子電壓動態(tài)性能的情況下，對變速恒頻雙饋型風(fēng)力發(fā)電機空載并網(wǎng)及電網(wǎng)故障下運行控制策略進行了深入分析，并仔細推導(dǎo)了各控制器的設(shè)計依據(jù)。利用電網(wǎng)電壓定向的矢量控制及分段改變轉(zhuǎn)子電流的參考值的方法實現(xiàn)該并網(wǎng)控制，其主要目的是降低并網(wǎng)時定子的沖擊電流。在穩(wěn)態(tài)運行時，考慮了定子電流動態(tài)性能的要求，進一步提高了向電網(wǎng)輸入

2、電能的質(zhì)量和低電壓穿越能力。最后對整個并網(wǎng)過程進行了實驗研究，結(jié)果證明了該控制策略的正確性與有效性。關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機；變流器；電網(wǎng)故障；并網(wǎng)控制中圖分類號：TM315文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1000-100X（2010）05-0006-02ResearchoftheConnected-gridControlandSteady-stateOperationoftheDoubly-fedWindPowerGeneratorXUFeng-xing1，2，LIULian-gen2，SHENGJian-ke2，SHEYue2（1.TechnologyofHunanUniversity，Zhuzhou4

3、12008，China；2.InstituteofZhuzhouElectricLocomotive，Zhuzhou412001，China）Abstract：Inconditionofconsideringthedynamicperformanceofstatorvoltage，theno-loadconnected-gridandgridfaultcontrolstrategyoftheVSCFdoubly-fedwindgeneratorareanalyzed，andthedesignproofsofthecontrollersarecarefullyderivedfromthemath

4、ematicalmodel.Thegridvoltage-orientedvectorcontrolandtimelythechangeofthereferencevalueofrotorcurrentareemployedtocompletethecontrolstrategy.Themainpurposeofcontrolstrategyistoreducetheimpactofthestatorcurrent.Duringthesteady-state，takingthedynamicpropertiesofstatorcurrentintoaccount.Thequalityofthe

5、powerintothegridisimprovedandthelow-voltagethroughcapacityisincreased.Whilethesimulationandtestresultshaveverifiedthecorrectnessandeffectivenessofthecontrolstrategy.Keywords：windpowergenerator；converter；gridfault；connected-gridcontrolFoundationProject：SupportedbyNational863HighTechnologyPlan（No.2008

6、AA05Z410）1引言雙饋風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是應(yīng)用最廣泛的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)之一。雙饋風(fēng)力發(fā)電機為定子繞組直接接入交流電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組由頻率、幅值、相位可調(diào)的變流器提供三相低頻勵磁電流的新型電機，該電機在轉(zhuǎn)子中形成一個低速旋轉(zhuǎn)磁場，其旋轉(zhuǎn)速度與轉(zhuǎn)子的機械轉(zhuǎn)速相加等于定子磁場的同步轉(zhuǎn)速，從而在發(fā)電機定子繞組中感應(yīng)出工頻電壓。該發(fā)電機具有功率因數(shù)可調(diào)、效率高、變頻器容量小等優(yōu)點1。但目前相關(guān)研究主要集中在基于定子磁鏈定向雙饋電機有功功率和無功功率的解耦控制上2-3，對電網(wǎng)電壓定向的并網(wǎng)研究很少。文獻4在忽略定子電壓動態(tài)性能條件下對電網(wǎng)電壓定向的并網(wǎng)進行了研究。目前，風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)主要有直接并網(wǎng)和降壓并網(wǎng)。而

7、直接并網(wǎng)又分為負(fù)載并網(wǎng)和空載并網(wǎng)，負(fù)載并網(wǎng)的特點是并網(wǎng)前發(fā)電機參與原動機的能量控制，定子有電基金項目：國家863高技術(shù)基金項目（2008AA05Z410）定稿日期：2009-11-25作者簡介：徐鳳星（1983-），男，安徽亳州人，碩士研究生，研究方向為電力電子與電力傳動。流，并網(wǎng)控制所需要的信息不僅要取自電網(wǎng)側(cè)，而且還要取自定子側(cè)，控制策略較為復(fù)雜；空載并網(wǎng)使用設(shè)備少，并網(wǎng)前發(fā)電機不參與原動機的能量控制，定子電流為零，所以控制方程可以降階，簡化算法。在考慮定子電壓動態(tài)性能的情況下，對變速恒頻雙饋型風(fēng)力發(fā)電空載并網(wǎng)及電網(wǎng)故障下運行控制策略進行了深入分析，利用電網(wǎng)電壓定向的矢量控制及分段改變轉(zhuǎn)子

8、電流的參考值的方法實現(xiàn)該并網(wǎng)控制，并對整個并網(wǎng)過程進行了實驗研究，結(jié)果驗證了該控制策略的正確性與有效性。2考慮并網(wǎng)后電網(wǎng)故障下運行控制方案在電網(wǎng)電壓恒定的情況下，電網(wǎng)電壓定向和電網(wǎng)磁鏈定向這兩種傳統(tǒng)矢量控制方案均可使雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在變速恒頻運行中獲得良好的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能5。但在電網(wǎng)電壓故障情況下，雙饋感應(yīng)電機（DoubleFedInductionGenertor，簡稱DFIG）簡化模型的前提己不存在，故以此基礎(chǔ)導(dǎo)出的兩種矢量控制方案的有效性也會受到影響。所以應(yīng)依據(jù)DFIG精確模型，對兩種傳統(tǒng)矢量控制方案進行改進，以提高轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變換器對DFIG轉(zhuǎn)子電流控制能力，從而提高整個風(fēng)力發(fā)電機組

9、在電網(wǎng)電壓故6障下不間斷運行的能力。兩相同步旋轉(zhuǎn)d，q坐標(biāo)系下DFIG的數(shù)學(xué)模型可表示為：!sd=Lsisd+Lmird，sq=Lsisq+Lmirq（1）!rd=Lmisd+Lrird，rq=Lmisq+Lrirqusd=Rsisd+psd-1sq，usq=Rsisq+psq+1sdurd=Rrird+prd-s，u（2）rqrq=Rrirq+prq+srd式中：s為d，q坐標(biāo)系相對于轉(zhuǎn)子的角速度，s=1-r，r為對轉(zhuǎn)子的位置角r取微分得到轉(zhuǎn)子的電角速度；Lm為d，q坐標(biāo)系同軸定、轉(zhuǎn)子繞組間的等效互感，Lm=1.5Lms，Lms為定子繞組交鏈的最大互感磁通對應(yīng)的定子互感；Ls為d，q坐標(biāo)系兩

10、相定子繞組的自感，Ls=Lss+1.5Lms；Lr為d，q坐標(biāo)系兩相轉(zhuǎn)子繞組的自感，Lr=Lrr+1.5Lmr，Lmr為與轉(zhuǎn)子繞組交鏈的最大互感磁通對應(yīng)的轉(zhuǎn)子互感，Lms=Lmr。將式（1）代入式（2）中的微分項，并整理可得：&urd=Rrird+"Lr-Lm2/"+%（usd-(Ls#dird/dt$Lm/Ls$Rsisd+urq=Rrirq+"1sq-rqLss/Lm）Lr-Lm2/Ls$"dirq/dt$+"Lm/Ls$（u（3）sq-)(Rsisq-1sd+rdLss/Lm）式（3）可作為變速恒頻風(fēng)力發(fā)電DFIG穩(wěn)態(tài)并網(wǎng)后電流內(nèi)

11、環(huán)控制器設(shè)計依據(jù)。這種基于電網(wǎng)電壓定向的運行控制策略，在轉(zhuǎn)子電壓補償?shù)臈l件下，實現(xiàn)了有功和無功功率解耦控制。3雙饋發(fā)電機空載并網(wǎng)控制方案空載并網(wǎng)方式是在并網(wǎng)前發(fā)電機不帶負(fù)載，不參與能量和轉(zhuǎn)速的控制，完全由原動機來控制發(fā)電機轉(zhuǎn)速。并網(wǎng)時由于定子端電壓受控，使其等于電網(wǎng)電壓。并網(wǎng)后需切換到穩(wěn)態(tài)運行控制策略。空載并網(wǎng)前，其定子側(cè)開路，存在isd=0，isq=0，Te=0的約束關(guān)系。Te為發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩，將此約束關(guān)系代入式（1）得：sd=Lmird，sq=Lmirq，rd=Lrird，rq=Lrirq（4）將約束關(guān)系和式（1）代入式（2）得：&(usd=Lm%dird/dt#-1Lmirqu

12、sq=Lmdirq/dt#+1Lmird)(urd=Rrird+Lr%dird/dt#-（5）sLrirqurq=Rrirq+Lr%dirq/dt#+sLrird如果采用電網(wǎng)電壓定向，則usd=Us，usq=0，Us為電網(wǎng)的幅值。為了提高并網(wǎng)過程對定子側(cè)電壓動態(tài)性要求，進一步提高并網(wǎng)質(zhì)量。由式（5）中前兩行得：usd=Lm%dird/dt#-1Lmirq，usq=Lm%dirq/dt#+1Lmird（6）解式（6）可得：irq=-us/（1Lm），ird=0（7）此解主要作為在電網(wǎng)電壓相位同步時的轉(zhuǎn)子電流指令值，完成電網(wǎng)電壓的相位與發(fā)電機定子輸出電壓的相位一致。由式（6）可見電網(wǎng)電壓d，q軸分

13、量可以由轉(zhuǎn)子電流d，q軸分量經(jīng)過一個PI調(diào)節(jié)器而得，所以可以選擇如下控制器電流方程：!irq=%kp+ki/s#%usd_ref-usd#ird=%kp+ki/s#%usq_ref-usq#（8）式中：usd_ref，usq_ref分別為電網(wǎng)電壓的d，q軸分量的參考值；usd，usq分別為定子輸出電壓d，q軸分量；kp，ki分別為PI調(diào)節(jié)器比例放大系數(shù)、積分系數(shù)。由上式為電壓外環(huán)的設(shè)計依據(jù)，這時計算得到的ird，irq為電網(wǎng)電壓幅值同步時的轉(zhuǎn)子電流指令值。由式（5）后兩行可得：!urd=Rrird+Lrdird/dt-sLrirqu（9）rq=Rrirq+Lrdirq/dt+sLrird上式為

14、電網(wǎng)電壓定向的雙饋變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機空載并網(wǎng)前DFIG轉(zhuǎn)子電流內(nèi)環(huán)控制器的設(shè)計依據(jù)。4鎖相環(huán)PLL原理因采用了電網(wǎng)電壓定向的矢量控制，需準(zhǔn)確獲取電網(wǎng)電壓相位信息，最簡單的方法是捕獲電網(wǎng)電壓的過零點，但該方法容易受到干擾，僅適用于理想電網(wǎng)條件。圖1示出系統(tǒng)所采用的三相鎖相環(huán)方法。首先通過坐標(biāo)變換將三相電壓轉(zhuǎn)換到d，q坐標(biāo)系下，為使d軸分量與電壓矢量相同，設(shè)定q軸電壓參考值uLq_ref=0，將q軸電壓偏差值經(jīng)PI調(diào)節(jié)器輸出得到頻率，再經(jīng)積分環(huán)節(jié)得到角度。當(dāng)電網(wǎng)電壓中只存在基波分量時，其d，q坐標(biāo)系下穩(wěn)態(tài)值為直流量，通過控制使q軸分量為零，可實現(xiàn)相位鎖定。當(dāng)電網(wǎng)電壓q軸分量恒為零時，鎖相已準(zhǔn)確鎖定

15、了電網(wǎng)電壓相位。由于鎖相環(huán)內(nèi)部采用閉環(huán)結(jié)構(gòu)，可有效抑制電網(wǎng)擾動對相位檢測帶來的干擾。因此，該方法也適用于電網(wǎng)電壓質(zhì)量較差的情況。5實驗結(jié)果搭建背靠背變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)平臺，采用雙DSP（TMS320LF2812）結(jié)構(gòu)的控制電路，一個控制網(wǎng)側(cè)變流器，另一個控制轉(zhuǎn)子側(cè)變流器，發(fā)電機并網(wǎng)控制由轉(zhuǎn)子側(cè)變流器DSP來實現(xiàn)，發(fā)電機為兩臺1.65MW雙饋異步發(fā)電機，左側(cè)為原動機模擬現(xiàn)場的風(fēng)力，右側(cè)為發(fā)電機向電網(wǎng)供電，系統(tǒng)框圖如圖2。轉(zhuǎn)子側(cè)變流器并網(wǎng)過程分3步：定子電壓相位同步過程，在該階段根據(jù)轉(zhuǎn)子電流指令跟蹤電網(wǎng)相位，一般經(jīng)過34周波即可完全同步；切換轉(zhuǎn)子電流指令值，進入電網(wǎng)電壓幅值同步過程；檢測定子接觸

16、器狀態(tài)，如果正確，則合上定子（下轉(zhuǎn)第22頁）第44卷第5期2010年5月電力電子技術(shù)PowerElectronicsVol.44，No.5May，2010的調(diào)制信號與載波比較產(chǎn)生的開關(guān)序列，中間小矢量作用時間減小，首尾小矢量作用時間加長。在正序調(diào)制電壓中加入零序參考電壓U0后，最終的調(diào)制電壓可以表示為：況下，兩個母線電容的電壓實驗波形，可見，電容電壓得到了控制。圖6b示出電容值分別為2200F，1100F時的空載實驗波形，可見，當(dāng)加中點平衡控制后，直流側(cè)兩個電容輸出電壓差別減小，母線上下電容電壓保持了很好的平衡性。ua=Mcost+u0，ub=Mcos（t-2/3）+u0（3）uc=Mcos（

17、t+2/3）+u0對于三相三線系統(tǒng)，在三相a，b，c坐標(biāo)下，逆變器三相輸出電壓同時增加或者減小一個零序電壓不會影響負(fù)載的線電壓。"5結(jié)語三電平逆變器與兩電平逆變器相比具有很多優(yōu)點，但中點電位不平衡是三電平的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一個固有問題。針對這一問題，分析了中點電壓不平衡的根本原因，提出了一種基于零序電壓注入實現(xiàn)電壓平衡控制方法，給出了零序電壓的選擇原則。該方法通過選擇合適的零序電壓，改變?nèi)哂嘈∈噶康淖饔脮r間來調(diào)節(jié)中點電位，具有控制方法簡單、魯棒性強的特點。仿真及實驗結(jié)果表明，該方法能獲得很好的中點平衡能力。4仿真與實驗采用Matlab/Simulink對所提出的中點電位平衡方法進行了仿真，

18、結(jié)果證明中點平衡控制后兩電容電壓很快得到有效控制?；谒兄频娜娖酱蠊β誓孀兤鞯膶嶒炂脚_，對控制方法進行了實驗驗證。主回路主要包括變壓器、整流橋、功率單元和預(yù)充電電路。系統(tǒng)控制回路由DSP控制板與PLC可編程控制器、驅(qū)動電路和檢測電路組成。驅(qū)動電路與主電路之間通過光纖進行信號的傳輸。圖6示出實驗波形。參考文獻12周京華，周皓，袁奎星，等.三電平大功率通用變頻的研正，等.基于零序電壓注入的三電平制J.電力電子技術(shù)，2008，42（4）：15-17.孟永慶，沈傳文，劉中點箝位整流器中點電位控制方法的研究J.中國電機工程學(xué)報，2007，27（10）：92-97.3宋強，劉文華，嚴(yán)干貴，等.基于零序電壓注入的三電平NPC逆變器中點電位平衡控制方法J.中國電機工程學(xué)報，2004，24（5）：57-62.4周京華，沈傳文，蘇彥民.多電平逆變器不連續(xù)空間矢量調(diào)制策略的研究J.電力電子技術(shù)，2005，39（5）：15-17.!接觸器，接著切換轉(zhuǎn)子電流的參考值，雙饋變速恒頻風(fēng)力發(fā)電空載并網(wǎng)系統(tǒng)中，發(fā)電機與7（上接第頁）圖6a示出兩電容值都為2200F及加負(fù)載情實現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤。圖3示出并網(wǎng)階段的實驗波形。電網(wǎng)間是柔性連接關(guān)系。在變速情況下，可迅速控制發(fā)電機定子電壓使其滿足并網(wǎng)條件，實現(xiàn)在器件可接受的沖擊電流條件下并網(wǎng)。在控制方案中考慮定子電壓