不平衡电网电压下双馈电机的协调控制策略

刘盟伟， 徐永海

(华北电力大学电气与电子工程学院，北京 102206)

0 引言

近年来，风力发电技术在全球得到了迅猛发展，也出现了许多形式的风力发电系统。其中，由双馈感应电机(Doubly Fed Induction Generator，DFIG)构成的变速恒频风力发电系统在兆瓦级风力发电系统中的应用成为了研究热点。目前，关于DFIG变换器控制策略的研究多建立在电网电压平衡的基础上［1-4］，而实际系统中，电网电压不平衡是风力发电系统经常会遇到的问题，如果在电网电压不平衡条件下没有采用相应的不平衡控制措施，则会造成双馈风力发电机的不正常运行状态［6-7］，主要表现在:三相绕组发热不平衡，严重时会引起过流;有功功率、无功功率及电磁转矩出现2倍频脉动，从而影响系统的稳定运行，脉动的电磁转矩还会产生噪声，损坏发电机的机械部件等。

文献［8-10］研究了在电网电压不平衡条件下双馈发电机变换器转子侧与网侧的控制策略，且都采用了双电流控制，即在正序同步参考坐标系和负序同步参考坐标系中分别对正序分量和负序分量进行控制，该控制系统设计相对容易，但需要检测电压、电流中的负序分量，使得系统较为复杂。文献［11-12］提出了在正序同步坐标系下运用比例谐振调节器，实现对无功功率和转矩脉动的抑制。该方法结构简单，但只是针对转子侧变换器的控制策略，且不能同时抑制有功功率和无功功率的脉动。

为解决现有方法的不足，本文提出了一种新的不平衡电压下双馈电机的转子侧与网侧变换器协调控制策略，实现了对双馈电机的电磁转矩、定子侧无功功率以及总输出功率2倍频脉动量的抑制。理论分析和仿真结果都验证了所提方法的有效性。

1 电网电压不平衡情况下双馈风力发电系统的运行特性

在电网电压不平衡情况下，对双馈风力发电系统的分析常用对称分量法［5-10］。由于双馈风力发电系统中点一般不接地，零序分量没有通路，常可不考虑零序分量的影响，因此，在正、负序参考坐标系与静止坐标系中可对其进行分析。图1显示了正序、负序d-q参考坐标系之间的关系。

图1 正序、负序d-q参考坐标系

1.1 双馈电机(转子侧变换器)

由图1中正、负序参考坐标系与静止坐标系ABC之间的关系，可将静止坐标系下的定子电压、电流和磁链矢量表示为

式中:标有上标“s”表示在静止坐标系下的矢量;标有上标“+”“－”分别表示正、负序分量;标有下标“s”表示定子侧的矢量;ωs0为同步角速度。

在电网电压不平衡条件下，若采用等量坐标变换，双馈电机定子侧复功率又可表示为

将式(1)、(2)代入式(4)，可得:

式中:Ps0、Qs0分别表示定子侧有功功率、无功功率的平均值;Pss2、Psc2、Qss2、Qsc2分别表示定子侧有功功率、无功功率的2倍频脉动量的幅值，它们与定子电压和电流量的关系可表述为

另外，在电网电压不平衡条件下，双馈电机的电磁转矩可表示为

将式(2)、(3)代入式(7)，可得:

式中:Te0表示电磁转矩的平均值;Tes2、Tec2分别表示电磁转矩的2倍频脉动量，它们与定子磁链和电流量的关系可表述为

式(5)和式(8)表明，在电网电压不平衡条件下，由于负序电压的存在，使得双馈电机的定子侧功率和电磁转矩出现了2倍频脉动量，其脉动频率为 2ωs0。

1.2 网侧变换器

在电网电压不平衡情况下，运用类似转子侧变换器同样的方法，可将网侧变换器的输入电压和电流矢量分别表示为

在电网电压不平衡条件下，网侧变换器输入复功率为

将式(10)、(11)代入式(12)，可得:

式中:Pg0、Qg0——网侧有功功率、无功功率的平均值;

Pgs2、Pgc2、Qgs2、Qgc2——网侧有功功率、无功功率的2倍频脉动量的幅值。

它们与网侧电压和电流量的关系可表述为

2 控制策略

2.1 转子侧控制策略

通过前文分析，在不平衡电网电压条件下，双馈电机的电磁功率和定子侧无功功率除了含有直流分量外，还含有2倍频脉动量，文献［5，12］推导出了采用定子磁链定向矢量控制时电磁转矩的2倍频脉动量Te2和定子侧无功功率的2倍频脉动量Qs2与转子电压之间的关系，即:

其中:

2.2 网侧控制策略

由式(13)可知，在电网电压不平衡条件下，网侧变换器的有功功率和无功功率也出现2倍频脉动。双馈风力发电系统总的输出有功功率为

式中:Ps0、Pg0——定子侧和网侧有功功率的平均值;

Ps2、Pg2——定子侧和网侧有功功率的2次脉动量。

由此可见，在电网电压不平衡情况下，整个双馈风力发电系统的总输出有功功率也存在2倍频脉动。考虑到转子变换器的容量和控制变量有限，即只能同时对d、q轴两个电压参考量进行控制，实现对部分脉动量的控制。网侧变换器作为整个发电系统的一部分，也有辅助控制功能。因此，本文在转子侧变换器控制的基础上，提出了网侧变换器进行协调控制的策略，从而实现对双馈风力发电系统总输出有功功率脉动的抑制。

由式(17)可知，当Ps2=－Pg2时，双馈风力发电系统总输出有功功率不再含有2倍频脉动量Pt2。因此，可以设定P=－Ps2，通过补偿控制，从而实现对总输出有功功率脉动的控制。

由文献［3-4］知，网侧变流器常采用电网电压定向矢量控制，网侧的有功功率可表述为

式中:idg由电流内环控制，使其输出跟随，因此可通过控制udg实现对网侧输出有功功率的控制。

2.3 协调控制策略

通过分析，在电网电压不平衡条件下，可以采用转子侧与网侧变换器协调控制，实现对双馈电机的电磁转矩、无功功率，以及系统总输出有功功率脉动量的控制，其控制框图如图2所示。

图2 不平衡电压条件下转子侧与网侧变换器协调控制策略框图

转子侧控制目标为抑制双馈电机电磁转矩和定子侧无功功率的脉动，网侧控制目标为抑制系统总输出有功功率的脉动。通过滤波器G(s)提取出控制目标中的2倍频脉动量，经过PI调节后得到所需的补偿电压，叠加到转子侧和网侧变换器的参考电压中，从而实现对不平衡电网电压下各种脉动量的抑制。

3 仿真验证

为了验证所提出的不平衡电压下转子侧与网侧协调控制策略，在MATLAB/Simulink中搭建了1.5 MW双馈风力发电系统的仿真模型，其仿真参数如表1所示。

表1 DFIG仿真参数

图3给出了电网电压不平衡度为10%时，仅采用转子侧不平衡控制策略的仿真结果。2.5 s前采用传统控制策略，即电网电压平衡时的控制策略，2.5 s时投入转子侧不平衡控制策略。从图中可以看出，转子侧不平衡控制策略未投入之前，双馈电机的电磁转矩、定子侧无功功率和总输出功率存在幅值较大的2倍频脉动量。转子侧不平衡控制策略投入后，双馈电机的电磁转矩、定子侧无功功率的2倍频脉动量迅速衰减，但系统总输出有功功率几乎不变。这说明转子侧的不平衡控制策略可以有效抑制电磁转矩和定子侧无功功率的2倍频脉动，但不能同时实现对系统总输出有功功率脉动的抑制。

图3 仅采用转子侧不平衡控制策略仿真结果

图4给出了不平衡电压条件下，采用本文所提出的转子侧与网侧变换器协调控制的仿真结果。可以看出，在2.5 s协调控制投入后，双馈电机的电磁功率、定子侧无功功率和系统总输出有功功率的2倍频脉动量迅速衰减，且动态响应速度较快，抑制效果显著，实现了对多目标的控制。

图4 采用协调控制策略仿真结果

4 结 语

本文提出了一种不平衡电网电压下双馈电机的机侧与网侧变换器协调控制策略，即以电磁转矩、定子侧无功功率，以及总输出功率的2倍频脉动量为控制目标，计算出所需的补偿电压，叠加到双馈电机的机侧与网侧变换器的参考电压中，从而通过补偿控制作用实现对电磁转矩、定子侧无功功率及总输出功率的抑制。与现有方法比较，本文提出的控制策略有以下优点:

(1)不需要对不平衡电量进行正、负序分解;

(2)电网电压不平衡时，只需要在传统的控制策略上叠加对2倍频脉动量的补偿控制，使得控制简单，动态响应较快，易于工程应用;

(3)目前大部分不平衡电压下的控制策略只是针对转子侧变换器的，而本文所提出的控制策略则通过对机侧与网侧变换器的协调控制，实现对多目标的控制。

通过理论分析和仿真验证，本文所提出的协调控制策略可以有效抑制双馈电机的电磁功率、定子侧无功功率和系统总输出有功功率的2倍频脉动，实现双馈风力发电系统的稳定运行。

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