电网电压不平衡双馈风力发电机改进控制方法＊

杨国清，陈 谦，王德意

(西安理工大学水利水电学院，西安 710048)

资源与环境压力及社会可持续发展的战略需求使得可再生能源在许多国家得到越来越多的重视和发展，而风力发电成为技术最成熟、最具规模开发条件的新能源发电方式。双馈发电机有着很好的控制性能，因此大多数入网的风电场都使用双馈风力发电机 DFIG［1，2］。然而这些研究大部分是基于电网电压电流在平衡的前提条件下，实际中许多风力发电机都安装在风力资源丰富的偏远地区［3］，这些地区通常电网薄弱、电网电压不平衡、抗干扰能力差。文献(4)、(5)对电网电压不平衡条件下双馈风力发电机进行了研究，研究的重点在双馈发电机转子侧变频器的控制方法上;文献(4)对电网电压不平衡引起的双倍工频的电磁转矩的振荡进行了分析，并提出了抑制振荡的策略。

本文提出一种新的控制策略，以改善电网电压不平衡时双馈风力发电机的控制效果。在转子侧变换器和网侧变化器中同时使用(dq)+正反馈和(dq)－负反馈，使用(dq)+正反馈和电网电压平衡情况一样。在转子侧变换器中使用(dq)－负反馈抑制电网电压不平衡引起的两倍频率的电磁振荡，电网侧变换器中(dq)－负反馈环节可抑制发电机定子侧输出的不平衡电流。最后在PSCAD/EMTDC环境下进行仿真，仿真数据表明该控制方法的可行性。

1 双馈风力发电系统的结构

双馈风力发电机系统的结构如图1所示，风轮机通过齿轮箱和双馈发电机连接，齿轮箱将风力机侧的低速转为发电机侧的高转速。发电机的定子直接和电网连接，转子通过变频器接电网。为了使发电机在任意转速下发出恒定电压恒定频率的电能，必须控制发电机转子电流的大小、频率以及电流的方向，因此变频器必须是背靠背的双脉宽调制PWM(pulse width modulation)的变流器组成，中间通过直流电容连接。转子过流保护装置(crowk-bar)并联于转子侧用来限制由于扰动或者故障引起的转子过电流，保护转子绕组。

图1 双馈风力发电系统Fig.1 Doubly-fed wind power generator control system

2 坐标变换原理

按照对称分量原理，当电网电压不平衡时，三相电压可分解为正序分量和负序分量［5，6］，假设双馈发电机是中性点非接地系统，那么就没有零序向量，在静止αβ坐标系下电流和电压向量可分解为

其中:φ+和φ－为正序和负序分量的移相分量。双馈发电机的建模和控制都建立在同步旋转坐标系(dq)下，当电网电压不平衡时存在正序和负序分量，因此便于使用正(dq)+旋转坐标系和负(dq)－旋转坐标系进行分析，正(dq)+旋转坐标系以同步转速ωs旋转，负(dq)－旋转坐标系以同步转速ωs向相反的方向旋转。静止αβ坐标系、正(dq)+旋转坐标系和负(dq)－旋转坐标系关系如下:

在负(dq)－旋转坐标系和正(dq)+旋转坐标系下电压向量和电流向量以及F可以用它们各自的正序和负序分量表示为

其中:下标 +和 －分别表示正序和负序分量，上标的 +和 －表示正(dq)+旋转坐标和负(dq)－旋转坐标;式(6)表示正(dq)+旋转坐标中发电机正常运行时正序分量是一个直流量，负序部分为以两倍工频(100 Hz)振荡的振荡分量;式(7)表示在负(dq)－旋转坐标系下发电机正常运行时负序分量是一个直流量，而正序部分表示两倍工频振荡的振荡分量;因此可以用一个100 Hz的带阻滤波器分离正序分量和负序分量抑制电磁振荡。

3 转子侧控制策略

在正(dq)+旋转坐标系下转子电流方程为

其中:ωs表示同步转速;ωr表示双馈发电机的转子转速，磁链方程为

其中，Ls=Lls+Lm，Lr=Llr+Lm，Lls，Llr，Lm分别为定、转子每相漏感和励磁电抗，σ为电机的漏磁系数

由(10)、(11)可得定子磁链的表达式为

发电机定子电压恒定时定子磁链恒定，因此将式(10)、(11) 带入式(8)、(9) 中得:

其中:s表示转差率sωs= ωs－ ωr。式(8) ～ 式(16)中的电压，电流，磁链向量可分解为式(6)所示的正序和负序分量，因此式(15)、(16)可分成两部分，即正(dq)+旋转坐标系下的正序分量和负(dq)－旋转坐标系下负序分量。当d轴的正方向和定子磁链方向一致时=0，正序分量在正(dq)+旋转坐标系下可表示为

负序分量在负(dq)－旋转坐标系下表示为

通过式(17)、(18)、(19)、(20)可看出，通过调节正(dq)+和负(dq)－旋转坐标系下转子电流的正序分量和负序分量来控制双馈发电机。电网电压不平衡时在正(dq)+旋转坐标系下发电机电磁转矩为

根据式(6)可将该电磁转矩分解为正(dq)+旋转坐标系下的正序分量和负(dq)－旋转坐标系下的负序分量:

其中:

由式(22)可看出当电网电压不平衡时双馈发电机的电磁转矩中存在两倍工频的振荡分量，该振荡转矩会使发电机转子绕组、变速箱和风轮机的叶片受力，为了抑制振荡发电机的转子侧控制策略必须在(dq)－旋转坐标系下减少电磁转矩中的振荡分量使得Tesin2=Tecos2=0，根据式(22)当=0=0时，可得到转子电流的负序分量为

图2给出了双馈风力发电机的转子侧控制系统的框图，在转子侧控制器的交流侧定子电压Vsabc，转子电流irabc先变换到静止αβ坐标系，再变换到正(dq)+和负(dq)－旋转坐标系下，变换后的分量有式(6)、(7)的向量形式，将它们经过带阻滤波器滤除掉振荡分量。坐标变换后的正序分量和负序分量和在发电机稳态时是直流量。在正(dq)+和负(dq)－旋转坐标系下控制系统主要由4部分组成，正序分量只能在正(dq)+旋转坐标系下起控制作用，负序分量只能在负(dq)－旋转坐标系下起控制作用。正(dq)+旋转坐标系的控制目标是通过调节正(dq)+旋转坐标系下转子电流来调节发电机的转子转速ωr使得发电机捕获最大的风能，同时调节发电机端电压=0)在一个允许的范围。负(dq)－旋转坐标系的控制目标是通过调节负(dq)－旋转坐标系转子电流的负序分量来抑制两倍工频的电磁转矩振荡。从电流调节器中出来的转子电压信号，通过坐标变换后得到、，然后在转换为静止αβ坐标系下的正序和负序分量和，它们求和即得到进入三相变流器PWM调制模块的转子电压信号Vrαβ。

图2 双馈风力发电机转子侧控制系统Fig.2 Doubly-fed wind power generator control system for rotor side

4 电网侧控制方法

在(dq)+旋转坐标系下电网侧的电流方程为

将式(29)、(30)经过(dq)+和(dq)－坐标变换得到正序分量和负序分量分别为:

图3为电网侧控制系统的控制原理图，定子三相电压Vsabc三相电流isabc先变换到静止αβ坐标，再变换到正(dq)+和负(dq)－旋转坐标系下，对应的正序负序分量为和，和，将它们通过带阻滤波器，滤除其中的振荡部分得到正序和负序分量分别为:

发电机在稳态它们是直流量。整个控制系统由四部分组成，正序分量在正(dq)+旋转坐标系下起到控制作用，负序分量在负(dq)－旋转坐标系下起到控制作用。正(dq)+旋转坐标系的控制目标是通过调节它对应的正序分量来保持直流侧电压恒定。负(dq)－旋转坐标系的控制目标是维持发电机送入电网的总电流ilabc保持平衡。在负(dq)－旋转坐标系下在ilabc的负序分量和都是零，为了达到维持电网电流平衡的目标，通过调节负(dq)－旋转坐标系下电流的负序分量来实现，该负序分量可表示为:

图3 双馈风力发电机电网侧控制系统Fig.3 Doubly-fed wind power generator control system for gird side

5 仿真研究

本文采用双PWM交-直-交电压型变频器的，变频器选用绝缘栅双极晶体管IGBT作为开关元件。根据控制框图2和3在PSCAD/EMTDC中建立双馈发电机的仿真模型，使用双馈风力发电机具体参数如下。额定功率2.2 MW，额定电压0.38 kV，额定频率50 Hz，定子电阻Rs=0.00164 Ω，转子电阻Rr=0.002 Ω，铁耗电阻Rfe=0.03 Ω，定子漏抗Lls=0.003 Ω，转子漏抗 Llr=0.003 Ω，励磁电抗Lsr=0.9 Ω。

电压不平衡度不平衡因子(VUF)［8］，定义为

为说明该控制方法的有效性，将没有考虑电压不平衡影响和本文所提出的考虑电压不平衡的控制效果进行对比，其中与双馈发电机连接的电网连接点电压不平衡度VUF在5% 左右，见图4。

图4 电网电压不平衡UVF=5%Fig.4 Unbalance voltage of grid UVF=5%

当控制系统不考虑电网电压不平衡影响，风速在5 s时从9 m/s增加到10 m/s发电机转子转速由1.0 p.u.增加到1.2 p.u.，发电机定子输出电压由1.0 p.u.增加到1.02 p.u.此时发电机输出如图5所示。

图5(a)中il为发电机注入到电网总电流，5(b) 中和分别表示该电流d轴和q轴的负序分量，图5(c)中Te表示发电机的电磁转矩。由图5可以看出，不考虑电网电压不平衡的影响，发电机会产生很大的不平衡电流，不平衡电流使发电机产生额外转矩从而引发100 Hz电磁振荡。

图6表示在同样情况下试用本文控制方法发电机输出波形，由图5(a)可看出发电机注入电网电流il中振荡成分较少，由图5(b)可见通过调节电网侧控制器电流在负(dq)－旋转坐标系下的负序分量能够抑制发电机输出的不平衡电流，电流中没有负序成份电能质量明显改善。由图5(c)可看出通过调节发电机转子侧电流在负(dq)－旋转坐标系下的负序分量能有效抑制发电机电磁转矩振荡，电磁转矩Te中没有两倍工频的振荡成份。

图6 考虑电网电压不平衡双馈发电机的输出Fig.6 Output of DFIG taking voltage imbalance of grid into account

6 结语

本文提出了一种新的控制方法以改善电网电压不平衡时双馈风力发电机的控制效果。在发电机转子侧转换器(RSC)和网侧变换器(GSC)使用正反馈基础上增加(dq)－负反馈控制，转子侧(RSC)负反馈控制目的是降低不平衡电压引起的发电机电磁转矩的震动，电网侧(GSC)负反馈控制目标是抑制发电机输出的不平衡电流。通过仿真实验表明该控制方法能有效抑制电磁振荡，减小不平衡电流，提高发电机发出电能质量和控制性能。

［1］刘其辉，贺益康，张建华(Liu Qihui，He Yikang，Zhang Jianhua).交流励磁变速恒频风力发电机的运行控制及建模仿真(Operation control and modeling-simulation of AC-excited variable-speed constant-frequency wind power generator)［J］.中国电机工程报(Proceedings of the CSEE)，2006，26(5):43 －50.

［2］Hofmann W，Okafor F.Doubly-fed full-controlled induction wind generator for optimal power utilization［C］∥4th IEEE International Conference on Power Electronics and Drive Systems， Denpassar， Indonesia:2001.

［3］郭金东，赵栋利，林资旭，等(Guo Jingdong，Zhao Dongli，Lin Zixu，et al).兆瓦级变速恒频风力发电机组控制系统(Research of the megawatt level variable speed constant frequency wind power unit control system)［J］.中国电工程学报 (Proceedings of the CSEE)，2007，27(6):1 －6.

［4］Brekken Ted K A，Mohan Ned.Control of doubly fed induction wind generator under unbalanced grid voltage conditions［J］.IEEE Trans on Energy Conversion，2007，22(1):129 －135.

［5］Xu Lie，Wang Yi.Dynamic modeling and control of DFIG-based wind turbines under unbalanced network conditions［J］.IEEE Trans on Power Systems，2007，22(1):314－323.

［6］蒋卫宏(Jiang Weihong).异步电机电流内模解耦控制系统分析与仿真(Analysis and simulation of decoupled control system of asynchronous motor using internal model current control)［J］.电力系统及其自动化学报(Proceedings of the CSU-EPSA)，2007，19(5):79 －83.

［7］向大为，杨顺昌，冉立(Xiang Dawei，Yang Shunchang，Ran Li).电网对称故障时双馈感应发电机不脱网运行的系统仿真研究(System simulation of a doubly fed induction generator ride-through control for symmetrical grid fault)［J］.中国电机工程学报(Proceedings of the CSEE)，2006，26(10):130－135.