双馈风力发电机组动态性能改善的控制策略

高仕红

( 湖北民族学院 信息工程学院，湖北 恩施445000)

(1)和式(2)中消除is、ψr，即可得转子电压vr 的表达式:

随着能源价格的不断高攀以及对环保的日益重视，全球的风电产业近10 年来以年均25%以上的速度快速增长，成为可再生能源发电产业之最．在风力发电机组中双馈感应发电机(double－fed induction generator，DFIG)占据了风电大部分市场，已成为风电机组的主流产品．与其它风电机组比较，其具有以下主要优点:调速范围宽、可通过部分功率的转子侧变换器独立调节定子侧的有功和无功功率输出［1］．

双馈风力发电机组采用交流励磁，改变发电机的电磁转矩可调节发电机组转速，其是通过调节发电机的有功功率来实现的．因此，独立调节发电机有功和无功功率是风电机组运行控制的关键［2］．因此，国内外许多学者特别针对转子侧变换器(rotor－side converter，RSC)的控制技术进行了大量研究，主要研究成果体现如下:①采用标量控制技术［3］，此方法动态控制性能较差，难以实现有功和无功功率的解耦控制;②采用矢量控制技术，其中以定子磁链定向和电网电压定向矢量控制技术为主流［4－7］;③采用直接转矩控制技术［8］，此方法的缺点是DFIG 参数的变化严重影响转子磁链的估计精度以及转子磁链参考值的计算;④采用直接功率控制技术［9］，此方法仅需机组的定子参数，其对运行条件变化和机组参数摄动具有较强的鲁棒性．

目前，DFIG 转子侧变换器的控制一般采用基于定子磁链定向矢量控制技术的PI 电流调节器．由于PI电流调节器的参数调节麻烦，且瞬态响应速度慢和控制带宽窄．因此，针对传统PI 电流调节器的上述缺点，提出基于双滞环电流矢量控制技术的电流调节器，通过大量的仿真研究证明了基于双滞环电流矢量控制技术的电流调节器具有非常快的瞬态响应速度和较宽的控制带宽，其动态性能优于基于定子磁链定向矢量控制技术的PI 电流调节器，可满足双馈风力发电机组对有功和无功功率快速调节的要求．

1 DFIG 建模

双馈风力发电机组的详细建模在大量的文献中已被研究［6］，在此仅介绍其数学模型的重要部分．根据电动机惯例，DFIG 在任意参考坐标系下的定、转子电压及磁链动态方程为［1］:

式中:v，i，ψ 为电压、电流及磁链矢量;R，L为电阻、电感;下标s，r，m表示定子、转子及激磁参数;ω 为任意参考坐标的电角速度;ωr为转子的电角速度．

对转子侧变换器来说最重要的变量是双馈风力发电机组的转子电压，为了导出转子电压的表达式，从式

(1)和式(2)中消除is、ψr，即可得转子电压vr的表达式:

式中:vr0为转子绕组开路时的开路电压，由定子磁链产生，并影响转子电流的动态性能;σ 为转子绕组的漏磁系数

在同步旋转坐标系下DFIG 通常采用定子磁链定向矢量控制技术，在忽略定子电阻的条件下，由式(1)和式(2)可得DFIG 发出的有功和无功功率表达式:

式中:Ss为DFIG 的定子复功率为定子电流矢量的共轭为定子的有功和无功功率;ird，irq为转子电流的d、q轴分量;ω1为同步电角速度．

2 电流调节器

2．1 PI 电流调节器

在同步旋转坐标系下，若DFIG 转子侧变换器采用定子磁链定向矢量控制技术，由式(3)可得DFIG 的转子电压矢量方程:

式中:上标dq表示同步旋转坐标系下的参数．

若DFIG 转子侧变换器的控制采用PI 电流调节器，式(5)可表示为:

图1 传统PI 控制的原理图Fig．1 Principle diagram of the traditional PI control

式中，kp，ki为PI 电流调节器的比例和积分系数．下标ref表示参考值．

DFIG 转子侧变换器采用定子磁链定向矢量控制技术，在传统PI 控制策略下的控制原理图如图1 所示．

2．2 双滞环电流矢量控制的电流调节器

滞环电流矢量控制技术最初应用于有源电力滤波器的控制，滞环电流矢量控制技术在工程应用中表现出诸多优越性能，例如快速的动态响应速度、硬件实施简单以及对系统参数变化具有很强的鲁棒性［10－12］．

为了分析基于双滞环电流矢量控制技术的电流调节器工作原理，在此引入三个开关函数Sa、Sb和Sc，可得转子侧变换器的8 种开关模式．由于转子侧变换器输出的各相电压取决于三相桥臂的总体状态SaSbSc．因此，可得转子侧变换器的开关状态及输出的对应电压如表1 所示(以Dc－link 的电压Vdc为基准)［11－12］．

为了消除相间影响，由此引入空间矢量．在静止正交的α－β 坐标系下，当α 轴线与a相轴线重合时，由表1 可得转子侧变换器输出的电压矢量:

表1 RSC 的开关状态及输出电压Tab．1 Switch state andoutput voltage of RSC

若考虑所有的开关状态组合，由(7)式可得转子侧变换器输出的8个离散电压矢量:

转子侧变换器输出的8 个离散电压矢量的空间分布及参考电压区间如图2 所示．

在转子参考坐标下，由式(3)可得DFIG 转子侧变换器的输出电压:

在忽略转子电阻的条件下，转子侧变换器输出的参考电压矢量可定义为:

图2 离散电压矢量的空间分布Fig．2 Spatial distribution of the discrete voltage vectors

由式(10)和式(11)可得简化的DFIG 转子电流误差矢量表达式:

由式(11)和式(12)分析可知，要完全消除转子侧变换器的电流跟踪误差，必精确计算出转子的参考电压矢量由于在工程应用中转子的开路电压vr0和参考电流的导数很难准确获取，所以不可能准确计算出转子的参考电压矢量．但在工程实践中并不需要计算转子的参考电压矢量，只需判断出转子参考电压矢量所处的空间位置，由此恰当地选择转子侧变换器输出的电压矢量来控制转子电流误差矢量的变化率，就可达到控制转子电流误差矢量的目的．因此，基于双滞环电流矢量控制技术的电流调节器的原理图如图3 所示．

由图2 可看出，基于双滞环电流矢量控制技术的电流调节器由三个部分组成:①外滞环比较器，其滞环带宽设计为δ+Δδ，由输出的状态值BaoBboBco确定转子参考电压v*r的空间位置，由此确定出转子侧变换器输出的最优电压矢量集;②内滞环比较器，其滞环带宽设计为δ，由其输出的状态值BaiBbiBci从外滞环比较器确定的最优电压集中选择最优电压作为转子侧变换器的输出电压矢量，用于跟踪转子参考电流;③开关状态选择表．另外，为了减少转子侧变换器的开关损耗，主动引入零电压矢量(v0/v7)以达到减少转子侧变换器平均开关频率的目的．基于双滞环电流矢量控制技术的电流调节器采用的开关状态选择表如表2 所示．

图3 基于双滞环电流矢量控制技术的电流调节器原理图Fig．3 Principle diagram of the current regulatorbased on the double hysteresis current vector control technology

3 仿真实验研究

表2 双滞环电流矢量控制的开关表Tab．2 Switch table of the double hysteresis current vector control

所提出的基于双滞环电流矢量控制技术的电流调节器具有快速的动态响应速度以及对系统参数变化具有很强的鲁棒性，为了验证其对双馈风力发电机组有功和无功功率具有快速调节能力的有效性．在Matlab/Simulink 仿真平台中构建了基于双滞环电流矢量控制技术的电流调节器的仿真模型，仿真用的双馈风力发电机组为2 MW 的商用机组，其主要参数如表3 所示．

双馈风力发电机组在t=3s前以单位功率因数稳定运行，q 轴转子电流参考值设定为0．2 p．u．为评估所提出的基于双滞环电流矢量控制技术的电流调节器的动态性能，在此对d、q 轴转子电流参考值阶跃变化进行了仿真研究，仿真采样时间为5×10－6s．设在t=3s时q轴转子电流参考值阶跃变化到0．55 p．u，且在t=4s时d轴转子电流参考值阶跃变化到0．5 p．u．在d、q 轴转子电流阶跃变化时双馈风力发电机组的a 相转子电流ira、d、q 轴转子电流ird，irq，有功和无功功率P，Q的动态响应波形如图4(a)、(b)、(c)、(d)所示．

表3 双馈风力发电机主要参数Tab．3 Main parameters of DFIG

图4 d、q 轴转子电流阶跃变化时的仿真波形Fig．4 Simulation waveform ofd and q axis rotor current step change

由图4(a)、(b)、(c)可看出，当d、q 轴转子电流发生阶跃变化时，双馈风力发电机组的a 相转子电流和d、q 轴转子电流都能很好地跟踪参考电流，没有出现任何超调，验证了基于双滞环电流矢量控制技术的电流调节器具有很好的参考电流跟踪能力，同时也验证了双馈风力发电机组具有快速的有功和无功功率的调节能力(见图4(d))．因此，基于双滞环电流矢量控制技术的电流调节器改善了双馈风力发电机组的动态性能．

4 结论

针对传统PI 控制的电流调节器参数调节麻烦且瞬态响应速度慢和控制带宽窄的缺陷，本文所提出的基于双滞环电流矢量控制技术的电流调节器具有硬件结构简单，仅需测量转子电流的瞬态值，变换器的门信号直接用开关表产生，取消了传统PI 控制的调制单元，使其具有内在的电流限制属性、非常快的动态响应速度和优良的参考电流跟踪能力，且对系统参数变化具有很强的鲁棒性，具有一定的商业化应用前景．

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