电网电压不平衡条件下双馈电机转子侧功率控制

杨立永，岳彦哲（北方工业大学，北京 100041）

电网电压不平衡条件下双馈电机转子侧功率控制

杨立永，岳彦哲
（北方工业大学，北京 100041）

本文提出了一种新型的补偿控制策略，能够提高电网不平衡下双馈电机的动态性能，有效减小有功功率和无功功率的波动。论文对转子侧变换器（Rotor-side converter—RSC）正序旋转坐标系下d轴电压进行定向，因不需要双矢量控制，所以提出的控制方法简单、可靠。这种方法具体实施在RSC中，在电网工作在不同功率情况下，提高了RSC运行能力，同时减弱对电机的损伤。本文最后通过Matlab/Simulink仿真和4kW双馈异步电机实验平台对所提出的控制策略进行验证。仿真和实验结果吻合，都能够达到所需要求。

DFIG；电网电压不平衡；RSC；锁相环；功率控制

0　简介

能源一直是全球各个国家的生存和发展的基础。随着能源的利用，化石燃料的弊端也越来越凸显。风能作为清洁能源，其拥有的诸多优点也备受重视。双馈风力电机（Double-fed Induction generator，DFIG）自身的优越性在于能够通过转子侧变流器对电网功率实施控制，通过有功功率控制实现最大风能捕捉，通过无功功率来满足电网无功需求［1］。

在双馈风力发电机转子侧中，控制策略最多应用的就是双矢量变速恒频控制，定子连接电网，转子通过AC-DC-AC变流器连接，控制转子的电流幅值，相位和频率。而这只是对三线三相制电网电压平衡状态下的控制，因此不存在零序和负序分量。如今，多数研究的是不平衡电网下的运行控制策略。但实际的情况是电网不平衡状态下为更频繁，很小的不平衡电压将造成定转子电流的高度不平衡，使得定转子绕组产生不平衡发热，发电机转矩产生脉动，导致输向电网的功率发生震荡［2］。

文献［3，4］对转子侧的改进算法也得到了优化控制等，用改进锁相角的方法和补偿脉动量的矢量控制来减小DFIG转子谐波含量、电磁转矩和有功无功的波动。

在电网不平衡下，在文献［5，6］中提出的正负序解耦分离分别控制。实现对转子正负序电流的独立跟踪控制，有效提高其在电压不平衡下的风力机的运行能力，提高了风电机组的不间断运行能力。

一些提高动态性能和实现简单控制，文献［2］和［7］在电流控制环中引入谐振控制器，构成比例谐振控制器或者是比例积分控制器来替代PI调节器，无需对电网不平衡导致的二倍频分量进行分离控制，具有优良的动态调节性能。

本文提出了在不平衡电网电压下简单的控制策略，内环只用电流环对有功无功进行控制，功率的扰动补偿在正旋转坐标系下并用定子电压定向的方式控制。不需要双PI和正负序解耦控制影响系统的动态性能。使转子侧的电网有功无功功率的扰动减弱，降低了对电机的损伤。控制方法在Simulink中仿真，并用4kW绕线式异步电机作为模型。实验验证所用的电机是4kW双馈实验平台。本文系统图和转子侧控制结图分别如图1和2所示。

1　转子侧建模

图1　系统结构图

图2　转子侧控制结构图

不平衡状态下，除产生的瞬时平均有功功率、平均无功功率外，还有二倍脉动成分［8］。双馈系统中转子侧的控制策略减少有功功率和无功功率、转矩和网侧电流等等的二倍频波动。传统的转子侧控制策略包括双闭环PI控制器，本文提出的一种简单的控制只需要2个PI就能消弱不平衡导致的震荡。不平衡状态下，定子电压Vs的空间矢量表示为（在一般的三相三线制忽略零序电流）

在平衡电网电压下，dq轴坐标下的定子有功功率和无功功率表示为

而在不平衡电网下，定子侧有功功率和无功功率是稳态状态和二倍频状态的和，表示为

在平衡电网电压下，由于定子电压定向，所以q轴定子电压为零。然而，在不平衡电网条件下，由于存在二倍频波动，则q轴电压不为零。则imsd就不为零。由上述不平衡公式（1）～（3）可得（4），能够有效抑制有功功率和无功功率的二倍频波动。而且补偿了参考电流的二倍频波动带来的系统影响。

因此，可得（5）

令：

稳态运行条件下：

此时可得定子磁链的方程：

在忽略定子电阻时，得到表达式

由正负序分量的定子磁链方程

因此，转子电流给定参考由定子磁链和定子参考电流可得

为了得到预期稳定有功功率和无功功率与减少其二倍频的震荡，需要得到转子侧波动补偿，也就是将负序电流补偿到正序电流的策略中，因此所需的表达式

转子侧电压方程为

如上述方程，涉及dq轴的耦合项是对转子侧控制的前馈补偿。能够降低控制的转矩和功率震荡。

2　系统锁相环

一般的软件PLL锁相环只适用于电网电压中仅含有基波正序分量的理想情况［9］。当电网电压不平衡时，q轴的正序旋转坐标系中不仅仅还有正序分量，还有二倍频波动的负序交流量。使常规的PLL中的PI调节无法实现调节，从而不能跟踪所需的频率和相位。

1/4锁相即先将定子侧电压3/2变换到两相静止坐标系下（不平衡电网电压下双馈风电系统的控制研究），将矢量延迟四分之一个周期后，通过与原矢量的加减运算来实现矢量的正负序分离。然后，将q轴正序基波分量再进行锁相，如图3所示。

图3

3　仿真结果验证

为了验证上述提出的控制算法，应用Matlab/Simulink软件搭建双馈电机仿真模型。仿真中在0.4 s～0.5 s中A相电压发生20%的电压跌落时，在未采取功率补偿方法时，电网电压不平衡导致其存在负序分量，在传统控制策略中反应为定子侧输出有功功率和无功功率存在二倍频分量，如图4所示。仿真中给定有功功率Ps=0.2 p.u.，无功功率Qs=0p.u.，在0.4s～0.5s时，A相电压发生跌落，并且有功功率和无功功率上下波动40%。

当采取功率补偿方法时，A相电压跌落20%时，从图5可以看出，有功功率和无功功率波动减小20%左右，进而可以得到功率补偿控制方法可以有效地减少电网电压不平衡时剧烈波动的影响。

图4　未补偿仿真图

图5　补偿后仿真图

4　实验结果验证

通过实验进一步验证所提出的功率补偿控制方法，实验平台如图6所示。实验中，当未采用功率补偿策略，在A相发生电压跌落时，从图7中可以看出，有功功率和无功功率变化有剧烈的震荡。

从仿真和实验结果可以看出，所提出的功率补偿控制方法，能够有效地减少二倍频震荡的影响。

图6　双馈异步电机实验平台（RSC）

搭建的实验平台主要部分为：呈对拖结构的4kW的绕线式异步电机与伺服电机、DSP28335控制板、WEINVIEW触摸屏和安川变频器。实验中的A相跌落14%左右是由定子供电电压A相串接10Ω电阻组建的。图7和图8分别为未采用补偿控制和采用这种控制策略的实验波形图。其中示波器1通道为A相相电压，示波器通道2、3分别为电网的有功功率和无功功率。有功功率和无功功率实验中参数设置分别为2kW和0kVar。未补偿导致的有功功率和无功功率波动30%左右。而补偿后的有功功率和无功功率波动14%左右。因此，新型控制目标能够减少功率控制的波动，实验结果得到了验证，具有可行性。

图7　未补偿实验图

图8　补偿实验图

5　结论

本文针对电网电压工作在不平衡状态下双馈异步风力发电机转子侧功率两倍频的影响，提出一种新的功率补偿控制方法来减小有功和无功功率的两倍频震荡。同时，对系统电压锁相环进行改进，提高了系统的动态响应速度，增强系统工作在不平衡电网电压状态下的运行能力，并为控制策略提供了可靠旋转变换角度。在系统控制方法中仅仅对电流内环进行控制，可降低系统的控制复杂度。最后，用Matlab/Simulink仿真和搭建的实验平台均验证了所提出的功率补偿方法可行性，此方法可减少功率波动的影响。单相跌落后对有功功率和无功功率都有一定的优化控制，以减弱其波动。

［1］陈思哲，章云，吴捷，等.不平衡电网电压下双馈风力发电系统的比例-积分-谐振并网控制［J］.电网技术，2012，36（8），62-68.

［2］胡家兵，贺益康，王宏胜.不平衡电网电压下双馈感应发电机转子侧变换器的比例-谐振电流控制策略［J］.中国电机工程学报，2010，30（6），48-56.

［3］赵帅央，葛宝明，毕大强.电网电压非平衡状态下双馈发电机转子侧变换器的改进控制策略［J］.电力系统保护与控制，2010，38（19），10-16.

［4］刘盟伟，徐永海.不平衡电网电压下双馈电机的协调控制策略［J］.电机与控制应用，2011，38（1），33-37.

［5］陈思哲，张淼，吴捷.不平衡电压下双馈电机的正负序直接电压控制［J］.太阳能学报，2012，33（7），1080-1087.

［6］胡家兵，贺益康，郭晓明，等.不平衡电压下双馈异步风力发电系统的建模与控制［J］.电力系统自动化，2007，31（14），47-56.

［7］ Van-Tung Phan，Hong-Hee Lee，and Tae-Won Chun. An Effective Rotor Current Controller for Unbalanced Stand-Alone DFIG Systems in the Rotor Reference Frame［J］.Journal of Power Electronics，2010，10（6），724-732.

［8］刘晋，张一工，贾俊川.电网电压不平衡条件下双馈风力发电系统控制策略［J］.现代电力，2013，3（5），19-24.

［9］贺益康，胡家兵，徐烈.并网双馈异步风力发电机运行控制［M］.北京：中国电力出版社，2012：176.

审稿人：宫海龙

PowerControlforRotor-Side Converterof Double-fed Induction GeneratorUnderUnbalanced Grid Voltage Conditions

YANGLiyong1，YUEYanzhe2
（North China University of Technology，Beijing 100041，China）

This paper presents a novel compensation control strategy.This strategy can improve dynamic performance of the doubly fed induction generator under the unbalanced power grid andcan reduce the active power and reactive power fluctuate.Rotor-side converter-RSC is implemented in positive d reference frame using stator voltage vector control.This kind of control strategy is no need for dual vector control，so it is simple and reliable.This method is used in the RSC.The focus is improved the ability of fault ride-through and decrease the damage of machine for different power demand of the grid.In order to test and verify this control strategy，model of matlab/simulink and 4kW DFIG experimental platform are built.The simulation and experimental results are to meet the required requirements.

DFIG；unbalanced grid voltage；RSC；PLL；power control

TM301.2

A

1000-3983（2016）04-0006-04

2015-05-04

杨立永（1974-），男，2006年毕业于北京科技大学，控制理论与控制工程博士，主要从事电机控制技术和电力电子技术等方面研究，副教授。