基于滞环转子位置观测器的DFIG直接功率控制

赵梅花，郑 鹏，李广伦，孙南海

(洛阳理工学院 电气工程与自动化学院，河南 洛阳，471023)

基于滞环转子位置观测器的DFIG直接功率控制

赵梅花，郑 鹏，李广伦，孙南海

(洛阳理工学院 电气工程与自动化学院，河南 洛阳，471023)

文章提出一种滞环转子位置观测器获得转子位置角，实现双馈感应发电机(DFIG)无速度传感器条件下的矢量控制。通过调节实际转子电流ir与估算转子电流ir的相位偏差来估算转子位置，不需要调节控制器参数，且观测精度对电机参数的变化不敏感；将设计的转子位置观测器用于DPC控制策略，并用实验验证了所提方案的正确性。

双馈感应发电机；滞环转子位置观测器；无速度传感器；直接功率控制

无速度传感器技术不需要安装转子位置传感器，适合在恶劣环境下工作，可靠性高。该技术在双馈风力发电机(Doubly-fed induction generator, DFIG)的控制中深受国内外学者关注[1]。

文献[2]提出了用定子、转子侧励磁电流估算转子位置和速度的无速度传感器控制方案。该方法适用于DFIG由定子、转子双边励磁的工作状态。文献[3]提出模型参考自适应转子位置观测器，采用PI调节器作为控制器，转子位置估算精度受PI参数和电机参数影响，且文献[3]在坐标系下用定子磁链估算转子电流，定子磁链的估算偏差将直接影响转子电流的估算精度，进而影响观测器的观测精度。

1 DFIG数学模型

DFIG在同步旋转坐标系下电压和磁链矢量方程为

(1)

(2)

式中，下标“s”表示定子，“r”表示转子;us,ur,is,ir,ψs,ψr分别为定子、转子电压、电流、及磁链矢量；Lm,Ls,Lr分别为定、转子同轴等效绕组间的互感、定子等效两相绕组的自感和转子等效两相绕组的自感；ω1为电网电压同步旋转角频率，ωs为转子转差角频率。

将式(1)-(2)写成d、q分量形式得

(3a)

(3b)

(4a)

(4b)

2 基于转子电流的转子位置估算原理

2.1 dq坐标系下转子电流估算模型

在dq坐标系下，采用定子电压矢量us定向时有

(5)

式中Us为定子电压合成矢量us的幅值。

忽略式(3a)中定子磁链的动态过程，即可认为dψsd/dt=dψsq/dt=0。忽略Rs，将式(5)代入式(3a)得

(6)

将式(6)代入式(4a)得

(7)

(8)

式(8)中影响估算精度的主要因素是Ls/Lm。

2.2 转子位置偏差函数εr的构建

转子位置观测器设计的核心是转子位置偏差函数εr，依据εr调节θr。εr构建方程式为

(9)

(10)

3 滞环转子位置观测器

提出的HC转子位置观测器结构如图1所示。

图1 HC控制观测器结构Fig.1 Schematic of observer based on HC controller

控制器的滞环宽度设为H，其大小影响控制器的控制精度，滞环控制规律为：

(11)

4 基于HC观测器的SVM-DPC策略

将提出的HC转子位置观测器应用于文献[4]提出的SVM-DPC策略，得如图2所示的基于HC检测装置的SVM-DPC策略。

图2 基于HC观测器的SVM-DPC策略框图Fig.2 SVM-DPC based on HC observer

5 实验及结果分析

为验证本文所提控制策略的正确性，搭建了如图3所示的双馈风力发电系统实验平台。

图3 双馈风力发电系统实验平台结构Fig.3 The structure of DFIG wind power generation system

图4 HC观测器起动时瞬态波形Fig.4 Transient response of HC detector at starting

稳态波形

b)H=0时稳态波形

c)H=2时稳态波形图5 H变化对观测器精度的影响Fig.5 Position error produced by the variation H

图6 穿越同步转速动态运行Fig.6 Rotor position and current dynamic operation across synchronous speed

改变DFIG的输入转矩，使DFIG转速nr从1300r/min上升到1700r/min。图6为DFIG从亚同步1300r/min到超同步1700r/min过度时运行在同步转速1500r/min附近时波形。图6可看出，DFIG从亚同步到超同步运行穿越同步转速的动态过程中，转子电流很小，但观测器仍能获得准确的转子位置，验证了转子电流的幅值不影响观测器精度的理论分析。

稳态波形

稳态波形图7 电机参数变化对估算精度的影响(K=Ls/Lm)Fig.7 Position error produced by the variation K

图7验证电机参数(K=Ls/Lm)变化对观测器精度的影响。实验表明：当ΔK在[-35%K,+35%K]区间变化时对估算精度没有明显影响。验证了HC观测器对电机参数变化不敏感的分析。

a)有功突变波形

b)无功突变波形

c)功率因数调节波形图8 SVM-DPC功率响应波形Fig.8 Step response to active and reactive power of SVM-DPC.

图8为DFIG在转速n=1000r/min，运行于SVM-DPC直接功率控制模式下的有功和无功功率动态响应波形。当有功和无功功率给定值发生突变时，其瞬时值均能快速跟随给定值(图8a、8b)，当无功功率改变时，能实现定子功率因数的快速调节(图8c)；由图8还可看出：DFIG定子输出功率突变的瞬间θr-error均为零，观测器均能正常估算转子位置。

6 结论

文章提出了基于HC的DFIG转子位置观测器，并对其性能进行了分析和讨论。通过实验得出以下结论：

1)HC检测装置能在DFIG允许运行速度范围内的任何工况下稳定工作；

2)HC检测装置的检测精度对电机参数K=Ls/Lm的变化不敏感。

3)将检测装置应用于SVM-DPC策略，能实现定子有功和无功功率的解耦控制及功率因数的任意调节，具有快速的动态响应能力和稳态特性。

综上所述，HC检测装置结构简单，易于实现，能获得和有速度传感器同样的控制性能。

[1]PENRA R.Sensorless control of doubly-fed induction generators using a rotor-current-based MRAS observer [J].IEEE Trans on Industrial Electronics ,2008 ,55(1):330-339.

[2]IWANSKI G,KOCZARA W.Sensorless stand-alone variable speed system for distributed generation [J].IEEE Power Electron.Spec.Conf.,2004,3:1915-1921.

[3]张凤阁,金 石,张 武.基于无速度传感器的无刷双馈风力发电机直接转矩控制[J].电工技术学报,2011,26(12),pp:20-25.

[4]赵梅花，阮毅，宋文祥，等.DFIG 的SVM-IPC与SVM-DPC比较[J].电机与控制学报.2014(9):68-73.

Direct power control of doubly-fed induction generator based on hysteresis rotor position detector

ZHAO Meihua,ZHENG Peng,LI Guanglun,SUN Nanhai

(School of Electrical Engineering and Automation,Luoyang Institute of Science and Technology，Luoyang 471023,China)

A hysteresis rotor position detector was presented to obtain rotor position of doubly-fed induction generator(DFIG)in order to implement sensorless vector control on DFIG.The detector estimated rotor position and speed by adjusting the phase deviation between actual rotor current and estimated rotor current.It does not need parameter determination for the controllers and shows a considerable independence of motor parameters.The detector structure is relatively simple and easy to achieve.The observer is applied to the direct power control based on space vector modulation to verify feasibility.The experiment results show that the control strategy is feasible and efficient.

doubly-fed induction generator;hysteresis rotor position detector;speed sensorless；direct power control

1672-7010(2017)04-0044-06

2017-05-22

国家自然科学青年基金项目(51407124);河南省高等学校重点科研项目(16A470012)

赵梅花(1966-),女，河南洛阳人，副教授，博士，从事新型电力电子变换及新能源发电控制技术研究

TM46

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