雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)控制及穩(wěn)態(tài)運(yùn)行研究

1、第44卷第5期2010年5月電力電子技術(shù)PowerElectronicsVol.44，No.5May，2010雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)控制及穩(wěn)態(tài)運(yùn)行研究徐鳳星1，2，劉連根2，盛建科2，佘（1湖南工業(yè)大學(xué)，湖南株洲岳2412001）412008；2株洲電力機(jī)車研究所有限公司，湖南株洲摘要：在考慮定子電壓動(dòng)態(tài)性能的情況下，對(duì)變速恒頻雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)空載并網(wǎng)及電網(wǎng)故障下運(yùn)行控制策略進(jìn)行了深入分析，并仔細(xì)推導(dǎo)了各控制器的設(shè)計(jì)依據(jù)。利用電網(wǎng)電壓定向的矢量控制及分段改變轉(zhuǎn)子電流的參考值的方法實(shí)現(xiàn)該并網(wǎng)控制，其主要目的是降低并網(wǎng)時(shí)定子的沖擊電流。在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，考慮了定子電流動(dòng)態(tài)性能的要求，進(jìn)一步提高了向電網(wǎng)輸入

2、電能的質(zhì)量和低電壓穿越能力。最后對(duì)整個(gè)并網(wǎng)過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果證明了該控制策略的正確性與有效性。關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)；變流器；電網(wǎng)故障；并網(wǎng)控制中圖分類號(hào)：TM315文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1000-100X（2010）05-0006-02ResearchoftheConnected-gridControlandSteady-stateOperationoftheDoubly-fedWindPowerGeneratorXUFeng-xing1，2，LIULian-gen2，SHENGJian-ke2，SHEYue2（1.TechnologyofHunanUniversity，Zhuzhou4

3、12008，China；2.InstituteofZhuzhouElectricLocomotive，Zhuzhou412001，China）Abstract：Inconditionofconsideringthedynamicperformanceofstatorvoltage，theno-loadconnected-gridandgridfaultcontrolstrategyoftheVSCFdoubly-fedwindgeneratorareanalyzed，andthedesignproofsofthecontrollersarecarefullyderivedfromthemath

4、ematicalmodel.Thegridvoltage-orientedvectorcontrolandtimelythechangeofthereferencevalueofrotorcurrentareemployedtocompletethecontrolstrategy.Themainpurposeofcontrolstrategyistoreducetheimpactofthestatorcurrent.Duringthesteady-state，takingthedynamicpropertiesofstatorcurrentintoaccount.Thequalityofthe

5、powerintothegridisimprovedandthelow-voltagethroughcapacityisincreased.Whilethesimulationandtestresultshaveverifiedthecorrectnessandeffectivenessofthecontrolstrategy.Keywords：windpowergenerator；converter；gridfault；connected-gridcontrolFoundationProject：SupportedbyNational863HighTechnologyPlan（No.2008

6、AA05Z410）1引言雙饋風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是應(yīng)用最廣泛的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)之一。雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)為定子繞組直接接入交流電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組由頻率、幅值、相位可調(diào)的變流器提供三相低頻勵(lì)磁電流的新型電機(jī)，該電機(jī)在轉(zhuǎn)子中形成一個(gè)低速旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，其旋轉(zhuǎn)速度與轉(zhuǎn)子的機(jī)械轉(zhuǎn)速相加等于定子磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速，從而在發(fā)電機(jī)定子繞組中感應(yīng)出工頻電壓。該發(fā)電機(jī)具有功率因數(shù)可調(diào)、效率高、變頻器容量小等優(yōu)點(diǎn)1。但目前相關(guān)研究主要集中在基于定子磁鏈定向雙饋電機(jī)有功功率和無(wú)功功率的解耦控制上2-3，對(duì)電網(wǎng)電壓定向的并網(wǎng)研究很少。文獻(xiàn)4在忽略定子電壓動(dòng)態(tài)性能條件下對(duì)電網(wǎng)電壓定向的并網(wǎng)進(jìn)行了研究。目前，風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)主要有直接并網(wǎng)和降壓并網(wǎng)。而

7、直接并網(wǎng)又分為負(fù)載并網(wǎng)和空載并網(wǎng)，負(fù)載并網(wǎng)的特點(diǎn)是并網(wǎng)前發(fā)電機(jī)參與原動(dòng)機(jī)的能量控制，定子有電基金項(xiàng)目：國(guó)家863高技術(shù)基金項(xiàng)目（2008AA05Z410）定稿日期：2009-11-25作者簡(jiǎn)介：徐鳳星（1983-），男，安徽亳州人，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)。流，并網(wǎng)控制所需要的信息不僅要取自電網(wǎng)側(cè)，而且還要取自定子側(cè)，控制策略較為復(fù)雜；空載并網(wǎng)使用設(shè)備少，并網(wǎng)前發(fā)電機(jī)不參與原動(dòng)機(jī)的能量控制，定子電流為零，所以控制方程可以降階，簡(jiǎn)化算法。在考慮定子電壓動(dòng)態(tài)性能的情況下，對(duì)變速恒頻雙饋型風(fēng)力發(fā)電空載并網(wǎng)及電網(wǎng)故障下運(yùn)行控制策略進(jìn)行了深入分析，利用電網(wǎng)電壓定向的矢量控制及分段改變轉(zhuǎn)子

8、電流的參考值的方法實(shí)現(xiàn)該并網(wǎng)控制，并對(duì)整個(gè)并網(wǎng)過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果驗(yàn)證了該控制策略的正確性與有效性。2考慮并網(wǎng)后電網(wǎng)故障下運(yùn)行控制方案在電網(wǎng)電壓恒定的情況下，電網(wǎng)電壓定向和電網(wǎng)磁鏈定向這兩種傳統(tǒng)矢量控制方案均可使雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在變速恒頻運(yùn)行中獲得良好的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能5。但在電網(wǎng)電壓故障情況下，雙饋感應(yīng)電機(jī)（DoubleFedInductionGenertor，簡(jiǎn)稱DFIG）簡(jiǎn)化模型的前提己不存在，故以此基礎(chǔ)導(dǎo)出的兩種矢量控制方案的有效性也會(huì)受到影響。所以應(yīng)依據(jù)DFIG精確模型，對(duì)兩種傳統(tǒng)矢量控制方案進(jìn)行改進(jìn)，以提高轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變換器對(duì)DFIG轉(zhuǎn)子電流控制能力，從而提高整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

9、在電網(wǎng)電壓故6障下不間斷運(yùn)行的能力。兩相同步旋轉(zhuǎn)d，q坐標(biāo)系下DFIG的數(shù)學(xué)模型可表示為：!sd=Lsisd+Lmird，sq=Lsisq+Lmirq（1）!rd=Lmisd+Lrird，rq=Lmisq+Lrirqusd=Rsisd+psd-1sq，usq=Rsisq+psq+1sdurd=Rrird+prd-s，u（2）rqrq=Rrirq+prq+srd式中：s為d，q坐標(biāo)系相對(duì)于轉(zhuǎn)子的角速度，s=1-r，r為對(duì)轉(zhuǎn)子的位置角r取微分得到轉(zhuǎn)子的電角速度；Lm為d，q坐標(biāo)系同軸定、轉(zhuǎn)子繞組間的等效互感，Lm=1.5Lms，Lms為定子繞組交鏈的最大互感磁通對(duì)應(yīng)的定子互感；Ls為d，q坐標(biāo)系兩

10、相定子繞組的自感，Ls=Lss+1.5Lms；Lr為d，q坐標(biāo)系兩相轉(zhuǎn)子繞組的自感，Lr=Lrr+1.5Lmr，Lmr為與轉(zhuǎn)子繞組交鏈的最大互感磁通對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子互感，Lms=Lmr。將式（1）代入式（2）中的微分項(xiàng)，并整理可得：&urd=Rrird+"Lr-Lm2/"+%（usd-(Ls#dird/dt$Lm/Ls$Rsisd+urq=Rrirq+"1sq-rqLss/Lm）Lr-Lm2/Ls$"dirq/dt$+"Lm/Ls$（u（3）sq-)(Rsisq-1sd+rdLss/Lm）式（3）可作為變速恒頻風(fēng)力發(fā)電DFIG穩(wěn)態(tài)并網(wǎng)后電流內(nèi)

11、環(huán)控制器設(shè)計(jì)依據(jù)。這種基于電網(wǎng)電壓定向的運(yùn)行控制策略，在轉(zhuǎn)子電壓補(bǔ)償?shù)臈l件下，實(shí)現(xiàn)了有功和無(wú)功功率解耦控制。3雙饋發(fā)電機(jī)空載并網(wǎng)控制方案空載并網(wǎng)方式是在并網(wǎng)前發(fā)電機(jī)不帶負(fù)載，不參與能量和轉(zhuǎn)速的控制，完全由原動(dòng)機(jī)來(lái)控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速。并網(wǎng)時(shí)由于定子端電壓受控，使其等于電網(wǎng)電壓。并網(wǎng)后需切換到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行控制策略。空載并網(wǎng)前，其定子側(cè)開(kāi)路，存在isd=0，isq=0，Te=0的約束關(guān)系。Te為發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，將此約束關(guān)系代入式（1）得：sd=Lmird，sq=Lmirq，rd=Lrird，rq=Lrirq（4）將約束關(guān)系和式（1）代入式（2）得：&(usd=Lm%dird/dt#-1Lmirqu

12、sq=Lmdirq/dt#+1Lmird)(urd=Rrird+Lr%dird/dt#-（5）sLrirqurq=Rrirq+Lr%dirq/dt#+sLrird如果采用電網(wǎng)電壓定向，則usd=Us，usq=0，Us為電網(wǎng)的幅值。為了提高并網(wǎng)過(guò)程對(duì)定子側(cè)電壓動(dòng)態(tài)性要求，進(jìn)一步提高并網(wǎng)質(zhì)量。由式（5）中前兩行得：usd=Lm%dird/dt#-1Lmirq，usq=Lm%dirq/dt#+1Lmird（6）解式（6）可得：irq=-us/（1Lm），ird=0（7）此解主要作為在電網(wǎng)電壓相位同步時(shí)的轉(zhuǎn)子電流指令值，完成電網(wǎng)電壓的相位與發(fā)電機(jī)定子輸出電壓的相位一致。由式（6）可見(jiàn)電網(wǎng)電壓d，q軸分

13、量可以由轉(zhuǎn)子電流d，q軸分量經(jīng)過(guò)一個(gè)PI調(diào)節(jié)器而得，所以可以選擇如下控制器電流方程：!irq=%kp+ki/s#%usd_ref-usd#ird=%kp+ki/s#%usq_ref-usq#（8）式中：usd_ref，usq_ref分別為電網(wǎng)電壓的d，q軸分量的參考值；usd，usq分別為定子輸出電壓d，q軸分量；kp，ki分別為PI調(diào)節(jié)器比例放大系數(shù)、積分系數(shù)。由上式為電壓外環(huán)的設(shè)計(jì)依據(jù)，這時(shí)計(jì)算得到的ird，irq為電網(wǎng)電壓幅值同步時(shí)的轉(zhuǎn)子電流指令值。由式（5）后兩行可得：!urd=Rrird+Lrdird/dt-sLrirqu（9）rq=Rrirq+Lrdirq/dt+sLrird上式為

14、電網(wǎng)電壓定向的雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)力發(fā)電機(jī)空載并網(wǎng)前DFIG轉(zhuǎn)子電流內(nèi)環(huán)控制器的設(shè)計(jì)依據(jù)。4鎖相環(huán)PLL原理因采用了電網(wǎng)電壓定向的矢量控制，需準(zhǔn)確獲取電網(wǎng)電壓相位信息，最簡(jiǎn)單的方法是捕獲電網(wǎng)電壓的過(guò)零點(diǎn)，但該方法容易受到干擾，僅適用于理想電網(wǎng)條件。圖1示出系統(tǒng)所采用的三相鎖相環(huán)方法。首先通過(guò)坐標(biāo)變換將三相電壓轉(zhuǎn)換到d，q坐標(biāo)系下，為使d軸分量與電壓矢量相同，設(shè)定q軸電壓參考值uLq_ref=0，將q軸電壓偏差值經(jīng)PI調(diào)節(jié)器輸出得到頻率，再經(jīng)積分環(huán)節(jié)得到角度。當(dāng)電網(wǎng)電壓中只存在基波分量時(shí)，其d，q坐標(biāo)系下穩(wěn)態(tài)值為直流量，通過(guò)控制使q軸分量為零，可實(shí)現(xiàn)相位鎖定。當(dāng)電網(wǎng)電壓q軸分量恒為零時(shí)，鎖相已準(zhǔn)確鎖定

15、了電網(wǎng)電壓相位。由于鎖相環(huán)內(nèi)部采用閉環(huán)結(jié)構(gòu)，可有效抑制電網(wǎng)擾動(dòng)對(duì)相位檢測(cè)帶來(lái)的干擾。因此，該方法也適用于電網(wǎng)電壓質(zhì)量較差的情況。5實(shí)驗(yàn)結(jié)果搭建背靠背變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)平臺(tái)，采用雙DSP（TMS320LF2812）結(jié)構(gòu)的控制電路，一個(gè)控制網(wǎng)側(cè)變流器，另一個(gè)控制轉(zhuǎn)子側(cè)變流器，發(fā)電機(jī)并網(wǎng)控制由轉(zhuǎn)子側(cè)變流器DSP來(lái)實(shí)現(xiàn)，發(fā)電機(jī)為兩臺(tái)1.65MW雙饋異步發(fā)電機(jī)，左側(cè)為原動(dòng)機(jī)模擬現(xiàn)場(chǎng)的風(fēng)力，右側(cè)為發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)供電，系統(tǒng)框圖如圖2。轉(zhuǎn)子側(cè)變流器并網(wǎng)過(guò)程分3步：定子電壓相位同步過(guò)程，在該階段根據(jù)轉(zhuǎn)子電流指令跟蹤電網(wǎng)相位，一般經(jīng)過(guò)34周波即可完全同步；切換轉(zhuǎn)子電流指令值，進(jìn)入電網(wǎng)電壓幅值同步過(guò)程；檢測(cè)定子接觸

16、器狀態(tài)，如果正確，則合上定子（下轉(zhuǎn)第22頁(yè)）第44卷第5期2010年5月電力電子技術(shù)PowerElectronicsVol.44，No.5May，2010的調(diào)制信號(hào)與載波比較產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)序列，中間小矢量作用時(shí)間減小，首尾小矢量作用時(shí)間加長(zhǎng)。在正序調(diào)制電壓中加入零序參考電壓U0后，最終的調(diào)制電壓可以表示為：況下，兩個(gè)母線電容的電壓實(shí)驗(yàn)波形，可見(jiàn)，電容電壓得到了控制。圖6b示出電容值分別為2200F，1100F時(shí)的空載實(shí)驗(yàn)波形，可見(jiàn)，當(dāng)加中點(diǎn)平衡控制后，直流側(cè)兩個(gè)電容輸出電壓差別減小，母線上下電容電壓保持了很好的平衡性。ua=Mcost+u0，ub=Mcos（t-2/3）+u0（3）uc=Mcos（

17、t+2/3）+u0對(duì)于三相三線系統(tǒng)，在三相a，b，c坐標(biāo)下，逆變器三相輸出電壓同時(shí)增加或者減小一個(gè)零序電壓不會(huì)影響負(fù)載的線電壓。"5結(jié)語(yǔ)三電平逆變器與兩電平逆變器相比具有很多優(yōu)點(diǎn)，但中點(diǎn)電位不平衡是三電平的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一個(gè)固有問(wèn)題。針對(duì)這一問(wèn)題，分析了中點(diǎn)電壓不平衡的根本原因，提出了一種基于零序電壓注入實(shí)現(xiàn)電壓平衡控制方法，給出了零序電壓的選擇原則。該方法通過(guò)選擇合適的零序電壓，改變?nèi)哂嘈∈噶康淖饔脮r(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)中點(diǎn)電位，具有控制方法簡(jiǎn)單、魯棒性強(qiáng)的特點(diǎn)。仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能獲得很好的中點(diǎn)平衡能力。4仿真與實(shí)驗(yàn)采用Matlab/Simulink對(duì)所提出的中點(diǎn)電位平衡方法進(jìn)行了仿真，

18、結(jié)果證明中點(diǎn)平衡控制后兩電容電壓很快得到有效控制?；谒兄频娜娖酱蠊β誓孀兤鞯膶?shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)控制方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。主回路主要包括變壓器、整流橋、功率單元和預(yù)充電電路。系統(tǒng)控制回路由DSP控制板與PLC可編程控制器、驅(qū)動(dòng)電路和檢測(cè)電路組成。驅(qū)動(dòng)電路與主電路之間通過(guò)光纖進(jìn)行信號(hào)的傳輸。圖6示出實(shí)驗(yàn)波形。參考文獻(xiàn)12周京華，周皓，袁奎星，等.三電平大功率通用變頻的研正，等.基于零序電壓注入的三電平制J.電力電子技術(shù)，2008，42（4）：15-17.孟永慶，沈傳文，劉中點(diǎn)箝位整流器中點(diǎn)電位控制方法的研究J.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，27（10）：92-97.3宋強(qiáng)，劉文華，嚴(yán)干貴，等.基于零序電壓注入的三電平NPC逆變器中點(diǎn)電位平衡控制方法J.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2004，24（5）：57-62.4周京華，沈傳文，蘇彥民.多電平逆變器不連續(xù)空間矢量調(diào)制策略的研究J.電力電子技術(shù)，2005，39（5）：15-17.!接觸器，接著切換轉(zhuǎn)子電流的參考值，雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)力發(fā)電空載并網(wǎng)系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)與7（上接第頁(yè)）圖6a示出兩電容值都為2200F及加負(fù)載情實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤。圖3示出并網(wǎng)階段的實(shí)驗(yàn)波形。電網(wǎng)間是柔性連接關(guān)系。在變速情況下，可迅速控制發(fā)電機(jī)定子電壓使其滿足并網(wǎng)條件，實(shí)現(xiàn)在器件可接受的沖擊電流條件下并網(wǎng)。在控制方案中考慮定子電壓