不平衡電網(wǎng)電壓下雙饋電機(jī)的協(xié)調(diào)控制策略

劉盟偉， 徐永海

(華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206)

0 引言

近年來，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)在全球得到了迅猛發(fā)展，也出現(xiàn)了許多形式的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。其中，由雙饋感應(yīng)電機(jī)(Doubly Fed Induction Generator，DFIG)構(gòu)成的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在兆瓦級風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用成為了研究熱點。目前，關(guān)于DFIG變換器控制策略的研究多建立在電網(wǎng)電壓平衡的基礎(chǔ)上［1-4］，而實際系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓不平衡是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)常會遇到的問題，如果在電網(wǎng)電壓不平衡條件下沒有采用相應(yīng)的不平衡控制措施，則會造成雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的不正常運(yùn)行狀態(tài)［6-7］，主要表現(xiàn)在:三相繞組發(fā)熱不平衡，嚴(yán)重時會引起過流;有功功率、無功功率及電磁轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)2倍頻脈動，從而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，脈動的電磁轉(zhuǎn)矩還會產(chǎn)生噪聲，損壞發(fā)電機(jī)的機(jī)械部件等。

文獻(xiàn)［8-10］研究了在電網(wǎng)電壓不平衡條件下雙饋發(fā)電機(jī)變換器轉(zhuǎn)子側(cè)與網(wǎng)側(cè)的控制策略，且都采用了雙電流控制，即在正序同步參考坐標(biāo)系和負(fù)序同步參考坐標(biāo)系中分別對正序分量和負(fù)序分量進(jìn)行控制，該控制系統(tǒng)設(shè)計相對容易，但需要檢測電壓、電流中的負(fù)序分量，使得系統(tǒng)較為復(fù)雜。文獻(xiàn)［11-12］提出了在正序同步坐標(biāo)系下運(yùn)用比例諧振調(diào)節(jié)器，實現(xiàn)對無功功率和轉(zhuǎn)矩脈動的抑制。該方法結(jié)構(gòu)簡單，但只是針對轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的控制策略，且不能同時抑制有功功率和無功功率的脈動。

為解決現(xiàn)有方法的不足，本文提出了一種新的不平衡電壓下雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)與網(wǎng)側(cè)變換器協(xié)調(diào)控制策略，實現(xiàn)了對雙饋電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩、定子側(cè)無功功率以及總輸出功率2倍頻脈動量的抑制。理論分析和仿真結(jié)果都驗證了所提方法的有效性。

1 電網(wǎng)電壓不平衡情況下雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行特性

在電網(wǎng)電壓不平衡情況下，對雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的分析常用對稱分量法［5-10］。由于雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中點一般不接地，零序分量沒有通路，常可不考慮零序分量的影響，因此，在正、負(fù)序參考坐標(biāo)系與靜止坐標(biāo)系中可對其進(jìn)行分析。圖1顯示了正序、負(fù)序d-q參考坐標(biāo)系之間的關(guān)系。

圖1 正序、負(fù)序d-q參考坐標(biāo)系

1.1 雙饋電機(jī)(轉(zhuǎn)子側(cè)變換器)

由圖1中正、負(fù)序參考坐標(biāo)系與靜止坐標(biāo)系A(chǔ)BC之間的關(guān)系，可將靜止坐標(biāo)系下的定子電壓、電流和磁鏈?zhǔn)噶勘硎緸?/p>

式中:標(biāo)有上標(biāo)“s”表示在靜止坐標(biāo)系下的矢量;標(biāo)有上標(biāo)“+”“－”分別表示正、負(fù)序分量;標(biāo)有下標(biāo)“s”表示定子側(cè)的矢量;ωs0為同步角速度。

在電網(wǎng)電壓不平衡條件下，若采用等量坐標(biāo)變換，雙饋電機(jī)定子側(cè)復(fù)功率又可表示為

將式(1)、(2)代入式(4)，可得:

式中:Ps0、Qs0分別表示定子側(cè)有功功率、無功功率的平均值;Pss2、Psc2、Qss2、Qsc2分別表示定子側(cè)有功功率、無功功率的2倍頻脈動量的幅值，它們與定子電壓和電流量的關(guān)系可表述為

另外，在電網(wǎng)電壓不平衡條件下，雙饋電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可表示為

將式(2)、(3)代入式(7)，可得:

式中:Te0表示電磁轉(zhuǎn)矩的平均值;Tes2、Tec2分別表示電磁轉(zhuǎn)矩的2倍頻脈動量，它們與定子磁鏈和電流量的關(guān)系可表述為

式(5)和式(8)表明，在電網(wǎng)電壓不平衡條件下，由于負(fù)序電壓的存在，使得雙饋電機(jī)的定子側(cè)功率和電磁轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)了2倍頻脈動量，其脈動頻率為 2ωs0。

1.2 網(wǎng)側(cè)變換器

在電網(wǎng)電壓不平衡情況下，運(yùn)用類似轉(zhuǎn)子側(cè)變換器同樣的方法，可將網(wǎng)側(cè)變換器的輸入電壓和電流矢量分別表示為

在電網(wǎng)電壓不平衡條件下，網(wǎng)側(cè)變換器輸入復(fù)功率為

將式(10)、(11)代入式(12)，可得:

式中:Pg0、Qg0——網(wǎng)側(cè)有功功率、無功功率的平均值;

Pgs2、Pgc2、Qgs2、Qgc2——網(wǎng)側(cè)有功功率、無功功率的2倍頻脈動量的幅值。

它們與網(wǎng)側(cè)電壓和電流量的關(guān)系可表述為

2 控制策略

2.1 轉(zhuǎn)子側(cè)控制策略

通過前文分析，在不平衡電網(wǎng)電壓條件下，雙饋電機(jī)的電磁功率和定子側(cè)無功功率除了含有直流分量外，還含有2倍頻脈動量，文獻(xiàn)［5，12］推導(dǎo)出了采用定子磁鏈定向矢量控制時電磁轉(zhuǎn)矩的2倍頻脈動量Te2和定子側(cè)無功功率的2倍頻脈動量Qs2與轉(zhuǎn)子電壓之間的關(guān)系，即:

其中:

2.2 網(wǎng)側(cè)控制策略

由式(13)可知，在電網(wǎng)電壓不平衡條件下，網(wǎng)側(cè)變換器的有功功率和無功功率也出現(xiàn)2倍頻脈動。雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)總的輸出有功功率為

式中:Ps0、Pg0——定子側(cè)和網(wǎng)側(cè)有功功率的平均值;

Ps2、Pg2——定子側(cè)和網(wǎng)側(cè)有功功率的2次脈動量。

由此可見，在電網(wǎng)電壓不平衡情況下，整個雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的總輸出有功功率也存在2倍頻脈動。考慮到轉(zhuǎn)子變換器的容量和控制變量有限，即只能同時對d、q軸兩個電壓參考量進(jìn)行控制，實現(xiàn)對部分脈動量的控制。網(wǎng)側(cè)變換器作為整個發(fā)電系統(tǒng)的一部分，也有輔助控制功能。因此，本文在轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制的基礎(chǔ)上，提出了網(wǎng)側(cè)變換器進(jìn)行協(xié)調(diào)控制的策略，從而實現(xiàn)對雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)總輸出有功功率脈動的抑制。

由式(17)可知，當(dāng)Ps2=－Pg2時，雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)總輸出有功功率不再含有2倍頻脈動量Pt2。因此，可以設(shè)定P=－Ps2，通過補(bǔ)償控制，從而實現(xiàn)對總輸出有功功率脈動的控制。

由文獻(xiàn)［3-4］知，網(wǎng)側(cè)變流器常采用電網(wǎng)電壓定向矢量控制，網(wǎng)側(cè)的有功功率可表述為

式中:idg由電流內(nèi)環(huán)控制，使其輸出跟隨，因此可通過控制udg實現(xiàn)對網(wǎng)側(cè)輸出有功功率的控制。

2.3 協(xié)調(diào)控制策略

通過分析，在電網(wǎng)電壓不平衡條件下，可以采用轉(zhuǎn)子側(cè)與網(wǎng)側(cè)變換器協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)對雙饋電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩、無功功率，以及系統(tǒng)總輸出有功功率脈動量的控制，其控制框圖如圖2所示。

圖2 不平衡電壓條件下轉(zhuǎn)子側(cè)與網(wǎng)側(cè)變換器協(xié)調(diào)控制策略框圖

轉(zhuǎn)子側(cè)控制目標(biāo)為抑制雙饋電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和定子側(cè)無功功率的脈動，網(wǎng)側(cè)控制目標(biāo)為抑制系統(tǒng)總輸出有功功率的脈動。通過濾波器G(s)提取出控制目標(biāo)中的2倍頻脈動量，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后得到所需的補(bǔ)償電壓，疊加到轉(zhuǎn)子側(cè)和網(wǎng)側(cè)變換器的參考電壓中，從而實現(xiàn)對不平衡電網(wǎng)電壓下各種脈動量的抑制。

3 仿真驗證

為了驗證所提出的不平衡電壓下轉(zhuǎn)子側(cè)與網(wǎng)側(cè)協(xié)調(diào)控制策略，在MATLAB/Simulink中搭建了1.5 MW雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型，其仿真參數(shù)如表1所示。

表1 DFIG仿真參數(shù)

圖3給出了電網(wǎng)電壓不平衡度為10%時，僅采用轉(zhuǎn)子側(cè)不平衡控制策略的仿真結(jié)果。2.5 s前采用傳統(tǒng)控制策略，即電網(wǎng)電壓平衡時的控制策略，2.5 s時投入轉(zhuǎn)子側(cè)不平衡控制策略。從圖中可以看出，轉(zhuǎn)子側(cè)不平衡控制策略未投入之前，雙饋電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩、定子側(cè)無功功率和總輸出功率存在幅值較大的2倍頻脈動量。轉(zhuǎn)子側(cè)不平衡控制策略投入后，雙饋電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩、定子側(cè)無功功率的2倍頻脈動量迅速衰減，但系統(tǒng)總輸出有功功率幾乎不變。這說明轉(zhuǎn)子側(cè)的不平衡控制策略可以有效抑制電磁轉(zhuǎn)矩和定子側(cè)無功功率的2倍頻脈動，但不能同時實現(xiàn)對系統(tǒng)總輸出有功功率脈動的抑制。

圖3 僅采用轉(zhuǎn)子側(cè)不平衡控制策略仿真結(jié)果

圖4給出了不平衡電壓條件下，采用本文所提出的轉(zhuǎn)子側(cè)與網(wǎng)側(cè)變換器協(xié)調(diào)控制的仿真結(jié)果。可以看出，在2.5 s協(xié)調(diào)控制投入后，雙饋電機(jī)的電磁功率、定子側(cè)無功功率和系統(tǒng)總輸出有功功率的2倍頻脈動量迅速衰減，且動態(tài)響應(yīng)速度較快，抑制效果顯著，實現(xiàn)了對多目標(biāo)的控制。

圖4 采用協(xié)調(diào)控制策略仿真結(jié)果

4 結(jié) 語

本文提出了一種不平衡電網(wǎng)電壓下雙饋電機(jī)的機(jī)側(cè)與網(wǎng)側(cè)變換器協(xié)調(diào)控制策略，即以電磁轉(zhuǎn)矩、定子側(cè)無功功率，以及總輸出功率的2倍頻脈動量為控制目標(biāo)，計算出所需的補(bǔ)償電壓，疊加到雙饋電機(jī)的機(jī)側(cè)與網(wǎng)側(cè)變換器的參考電壓中，從而通過補(bǔ)償控制作用實現(xiàn)對電磁轉(zhuǎn)矩、定子側(cè)無功功率及總輸出功率的抑制。與現(xiàn)有方法比較，本文提出的控制策略有以下優(yōu)點:

(1)不需要對不平衡電量進(jìn)行正、負(fù)序分解;

(2)電網(wǎng)電壓不平衡時，只需要在傳統(tǒng)的控制策略上疊加對2倍頻脈動量的補(bǔ)償控制，使得控制簡單，動態(tài)響應(yīng)較快，易于工程應(yīng)用;

(3)目前大部分不平衡電壓下的控制策略只是針對轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的，而本文所提出的控制策略則通過對機(jī)側(cè)與網(wǎng)側(cè)變換器的協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)對多目標(biāo)的控制。

通過理論分析和仿真驗證，本文所提出的協(xié)調(diào)控制策略可以有效抑制雙饋電機(jī)的電磁功率、定子側(cè)無功功率和系統(tǒng)總輸出有功功率的2倍頻脈動，實現(xiàn)雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

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