雙饋風力發電系統網側變流器聯合控制策略

周羽生，鄭劍武，向軍，付小偉

（長沙理工大學電氣與信息工程學院，長沙 410004）

近年來，全球風電以年均28%的速度快速增長，成為最具發展前景的可再生能源。變速恒頻雙饋異步電機以其調速范圍寬、有功和無功功率可以獨立控制以及所需的勵磁變流器容量較小等優點，成為主流風電機組[1]。這種風力發電機組具有兩套繞組，其定子直接與電網相連，轉子則通過背靠背（back-to-back）電壓型變流器進行勵磁。其中與轉子相連接的稱為轉子側變流器，與電網連接的變流器稱為網側變流器。

轉子側變流器主要作用是調節并解耦輸出的有功和無功功率，實現風電機組在不同風速下的最大功率捕獲。而網側變流器的功能是穩定直流母線電壓與調節網側功率因數，使整個風力發電系統的功率調節更加靈活[2]。

傳統上網側變流器的控制策略均假定電網電壓理想，不存在任何故障和擾動，然而實際的電網無時無刻不處于動態過程中，電網對稱、不對稱故障下，將使傳統控制方法失去定向基準、破壞解耦控制條件，影響風電機組的運行穩定[3]。尤其是在不對稱故障下，負序分量的存在使得網側變流器有以下性能變化：①交流側存在負序電流，三相電流不平衡；②直流側電壓存在偶數次紋波，通過PWM調制導致交流側電流產生奇數次諧波[4]。因此針對不對稱故障下網側變流器控制方法的研究尤為重要，本文分析了傳統基于電網理想情況下控制方法的優點和不足，并結合恒功率控制和無差拍控制[5]兩種控制方法的優點，提出了恒功率無差拍聯合控制策略，在電網不對稱故障下對該控制方法進行仿真分析。仿真結果表明該控制方法可以有效抑制網側變流器直流電壓的紋波分量，從而優化整個雙饋異步風力發電系統在電網故障下的運行性能。

1 網側變流器數學模型

雙饋異步發電機網側變流器結構如圖1所示。

圖1 網側變流器結構Fig.1 Configuration of grid side convertor

在abc三相坐標下，網側變流器數學模型為

在dq旋轉坐標系下，網側變流器的數學模型為[6]

式中：ugd和ugq為電網電壓的dq軸分量；vgd和vgq為變流器的輸出電壓dq軸分量；Rg和Lg為網側變流器出口電阻和電感。

2 基于電網電壓定向的網側變流器直流電壓、電流雙閉環控制

傳統的網側變流器控制結構設計均基于電網對稱運行的情況下，采用電網電壓（或磁鏈）矢量定向的電流閉環控制方式，當采用電網電壓定向時有

此時變流器向電網發出的有功和無功功率為

Pg小于零表示網側PWM變流器工作于整流狀態從電網吸收有功，反之為工作在逆變狀態，能量從直流側回饋到電網；Qg小于零表示網側PWM變流器呈現容性，吸收超前無功，反之呈現感性，從電網吸收滯后無功。

傳統基于電網電壓定向的網側變流器直流電壓、電流雙閉環的控制方法通過控制igd和igq來實現網側變流器有功和無功功率的獨立控制，電壓外環用于穩定直流側母線電壓，電流內環則實現功率調節，控制結構如圖2所示。

圖2 網側變流器傳統控制策略Fig.2 Conventional control strategy of grid side convertor

運用Simulink建立如圖2所示仿真模型，基本參數為：網側相電壓有效值U=220 V；Rg=0.1 Ω；Lg=4mH；負載電阻R=100Ω；直流側電壓控制目標值Udcref=525 V；直流電容C=400μF；采用電網電壓定向的網側變流器直流電壓、電流雙閉環的控制方法，并令igqref=0；對電網出口在0.3 s時發生AB兩相接地短路故障進行仿真分析，仿真結果如圖3～圖5所示。接地電阻R=0.001Ω。

圖3 故障時短路點三相電壓波形Fig.3 Three-phase voltagewave form s for two-phase ground faultat short-circuit point

圖4 故障時負載電流和直流母線電壓波形（雙閉環控制）Fig.4 Load current and DC bus voltage waveforms for two phase ground fault（double closed-loop controt）

圖5 故障時直流母線電壓波形和頻譜細節圖（雙閉環控制）Fig.5 Detailed diagram of DC bus voltage and it’s spectrum for two-phase ground fault（double closed-loop controt）

由仿真結果可以看出，當電網發生兩相接地短路時，基于電網電壓定向，直流電壓、電流雙閉環控制并不能有效地控制直流側的電壓，而且產生比單相短路時[7]幅值更大的紋波分量。這將會危及變流器運行的穩定，同時也會影響直流側電容的壽命。

目前對于不平衡電壓下的控制設計大都采用正負序變量分離方法、雙PI閉環控制方法和比例諧振控制方法，控制系統的性能很大程度上取決于正負序變量分離方法的準確性和快速性，多次的坐標變換和正負序分離都會增加控制系統的響應時間造成很大的延時，增加控制算法的復雜程度[8]。而且多個PI控制器和比例諧振控制器參數設計比較困難，設計者的經驗和水平會直接影響控制系統的跟蹤精度、響應時間和魯棒性[5]。

3 恒功率和無差拍聯合控制

恒功率控制[4]方法的優點是無需進行正負序分離，只需一個PI控制器用來產生平均有功功率指令值；無差拍控制[5，9]具有一拍即達的快速響應和跟蹤精度，廣泛地應用于PWM整流與逆變、有源濾波以及不間斷電源等電力電子變換器[10]。

3.1 恒功率控制原理

電壓電流矢量關系如圖6所示。

圖6 電壓電流矢量關系Fig.6 Vector relation graph of voltage and current

則網側變流器的輸入功率為

為了消除2次紋波分量，維持直流母線電壓恒定，假定如下：

再令φ1=φ2=-θ，即可求得

由此可以推導出三相電流指令值分別為

3.2 無差拍控制原理

由式（1）進行離散化可得在n+1時刻的狀態方程為

平均有功功率指令值與電壓給定值有關，即

式中：Sj（n）為第n時刻j相的控制輸出量，-1≤Sj（n）≤1，j=a，b，c；Udc（n）為直流側電壓；b1=Lgn/T，b2=Rgn，Lgn和Rgn分別為Lg和Rg的標稱值；T為開關采樣周期，T=1/fk；fk為PWM開關頻率。

令ij（n+1）=ijref（n），則由式（11）可得

3.3 恒功率和無差拍聯合控制原理

恒功率和無差拍聯合控制結合了恒功率和無差拍控制的優點，通過給定的直流側母線電壓指令值，由式（10）算出功率指令值，將其送入恒功率控制器模塊產生三相電流指令值，再經過無差拍控制器模塊計算輸出控制量指令，PWM控制器接收到控制量指令后可直接控制變流器上下的橋臂的通斷，從而達到控制直流側電壓的目的。整個控制系統僅用一個PI控制器，完全省去了任何坐標變換環節，實際調節方便快捷，整個控制系統響應速度快，這對一個實時控制系統是非常重要的。恒功率和無差拍聯合控制結構如圖7所示。

圖7 恒功率和無差拍聯合控制結構Fig.7 Configurational figure of constant power and deadbeat conbination control

3.4 仿真分析

建立如圖1所示仿真模型，基本參數和傳統控制策略仿真相同，PWM開關頻率fk=1 500 Hz；運用恒功率和無差拍聯合控制方法；對電網在0.3 s時發生AB兩相接地短路進行仿真分析，仿真結果如圖8和圖9所示。接地電阻R=0.001Ω。

圖8 故障時負載電流和直流母線電壓波形（聯合控制）Fig.8 Load current and DC bus voltage waveforms for two-phase ground fault（combination control）

圖9 故障時直流母線電壓波形和頻譜細節圖（聯合控制）Fig.9 Detailed diagram of DC bus voltage and it’s spectrum for two-phase ground fault（combination control）

由圖4和圖8可知，恒功率和無差拍聯合控制方法在電網故障下對直流母線電壓的控制能力要明顯優于傳統控制方法。通過對兩種控制策略的直流側電壓頻譜圖進行定量分析，THD由圖5（b）中的5.41%降到圖9（b）的0.11%，直流電壓中紋波分量得到了大幅削弱。因此恒功率和無差拍聯合控制策略不僅可以將直流母線電壓穩定在給定值上，還能有效抑制直流側電壓的紋波分量，使DFIG在電網故障下的運行性能得到大幅提高。

4 結語

本文提出了恒功率和無差拍聯合控制方法，該控制方法不存在任何坐標變換環節，避免了現有不平衡控制策略中坐標變換對控制系統響應時間的影響；整個控制系統僅需一個PI控制器，實際調節更加方便快捷；在電網兩相短路接地故障下的仿真分析，也表明該聯合控制策略不僅能穩定了直流側電壓，而且大幅削弱了直流電壓的紋波分量，控制效果要明顯優于傳統控制方法，因此恒功率和無差拍聯合控制策略有利于改善雙饋異步發電系統在電網不對稱故障下的運行性能。

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