理想電網條件下雙饋風力發電系統低電壓穿越技術的控制策略研究

劉頡++易靈芝+劉智磊++朱廣輝+羅百敏++周哲

收稿日期：2012-02-20

作者簡介：劉 頡（1989—），男，湖南株洲人，碩士研究生，研究方向：電力電子與電力傳動。

文章編號：1003-6199(2014)02-0019-04

摘 要：隨著風電在電網所占比例的不斷增大，提高風機在故障條件下的不間斷運行能力越來越重要。通過分析交流勵磁變速恒頻雙饋風機的運行特點，建立雙饋風力發電系統的并網數學模型；針對電網電壓小幅對稱跌落，在不增加硬件成本的基礎上，改進傳統雙饋發電機矢量控制策略，加入前饋補償項來抑制電壓小幅跌落時轉子中的過電流，提高雙饋風力發電系統的低壓穿越能力。在MATLAB/SIMULINK中驗證控制策略的合理性，為以后深入研究雙饋風力發電系統提供了基礎。



關鍵詞：雙饋風機；變速恒頻；前饋補償；低電壓穿越

中圖分類號：TM34文獻標識碼：A



Control Strategy of the Doublyfed Wind Power Generator System of Low Voltage Ride Through Technology Ideal Grid Conditions



LIU Jie1, YILingzhi1, LIU Zhilei1, ZHU Gguanghui2, KUO Baimin2, ZHOU Zhe2

(1. College of Information Engineering, Xiangtan University, Xiangtan,Hunan 411105，China；

2.Co. of Xiangtan electric traction equipment , Xiangtan,Hunan 411101，China)

Abstract:As the penetration of wind power in electric power systems continues to grow, it has became very important to improve the fault ridethrough capability of gridconnected wind generator. Through the analysis variable speed constant frequency doubly fed induction generator running characteristics, the precise mathematical model of DFIG has been built；In order to protect the system, an improved vector control strategy of the DFIG without using any other hardware circuit is proposed, it will reduce the rotor overcurrent during non-serious voltage dips, where the feedforward compensation term has been considered. The model of doubly fed inductor wind generator has been built based on MATLAB/SIMULINK. A DFIG applying in wind power generator is under study for low voltage ridethrough(LVRT).



Key words:DFIG; variable speed constant frequency; Feedforward compensation; low voltage ridethrough



1 序 言

風能具有污染小、低碳、可再生等優點，近年來風力發電在電網中的比重越來越大而且在未來數年內呈現風電比重持續增長的趨勢。越來越多的國家投入風力發電研究并紛紛為這可持續發展的發電系統提出了相應的計劃［1］。

由于雙饋電機(DFIG)同時擁有超越定速感應電機(FSIG)和永磁同步電機(PMSG)的性能，使得其在風力發電系統里得到大量的應用。這種電機不論在主動式結構還是在被動式結構下都具有獨立控制的能力，而且此種電機具有效率高的特點并且可以減少變流器的損耗。雙饋電機的定子側通過階躍變壓器直接并網，轉子側在0.8-1.2pu轉速下通過轉子變流器(RSC)并網。但是，DFIG風力發電系統對于網側的擾動很敏感，這就要求DFIG系統在電網擾動情況下需要加額外的保護裝置，如圖1。

由圖1可看出電網電壓降落直接反映在電機定子端電壓上，根據楞次定律，定子磁鏈不能發生突變，所以電機中會出現直流成分。當電網電壓發生跌落故障時，會感生出較大的轉子電動勢，并產生較大的轉子電流，從而導致轉子電路中電壓和電流大幅增加。

圖1 具有Crowbar電路的雙饋風力發電系統



雖然Crowbar保護電路對雙饋風電系統低壓穿越具有一定作用，然而在面對電網小幅跌落情況下這種保護增大了硬件成本。不僅需要額外增加由晶閘管構成的交流開關保護電路，并且對于Crowbar電路的投切信號處理還并不成熟。再者，Crowbar電路的頻繁投切，也不利于雙饋風電系統的穩定。

參考近年來國內外文獻可以看出，目前大多數雙饋風力發電系統都在同步dq旋轉坐標系下建立了電機數學模型，通過簡化，找到其穩態情況下有功和無功的解耦模型，采用矢量控制，通過常規的 PI 調節來實現對雙饋發電機的控制，實現有功和無功的獨立調節［2-7］。

計算技術與自動化2014年6月

第33卷第2期劉 頡等：理想電網條件下雙饋風力發電系統低電壓穿越技術的控制策略研究

本文首先建立了雙饋電機在電網電壓對稱跌落故障條件下的完整數學模型和瞬時功率模型，隨后根據電網運行規程，針對電網電壓小幅跌落，設計基于改進矢量控制策略和無功補償控制策略的雙饋風力發電系統低壓穿越方案，通過MTLAB/SIMULINK仿真平臺對所提出的雙饋風力發電系統低電壓穿越技術的控制策略進行驗證。

2 DFIG并網數學模型



為了實現交流勵磁發電機并網前的定子電壓準確調節和并網后的輸出有功、無功功率的解耦控制，必須實施發電機定子電壓定向的矢量控制。

圖2 dq軸物理模型

為此，首先要分析定子電壓定向dq同步旋轉坐標系內 DFIG 的數學模型［8-10］。由圖2，定子電壓定向dq同步旋轉坐標系內 DFIG 的數學模型：

定子電壓：

usd=-Rsisd-pψsd+ω1ψsq

usq=-Rsisq-pψsq+ω1ψsd

(1)

轉子電壓：

urd=Rrird+pψrd-ω2ψrq

urq=Rrirq+pψrq-ω2ψrd

(2)

定子磁鏈：

ψsd=Lsisd-Lmird

ψsq=Lsisq-Lmirq

(3)

轉子磁鏈：

ψrd=Lrird-Lmisd

ψrq=Lrirq-Lmisq(4)

電磁轉矩：

Te=np(ψsqisd-ψsdisq=

npLm(isdisq-isqird)(5)

其中,usd，usq，urd，urq分別為定、轉子d、q軸電壓；isd，isq，ird，irq分別為定、轉子d、q軸電流；ψsd，ψsq，ψrd，ψrq分別為定、轉子d、q軸磁鏈；Rs，Ls分別為定子的電阻和自感；Rr，Lr分別為轉子的電阻和自感；Lm為dq坐標系下同軸定、轉子間的等效互感；為dq坐標系的旋轉角速度；為dq坐標系相對轉子的角速度。

以上5個方程一起構成了雙饋電機在dq坐標系下的數學模型。在理想電網條件下，可以認為電網電壓恒定。則通過DFIG的物理模型可得電壓的通用公式：

us=RsIs+jωψs

ur=RrIr+σLrdIrdt+jω2ψr

(6)

3 定子電壓矢量控制

在定子電壓恒定的情況下，忽略定子勵磁電流變化過程，忽略定子電阻Rs，可以推得功率公式：

p≈32LmLsusird

Q≈-32usω1Ls(us+ω1Lmirq)

(7)

式(7)表明，在定子電壓定向矢量控制下，忽略定子電阻，DFIG有功功率和無功功率近似地解耦了。

將式(4)的轉子磁鏈代入式(6)的dq改寫形式，可得：

urd=Rrird+σLrdirddt-ω2(Lrirq-Lmisq)

urq=Rrirq+σLrdirqdt-ω2(Lrird-Lmisd)

(8)

為了消除耦合項，引入前饋解耦：

urd=σLrdirddt

urq=σLrdirqdt

(9)

將式(9)作為PI控制器設計依據，得：

urd=σLrdirddt=σLdi*rddt+

krip(i*rd-ird)+krii∫(i*rd-ird)dt

urq=σLrdirqdt=σLdi*rqdt+

krip(i*rq-irq)+krii∫(i*rq-irq)dt

(10)

其中,ikrd、i*rq——轉子側變流器dq軸電流給定值；krip、krii——轉子側變流器電流環PI控制器比例積分系數。

將式(10)代入式(9)，得轉子側變流器輸出電壓給定值為：

u*rd=u′rd+Rrird-ω2(Lrirq-Lmisq)

u*rq=u′rq+Rrirq-ω2(Lrird-Lmisd)

(11)



即可得DFIG轉子側變流器定子電壓定向矢量控制框圖, 見圖3。圖3中，PLL為鎖相環，RSC為轉子側變流器。



圖3 轉子側變流器定子電壓定向矢量控制框圖

圖4 低壓穿越實驗波形



4 系統仿真

為驗證本文所提出的控制策略的有效性，本文在MATLAB/SIMULINK仿真軟件平臺上搭建了雙饋風機并網的仿真模型。所用的參數如下：額定功率為6*1.5MW，定子繞組電阻為0.00706Ω，轉子繞組電阻為0.005Ω，定轉子互感為2.9Ω，極對數為3，直流母線電壓為1200V。

如圖4所示，電網電壓發生了80%的小幅對稱跌落情況。圖4中的波形由上至下分別為：轉子電壓、轉子電流、有功功率、無功功率以及直流母線電壓。

從波形可見，電壓跌落發生及恢復時的暫態沖擊電流較小，暫態過渡時間較短，直流母線電壓基本保持在穩定工作區域內，可以較好地幫助雙饋機組實現低電壓穿越功能，驗證了本文低電壓穿越分析和控制策略的有效性。

5 結 論

當雙饋式風電機組接入電網后，承受最多的低壓考驗是來自對稱條件下的電網電壓波動。本文通過在轉子側變流器電流環中應用PI控制器配合前饋補償項，進一步提高低電壓穿越實現的效果。基于本文所提控制策略，提高雙饋式風電機組對電網小波動的自適應能力，提高風電供能的穩定性與可靠性，并在成本上有所改善。而關于電網的非理想條件下的自適應能力，需要進一步開展研究。

參考文獻

［1］ 張麗英，葉廷路，辛耀中，等. 大規模風電接入電網的相關問題及措施［J］.中國電機工程學報，2010，30(25)：1-9.

［2］ GALINDO R, COTOROGEA M, BIEL D. Two families of sliding mode controllers for a doubly-fed induction generator in an isolated generation system［C］ //IEEE Electronics, Robotics and Automotive Mechanics Conference. 2007, 5(2): 115-121.

［3］ WANG YUN.A Review of Reaserch Status on LVRT Technology in Doubly-fed wind Turbine Generator System［C］ //IEEE International Conference on Electrical and Control Engineering. 2010, IEEE: 4948-4953.

［4］ 廖永愷．電壓跌落條件下并網逆變器鎖相環與電流控制技術研究［D］．浙江：浙江大學，2012．

［5］ 李締華．雙饋風力發電系統的低電壓穿越技術研究［D］．浙江：浙江大學，2010．

［6］ 劉其輝，賀益康，張建華．交流勵磁變速恒頻風力發電機的運行控制及建模仿真［J］．中國電機工程學報，2006，26(5)：43-50.

［7］ PENG CHENG, HENG NIAN.An Improved Control Strategy for DFIG System and Dynamic Voltage Restorer under Grid Voltage Dip［C］ //IEEE Electronics, Robotics and Automotive Mechanics Conference. 2012, IEEE: 1868-1873.

［8］ 蘇平，張靠社．基于主動式IGBT型Crowbar的雙饋風力發電系統LVRT仿真研究［J］．電力系統保護與控制，2010，38(23)：164-171.

［9］ 李輝，付博，楊超,等．雙饋風電機組低電壓穿越的無功電流分配及控制策略改進［J］．中國電機工程學報，2012，32(22)：24-31.

［10］張永斌，袁海文．雙饋風電機組低電壓穿越主控系統控制策略［J］．電力自動化設備，2012，32(8)：106-112.

(2)

定子磁鏈：

ψsd=Lsisd-Lmird

ψsq=Lsisq-Lmirq

(3)

轉子磁鏈：

ψrd=Lrird-Lmisd

ψrq=Lrirq-Lmisq(4)

電磁轉矩：

Te=np(ψsqisd-ψsdisq=

npLm(isdisq-isqird)(5)

其中,usd，usq，urd，urq分別為定、轉子d、q軸電壓；isd，isq，ird，irq分別為定、轉子d、q軸電流；ψsd，ψsq，ψrd，ψrq分別為定、轉子d、q軸磁鏈；Rs，Ls分別為定子的電阻和自感；Rr，Lr分別為轉子的電阻和自感；Lm為dq坐標系下同軸定、轉子間的等效互感；為dq坐標系的旋轉角速度；為dq坐標系相對轉子的角速度。

以上5個方程一起構成了雙饋電機在dq坐標系下的數學模型。在理想電網條件下，可以認為電網電壓恒定。則通過DFIG的物理模型可得電壓的通用公式：

us=RsIs+jωψs

ur=RrIr+σLrdIrdt+jω2ψr

(6)

3 定子電壓矢量控制

在定子電壓恒定的情況下，忽略定子勵磁電流變化過程，忽略定子電阻Rs，可以推得功率公式：

p≈32LmLsusird

Q≈-32usω1Ls(us+ω1Lmirq)

(7)

式(7)表明，在定子電壓定向矢量控制下，忽略定子電阻，DFIG有功功率和無功功率近似地解耦了。

將式(4)的轉子磁鏈代入式(6)的dq改寫形式，可得：

urd=Rrird+σLrdirddt-ω2(Lrirq-Lmisq)

urq=Rrirq+σLrdirqdt-ω2(Lrird-Lmisd)

(8)

為了消除耦合項，引入前饋解耦：

urd=σLrdirddt

urq=σLrdirqdt

(9)

將式(9)作為PI控制器設計依據，得：

urd=σLrdirddt=σLdi*rddt+

krip(i*rd-ird)+krii∫(i*rd-ird)dt

urq=σLrdirqdt=σLdi*rqdt+

krip(i*rq-irq)+krii∫(i*rq-irq)dt

(10)

其中,ikrd、i*rq——轉子側變流器dq軸電流給定值；krip、krii——轉子側變流器電流環PI控制器比例積分系數。

將式(10)代入式(9)，得轉子側變流器輸出電壓給定值為：

u*rd=u′rd+Rrird-ω2(Lrirq-Lmisq)

u*rq=u′rq+Rrirq-ω2(Lrird-Lmisd)

(11)



即可得DFIG轉子側變流器定子電壓定向矢量控制框圖, 見圖3。圖3中，PLL為鎖相環，RSC為轉子側變流器。



圖3 轉子側變流器定子電壓定向矢量控制框圖

圖4 低壓穿越實驗波形



4 系統仿真

為驗證本文所提出的控制策略的有效性，本文在MATLAB/SIMULINK仿真軟件平臺上搭建了雙饋風機并網的仿真模型。所用的參數如下：額定功率為6*1.5MW，定子繞組電阻為0.00706Ω，轉子繞組電阻為0.005Ω，定轉子互感為2.9Ω，極對數為3，直流母線電壓為1200V。

如圖4所示，電網電壓發生了80%的小幅對稱跌落情況。圖4中的波形由上至下分別為：轉子電壓、轉子電流、有功功率、無功功率以及直流母線電壓。

從波形可見，電壓跌落發生及恢復時的暫態沖擊電流較小，暫態過渡時間較短，直流母線電壓基本保持在穩定工作區域內，可以較好地幫助雙饋機組實現低電壓穿越功能，驗證了本文低電壓穿越分析和控制策略的有效性。

5 結 論

當雙饋式風電機組接入電網后，承受最多的低壓考驗是來自對稱條件下的電網電壓波動。本文通過在轉子側變流器電流環中應用PI控制器配合前饋補償項，進一步提高低電壓穿越實現的效果。基于本文所提控制策略，提高雙饋式風電機組對電網小波動的自適應能力，提高風電供能的穩定性與可靠性，并在成本上有所改善。而關于電網的非理想條件下的自適應能力，需要進一步開展研究。

參考文獻

［1］ 張麗英，葉廷路，辛耀中，等. 大規模風電接入電網的相關問題及措施［J］.中國電機工程學報，2010，30(25)：1-9.

［2］ GALINDO R, COTOROGEA M, BIEL D. Two families of sliding mode controllers for a doubly-fed induction generator in an isolated generation system［C］ //IEEE Electronics, Robotics and Automotive Mechanics Conference. 2007, 5(2): 115-121.

［3］ WANG YUN.A Review of Reaserch Status on LVRT Technology in Doubly-fed wind Turbine Generator System［C］ //IEEE International Conference on Electrical and Control Engineering. 2010, IEEE: 4948-4953.

［4］ 廖永愷．電壓跌落條件下并網逆變器鎖相環與電流控制技術研究［D］．浙江：浙江大學，2012．

［5］ 李締華．雙饋風力發電系統的低電壓穿越技術研究［D］．浙江：浙江大學，2010．

［6］ 劉其輝，賀益康，張建華．交流勵磁變速恒頻風力發電機的運行控制及建模仿真［J］．中國電機工程學報，2006，26(5)：43-50.

［7］ PENG CHENG, HENG NIAN.An Improved Control Strategy for DFIG System and Dynamic Voltage Restorer under Grid Voltage Dip［C］ //IEEE Electronics, Robotics and Automotive Mechanics Conference. 2012, IEEE: 1868-1873.

［8］ 蘇平，張靠社．基于主動式IGBT型Crowbar的雙饋風力發電系統LVRT仿真研究［J］．電力系統保護與控制，2010，38(23)：164-171.

［9］ 李輝，付博，楊超,等．雙饋風電機組低電壓穿越的無功電流分配及控制策略改進［J］．中國電機工程學報，2012，32(22)：24-31.

［10］張永斌，袁海文．雙饋風電機組低電壓穿越主控系統控制策略［J］．電力自動化設備，2012，32(8)：106-112.

(2)

定子磁鏈：

ψsd=Lsisd-Lmird

ψsq=Lsisq-Lmirq

(3)

轉子磁鏈：

ψrd=Lrird-Lmisd

ψrq=Lrirq-Lmisq(4)

電磁轉矩：

Te=np(ψsqisd-ψsdisq=

npLm(isdisq-isqird)(5)

其中,usd，usq，urd，urq分別為定、轉子d、q軸電壓；isd，isq，ird，irq分別為定、轉子d、q軸電流；ψsd，ψsq，ψrd，ψrq分別為定、轉子d、q軸磁鏈；Rs，Ls分別為定子的電阻和自感；Rr，Lr分別為轉子的電阻和自感；Lm為dq坐標系下同軸定、轉子間的等效互感；為dq坐標系的旋轉角速度；為dq坐標系相對轉子的角速度。

以上5個方程一起構成了雙饋電機在dq坐標系下的數學模型。在理想電網條件下，可以認為電網電壓恒定。則通過DFIG的物理模型可得電壓的通用公式：

us=RsIs+jωψs

ur=RrIr+σLrdIrdt+jω2ψr

(6)

3 定子電壓矢量控制

在定子電壓恒定的情況下，忽略定子勵磁電流變化過程，忽略定子電阻Rs，可以推得功率公式：

p≈32LmLsusird

Q≈-32usω1Ls(us+ω1Lmirq)

(7)

式(7)表明，在定子電壓定向矢量控制下，忽略定子電阻，DFIG有功功率和無功功率近似地解耦了。

將式(4)的轉子磁鏈代入式(6)的dq改寫形式，可得：

urd=Rrird+σLrdirddt-ω2(Lrirq-Lmisq)

urq=Rrirq+σLrdirqdt-ω2(Lrird-Lmisd)

(8)

為了消除耦合項，引入前饋解耦：

urd=σLrdirddt

urq=σLrdirqdt

(9)

將式(9)作為PI控制器設計依據，得：

urd=σLrdirddt=σLdi*rddt+

krip(i*rd-ird)+krii∫(i*rd-ird)dt

urq=σLrdirqdt=σLdi*rqdt+

krip(i*rq-irq)+krii∫(i*rq-irq)dt

(10)

其中,ikrd、i*rq——轉子側變流器dq軸電流給定值；krip、krii——轉子側變流器電流環PI控制器比例積分系數。

將式(10)代入式(9)，得轉子側變流器輸出電壓給定值為：

u*rd=u′rd+Rrird-ω2(Lrirq-Lmisq)

u*rq=u′rq+Rrirq-ω2(Lrird-Lmisd)

(11)



即可得DFIG轉子側變流器定子電壓定向矢量控制框圖, 見圖3。圖3中，PLL為鎖相環，RSC為轉子側變流器。



圖3 轉子側變流器定子電壓定向矢量控制框圖

圖4 低壓穿越實驗波形



4 系統仿真

為驗證本文所提出的控制策略的有效性，本文在MATLAB/SIMULINK仿真軟件平臺上搭建了雙饋風機并網的仿真模型。所用的參數如下：額定功率為6*1.5MW，定子繞組電阻為0.00706Ω，轉子繞組電阻為0.005Ω，定轉子互感為2.9Ω，極對數為3，直流母線電壓為1200V。

如圖4所示，電網電壓發生了80%的小幅對稱跌落情況。圖4中的波形由上至下分別為：轉子電壓、轉子電流、有功功率、無功功率以及直流母線電壓。

從波形可見，電壓跌落發生及恢復時的暫態沖擊電流較小，暫態過渡時間較短，直流母線電壓基本保持在穩定工作區域內，可以較好地幫助雙饋機組實現低電壓穿越功能，驗證了本文低電壓穿越分析和控制策略的有效性。

5 結 論

當雙饋式風電機組接入電網后，承受最多的低壓考驗是來自對稱條件下的電網電壓波動。本文通過在轉子側變流器電流環中應用PI控制器配合前饋補償項，進一步提高低電壓穿越實現的效果。基于本文所提控制策略，提高雙饋式風電機組對電網小波動的自適應能力，提高風電供能的穩定性與可靠性，并在成本上有所改善。而關于電網的非理想條件下的自適應能力，需要進一步開展研究。

參考文獻

［1］ 張麗英，葉廷路，辛耀中，等. 大規模風電接入電網的相關問題及措施［J］.中國電機工程學報，2010，30(25)：1-9.

［2］ GALINDO R, COTOROGEA M, BIEL D. Two families of sliding mode controllers for a doubly-fed induction generator in an isolated generation system［C］ //IEEE Electronics, Robotics and Automotive Mechanics Conference. 2007, 5(2): 115-121.

［3］ WANG YUN.A Review of Reaserch Status on LVRT Technology in Doubly-fed wind Turbine Generator System［C］ //IEEE International Conference on Electrical and Control Engineering. 2010, IEEE: 4948-4953.

［4］ 廖永愷．電壓跌落條件下并網逆變器鎖相環與電流控制技術研究［D］．浙江：浙江大學，2012．

［5］ 李締華．雙饋風力發電系統的低電壓穿越技術研究［D］．浙江：浙江大學，2010．

［6］ 劉其輝，賀益康，張建華．交流勵磁變速恒頻風力發電機的運行控制及建模仿真［J］．中國電機工程學報，2006，26(5)：43-50.

［7］ PENG CHENG, HENG NIAN.An Improved Control Strategy for DFIG System and Dynamic Voltage Restorer under Grid Voltage Dip［C］ //IEEE Electronics, Robotics and Automotive Mechanics Conference. 2012, IEEE: 1868-1873.

［8］ 蘇平，張靠社．基于主動式IGBT型Crowbar的雙饋風力發電系統LVRT仿真研究［J］．電力系統保護與控制，2010，38(23)：164-171.

［9］ 李輝，付博，楊超,等．雙饋風電機組低電壓穿越的無功電流分配及控制策略改進［J］．中國電機工程學報，2012，32(22)：24-31.

［10］張永斌，袁海文．雙饋風電機組低電壓穿越主控系統控制策略［J］．電力自動化設備，2012，32(8)：106-112.