計及定子勵磁電流變化的永磁雙饋發電機零轉矩控制策略

刁統山 王秀和

（山東大學電氣工程學院 濟南 250061）

1 引言

近年來，隨著風力發電技術的發展，風力發電機的容量迅速增大。永磁式直驅風力發電機組采用永磁體建立磁場，無需外部提供勵磁電源，提高了效率和工作可靠性，并具有較好的低電壓穿越能力，但需要全功率變換器實現恒頻恒壓輸出，且電機體積大、制造成本高。雙饋型風力發電機（DFIG）使用變流器進行勵磁，具有變速恒頻運行的特點，但需要電網提供無功電流，且低電壓穿越能力較差[1-3]。

隨著風力發電在電網中所占比重的增大，提高發電機在電網嚴重跌落故障的情況下不間斷運行的能力，顯得越來越重要。本文在籠型永磁感應發電機研究的基礎上[4-6]，結合永磁發電機與雙饋發電機的優點，提出了一種新結構的發電機，即永磁雙饋發電（Permanent Magnetic Doubly Fed Induction Generator,PMDFIG）。該電機的定子與常規感應電機相同，但有兩個轉子:一個是繞線式外轉子；一個是可自由旋轉的永磁式內轉子。提出的永磁雙饋發電機由于永磁轉子的存在，與普通雙饋發電機相比，可以減小勵磁電流，提高電機功率密度和效率。該電機是將籠型永磁感應發電機的籠型轉子變為繞線式轉子，并對電機實行雙饋式控制。PMDFIG 轉子結構示意圖如圖1 所示。

圖1 永磁雙饋發電機轉子結構示意圖Fig.1 Schematic rotor diagram of the PMDFIG

在普通雙饋電機低電壓穿越運行的研究中，主要有以下幾種方法應對電網電壓嚴重驟降故障，文獻[7,8]采用Crowbar 控制方式。Crowbar 控制即通常意義上的轉子短路保護技術，目的在于當檢測到電網系統出現電壓跌落時，立刻投入轉子回路旁路保護裝置，為轉子側電路提供旁路，達到限制通過勵磁變流器的電流和轉子繞組過電壓的作用，以此來維持雙饋電機不脫網運行。文獻[9,10]提出了一種適用于雙饋風力發電機電網電壓定向矢量控制的滅磁控制方法。由于風電機組定子電阻很小，定子磁鏈的暫態分量衰減速度較慢，要采取相應的措施來加快定子側磁鏈直流分量的衰減。因此可以在轉子側變換器采取相應的控制策略來對定子磁鏈的直流分量進行滅磁控制，來減小電網電壓突變對機組產生的負面影響。文獻[11]提出了一種基于能量控制的策略，該策略在電網電壓驟降時通過限制電機電磁轉矩的方式，減少故障期間風能轉化為電能，抑制電網電壓驟降期間雙饋電機的過電流。

本文從永磁雙饋發電機的結構特點出發，構建該發電機系統的動態模型。提出了永磁雙饋發電機計及定子勵磁電流變化的零轉矩控制策略，依據低電壓運行標準，在電網三相完全短路以及電網電壓驟降為0.15pu 兩種嚴重故障的情況下，對永磁雙饋發電機系統進行了Crowbar 控制和計及定子勵磁電流變化的零轉矩控制方式的對比仿真分析。仿真驗證了零轉矩控制結合計及定子勵磁電流變化的矢量控制方式具有更好的控制效果。

2 永磁雙饋風力發電系統的動態模型

永磁雙饋電機的內轉子為永磁轉子，外轉子為繞線式轉子。電機運行時，由風機拖動繞線轉子轉動，定子中將感應出同步旋轉的磁場。旋轉磁場將拖動永磁轉子同步旋轉。從電機的運行原理看，相當于在普通雙饋電機的基礎上，增加了內部同步速旋轉的永磁磁場。

為了分析方便，做如下假定:電機各相繞組對稱，磁路線性，不計飽和影響，忽略齒槽影響，不計鐵心損耗。取定子各電磁量的正方向符合發電機法則，轉子各電磁量的正方向符合電動機法則，采用dq0 坐標系。由以上分析，永磁雙饋電機僅僅是在轉子內增加一個同步旋轉的永磁轉子，即從數學模型的角度來看，其電壓方程應該與普通雙饋電機電壓方程一致。則永磁雙饋發電機的電壓矢量方程為

式中 us，ur——定轉子電壓矢量;

is，ir——定轉子電流矢量；

Rs，Rr——定轉子電阻；

ψs，ψr——定轉子磁鏈矢量；

p——微分算子，p=d/dt；

ωs1——滑差電角度，ωs1=ωs-ωr；

其中 ωs，ωr——同步角速度和轉子角速度。

永磁雙饋電機的內轉子是個永磁同步轉子，其外轉子為繞線異步轉子。內部的永磁同步轉子，相當于在外氣隙中增加了一個同步速的磁鏈，電機的主磁鏈絕大部分將穿過繞線轉子，進入定子軛部，這一現象在永磁雙饋電機電磁場有限元計算中也得到了驗證，如圖2 所示。永磁轉子產生的磁通在定轉子中有漏磁，根據有限元的計算，該部分漏磁很小，在工程上是可以忽略的。這種忽略繞線轉子中的漏磁建立起來的數學模型得到了簡化，有利于電機模型的建立和簡化電機的控制。因此，在考慮數學模型時，本文建立的定轉子繞組磁鏈方程采用相同的永磁磁鏈。

圖2 永磁雙饋電機磁力線分布圖Fig.2 Flux distribution of PMDFIG

忽略永磁轉子漏磁建立的永磁雙饋電機磁鏈矢量方程式為

式中 Ls——定子全自感；

Lm——定轉子之間的互感；

Lr——轉子全自感；

ψf——永磁磁鏈。

定義等效定子勵磁電流imo為

Lm/Ls≈1，由式（2）和式（3）可得轉子磁鏈為

將式（3）和式（4）代入式（1）得

由式（5）可得

將式（6）代入式（5）中，可得轉子電壓方程為

永磁雙饋電機采用基于定子電壓定向的矢量控制策略，d 軸電壓等于電網電壓，即usd=us，則定子q 軸電壓為零，即usq=0。式（7）可以整理為

永磁雙饋電機的電磁轉矩為

繞線轉子的轉矩平衡方程為

式中 J——電機轉子的轉動慣量；

Ωr——電機轉子的機械角速度；

TL——發電機的驅動轉矩，該轉矩可通過變槳距控制進行調節。

當電網電壓恒定時，電機定子電壓和定子磁鏈恒定，定子電流的勵磁分量也不變，dimo/dt=0。當電網發生故障時，電壓us和磁鏈ψs是變化的，定子電流的勵磁分量也發生變化，dimo/dt≠0。上述模型計及定子勵磁電流的變化，可以減小故障期間轉子電流的波動，防止故障時發電機轉子及轉子側變換器的過電流。式（1）、式（2）、式（8）、式（10）和式（11）構成了永磁雙饋發電系統的動態模型。

3 電網嚴重故障狀態下永磁雙饋風力發電系統低電壓穿越控制策略

上述計及定子勵磁電流變化的永磁雙饋發電機動態模型在電網電壓小幅驟降情況下可以獲得較好的控制效果。但是，電網電壓大幅跌落情況下，必須采取相應的保護措施。

電網電壓嚴重跌落情況下，永磁雙饋發電機也可采用普通雙饋發電機中采用的Crowbar 控制，圖3 為PMDFIG 的Crowbar 控制原理。虛線框中部分為Crowbar 控制電路。當電網電壓驟降而引起轉子側電流增大時，晶閘管導通，同時轉子側變換器停止工作。繞線轉子三相短接，從而抑制轉子電流的沖擊。Crowbar 控制在應對電網電壓驟降故障時具有非常好的效果，但增加了硬件成本，也增加了整個裝置的體積、重量；同時，Crowbar 旁路電阻的選取、旁路電阻接入和切除的時間控制等問題都沒有得到很好解決。

圖3 永磁雙饋風力發電系統Crowbar 控制Fig.3 Crowbar control diagram of the PMDFIG wind energy generation system

為了降低發電系統的成本，又能提高低電壓穿越能力，永磁雙饋發電機在電網電壓嚴重跌落時，在計及定子勵磁電流變化的矢量控制策略基礎上，提出了零轉矩控制策略，變換器控制系統通過限制發電機轉矩的方式控制發電機轉子加速運行，將由電網電壓驟降引起的風電機組中的不平衡能量轉換成轉子的動能，從而減小發電機定、轉子回路中的過電流，這種控制方式能夠將電網電壓嚴重驟降時產生的能量轉化為電機轉子的旋轉儲能，而在電網電壓故障解除后，將此部分能量轉變為電能輸出。從而有利于電網電壓的快速恢復，滿足低電壓穿越運行要求。

在電網電壓正常和電網電壓恢復正常的過程中，采用計及定子勵磁電流變化的定子電壓定向矢量控制。變換器控制系統通過給定電機輸出有功功率與無功功率，對二者進行PI 調節控制，從而實現對發電系統的有功功率與功率因數的控制。PMDFIG 在電壓嚴重跌落時計及定子勵磁電流變化的零轉矩控制原理如圖4 所示。當檢測系統檢測到電網電壓嚴重跌落時，變換器控制系統將發電機的輸入轉矩強制為零，從而把來自風力系統的能量轉化為轉子的旋轉動能，當電網故障解除時，再將旋轉儲能回饋到系統中。

網側變換器的控制采用常規的矢量控制方式，網側變換器控制框圖如圖5 所示[12,13]。采用電壓外環和電流內環控制，電壓外環主要作用是控制整流器直流側電壓穩定，而電流內環的主要作用是按電壓外環輸出的電流指令進行電流控制。

圖4 計及定子勵磁電流變化的零轉矩控制框圖Fig.4 Diagram of zero torque control strategy considering stator excitation current

圖5 網側變換器控制框圖Fig.5 Control diagram of the grid side converter

4 永磁雙饋發電機低電壓穿越仿真分析

為了驗證新型永磁雙饋風力發電機在Crowbar控制和計及定子勵磁電流變化的零轉矩控制策略的有效性，依據低電壓穿越運行標準，分別研究了永磁雙饋風力發電系統在電網三相完全短路以及電網電壓驟降為0.15pu 兩種嚴重故障情況下低電壓穿越能力。

4.1 低電壓穿越運行標準

圖6 為愛爾蘭在2004 年公布的電網規范。其中規定當網側電壓在實線以上范圍內時，風力發電機必須維持與電網的連接。當電網三相完全短路時，要求發電機保持與電網連接時間持續為125ms；當電網三相電壓由1.0pu 跌落至0.15pu 時，要求發電機保持與電網連接時間持續為625ms。當電網電壓恢復時，要求發電機必須在1s 內快速恢復到正常的工作電壓[14-16]。

圖6 低電壓穿越運行標準Fig.6 Ride through standard of wind power generator

4.2 電網三相完全短路故障低電壓穿越運行仿真

為了驗證永磁雙饋發電機Crowbar 控制和零轉矩控制策略的有效性，建立了電網電壓驟降故障情況下PMDFIG 的仿真模型，PMDFIG 仿真參數是根據實際設計的1.5MW 電機的有限元分析得到的，仿真具體參數如下:額定功率1.5MW,定子額定電壓690V，額定頻率50Hz，機組慣性常數0.94s，定子電阻0.01pu（圖7、圖8 均為標幺值），轉子電阻0.009pu，定子漏感0.171pu,轉子漏感0.156pu，定轉子互感2.9pu，極對數3，定轉子匝數比為0.38，永磁磁鏈0.5pu，Crowbar 旁路電阻0.8pu。

仿真模型中，電網故障期間轉子側變換器分別采用提出的零轉矩控制方式和傳統的Crowbar 控制方式進行對比，以驗證零轉矩控制方式的有效性。

電網三相完全短路故障時，零轉矩控制方式與Crowbar 控制方式仿真對比結果如圖7 所示。電機穩定運行時的轉速為1.2pu。圖7a 中，1s 時發生三相完全短路故障，電網電壓由1pu 變為0；1.125s時，電網電壓恢復正常。

圖7 電網三相短路時零轉矩控制方式與Crowbar 控制方式仿真對比Fig.7 Comparison of the responses between the traditional Crowbar and the zero-torque control under three phase short circuit

圖7b 為直流母線電壓波形，可以看到網側變換器采用傳統的矢量控制方式，能夠有效的抑制直流母線電壓的波動。在常規的Crowbar 控制方式中，母線電壓可以升高到1.242pu，而本文所采用的方法，可以將直流母線電壓的波動限制在1.235pu 內。

由圖7c、7d 可以看出，零轉矩控制方式能夠有效的抑制有功功率與無功功率的波動，同時保證有功功率與無功功率維持在給定值附近。在抑制波動方面，其性能也優于Crowbar 控制。

由圖7e 可以看出，采用零轉矩控制方式，在電網電壓嚴重驟降的情況下，其轉子轉速波動大于Crowbar 控制。這正是零轉矩控制思想的核心體現。零轉矩控制即是將電網電壓驟降瞬間的電機能量轉化為電機轉子的動能，因此其轉子轉速上升必然大于Crowbar 控制。由圖中可以看到，零轉矩控制時，轉子轉速上升峰值為1.218pu。

由圖7f、7g 可以看出，零轉矩控制方式可以減小電壓驟降時的定子電流，定子電流值要小于Crowbar 控制方式時的電流值，從而能夠有效的抑制定子電流對電網的沖擊。

由圖7h、7i 可以看出零轉矩控制可以有效控制電壓嚴重驟降時轉子電流波動，其電流小于Crowbar 控制方式的沖擊電流，這在實際運行時能夠有效防止故障時轉子側變換器過電流。

4.3 長時間電壓跌落低電壓穿越運行仿真

電網電壓長時間跌落故障時，零轉矩控制方式與Crowbar 控制方式仿真對比結果如圖8 所示，曲線1、2 分別對應Crowbar 控制方式和零轉矩控制方式。電機穩定運行時的轉速為1.2pu。圖8a 中，1s時，電網電壓由1pu 降為0.15pu；1.625s 時，電網電壓恢復正常。

圖8 電網電壓跌落時零轉矩控制方式與Crowbar 控制方式仿真對比Fig.8 Comparison of the responses between the traditional Crowbar and the zero-torque control under grid voltage dip fault

由圖8 所示，計及定子勵磁電流變化的零轉矩控制在較長時間的電壓跌落故障中也能夠達到較好的控制效果。與Crowbar 控制方式相比較，能夠有效地抑制有功功率與無功功率的振蕩，在抑制定轉子沖擊電流方面也要優于Crowbar 控制。缺點就是造成電機轉子較大的轉速波動，如圖8e 所示，電機轉速峰值達到1.238pu。當電機轉速上升超過設定值時，可以采用變槳距控制，增大槳葉節距角，減少槳葉提供給電機的機械功率，減緩轉速的上升。

對永磁雙饋風力發電機動態性能仿真表明，提出的新型永磁雙饋發電系統在兩種嚴重跌落故障的情況下，計及定子勵磁電流變化的零轉矩控制方式比常規的Crowbar 控制具有較好的動態響應。

5 結論

計及定子勵磁電流的零轉矩控制方式在電網電壓嚴重驟降故障時，將發電機系統的能量轉化為電機轉子的旋轉儲能，從而抑制定轉子電流的沖擊，有效的保護電機和轉子側變換器。同時該種控制方式應用于新型永磁雙饋風力發電機，并不需要增加Crowbar 控制電路，從而節約了成本，減小了發電系統重量和體積。本文通過零轉矩控制與Crowbar控制的對比仿真，證明零轉矩控制方式能夠有效控制永磁雙饋發電機過電流，提高了永磁雙饋發電機系統的低電壓穿越能力。

故障期間采用零轉矩控制將會帶來轉子轉速的上升，但這可以通過變槳距控制進行調節，減小風機功率的輸入從而有效的抑制電機轉速的上升。同時，考慮到電網電壓嚴重驟降持續的時間都比較短，所以對風力發電機械系統的影響不大。

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