兩相靜止坐標(biāo)系下DFIG適應(yīng)復(fù)雜電網(wǎng)環(huán)境的定子輸出功率波動(dòng)抑制

李俊卿，　戴　斌

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定　071003)

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兩相靜止坐標(biāo)系下DFIG適應(yīng)復(fù)雜電網(wǎng)環(huán)境的定子輸出功率波動(dòng)抑制

李俊卿，戴斌

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定071003)

摘要：針對(duì)電網(wǎng)電壓不平衡且同時(shí)含有5次、7次諧波的復(fù)雜電網(wǎng)環(huán)境對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組(DFIG)定子輸出功率的不良影響，在兩相靜止α、β坐標(biāo)系中對(duì)DFIG適應(yīng)復(fù)雜電網(wǎng)環(huán)境的定子輸出有功和無(wú)功功率波動(dòng)抑制控制策略進(jìn)行了研究。分析了復(fù)雜電網(wǎng)環(huán)境下DFIG在兩相靜止α、β坐標(biāo)系中的定子輸出有功、無(wú)功功率波動(dòng)成分，計(jì)算出能抑制DFIG定子輸出有功、無(wú)功功率中2倍頻和6倍頻波動(dòng)成分的轉(zhuǎn)子電流參考指令。通過(guò)MATLAB/Simulink仿真驗(yàn)證了所提控制策略的有效性。

關(guān)鍵詞：雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組； 電網(wǎng)電壓不平衡； 電網(wǎng)電壓諧波； 定子輸出功率； 波動(dòng)抑制

0引言

隨著雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組(Doubly-Fed Induction Generator， DFIG)并網(wǎng)技術(shù)研究的逐漸深入，許多雙饋風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域中一些深層次的問(wèn)題也逐漸凸顯出來(lái)。DFIG在電網(wǎng)電壓不平衡和諧波畸變等非理想電網(wǎng)環(huán)境下保持不脫網(wǎng)運(yùn)行并降低對(duì)并網(wǎng)端的影響是對(duì)并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組安全運(yùn)行的約束條件[1]。

文獻(xiàn)[2]提出了在電網(wǎng)電壓不平衡條件下基于新型PI-R調(diào)節(jié)器的雙饋風(fēng)電系統(tǒng)控制技術(shù)，以抑制電網(wǎng)電壓不平衡對(duì)DFIG的不良影響。文獻(xiàn)[3]研究了電網(wǎng)電壓含有5次、7次諧波條件下DFIG的建模與控制。本文在分析電網(wǎng)電壓不平衡且諧波畸變的復(fù)雜電網(wǎng)環(huán)境下DFIG定子輸出功率波動(dòng)成分的基礎(chǔ)上，在兩相靜止α、β坐標(biāo)系中計(jì)算出能同時(shí)抑制DFIG定子輸出有功、無(wú)功功率中2倍頻和6倍頻波動(dòng)成分的轉(zhuǎn)子電流參考指令，實(shí)現(xiàn)了DFIG適應(yīng)復(fù)雜電網(wǎng)環(huán)境的定子輸出有功、無(wú)功功率波動(dòng)抑制目標(biāo)。

1.1　兩相靜止坐標(biāo)系下DFIG數(shù)學(xué)模型

電網(wǎng)電壓不平衡且含有5次、7次諧波條件下雙饋風(fēng)電系統(tǒng)中表示電壓、電流或磁鏈的空間矢量F在兩相靜止α、β坐標(biāo)系中可寫為式(1)形式[4]。Fαβ5-、Fαβ7+、Fαβ+、Fαβ-分別表示5次諧波、7次諧波和基波正、負(fù)序分量。其中Fαβ=Fα+jFβ。

Fαβ=Fαβ++Fαβ-+Fαβ5-+Fαβ7+

(1)

兩相靜止α、β坐標(biāo)系下DFIG的定、轉(zhuǎn)子電壓和磁鏈方程如式(2)、(3)[5]所示：

(2)

(3)

式中：usαβ、urαβ——定、轉(zhuǎn)子電壓矢量；

isαβ、irαβ——定、轉(zhuǎn)子電流矢量；

ψsαβ、ψrαβ——定、轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶浚?/p>

Ls、Lr——定、轉(zhuǎn)子等效自感；

Lm——繞阻間等效互感；

Rs、Rr——定、轉(zhuǎn)子繞組電阻；

ωr——轉(zhuǎn)子電角速度。

1.2　DFIG的定子瞬時(shí)輸出功率表達(dá)

DFIG在兩相靜止α-β坐標(biāo)系中的定子輸出功率表達(dá)式為[6]

(4)

Ps、Qs——定子瞬時(shí)輸出有功、無(wú)功功率。

根據(jù)式(1)可將usαβ、isαβ寫為

(5)

將式(5)代入式(4)可得式(6)。式(6)中各下標(biāo)代表各功率分量頻次：

(6)

式中4倍頻、8倍頻和12倍頻的波動(dòng)成分由負(fù)序與諧波分量或諧波與諧波分量作用而成，幅值很小，忽略不計(jì)，得式(7)：

(7)

式(8)給出了式(7)中各項(xiàng)的表達(dá)式：

(8)

將式(8)展開可得式(9)～(10)：

(9)

(10)

1.3　復(fù)雜電網(wǎng)環(huán)境下DFIG的轉(zhuǎn)子電流參考指令計(jì)算

由式(3)中定子磁鏈表達(dá)式得式(11)：

(11)

式(8)～(10)可以用矩陣表示，如式(12)所示。令式(12)中的2次和6次的功率波動(dòng)成分參考值為零，即Ps2*=Ps6+*=Ps6-*=0，Qs2*=Qs6+*=Qs6-*=0，并將式(11)代入可解得轉(zhuǎn)子

(12)

電流參考指令，如式(13)所示：

(13)

P_Q*=(Ps0*Qs0*000000)

Ψs=(Ψsα+Ψsβ+Ψsα-Ψsβ-Ψsα5-

Ψsβ5-Ψsα7+Ψsβ7+)

Ir*=(isα+*isβ+*isα-*isβ-*isα5-*

isβ5-*isα7+*isβ7+*)

式中： M——式(12)中的定子電壓各分量組成的方陣。

2.1　復(fù)雜電網(wǎng)環(huán)境下DFIG定子電壓的基波正、負(fù)序和諧波分量提取

相關(guān)電磁量基波正序、負(fù)序和5次、7次諧波分量的提取分離是電網(wǎng)電壓不平衡且含有5次、7次諧波條件下DFIG控制的重要環(huán)節(jié)。文獻(xiàn)[7]提出了一種基于二階廣義積分器的基波正、負(fù)序分量檢測(cè)方法，并分析了二階廣義積分器的工作原理及其濾波作用。另外，陷波器能有效濾除特定頻次的諧波成分[8]。在上述基礎(chǔ)上本文采用二階廣義積分器和陷波器結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓不平衡且諧波畸變時(shí)DFIG定子電壓和磁鏈在兩相靜止α、β坐標(biāo)系中的基波正、負(fù)序和5次、7次諧波分量提取。另外用鎖相環(huán)對(duì)定子電壓基波正序分量進(jìn)行頻率檢測(cè)[9]。定子電壓的基波正、負(fù)序和5次、7次諧波分量提取原理框圖如圖1所示；ω1為定子電壓基波正序角頻率，q為時(shí)域中的90°相移算子。usα經(jīng)過(guò)二階廣義積分器得到正交分量usα′和qusα′，usβ經(jīng)過(guò)二階廣義積分器得到正交分量usβ′和qusβ′。usαt、usβt僅含有5次和7次諧波分量，經(jīng)過(guò)對(duì)應(yīng)陷波器提取出對(duì)應(yīng)的5次和7次諧波分量。5次諧波分量通過(guò)7次陷波器及7次諧波分量通過(guò)5次陷波器時(shí)會(huì)有相同的幅值衰減，需要對(duì)陷波過(guò)程進(jìn)行幅值補(bǔ)償。k為補(bǔ)償系數(shù)。根據(jù)5次和7次陷波器的傳遞函數(shù)可計(jì)算得k=1+(70ξ/24)2，ξ為陷波器的衰減系數(shù)。

圖1　定子電壓的基波正、負(fù)序和5次、7次諧波分量提取原理結(jié)構(gòu)圖

2.2　兩相靜止α、β坐標(biāo)系下DFIG適應(yīng)復(fù)雜電網(wǎng)環(huán)境的控制系統(tǒng)

電網(wǎng)電壓不平衡且含有5次、7次諧波時(shí)兩相靜止αβ坐標(biāo)系中的轉(zhuǎn)子電流將同時(shí)包含有角頻率為±ω1的正序、負(fù)序分量和角頻率分別為-5ω1、7ω1的5次、7次諧波分量，因此系統(tǒng)所采用的控制器必須對(duì)上述各分量同時(shí)起到控制作用。兩相靜止α、β坐標(biāo)系中的比例-諧振控制器可以等效于同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系中的比例-積分控制器[10]。文獻(xiàn)[11]對(duì)比例諧振控制器的工作原理作了詳細(xì)闡述。所以采用合理形式的諧振控制器可以對(duì)上述正、負(fù)和5、7次諧波分量起到很好的控制作用。結(jié)合上述分析本文采用的比例-奇數(shù)多頻諧振控制器傳遞函數(shù)如式(14)所示：

(14)

式中：Kp——比例系數(shù)；

Kr1、Kr2、Kr3——各諧振系數(shù)；

ωc1、ωc2、ωc3——對(duì)應(yīng)截止頻率。

文獻(xiàn)[5]給出了兩相靜止α、β坐標(biāo)系中轉(zhuǎn)子電壓參考值的表達(dá)式，如式(15)所示：

(15)

式中：σ——漏感系數(shù)，σ=1-Lm2/(LsLr)。

urα′、urβ′表達(dá)式如式(16)所示：

(16)

最后，SVPWM為轉(zhuǎn)子參考電壓的空間矢量脈寬調(diào)制環(huán)節(jié)[12]。

上述電網(wǎng)電壓不平衡且諧波畸變下DFIG定子輸出功率波動(dòng)抑制控制原理框圖如圖2所示。

圖2　電網(wǎng)電壓不平衡且諧波畸變下DFIG定子輸出功率波動(dòng)抑制控制原理框圖

3仿真與分析

為了驗(yàn)證上述兩相靜止α、β坐標(biāo)系下雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組適應(yīng)復(fù)雜電網(wǎng)環(huán)境的定子輸出功率波動(dòng)抑制控制策略的有效性，在MATLAB/Simulink環(huán)境中建立了額定功率為1.5MW的DFIG系統(tǒng)標(biāo)幺值仿真模型，功率基準(zhǔn)值為1.5MW，電壓基準(zhǔn)值為690V，定、轉(zhuǎn)子繞組電阻分別為0.023和0.016，定、轉(zhuǎn)子漏感分別為0.18和0.16，定、轉(zhuǎn)子繞阻間等效互感為2.9。

仿真中在t=0.6s時(shí)刻設(shè)置電網(wǎng)電壓發(fā)生不平衡，同時(shí)加入5次、7次諧波，電網(wǎng)電壓不平衡度為5%，5次、7次諧波含量分別為基波分量的5%和3%。圖3為usabc的仿真波形圖，0.5～0.6s 為正常電網(wǎng)工況，0.6s開始發(fā)生電網(wǎng)電壓不平衡且諧波畸變。圖4為usαβ+、usαβ-、usα5-、usα7+的仿真波形圖，可以看出所采用的正、負(fù)序及諧波分量提取方法實(shí)現(xiàn)了正、負(fù)序和5次、7次諧波分量的提取。圖5為定子輸出有功、無(wú)功功率仿真波形圖，可看出所采用的控制策略有效抑制了由電網(wǎng)電壓不平衡且諧波畸變?cè)斐傻腄FIG定子輸出有功、無(wú)功功率的波動(dòng)。

圖3　電網(wǎng)電壓不平衡且諧波畸變前后usabc仿真波形圖

圖4　電網(wǎng)電壓不平衡且諧波畸變前后usαβ+、usαβ-、usα5-、usα7+的仿真波形圖

圖5　電網(wǎng)電壓不平衡且諧波畸變前后DFIG定子輸出功率仿真波形圖

4結(jié)語(yǔ)

本文在兩相靜止α、β坐標(biāo)系中分析了電網(wǎng)電壓不平衡且諧波畸變的復(fù)雜電網(wǎng)環(huán)境下定子輸出有功、無(wú)功功率成分，采用了適合兩相靜止α、β坐標(biāo)系的正、負(fù)序和諧波分量提取方法，采用比例-奇數(shù)多頻諧振控制器對(duì)轉(zhuǎn)子電流進(jìn)行控制。仿真結(jié)果驗(yàn)證了本文轉(zhuǎn)子電流參考指令計(jì)算的正確性和所采用正、負(fù)序和5次、7次諧波分量提取方法及定子輸出有功、無(wú)功功率中2倍頻和6倍頻波動(dòng)抑制控制策略的有效性。

【參 考 文 獻(xiàn)】

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Suppression of DFIG Stator Output Power Fluctuation Adapted to

Complicated Grid Conditions in Theα、βReference Frame

LIJunqing，DAIBin

(School of Electrical and Electronic Engineering， North China Electric Power University，

Baoding 071003， China)

Abstract：At the view of the harmful effects on DFIG stator output power caused by unbalanced grid voltage which also contains fifth order harmonic and seventh order harmonic， the DFIG stator output active and reactive power fluctuation suppressing control strategy was studied in the α、β reference frame. The rotor current reference instructions that suppressed the 2-doubling and 6-doubling fluctuant components of DFIG stator output active and reactive power was calculated in the α、β reference frame based on analysis of DFIG stator output active and reactive power fluctuant components. The effectiveness of the control strategy proposed was proved through MATLAB/Simulink simulation.

Key words：doubly-fed induction generator(DFIG)； grid voltage unbalance； grid voltage harmonic；stator output power； fluctuation suppression

收稿日期：2015-07-16

中圖分類號(hào)：TM 614

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1673-6540(2016)02- 0078- 05

作者簡(jiǎn)介：李俊卿(1967—)，女，博士，教授，研究方向?yàn)榻涣麟姍C(jī)及其系統(tǒng)分析，發(fā)電機(jī)發(fā)熱分析、計(jì)算以及在線監(jiān)測(cè)和故障診斷。

戴斌(1989—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)樽兯俸泐l雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組適應(yīng)非理想電網(wǎng)環(huán)境的運(yùn)行與控制。