基于滑模控制器的雙饋風電機組低電壓穿越控制策略*

王艾萌，郗文遠(華北電力大學電氣與電子工程學院，河北保定　071003)

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基于滑模控制器的雙饋風電機組低電壓穿越控制策略*

王艾萌，郗文遠
(華北電力大學電氣與電子工程學院，河北保定071003)

摘要:為增強雙饋風力發電系統(DFIG)的動態響應速度，設計了滑模電流控制器。分析了DFIG能量流動關系，并從抑制能量向轉子側流動的角度考慮，提出了電網故障時刻轉子側變流器的改進控制策略。對所提改進控制策略進行了對比仿真分析。結果表明，該方法能有效地抑制轉子側過電流和電磁轉矩振蕩，動態性能好，提高了DFIG的低電壓穿越能力。

關鍵詞:雙饋風力發電機;低電壓穿越;滑模控制;能量流動

郗文遠(1990—)，男，碩士研究生，研究方向為電機控制、新能源發電技術。

0　引言

雙饋風力發電機(Doubly-Fed Induction Generator，DFIG)組應用廣泛，但低電壓穿越問題也最為嚴重。典型的DFIG機組，轉子繞組通過電力電子變流器與電網相連，定子側則直接接入電網，使得其對電網故障異常敏感。當電網電壓發生跌落時，會使DFIG產生嚴重的電磁暫態過程，引起定、轉子的過流和直流母線電壓泵升［1-5］。

近年來，各類方案相繼被提出以提高DFIG的低電壓穿越能力。可以大致分為3類:第1類通過增加硬件保護設備，如Crowbar電路［3-4］，DC-chopper電路［5］等，通過增加額外的耗能設備消耗DFIG多余的能量，保護變流器的安全。但這類方案各有其局限性，且會增加風電機組成本，降低其可靠性。第2類是在風電場安裝無功補償設備，如靜止無功補償器［1］(SVC)、靜止同步補償器［6］(STATCOM)、動態電壓恢復器［7］(DVR)等。這一類方案能有效地提高風電場的故障穿越能力，但這一類設備往往成本過高，限制了其大規模應用。第3類方案為改進電網故障時刻的控制策略。文獻［8-12］從不同的角度考慮，得到電網故障時刻抑制轉子過電流的控制方法，如文獻［8］提出控制轉子電壓電流，產生與定子暫態直流分量和負序分量相反的轉子磁鏈，從而達到抑制轉子側過電流的效果。文獻［9］中，通過將定子磁鏈作為前饋量，控制轉子磁鏈跟蹤定子磁鏈，從而起到減小轉子過流、抑制電磁轉矩振蕩的作用。這類方案受變流器容量的限制，電網發生嚴重故障時，并不能保證變流器的安全。

本文對電網故障時DFIG轉子側變流器控制策略進行研究，力圖在不觸發硬件保護的基礎上，擴大DFIG安全運行范圍。基于滑模控制原理設計了轉子變流器功率控制策略;基于抑制電磁功率向轉子側傳遞的觀點提出了電網故障時刻改進的轉子側變流器控制策略;對本文所設計低電壓穿越方案的有效性進行了仿真驗證。

1　電網故障下DFIG的控制策略

1.1DFIG數學模型

Park模型通常用于分析DFIG的運行特性。采用電動機慣例，則在同步旋轉坐標系中DFIG的定、轉子電壓方程和磁鏈方程可表示為［13］

式中: U——電壓;

R——電阻;

I——電流;

Ψ——磁鏈;

ωs——同步電角速度;

ωsl——轉差電角速度，ωsl=ω－ωr;

Ls、Lr——定、轉子繞組自感，其中Ls= Lm+ Lsσ、Lr= Lm+ Lrσ，Lm、Lsσ、Lrσ為定轉子間互感、定子漏感、轉子漏感。σ=1－(Lm

2/(LsLr) ) ;

s、r——定、轉子相應量。

由式(1)、(2)可得轉子電壓方程:

由式(1)、(2)、(3)可得狀態方程:

1.2滑模控制器設計

轉子側變換器控制策略的切換或者重新投入運行，會給系統帶來不必要的沖擊。為增強DFIG控制的響應速度和抗擾能力，本節基于滑模控制原理設計電流控制器。

定義如下切換函數:

對式(6)求導得

為減弱抖振并改善趨近運動的動態性能，采用指數趨近律［14］，則由式(7)可得

其中，sat(s)為

聯立式(4)、(5)、(7)、(8)得轉子電壓方程:

由式(10)可得電網正常情況下轉子側變流器基于滑模控制器的控制方程。其控制原理圖如圖1所示。

圖1　基于滑模控制器的轉子側變流器功率控制原理圖

1.3轉子回路過電流抑制機理

將DFIG作為1個具有1個機械端口和2個電端口的能量轉換裝置。電動機慣例下DFIG的能量流動如圖2所示。當DFIG超同步運行時，風力機捕獲風能，通過機械能的方式輸入到機電耦合系統，經電磁能量轉換，以電能的形式從定子側和轉子側饋入到電網。其能量關系如下:

圖2　DFIG三端口能量流動示意圖

其中:

式中: Ws、Wr、Wm——定子輸入電能、轉子輸入電能及風力機輸入的機械能; es、er——定、轉子感應電動勢。

當電網電壓發生跌落時，定、轉子端口輸出的電能減少而風力機輸入的機械能不變，此時定、轉子感應電動勢將發生變換，以使電端口輸出更多的能量，從而造成了定、轉子回路的浪涌電流。

由機電能量轉換原理可知，感應電動勢的存在是耦合磁場與電網進行能量交換的必要條件［15］。轉子回路感應電動勢由變壓器電動勢dψr/dt和運動電動勢jωslψr組成，由變壓器電動勢向外輸出的能量，是磁鏈中的直流暫態磁鏈衰減向外釋放能量的結果，因此，轉子感應電動勢可控部分只有運動電動勢。為減小這一部分感應電動勢，可得轉子電流參考值為

結合式(2)對式(13)進行修正，得由定子磁鏈表示的轉子電流參考值:

將式(14)代入到電磁轉矩和轉子電磁功率表達式［16］，可得

由式(15)、(16)可知，若轉子電流能快速跟蹤給定值，則電網故障時，轉子回路輸出的電磁功率為零，且電磁轉矩的振蕩能得到抑制。

2　 MATLAB仿真驗證

為了驗證本文所改進低電壓穿越控制方案的正確性，采用MATLAB/Simulink進行仿真研究。以1 臺1.5 MW的DFIG機組為例。其主要參數如下:額定電壓575 V，額定頻率60 Hz，極對數2，定、轉子繞組匝數比1∶3，定子電阻0.023，轉子電阻0.016，定子漏感0.18，轉子漏感0.16，激磁電感2.9(均折算到標幺值)。直流母線電壓額定值1 150 V，直流卸荷電路與直流電容并聯，保護直流母線電壓不超過1.1 p.u.。滑模電流控制器參數如下: kp=1，ki= 5，k1=1，k2=15。電網電壓跌落前，DFIG以單位功率因數向電網輸出有功功率，轉差率s =－0.2。

2.1電網對稱故障

圖3給出了當t = 0.2 s時機端電壓跌落到25%時的仿真結果。設轉子側電流最大值不超過2 p.u.。當檢測到電網故障時，轉子電流參考值切換到式(14)。由圖3(a)可知，采用帶前饋補償的傳統矢量控制，電網故障時刻，轉子電流峰值為4 p.u.，電磁轉矩振蕩反向最大幅值達到了1 p.u.。采用文獻［8］所提“滅磁”控制策略時，如圖3(b)所示，轉子電流峰值被限制在了2 p.u.，電磁轉矩的反向振蕩幅值達到了0.45 p.u.。圖3(c)所示采用本文所提控制策略時，轉子電流峰值減小到1.72 p.u.，且抑制電磁轉矩振蕩的控制效果明顯，電磁轉矩保持為零。電網電壓跌落及電壓恢復時刻，圖3(c)所示功率波形，相比于圖3 (a)、(b)所示功率波形，其振蕩幅度和進入穩態的速度明顯縮短，滑模電流控制器的應用能使DFIG快速進入穩態，減小了DFIG對電網的沖擊。

2.2電網不對稱故障

圖3　電壓對稱跌落到25%時DFIG仿真結果

如圖4所示為電網出現兩相電壓跌落到20%時的仿真結果。因受并網變壓器結構的影響，其DFIG機端電壓跌落情況如圖4所示定子電壓波形。圖4(a)為采用帶前饋補償的傳統矢量控制時的仿真結果，電網電壓跌落瞬間，轉子側電流過電流達到3.2 p.u.，電磁轉矩振蕩幅值達到了0.95 p.u.。采用文獻［8］所提滅磁控制策略時，電網故障時刻，轉子電流幅值減小到了1.5 p.u.，如圖4(b)所示。圖4(c)為所提LVRT控制策略控制下的仿真結果。電網故障時刻，轉子電流峰值為1.5 p.u.，可見電磁轉矩的仿真結果為一條值接近于零的直線，電磁轉矩的振蕩得到了很好的抑制。值得注意的是，所提控制策略投入運行時，會從電網吸收無功功率。

圖4　電壓兩相跌落到20%時的DFIG仿真結果

3　結語

為提高控制的響應速度，減小DFIG對電網的沖擊，基于滑模控制原理設計了電流控制器。分析了DFIG能量流動關系，并從抑制能量向轉子側流動的角度考慮，提出了電網故障時刻轉子側變流器的改進控制策略。針對電壓對稱、不對稱跌落進行了仿真驗證，證明了該方法能有效抑制電網故障時刻轉子側過電流，并對電磁轉矩的振蕩有很好的抑制效果，達到了擴大DFIG安全運行區域、提高DFIG低電壓穿越能力的目的。

【參考文獻】

［1］徐海亮，章瑋，賀益康，等.雙饋型風電機組低電壓穿越技術要點及展望［J］.電力系統自動化，2013，37(20) : 8-15.

［2］賀益康，周鵬.變速恒頻雙饋異步風力發電系統低電壓穿越技術綜述［J］.電工技術學報，2009，24 (9) : 140-146.

［3］PANNELL G，ATKINSON D J，ZAHAWI B.Minimum-threshold crowbar for a fault-ride-through grid-code-compliant DFIG wind turbine［J］.IEEE Trans Energy Convers，2010，25(3) : 750-759.

［4］MORREN J，HAAN S W H D.Short-circuit current of wind turbines with doubly fed induction generator［J］.IEEE Trans Energy Convers，2007，22(1) : 174-180.

［5］PANNELL G，ZAHAWI B，ATKINSON D J.Evaluation of the performance of a DC-Link brake chopper as a DFIG low-voltage-fault-ride-through device［J］.IEEE Trans On Enerty Convers，2013，28 (3) : 535-542.

［6］鄭重，楊耕，耿華.配置STATCOM的DFIG風電場在不對稱電網故障下的控制策略［J］.中國電機工程學報，2013，33(19) : 27-38.

［7］NGUYEN A O I T，LEE D C，KIM S C.A fault ride-through technique of DFIG wind turbine systems using dynamic voltage restorers［J］.IEEE Trans Energy Convers，2011，26(3) : 871-882.

［8］XIANG D W，RAN L，TAVNER P J，et al.Control of a doubly fed induction generator in a wind turbine during grid fault ride-through［J］.IEEE Trans Energy Convers，2006，21(3) : 652-662.

［9］XIAO S，YANG G，ZHOU H L，et al.An LVRT control strategy based on flux linkage tracking for DFIG-Based WECS［J］.IEEE Trans Ind Electron，2013，60(7) : 2820-2832.

［10］LIMA F K A，LUNA A，RODRIGUEZ P.Rotor voltage dynamics in the doubly fed induction generator during grid faults［J］.IEEE Trans Power Electron，2010，25(1) : 118-130.

［11］LIANG J Q，QIAO W，HARLEY R G.Feed-forward transient current control for low-voltage ride-through enhancement of DFIG wind turbines［J］.IEEE Trans Energy Convers，2010，25(3) : 836-843.

［12］LIANG J，HOWARD D F，RESTREPO J A，et al.Feedforward transient compensation control for DFIG wind turbines during both Balanced and Unbalanced Grid Disturbances［J］.Industry Applications IEEE Transactions on，2013，49(3) : 1452-1463.

［13］胡家兵，孫丹，賀益康，等.電網電壓驟降故障下雙饋風力發電機建模與控制［J］.電力系統自動化，2006，30(8) : 21-26.

［14］鄭雪梅，李琳，徐殿國.雙饋風力發電系統低電壓過渡的高階滑模控制仿真研究［J］.中國電機工程學報，2009(S1) : 178-183.

［15］王成元，夏加寬，孫宜標.現代電機控制技術［M］.北京:機械工業出版社，2014.

［16］胡家兵.雙饋異步風力發電機系統電網故障穿越(不間斷運行)研究［D］.浙江:浙江大學電氣工程學院，2009.

A SMC-Based Low Voltage Ride-Through Capability Enhancement for DFIG Wind Turbines

WANG Aimeng，XI Wenyuan
(Electrical＆Electronic Engineering Department，North China Electric Power University，Baoding 071003，China)

Abstract:The SMC current controller to alter the dynamics of doubly-fed induction generator(DFIG) was designed.The flow of energy inner the DFIG was discussed.Then a low voltage ride-through(LVRT) control strategy was modified to suppress the energy flowing to the rotor circuit.The simulation was carried out to verify the effectiveness on restrain the rotor over current and the oscillations of electromagnetic torque.The simulation results demonstrated that the modified control strategy could improve the LVRT capability.

Key words:doubly-fed induction generator(DFIG) ; low voltage ride through(LVRT) ; sliding-mode control(SMC) ; energy flow

收稿日期:2015-09-15

作者簡介:王艾萌(1963—)，女，博士，教授，研究方向為電機設計及其控制技術。

*基金項目:河北省自然科學基金(E2012502018) ;教育部中央高校基本科研業務費專項資金項目(2014MS95)

中圖分類號:TM301.2

文獻標志碼:A

文章編號:1673-6540(2016) 03-0054-005