雙饋感應電機的兩種直接功率控制策略的對比仿真

賀惟明， 李 嵐， 李 濱

(太原理工大學 電氣與動力工程學院， 山西 太原 030024)

雙饋感應電機的兩種直接功率控制策略的對比仿真

賀惟明， 李 嵐， 李 濱

(太原理工大學 電氣與動力工程學院， 山西 太原 030024)

為比較雙饋感應電機(DFIG)基于空間矢量調制(SVM)的直接功率控制(DPC)策略和基于SVM的預測直接功率控制(P-DPC)策略的性能特點，提出兩種直接功率控制策略。針對轉子側變換器，建立DFIG的系統模型，依次給出了SVM DPC策略和SVM P-DPC策略的設計過程，并利用Simulink搭建各自的仿真模型進行仿真對比。仿真結果表明，兩種直接功率控制策略都能保證定子輸出功率的穩定解耦控制。相同條件下，SVM P-DPC策略的設計過程復雜，但定子輸出功率的超調小，且動態響應速度快。

雙饋感應電機； 轉子側變換器； 直接功率控制； 仿真

0 引 言

采用雙饋感應電機(Doubly-Fed Induction Generator, DFIG)直接功率控制(Direct Power Control, DPC)的風力發電系統因其所需變換器的容量較小，且魯棒性好，能較快響應追蹤風力機輸出功率等特點，近年來受到了越來越多的學者關注[1-3]。在對DFIG轉子側變換器DPC策略[4-14]的研究中，目前應用較多的是通過標志電壓矢量的空間位置，推導出不同扇區各個電壓矢量分別對有功功率和無功功率的作用效果，形成開關表DPC，即LUT-DPC策略。LUT-DPC策略制定開關表的過程復雜，并且存在開關頻率不穩定等問題。

本文在對DFIG數學模型進行分析的基礎上，針對轉子側變換器，首先給出了基于空間矢量調制(Space Vector Modulation, SVM)的SVM DPC策略。該控制策略省去了傳統矢量控制的電流內環，避免LUT DPC查詢開關表帶來的頻率不穩定等問題，具有穩定的輸出性能。

預測直接功率控制(Predictive Direct Power Control, P-DPC)策略能夠實現開關頻率恒定，有穩定的輸出性能，但算法復雜、計算量繁瑣。本文通過將SVM與P-DPC結合，提出通過預測模型預測采樣功率的變化，并計算出消除功率偏差所需的轉子側電壓的SVM P-DPC策略。該策略簡化了P-DPC的繁瑣計算，并且輸出功率的諧波分量小，動態響應快。

在Simulink仿真平臺搭建各自控制系統的仿真模型，通過仿真結果對SVM DPC和SVM P-DPC策略進行對比研究[15-22]，為DPC策略進一步的研究和應用提供有效參考。

1 同步旋轉dq坐標系下的DFIG數學模型

DFIG的定子和轉子模型均以電動機的模型形式給出，在同步轉速ω1下，其磁鏈方程式為

(1)

其中：

ψs=ψsd+jψsq

ψr=ψrd+jψrq

Is=isd+jisq

Ir=ird+jirq

式中：ψsd、ψsq,ψrd、ψrq——定、轉子磁鏈的dq軸分量；

isd、isq,ird、irq——定、轉子電流的dq軸分量。

同時，電壓方程為

(2)

其中：

ωs=ω1-ωr

Us=usd+jusq

Ur=urd+jurq

式中：ωs——轉差角速度；usd、usq,urd、urq——定、轉子電壓的dq軸分量；

p——微分算子。

DFIG定子輸出的瞬時功率為

(3)

其中，由于DFIG的定、轉子均為電動機模型，故按電網輸入來定義DFIG的定子瞬時輸出有功Ps和無功功率Qs時，有功和無功功率應為負值，因此需要在瞬時功率的計算中加上負號。

2 轉子側變換器的SVM DPC策略

SVM DPC策略是SVM與DPC策略的結合，即該策略將功率作為直接控制量對定子的輸出功率進行獨立調節，并采用SVPWM模塊進行變換控制。令電網電壓定向dq旋轉坐標系的d軸，在電網穩定且忽略定子電阻影響的條件下，由式(2)可知：

Us=jω1ψs=Usd=-ω1ψsq=Us

(4)

將式(4)代入式(3)得到有功和無功功率的瞬時功率表達式：

(5)

其中：

(6)

將式(5)的等號兩邊進行微分運算和變換處理后代入式(2)，轉子側變換器的電壓參考值為

(7)

式(7)相當于利用一個比例控制器P對轉子側電壓進行控制，在此基礎上引入比例積分PI控制器，能夠更好地實現定子側輸出功率的無靜差調節。故將式(7)做如下變換，得到最終的轉子電壓參考值：

(8)

式中：Κpp、Κpq、Κip、Κiq——轉子電壓dq分量參考值的PI控制器的比例和積分系數。

最終，根據式(4)及式(8)可得到基于SVM DPC的系統結構框圖，如圖1所示。

圖1 SVM DPC的系統結構框圖

定子輸出功率可按式(9)計算：

(9)

圖1中，有功功率參考值P*是通過風力機模型捕獲的輸出有功功率，無功功率參考值Q*一般按照電網無功需求直接給定為0。功率偏差經過式(8)的作用產生轉子側電壓參考值，再經變換和SVPWM的調制形成控制轉子側變換器的開關信號，實現最終的DPC獨立追蹤調節。

3 轉子側變換器的SVM P-DPC策略

在SVM P-DPC策略中，假設第K次采樣的功率偏差為

(10)

為使下一個采樣(第K+1次采樣)周期中的功率偏差為0，則：

(11)

式中：Ps(k)、Qs(k)——第K次采樣功率值；

Ps(k+1)、Qs(k+1)——第K+1次采樣功率值；

故在下一個采樣周期中，功率的變化量為

(12)

(13)

將式(13)代入式(12)，得到

(14)

Ps(k)err、Qs(k)err——追蹤的功率偏差。

與SVM DPC策略相似，令電網電壓定向dq旋轉坐標系的d軸，并對式(6)微分變換得到：

(15)

再將式(15)離散化作用和相應的變換處理，可以得到功率變化的預測模型：

(16)

(17)

得到基于SVM P-DPC策略的系統結構框圖，如圖2所示。

圖2 SVM P-DPC的系統結構框圖

預測算法計算產生的轉子電壓參考值，經過坐標變換及SVPWM后形成轉子側變換器的開關控制信號，達到控制轉子側電壓，實現對功率獨立追蹤調節的目的。

4 仿真結果及分析

在Simulink平臺分別搭建控制系統的仿真模型，對提出的雙饋電機SVM-DPC和SVM P-DPC策略進行對比仿真。其中，DFIG的仿真參數如下： 額定功率2.2kW，定子額定電壓380V/50Hz，極對數2，直流側電壓210V，采樣周期 10μs；風力機仿真參數如下： 風輪半徑1.5m，空氣密度1.225kg/m3，最佳葉尖速比8，最大風能利用系數0.4798，額定功率2.4kW。

仿真過程中，為使DFIG兩種控制策略的對比效果更加明顯，將風力機的實際風速v以階躍形式給出，共持續5s時間，如圖3所示。起始風速為8m/s，持續到3s時風速產生階躍變化為 6m/s 的仿真結束。在對應的風速下，風力機捕獲的風能，即給定的有功功率值分別在1300W和730W(1300W→730W)附近，而給定的無功功率值按電網要求為0。

圖3 實際風速

仿真結果的波形如圖4所示。其中，圖4(a)為SVM DPC和SVM P-DPC策略DFIG定子輸出的有功功率，圖4(b)為SVM DPC和SVM P-DPC策略DFIG定子輸出的無功功率。

圖4 仿真波形圖

由圖4可以看出，兩種DPC策略穩態時DFIG定子輸出的有功和無功功率均能夠保持基本恒定，且較好地追蹤風力機的輸出功率，但基于SVM DPC比基于SVM P-DPC策略的功率波動大。同時，當定子輸出功率發生突變時，基于SVM P-DPC策略下的DFIG能夠快速達到穩態，響應速度比SVM DPC快。

5 結 語

本文針對DFIG轉子側變換器，提出了基于SVM DPC和SVM P-DPC兩種控制策略對定子輸出功率的獨立控制，均實現了DFIG定子側輸出功率對風力機捕獲風能的追蹤。兩種控制策略均有各自的優劣勢，通過對比仿真結果得出結論：

(1) SVM DPC和SVM P-DPC兩種控制策略都能對定子輸出功率進行獨立控制，輸出保持基本恒定，具有較好的穩態性。

(2) SVM DPC控制簡單，但控制效果受PI參數的制約，定子輸出功率具有較大的波動。

(3) SVM P-DPC功率諧波分量小，動態響應快，穩態性能好，但控制過程相對復雜。

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Comparison and Simulation of Two Direct Power Control Strategies of Doubly-Fed Induction Generator

HEWeiming,LILan,LIBin

(College of Electrical and Power Engineering， Taiyuan University of Technoloy， Taiyuan 030024， China)

To compare the performances and characteristics of the director power control(DPC) strategies which were based on the space vector modulation(SVM)and the prediction of space vector modulation(SVM P-DPC), two control strategies were proposed.For the rotor side converter, established the system model of doubly-fed induction generator,and gave the design process of SVM DPC strategy and SVM P-DPC strategy in turn,and then, simulation models were built by using Simulink. The simulation results of the Simulink showed that, two kinds of direct power control strategy could ensure the decoupling control of the output power of the stator stably. Under the same conditions, the design process of the P-DPC SVM strategy was complex, while the overshoot of the output power was smaller, and the dynamic response speed was more quickly.

doubly-fed induction generator(DFIG); rotor side converter; director power control(DPC); simulation

賀惟明(1990—)，男，碩士研究生，研究方向為新能源風力發電技術。

TM 346

A

1673-6540(2017)02- 0008- 05

2016-06-29