雙饋感應發電機并網模糊控制系統仿真實驗設計

刁統山， 張迎春， 嚴志國

（齊魯工業大學（山東省科學院）a.電氣工程與自動化學院；b.工程訓練中心，濟南250353）

0 引 言

雙饋感應發電機（doubly fed induction generator，DFIG）是風力發電系統的核心組成部分。轉子側變換器（rotor-side converter，RSC）和網側變換器（grid-side converter，GSC）的協同控制涉及電氣控制類學生多門專業課的知識。DFIG 并網控制可以鍛煉學生運用理論知識來解決工程實際問題的能力。為能夠將新工科和科教融合教學理念融入課堂，設計了DFIG 并網運行控制系統的仿真實驗［1-2］。通過風電系統并網Matlab數值仿真建模和并網運行動態仿真實驗教學，不僅讓學生理解DFIG 控制系統的原理和應用，而且可使學生熟悉科學項目研究的流程，提高了學生學習的主動性以達到良好的教學效果［3-4］。DFIG并網運行控制仿真實驗分別由DFIG矢量控制原理、DFIG 模糊PI矢量控制系統結構和電壓小幅降落時仿真及分析3部分組成。

1 DFIG矢量控制原理

DFIG并網運行結構示意圖如圖1 所示。系統主要由發電機、RSC、GSC和直流母線電容組成［5］。

圖1 DFIG并網運行結構示意圖

要實現DFIG并網運行，必須將DFIG有功和無功功率進行解耦，在建立DFIG 數學模型基礎上，利用坐標變換和矢量控制技術可以實現DFIG 有功和無功功率的獨立調節［6］。

由于定子磁鏈不易觀測，采用定子電壓定向的矢量控制方法［7］，定子和轉子各量正方向按照電動機慣例選取，并且將定子電壓定向于d軸，

式（1）～（3）中：u、i、Ψ 分別為電壓、電流和磁鏈；r 和L為電阻和電感；Lm為定轉子之間的互感；右下標s和r分別為定子和轉子分量；右下標d和q分別為d軸和q軸分量；ω1為電網電壓同步角速度；ωr= dθr/ dt為轉子電角速度；θr為轉子的位置角；ωs= ω1- ωr為轉差電角速度；Us為定子電壓矢量有效值；p為微分算子。

忽略定子繞組電阻，由式（2）、（3）可得簡化后磁鏈、電壓方程分別為

從式（6）得到DFIG 定轉子功率解耦表達式。當定子直接與電網連接，即Us的數值保持不變，此時對有功和無功的控制可以解耦為對定子電流的d 軸和q軸的控制。

實際風電機組并網運行過程中機組的轉速不斷發生變化，RSC從GSC輸入的功率也不斷變化。負載的變化會引起直流母線電壓的波動，影響RSC和GSC的運行性能，進而威脅到整個風電機組的安全運行。因此，必須采取相應的控制措施。

在dq旋轉坐標系下GSC數學模型為

式中：ugd、ugq分別為電網側d 軸和q 軸方向的電壓；igd、igq分別為電網側d 軸和q 軸方向的電流；uod和uoq為GSC交流側輸出電壓的d、q 軸分量；Sd、Sq分別為SVPWM輸出d軸和q軸數值。

DFIG并網運行的控制取決于電機軸上輸出電磁轉矩的動態變化

式中：Tm為機械轉矩；J為機組的轉動慣量。

2 DFIG模糊PI矢量控制系統結構

常規雙閉環PI 控制器不能較好地實時跟蹤風電系統參數的動態變化，適應性差，而模糊PI 控制器由于魯棒性強，不需要DFIG 精確的數學模型，可以得到滿意的控制效果。模糊PI 控制器原理如圖2 所示。根據系統給定電流i*（t）與反饋電流i（t）的偏差e（t）和偏差變化率ec（t）來調節控制器的比例參數ΔkP和積分參數ΔkI，可以使系統具有良好的動態穩定性［8-10］。

圖2 模糊PI控制器原理圖

所設計的模糊語言變量集域為［- 3，3］。確定輸出變量的適當量化因子和比例因子，使控制器輸入、輸出變量的理論域落在模糊域｛6，- 5，- 4，- 3，- 2，- 1，0，1，2，3，4，5，6｝，模糊語言變量通常用正大（PB），正中（PM），正小（PS），零（ZO），負小（NS），負中（NM），負大（NB）這7 個語言變量來描述。模糊子集為｛NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB｝。為保證電網電壓下降時發電機輸出功率穩定，采用了平滑高斯函數作為隸屬函數。根據輸出變量的調節要求，分別設置ΔkP和ΔkI兩個參數的模糊控制規則見表1、2。采用加權平均法進行解模糊化［11-13］。

表1 ΔkP 模糊規則

表2 ΔkI 模糊規則

RSC定子電壓定向模糊矢量控制系統結構如圖3所示。有功功率和無功功率給定值P*和Q*與相應實際測量反饋值P和Q的偏差經過模糊PI功率調節后，輸出轉子d和q軸電流給定再與相應實際測量值idr和iqr的偏差經過模糊PI 電流調節器，輸出轉換為給定電壓信號，最后經過坐標變換和脈沖調節產生可控開關函數信號Sa、Sb和Sc，RSC根據接收到的開關函數信號采取相應的指令來調節發電機轉子繞組電流的相位、幅值或頻率。

圖3 RSC定子電壓定向模糊矢量控制系統結構

GSC定子電壓定向模糊矢量控制系統結構如圖4所示。電壓外環控制直流母線電壓波動，直流母線電壓參考值U*dc和實際測量值Udc的偏差經電壓模糊PI調節器調節后，輸出有功電流在d 軸指令值與負載反饋電流d軸分量igdL的偏差經電流模糊PI調節器調節后輸出電壓指令值與igq的偏差經過模糊PI輸出u*oq，再經過SVPWM產生可控開關函數信號和Sc，驅動GSC 來控制網側直流母線電壓。采用電流狀態反饋實現兩軸電流間的解耦控制，同時采用電網電壓前饋實現對電網電壓擾動的補償，對負載也相應采用負載電流的前饋控制來實現對負載擾動的補償［14］。

圖4 GSC定子電壓定向模糊矢量控制系統結構

3 電壓小幅降落時仿真及分析

在Matlab / Simulink中建立了DFIG并網運行仿真模型，當電網電壓小幅跌落條件下，分析了DFIG 并網運行控制策略的效果，得到故障期間發電機瞬態電流、功率和直流母線電壓波動的曲線。仿真中DFIG 仿真參數如表3 所示。仿真曲線電壓、電流和功率均采用標幺值［15-16］。

表3 DFIG仿真參數

給定發電機穩定運行t = t1= 1 s，此時電壓跌落故障發生，即電網電壓標幺值從1.0 （p.u.）突然降到0.85 （p.u.），持續時間Δt = 0.2 s，轉速為1.2 （p.u.）。采用定子電壓定向矢量控制策略來分析并網瞬態特性。電網電壓降低時常規PI 和模糊PI 仿真結果，各物理量的仿真輸出曲線波形如圖5 所示。

圖5 電網電壓降低時常規PI和模糊PI仿真結果

由圖5（a）、（b）可見，當電壓突然降低時，與常規PI控制器相比，模糊PI 控制能夠降低定、轉子電流波動的時間和幅值，這樣就可以減小定子電流波動過大對電網穩定運行的威脅，同時避免了RSC 產生過電流。由圖5（c）、（d）可知，模糊PI 控制可以很好抑制有功和無功功率的波動。由圖5（e）直流母線電壓波動曲線得知，兩個控制器的作用效果基本一致。

4 結 語

DFIG并網模糊控制系統仿真實驗，能夠運用在電氣控制類專業本科生“電機學”課程和研究生“電機控制技術”課程的教學。可以讓學生充分理解DFIG 定子電壓定向基本理論，鍛煉學生將模糊控制理論融入常規PI控制策略中，提高學生理論與實踐相結合的能力。該實驗設計涵蓋的學科知識豐富，貼近工程實際且可操作性強，充分調動了學生的積極性，達到較好的實驗教學效果。