李文杰,周 瞿,陳 進(jìn),陳冠玲

(1.上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院,上海201306;2.上海第二工業(yè)大學(xué)電子與電氣工程學(xué)院,上海201209)

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子變流器九點(diǎn)控制器設(shè)計(jì)

李文杰1,周 瞿1,陳 進(jìn)2?,陳冠玲2

(1.上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院,上海201306;2.上海第二工業(yè)大學(xué)電子與電氣工程學(xué)院,上海201209)

在分析雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子變流器運(yùn)行特性的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了該變流器的九點(diǎn)控制器。以8 kW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)為對(duì)象、Matlab為仿真工具,研究了在超同步轉(zhuǎn)速、同步轉(zhuǎn)速、低同步轉(zhuǎn)速、大擾動(dòng)等不同條件下該控制器的控制效果;在相同約束條件下,與傳統(tǒng)PI控制做了對(duì)比研究。仿真試驗(yàn)結(jié)果表明:九點(diǎn)控制器各項(xiàng)性能指標(biāo)優(yōu)于傳統(tǒng)的PI控制器。

九點(diǎn)控制器;變流器;雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)

0 引言

雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)[1]應(yīng)用廣泛,系統(tǒng)模型復(fù)雜,運(yùn)行狀態(tài)多變且變化動(dòng)態(tài)大。在雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)(DFIG)輸出電流的自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制系統(tǒng)中,直流環(huán)節(jié)電壓的穩(wěn)定性對(duì)整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)能否正常運(yùn)行意義重大?，F(xiàn)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制方法多樣,各有特色?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制(SMC)[2-3],能在系統(tǒng)參數(shù)不確定時(shí)保持系統(tǒng)穩(wěn)定,但是在動(dòng)態(tài)中轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大,影響系統(tǒng)魯棒性。定子磁鏈定向矢量控制[4],可以實(shí)現(xiàn)定子有功無功解耦控制,但是需要對(duì)定子磁鏈進(jìn)行觀測,加大了誤差,也使控制器的設(shè)計(jì)變得復(fù)雜。如果采用傳統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)控制技術(shù)[5],系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間和超調(diào)量具有矛盾性,且PI調(diào)節(jié)器參數(shù)的精確整定,取決于系統(tǒng)的具體模型,使得它難以精確滿足復(fù)雜多變的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的調(diào)節(jié)需要。本文選用一種基于泛布爾代數(shù)的九點(diǎn)控制器[6-8](分區(qū)域控制器)對(duì)轉(zhuǎn)子變流器進(jìn)行控制,改善了系統(tǒng)的響應(yīng)。

1 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子變流器的九點(diǎn)控制算法

首先定義幾個(gè)關(guān)于九點(diǎn)控制器的概念。設(shè)系統(tǒng)輸出的參考值為r;系統(tǒng)的實(shí)際輸出值為c;控制器的輸出值為uc;偏差e=r?c;偏差變化率˙e為偏差e的微分;零帶表示誤差在設(shè)定所允許的范圍內(nèi),包括偏差零帶±e0和偏差變化率零帶±˙e0。偏差e和偏差變化率˙e各有三種狀態(tài):e＞e0,|e|≤e0,e＜?e0;˙e＞˙e0, |˙e|≤˙e0,˙e＜?˙e0(e0＞0,˙e0＞0)。這樣e和˙e的組合變化情況就有9種,用相平面[9]來描述這9種組合如圖1所示。

在相平面圖上有四條虛線:L1,L2,L3,L4。L1和L2所夾區(qū)域表示偏差變化率˙e的零帶,而L3和L4所夾區(qū)域構(gòu)成了偏差e的零帶。四條虛線正好把相平面劃分成對(duì)應(yīng)于I,II,III,···,IX的9個(gè)區(qū)域,而這9個(gè)區(qū)域也正好對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)運(yùn)行的9種工況。對(duì)應(yīng)于這9種工況,有9種相應(yīng)的控制策略,控制器分別輸出K4+,K3+,K2+,K1+,K4?,K3?,K2?,K1?,K0。上述控制策略中“+”號(hào)表示控制作用力加強(qiáng),“-”號(hào)表示控制作用力減弱。符號(hào)前的數(shù)字表示加強(qiáng)或者減弱的程度。

將九點(diǎn)控制器原理運(yùn)用于雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子變流器的控制上,可以得到如圖2的原理框圖。其中九點(diǎn)控制器用M文件編程實(shí)現(xiàn)。

圖1 九點(diǎn)控制相平面Fig.1 The phase plane of nine-point control

圖2 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子變流器九點(diǎn)控制原理圖Fig.2 The schematic of nine-point control on rotor converter of double feed power generator

上圖的控制器可以分別用在網(wǎng)側(cè)變流器和轉(zhuǎn)子側(cè)變流器上。當(dāng)它用在網(wǎng)側(cè)變流器上時(shí),對(duì)直流環(huán)節(jié)的電壓進(jìn)行控制,先設(shè)定直流電壓參考值,再將實(shí)測電壓與之對(duì)比,得到電壓偏差e,微分后得到e˙。九點(diǎn)控制器通過分析e和e˙,判斷出系統(tǒng)工作在9個(gè)區(qū)域中的哪一個(gè),并輸出相應(yīng)的控制信號(hào),該信號(hào)作為d分量進(jìn)入dq0abc坐標(biāo)變換器,再由變換器輸出產(chǎn)生PWM信號(hào)[10-11]的參考電壓,最后由PWM信號(hào)發(fā)生器發(fā)出變流器控制信號(hào)。當(dāng)控制器用在轉(zhuǎn)子側(cè)變流器上時(shí),對(duì)發(fā)電機(jī)定子輸出電流進(jìn)行dq解耦后,將d分量或q分量輸入九點(diǎn)控制器進(jìn)行控制,具體控制方法相同。

下面用如圖3的雙PWM變流器[12]直流環(huán)節(jié)電壓響應(yīng)曲線來說明九點(diǎn)控制策略的工作原理。

圖3 雙PWM變流器直流環(huán)節(jié)電壓響應(yīng)曲線Fig.3 The response curve of dual PWM converter DC link

圖中g(shù)到h段屬于相平面I區(qū),e＞e0,˙e＞˙e0,uc=K4+,說明電壓值小于設(shè)定值,并且有繼續(xù)變小的趨勢,這時(shí)九點(diǎn)控制器應(yīng)該發(fā)出強(qiáng)加(++++)的控制指令,可以讓PWM發(fā)生器輸出的波形相應(yīng)變窄,從而使變流器交流側(cè)的等效電壓降低,由電網(wǎng)側(cè)向直流側(cè)輸入電流,最后使直流環(huán)節(jié)電壓回升。

圖中h到i段屬于相平面II區(qū),e＞e0,|˙e|≤˙e0,uc=K3+,說明電壓值小于設(shè)定值,但沒有繼續(xù)變化的趨勢,這時(shí)九點(diǎn)控制器應(yīng)該發(fā)出稍加(+++)的控制指令。

圖中i到m段屬于相平面III區(qū),e＞e0,˙e＜?˙e0,uc=K2+,說明系統(tǒng)的輸出值小于設(shè)定值,而且有向設(shè)定值靠攏的趨勢,這時(shí)九點(diǎn)控制器應(yīng)該發(fā)出弱加(++)的控制指令。

圖中f到g段屬于相平面IV區(qū),|e|≤e0,˙e＞˙e0,uc=K1+,說明系統(tǒng)的輸出值等于設(shè)定值,但有負(fù)方向偏離設(shè)定值的趨勢,這時(shí)九點(diǎn)控制器應(yīng)該發(fā)出微加(+)的控制指令。

圖中c到d段屬于相平面V區(qū),e＜?e0,˙e＜?˙e0,uc=K4?,說明系統(tǒng)的輸出值大于設(shè)定值,并有繼續(xù)變大的趨勢,這時(shí)九點(diǎn)控制器應(yīng)該發(fā)出強(qiáng)減(—-)的控制指令。可以讓PWM發(fā)生器輸出的波形相應(yīng)變寬,從而使變流器交流側(cè)等效電壓升高,直流側(cè)向電網(wǎng)側(cè)輸出電流,最后使直流環(huán)節(jié)電壓降低。

圖中d到e段屬于相平面VI區(qū),e＜?e0,|˙e|≤˙e0,uc=K3?,說明系統(tǒng)的輸出值大于設(shè)定值,但沒有繼續(xù)變化的趨勢,這時(shí)九點(diǎn)控制器應(yīng)該發(fā)出稍減(—)的控制指令。

圖中e到f段屬于相平面VII區(qū),e＜?e0,˙e＞˙e0,uc=K2?,說明系統(tǒng)的輸出值大于設(shè)定值,并有向設(shè)定值靠攏的趨勢,這時(shí)九點(diǎn)控制器應(yīng)該發(fā)出弱減(–)的控制指令。

圖中b到c段屬于相平面VIII區(qū),|e|≤e0,˙e＜?˙e0,uc=K1?,說明系統(tǒng)的輸出值等于設(shè)定值,但有變大的趨勢,這時(shí)九點(diǎn)控制器應(yīng)該發(fā)出微減(-)的控制指令。

圖中j到k段屬于相平面IX區(qū),|e|≤e0,|˙e|≤˙e0,uc=K0,說明系統(tǒng)的輸出值在設(shè)定值偏差零帶內(nèi),并且沒有變化的趨勢,這時(shí)希望輸出保持,九點(diǎn)控制器應(yīng)該發(fā)出保持指令。PWM波形的寬度應(yīng)使變流器交流側(cè)等效電壓等于電網(wǎng)電壓,這樣就可以使直流環(huán)節(jié)電壓保持不變。

通過對(duì)圖3進(jìn)行簡單分析,還可以得到控制器參數(shù)設(shè)置對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響規(guī)律。上升時(shí)間t和超調(diào)量η是標(biāo)志調(diào)節(jié)器性能的重要指標(biāo)。圖3曲線的a到b段,調(diào)節(jié)器輸出的控制量為K2+,當(dāng)K2+數(shù)值增大時(shí),從a到b的時(shí)間縮短,即t減少;反之,t增大。但是若設(shè)置過大,輸出上升過快,會(huì)導(dǎo)致超調(diào)量η的增加。所以在設(shè)置K2+的時(shí)候,需統(tǒng)籌考慮上升時(shí)間和超調(diào)量。同樣,在c到d段,調(diào)節(jié)器輸出K4?,它抑制輸出上升,可減小η。所以當(dāng)控制器通過增加K2+減小上升時(shí)間時(shí),可適當(dāng)增大K4?來抑制系統(tǒng)的超調(diào)量。

2 DFIG變流器九點(diǎn)控制仿真模型

雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以隨風(fēng)速變化,使轉(zhuǎn)速始終保持在最大效率利用風(fēng)能的最佳速度上。隨著風(fēng)速的高低,電機(jī)運(yùn)行在超同步或亞同步狀態(tài)時(shí),通過控制轉(zhuǎn)子變流器輸出轉(zhuǎn)差頻率的交流電可以給轉(zhuǎn)子勵(lì)磁,使發(fā)電機(jī)定子輸出跟電網(wǎng)頻率一致的恒頻電能。超同步運(yùn)行時(shí),轉(zhuǎn)差功率從轉(zhuǎn)子經(jīng)過變流器饋入電網(wǎng);亞同步運(yùn)行時(shí),轉(zhuǎn)差功率通過變流器由電網(wǎng)送入轉(zhuǎn)子。此功率僅僅是定子額定功率的30%左右,不但降低了變流器的容量和成本,而且還大大降低了控制難度。下面,通過Matlab仿真軟件來模擬一臺(tái)8 kW小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行,分別用PI調(diào)節(jié)器和九點(diǎn)控制器進(jìn)行控制。

圖4為雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)仿真試驗(yàn)的模型,發(fā)電機(jī)定子側(cè)直接連接電網(wǎng),轉(zhuǎn)子側(cè)通過雙PWM變流器與電網(wǎng)連接。變流器的控制信號(hào)由圖2的九點(diǎn)控制器輸出。網(wǎng)側(cè)變流器用的九點(diǎn)控制器參數(shù)[13]設(shè)置為K4+=0.61,K3+=0.72,K2+=0.79,K1+=0.795,K4?=0.99,K3?=0.88,K2?=0.81,K1?=0.805, K0=0.8。電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器用的九點(diǎn)控制器參數(shù)設(shè)置為K4+=0.3,K3+=0.15,K2+=0.03,K1+=0.01, K4?=?0.3,K3?=?0.15,K2?=?0.03,K1?=?0.01,K0=0。

3 仿真試驗(yàn)結(jié)果討論

雙PWM變流器直流環(huán)節(jié)作為連接轉(zhuǎn)子和電網(wǎng)的橋梁,其電壓是否穩(wěn)定、調(diào)節(jié)是否迅速,關(guān)系到雙饋發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀況。系統(tǒng)啟動(dòng)階段的仿真響應(yīng)波形如圖5,圖中虛線為PI調(diào)節(jié)下相同模型的電壓響應(yīng)波形,以作對(duì)比。

從圖中可以看出,采用九點(diǎn)控制器后,響應(yīng)時(shí)間更快,超調(diào)量更小,并且穩(wěn)定后波形平滑,穩(wěn)定性良好。波形的調(diào)節(jié)時(shí)間t=0.05 s,超調(diào)量η=3%,穩(wěn)態(tài)誤差接近于零。這為雙饋電機(jī)定子輸出的穩(wěn)定性提供了良好的基礎(chǔ)。也可通過減小圖中控制器參數(shù)K2+的值,犧牲一部分調(diào)節(jié)時(shí)間,來達(dá)到更小的超調(diào)量。而采用PI調(diào)節(jié)時(shí),調(diào)節(jié)時(shí)間延遲,超調(diào)量略大。

發(fā)電機(jī)定子輸出電流能夠直觀地反應(yīng)系統(tǒng)的工作狀況,圖6為雙饋發(fā)電機(jī)超同步運(yùn)行時(shí)定子輸出的單相電流波形,圖中電流頻率和電網(wǎng)電壓頻率保持一致,為50 Hz,電流與電壓同相位,表示雙饋發(fā)電機(jī)在九點(diǎn)控制器下工作正常,向電網(wǎng)發(fā)送有功電能。

下面考察系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí)和動(dòng)態(tài)下的電流輸出。

圖7為系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)雙饋發(fā)電機(jī)定子側(cè)的三相電流波形。從圖中可以看出,系統(tǒng)啟動(dòng)后,經(jīng)過一個(gè)電流周期的時(shí)間,電流波形趨于穩(wěn)定,調(diào)節(jié)速度很快,這也得益于變流器直流環(huán)節(jié)電壓的快速建立。

為了考驗(yàn)系統(tǒng)在大動(dòng)態(tài)下的穩(wěn)定性,在時(shí)刻1秒時(shí)將風(fēng)力機(jī)的輸入風(fēng)速從12 m/s降低到7 m/s,相當(dāng)于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速從1 650 r/m迅速降低到950 r/m。響應(yīng)如圖8所示。

從圖8的波形可以看出在時(shí)刻1秒時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出電流經(jīng)過0.2 s的波動(dòng)后,恢復(fù)正常穩(wěn)定的狀態(tài)。可見九點(diǎn)控制器的使用增強(qiáng)了系統(tǒng)的魯棒性。

最后,在系統(tǒng)三態(tài)運(yùn)行時(shí),分析轉(zhuǎn)子變流器對(duì)轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁電流,這是雙饋發(fā)電機(jī)之所以能夠?qū)崿F(xiàn)變速恒頻的關(guān)鍵。選擇的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速分別為超同步時(shí)1 950 r/m,同步時(shí)1 500 r/m,亞同步時(shí)1 350 r/m。仿真結(jié)果如圖9所示。

圖4 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)仿真試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.4 The simulation model of double feed power generator

圖5 九點(diǎn)控制和PI調(diào)節(jié)下直流環(huán)節(jié)電壓響應(yīng)曲線Fig.5 The DC link voltage response curve under control of nine-point controller and PI controller

圖6 雙饋發(fā)電機(jī)定子輸出電流波形(單相)Fig.6 The waveform of double feed power generator stator output current(single phase)

圖7 雙饋發(fā)電機(jī)定子輸出電流波形(三相)Fig.7 The waveform of double feed power generator stator output current(three phase)

圖8 風(fēng)速動(dòng)態(tài)變化下定子輸出電流波形(單相)Fig.8 The waveform of stator output current under dynamic changes in wind speed(single phase)

圖9 超同步、同步、亞同步運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流(三相)Fig.9 The waveforms of rotor excitation current in super-synchronous,synchronous, sub-synchronous speed(three phase)

由圖9可以看出,當(dāng)發(fā)電機(jī)以超同步運(yùn)行時(shí),對(duì)應(yīng)的同步頻率為65 Hz,轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流為15 Hz,經(jīng)過調(diào)節(jié)使定子輸出頻率為50 Hz。當(dāng)發(fā)電機(jī)以同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí),對(duì)應(yīng)的同步頻率為50 Hz,轉(zhuǎn)子只需直流勵(lì)磁。當(dāng)發(fā)電機(jī)以亞同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí),對(duì)應(yīng)的同步頻率為45 Hz,此時(shí),轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流頻率為5 Hz,調(diào)節(jié)后定子輸出頻率為50 Hz。所以,使用九點(diǎn)控制器,完全可以達(dá)到變速恒頻的調(diào)控目的。

4 結(jié)論

以上針對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的非線性和運(yùn)行狀態(tài)變化頻繁、動(dòng)態(tài)大的特點(diǎn),采用一種新型的九點(diǎn)控制器(分區(qū)域控制器)。通過Matlab仿真并與常規(guī)PI調(diào)節(jié)比較后發(fā)現(xiàn),PI控制器在滿足初步調(diào)節(jié)效果的時(shí)候,響應(yīng)速度并不理想,超調(diào)量也略大,而且由于難以建立系統(tǒng)精確模型,調(diào)節(jié)的精度也不理想。而九點(diǎn)控制器具有結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)整定方便、調(diào)節(jié)精度高、響應(yīng)速度和超調(diào)量均比較理想的特點(diǎn),并且對(duì)于系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化表現(xiàn)出較強(qiáng)的魯棒性。因此,九點(diǎn)控制器對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制是有效的,有著良好的應(yīng)用前景。

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Nine-Point Controller Design of the Rotor Converter of Doubly-fed Wind Generator

LI Wen-jie1,ZHOU Qu1,CHEN Jin2,CHEN Guan-ling2
(1.School of Logistics Engineering,Shanghai Maritime University,Shanghai 201306,P.R.China; 2.School of Electronic and Electrical Engineering,Shanghai Second Polytechnic University, Shanghai 201209,P.R.China)

The nine-point controller of the rotor converter of double feed induction generator is designed based on the analysis of the features of doubly-fed wind power generator rotor converter.The control performance of the nine point controller under dif f erent conditions is studied,such as extra-synchronous revolving speed,synchronous revolving speed, low synchronous speed,and great disturbance etc.,with 8 kW doubly-fed wind power generator as the object and Matlab as the simulation tools;the simulation results are compared between nine-point controller and the traditional PI controller under the same conditions.The simulation experiment data are showed that the performance indicators of nine-point controller are superior to the PI controller.

nine-point controller;converter;double feed induction generator

TM614

A

1001-4543(2013)03-0202-07

2013-05-02;

2013-09-10

陳進(jìn)(1964–),男,貴州省金沙縣人,教授,博士,上海海事大學(xué)外聘碩士研究生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)殡娮訌U棄物資源化過程控制、材料生產(chǎn)過程控制,電子郵箱chenjin@ee.sspu.cn。

上海市教委第五期重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)基金項(xiàng)目(No.J51801)和上海市教委科研創(chuàng)新項(xiàng)目(No.09YZ453)資助