高仕紅

( 湖北民族學院 信息工程學院，湖北 恩施445000)

(1)和式(2)中消除is、ψr，即可得轉子電壓vr 的表達式:

隨著能源價格的不斷高攀以及對環(huán)保的日益重視，全球的風電產業(yè)近10 年來以年均25%以上的速度快速增長，成為可再生能源發(fā)電產業(yè)之最．在風力發(fā)電機組中雙饋感應發(fā)電機(double－fed induction generator，DFIG)占據了風電大部分市場，已成為風電機組的主流產品．與其它風電機組比較，其具有以下主要優(yōu)點:調速范圍寬、可通過部分功率的轉子側變換器獨立調節(jié)定子側的有功和無功功率輸出［1］．

雙饋風力發(fā)電機組采用交流勵磁，改變發(fā)電機的電磁轉矩可調節(jié)發(fā)電機組轉速，其是通過調節(jié)發(fā)電機的有功功率來實現的．因此，獨立調節(jié)發(fā)電機有功和無功功率是風電機組運行控制的關鍵［2］．因此，國內外許多學者特別針對轉子側變換器(rotor－side converter，RSC)的控制技術進行了大量研究，主要研究成果體現如下:①采用標量控制技術［3］，此方法動態(tài)控制性能較差，難以實現有功和無功功率的解耦控制;②采用矢量控制技術，其中以定子磁鏈定向和電網電壓定向矢量控制技術為主流［4－7］;③采用直接轉矩控制技術［8］，此方法的缺點是DFIG 參數的變化嚴重影響轉子磁鏈的估計精度以及轉子磁鏈參考值的計算;④采用直接功率控制技術［9］，此方法僅需機組的定子參數，其對運行條件變化和機組參數攝動具有較強的魯棒性．

目前，DFIG 轉子側變換器的控制一般采用基于定子磁鏈定向矢量控制技術的PI 電流調節(jié)器．由于PI電流調節(jié)器的參數調節(jié)麻煩，且瞬態(tài)響應速度慢和控制帶寬窄．因此，針對傳統PI 電流調節(jié)器的上述缺點，提出基于雙滯環(huán)電流矢量控制技術的電流調節(jié)器，通過大量的仿真研究證明了基于雙滯環(huán)電流矢量控制技術的電流調節(jié)器具有非?？斓乃矐B(tài)響應速度和較寬的控制帶寬，其動態(tài)性能優(yōu)于基于定子磁鏈定向矢量控制技術的PI 電流調節(jié)器，可滿足雙饋風力發(fā)電機組對有功和無功功率快速調節(jié)的要求．

1 DFIG 建模

雙饋風力發(fā)電機組的詳細建模在大量的文獻中已被研究［6］，在此僅介紹其數學模型的重要部分．根據電動機慣例，DFIG 在任意參考坐標系下的定、轉子電壓及磁鏈動態(tài)方程為［1］:

式中:v，i，ψ 為電壓、電流及磁鏈矢量;R，L為電阻、電感;下標s，r，m表示定子、轉子及激磁參數;ω 為任意參考坐標的電角速度;ωr為轉子的電角速度．

對轉子側變換器來說最重要的變量是雙饋風力發(fā)電機組的轉子電壓，為了導出轉子電壓的表達式，從式

(1)和式(2)中消除is、ψr，即可得轉子電壓vr的表達式:

式中:vr0為轉子繞組開路時的開路電壓，由定子磁鏈產生，并影響轉子電流的動態(tài)性能;σ 為轉子繞組的漏磁系數

在同步旋轉坐標系下DFIG 通常采用定子磁鏈定向矢量控制技術，在忽略定子電阻的條件下，由式(1)和式(2)可得DFIG 發(fā)出的有功和無功功率表達式:

式中:Ss為DFIG 的定子復功率為定子電流矢量的共軛為定子的有功和無功功率;ird，irq為轉子電流的d、q軸分量;ω1為同步電角速度．

2 電流調節(jié)器

2．1 PI 電流調節(jié)器

在同步旋轉坐標系下，若DFIG 轉子側變換器采用定子磁鏈定向矢量控制技術，由式(3)可得DFIG 的轉子電壓矢量方程:

式中:上標dq表示同步旋轉坐標系下的參數．

若DFIG 轉子側變換器的控制采用PI 電流調節(jié)器，式(5)可表示為:

圖1 傳統PI 控制的原理圖Fig．1 Principle diagram of the traditional PI control

式中，kp，ki為PI 電流調節(jié)器的比例和積分系數．下標ref表示參考值．

DFIG 轉子側變換器采用定子磁鏈定向矢量控制技術，在傳統PI 控制策略下的控制原理圖如圖1 所示．

2．2 雙滯環(huán)電流矢量控制的電流調節(jié)器

滯環(huán)電流矢量控制技術最初應用于有源電力濾波器的控制，滯環(huán)電流矢量控制技術在工程應用中表現出諸多優(yōu)越性能，例如快速的動態(tài)響應速度、硬件實施簡單以及對系統參數變化具有很強的魯棒性［10－12］．

為了分析基于雙滯環(huán)電流矢量控制技術的電流調節(jié)器工作原理，在此引入三個開關函數Sa、Sb和Sc，可得轉子側變換器的8 種開關模式．由于轉子側變換器輸出的各相電壓取決于三相橋臂的總體狀態(tài)SaSbSc．因此，可得轉子側變換器的開關狀態(tài)及輸出的對應電壓如表1 所示(以Dc－link 的電壓Vdc為基準)［11－12］．

為了消除相間影響，由此引入空間矢量．在靜止正交的α－β 坐標系下，當α 軸線與a相軸線重合時，由表1 可得轉子側變換器輸出的電壓矢量:

表1 RSC 的開關狀態(tài)及輸出電壓Tab．1 Switch state andoutput voltage of RSC

若考慮所有的開關狀態(tài)組合，由(7)式可得轉子側變換器輸出的8個離散電壓矢量:

轉子側變換器輸出的8 個離散電壓矢量的空間分布及參考電壓區(qū)間如圖2 所示．

在轉子參考坐標下，由式(3)可得DFIG 轉子側變換器的輸出電壓:

在忽略轉子電阻的條件下，轉子側變換器輸出的參考電壓矢量可定義為:

圖2 離散電壓矢量的空間分布Fig．2 Spatial distribution of the discrete voltage vectors

由式(10)和式(11)可得簡化的DFIG 轉子電流誤差矢量表達式:

由式(11)和式(12)分析可知，要完全消除轉子側變換器的電流跟蹤誤差，必精確計算出轉子的參考電壓矢量由于在工程應用中轉子的開路電壓vr0和參考電流的導數很難準確獲取，所以不可能準確計算出轉子的參考電壓矢量．但在工程實踐中并不需要計算轉子的參考電壓矢量，只需判斷出轉子參考電壓矢量所處的空間位置，由此恰當地選擇轉子側變換器輸出的電壓矢量來控制轉子電流誤差矢量的變化率，就可達到控制轉子電流誤差矢量的目的．因此，基于雙滯環(huán)電流矢量控制技術的電流調節(jié)器的原理圖如圖3 所示．

由圖2 可看出，基于雙滯環(huán)電流矢量控制技術的電流調節(jié)器由三個部分組成:①外滯環(huán)比較器，其滯環(huán)帶寬設計為δ+Δδ，由輸出的狀態(tài)值BaoBboBco確定轉子參考電壓v*r的空間位置，由此確定出轉子側變換器輸出的最優(yōu)電壓矢量集;②內滯環(huán)比較器，其滯環(huán)帶寬設計為δ，由其輸出的狀態(tài)值BaiBbiBci從外滯環(huán)比較器確定的最優(yōu)電壓集中選擇最優(yōu)電壓作為轉子側變換器的輸出電壓矢量，用于跟蹤轉子參考電流;③開關狀態(tài)選擇表．另外，為了減少轉子側變換器的開關損耗，主動引入零電壓矢量(v0/v7)以達到減少轉子側變換器平均開關頻率的目的．基于雙滯環(huán)電流矢量控制技術的電流調節(jié)器采用的開關狀態(tài)選擇表如表2 所示．

圖3 基于雙滯環(huán)電流矢量控制技術的電流調節(jié)器原理圖Fig．3 Principle diagram of the current regulatorbased on the double hysteresis current vector control technology

3 仿真實驗研究

表2 雙滯環(huán)電流矢量控制的開關表Tab．2 Switch table of the double hysteresis current vector control

所提出的基于雙滯環(huán)電流矢量控制技術的電流調節(jié)器具有快速的動態(tài)響應速度以及對系統參數變化具有很強的魯棒性，為了驗證其對雙饋風力發(fā)電機組有功和無功功率具有快速調節(jié)能力的有效性．在Matlab/Simulink 仿真平臺中構建了基于雙滯環(huán)電流矢量控制技術的電流調節(jié)器的仿真模型，仿真用的雙饋風力發(fā)電機組為2 MW 的商用機組，其主要參數如表3 所示．

雙饋風力發(fā)電機組在t=3s前以單位功率因數穩(wěn)定運行，q 軸轉子電流參考值設定為0．2 p．u．為評估所提出的基于雙滯環(huán)電流矢量控制技術的電流調節(jié)器的動態(tài)性能，在此對d、q 軸轉子電流參考值階躍變化進行了仿真研究，仿真采樣時間為5×10－6s．設在t=3s時q軸轉子電流參考值階躍變化到0．55 p．u，且在t=4s時d軸轉子電流參考值階躍變化到0．5 p．u．在d、q 軸轉子電流階躍變化時雙饋風力發(fā)電機組的a 相轉子電流ira、d、q 軸轉子電流ird，irq，有功和無功功率P，Q的動態(tài)響應波形如圖4(a)、(b)、(c)、(d)所示．

表3 雙饋風力發(fā)電機主要參數Tab．3 Main parameters of DFIG

圖4 d、q 軸轉子電流階躍變化時的仿真波形Fig．4 Simulation waveform ofd and q axis rotor current step change

由圖4(a)、(b)、(c)可看出，當d、q 軸轉子電流發(fā)生階躍變化時，雙饋風力發(fā)電機組的a 相轉子電流和d、q 軸轉子電流都能很好地跟蹤參考電流，沒有出現任何超調，驗證了基于雙滯環(huán)電流矢量控制技術的電流調節(jié)器具有很好的參考電流跟蹤能力，同時也驗證了雙饋風力發(fā)電機組具有快速的有功和無功功率的調節(jié)能力(見圖4(d))．因此，基于雙滯環(huán)電流矢量控制技術的電流調節(jié)器改善了雙饋風力發(fā)電機組的動態(tài)性能．

4 結論

針對傳統PI 控制的電流調節(jié)器參數調節(jié)麻煩且瞬態(tài)響應速度慢和控制帶寬窄的缺陷，本文所提出的基于雙滯環(huán)電流矢量控制技術的電流調節(jié)器具有硬件結構簡單，僅需測量轉子電流的瞬態(tài)值，變換器的門信號直接用開關表產生，取消了傳統PI 控制的調制單元，使其具有內在的電流限制屬性、非?？斓膭討B(tài)響應速度和優(yōu)良的參考電流跟蹤能力，且對系統參數變化具有很強的魯棒性，具有一定的商業(yè)化應用前景．

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