楊立永，岳彥哲（北方工業(yè)大學(xué)，北京 100041）

電網(wǎng)電壓不平衡條件下雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)功率控制

楊立永，岳彥哲
（北方工業(yè)大學(xué)，北京 100041）

本文提出了一種新型的補(bǔ)償控制策略，能夠提高電網(wǎng)不平衡下雙饋電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能，有效減小有功功率和無(wú)功功率的波動(dòng)。論文對(duì)轉(zhuǎn)子側(cè)變換器（Rotor-side converter—RSC）正序旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下d軸電壓進(jìn)行定向，因不需要雙矢量控制，所以提出的控制方法簡(jiǎn)單、可靠。這種方法具體實(shí)施在RSC中，在電網(wǎng)工作在不同功率情況下，提高了RSC運(yùn)行能力，同時(shí)減弱對(duì)電機(jī)的損傷。本文最后通過(guò)Matlab/Simulink仿真和4kW雙饋異步電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)所提出的控制策略進(jìn)行驗(yàn)證。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合，都能夠達(dá)到所需要求。

DFIG；電網(wǎng)電壓不平衡；RSC；鎖相環(huán)；功率控制

0　簡(jiǎn)介

能源一直是全球各個(gè)國(guó)家的生存和發(fā)展的基礎(chǔ)。隨著能源的利用，化石燃料的弊端也越來(lái)越凸顯。風(fēng)能作為清潔能源，其擁有的諸多優(yōu)點(diǎn)也備受重視。雙饋風(fēng)力電機(jī)（Double-fed Induction generator，DFIG）自身的優(yōu)越性在于能夠通過(guò)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器對(duì)電網(wǎng)功率實(shí)施控制，通過(guò)有功功率控制實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕捉，通過(guò)無(wú)功功率來(lái)滿足電網(wǎng)無(wú)功需求［1］。

在雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)中，控制策略最多應(yīng)用的就是雙矢量變速恒頻控制，定子連接電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子通過(guò)AC-DC-AC變流器連接，控制轉(zhuǎn)子的電流幅值，相位和頻率。而這只是對(duì)三線三相制電網(wǎng)電壓平衡狀態(tài)下的控制，因此不存在零序和負(fù)序分量。如今，多數(shù)研究的是不平衡電網(wǎng)下的運(yùn)行控制策略。但實(shí)際的情況是電網(wǎng)不平衡狀態(tài)下為更頻繁，很小的不平衡電壓將造成定轉(zhuǎn)子電流的高度不平衡，使得定轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生不平衡發(fā)熱，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生脈動(dòng)，導(dǎo)致輸向電網(wǎng)的功率發(fā)生震蕩［2］。

文獻(xiàn)［3，4］對(duì)轉(zhuǎn)子側(cè)的改進(jìn)算法也得到了優(yōu)化控制等，用改進(jìn)鎖相角的方法和補(bǔ)償脈動(dòng)量的矢量控制來(lái)減小DFIG轉(zhuǎn)子諧波含量、電磁轉(zhuǎn)矩和有功無(wú)功的波動(dòng)。

在電網(wǎng)不平衡下，在文獻(xiàn)［5，6］中提出的正負(fù)序解耦分離分別控制。實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子正負(fù)序電流的獨(dú)立跟蹤控制，有效提高其在電壓不平衡下的風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行能力，提高了風(fēng)電機(jī)組的不間斷運(yùn)行能力。

一些提高動(dòng)態(tài)性能和實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單控制，文獻(xiàn)［2］和［7］在電流控制環(huán)中引入諧振控制器，構(gòu)成比例諧振控制器或者是比例積分控制器來(lái)替代PI調(diào)節(jié)器，無(wú)需對(duì)電網(wǎng)不平衡導(dǎo)致的二倍頻分量進(jìn)行分離控制，具有優(yōu)良的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)性能。

本文提出了在不平衡電網(wǎng)電壓下簡(jiǎn)單的控制策略，內(nèi)環(huán)只用電流環(huán)對(duì)有功無(wú)功進(jìn)行控制，功率的擾動(dòng)補(bǔ)償在正旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下并用定子電壓定向的方式控制。不需要雙PI和正負(fù)序解耦控制影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。使轉(zhuǎn)子側(cè)的電網(wǎng)有功無(wú)功功率的擾動(dòng)減弱，降低了對(duì)電機(jī)的損傷?？刂品椒ㄔ赟imulink中仿真，并用4kW繞線式異步電機(jī)作為模型。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所用的電機(jī)是4kW雙饋實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。本文系統(tǒng)圖和轉(zhuǎn)子側(cè)控制結(jié)圖分別如圖1和2所示。

1　轉(zhuǎn)子側(cè)建模

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2　轉(zhuǎn)子側(cè)控制結(jié)構(gòu)圖

不平衡狀態(tài)下，除產(chǎn)生的瞬時(shí)平均有功功率、平均無(wú)功功率外，還有二倍脈動(dòng)成分［8］。雙饋系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子側(cè)的控制策略減少有功功率和無(wú)功功率、轉(zhuǎn)矩和網(wǎng)側(cè)電流等等的二倍頻波動(dòng)。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子側(cè)控制策略包括雙閉環(huán)PI控制器，本文提出的一種簡(jiǎn)單的控制只需要2個(gè)PI就能消弱不平衡導(dǎo)致的震蕩。不平衡狀態(tài)下，定子電壓Vs的空間矢量表示為（在一般的三相三線制忽略零序電流）

在平衡電網(wǎng)電壓下，dq軸坐標(biāo)下的定子有功功率和無(wú)功功率表示為

而在不平衡電網(wǎng)下，定子側(cè)有功功率和無(wú)功功率是穩(wěn)態(tài)狀態(tài)和二倍頻狀態(tài)的和，表示為

在平衡電網(wǎng)電壓下，由于定子電壓定向，所以q軸定子電壓為零。然而，在不平衡電網(wǎng)條件下，由于存在二倍頻波動(dòng)，則q軸電壓不為零。則imsd就不為零。由上述不平衡公式（1）～（3）可得（4），能夠有效抑制有功功率和無(wú)功功率的二倍頻波動(dòng)。而且補(bǔ)償了參考電流的二倍頻波動(dòng)帶來(lái)的系統(tǒng)影響。

因此，可得（5）

令：

穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件下：

此時(shí)可得定子磁鏈的方程：

在忽略定子電阻時(shí)，得到表達(dá)式

由正負(fù)序分量的定子磁鏈方程

因此，轉(zhuǎn)子電流給定參考由定子磁鏈和定子參考電流可得

為了得到預(yù)期穩(wěn)定有功功率和無(wú)功功率與減少其二倍頻的震蕩，需要得到轉(zhuǎn)子側(cè)波動(dòng)補(bǔ)償，也就是將負(fù)序電流補(bǔ)償?shù)秸螂娏鞯牟呗灾?，因此所需的表達(dá)式

轉(zhuǎn)子側(cè)電壓方程為

如上述方程，涉及dq軸的耦合項(xiàng)是對(duì)轉(zhuǎn)子側(cè)控制的前饋補(bǔ)償。能夠降低控制的轉(zhuǎn)矩和功率震蕩。

2　系統(tǒng)鎖相環(huán)

一般的軟件PLL鎖相環(huán)只適用于電網(wǎng)電壓中僅含有基波正序分量的理想情況［9］。當(dāng)電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)，q軸的正序旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中不僅僅還有正序分量，還有二倍頻波動(dòng)的負(fù)序交流量。使常規(guī)的PLL中的PI調(diào)節(jié)無(wú)法實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)，從而不能跟蹤所需的頻率和相位。

1/4鎖相即先將定子側(cè)電壓3/2變換到兩相靜止坐標(biāo)系下（不平衡電網(wǎng)電壓下雙饋風(fēng)電系統(tǒng)的控制研究），將矢量延遲四分之一個(gè)周期后，通過(guò)與原矢量的加減運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)矢量的正負(fù)序分離。然后，將q軸正序基波分量再進(jìn)行鎖相，如圖3所示。

圖3

3　仿真結(jié)果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述提出的控制算法，應(yīng)用Matlab/Simulink軟件搭建雙饋電機(jī)仿真模型。仿真中在0.4 s～0.5 s中A相電壓發(fā)生20%的電壓跌落時(shí)，在未采取功率補(bǔ)償方法時(shí)，電網(wǎng)電壓不平衡導(dǎo)致其存在負(fù)序分量，在傳統(tǒng)控制策略中反應(yīng)為定子側(cè)輸出有功功率和無(wú)功功率存在二倍頻分量，如圖4所示。仿真中給定有功功率Ps=0.2 p.u.，無(wú)功功率Qs=0p.u.，在0.4s～0.5s時(shí)，A相電壓發(fā)生跌落，并且有功功率和無(wú)功功率上下波動(dòng)40%。

當(dāng)采取功率補(bǔ)償方法時(shí)，A相電壓跌落20%時(shí)，從圖5可以看出，有功功率和無(wú)功功率波動(dòng)減小20%左右，進(jìn)而可以得到功率補(bǔ)償控制方法可以有效地減少電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)劇烈波動(dòng)的影響。

圖4　未補(bǔ)償仿真圖

圖5　補(bǔ)償后仿真圖

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證所提出的功率補(bǔ)償控制方法，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖6所示。實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)未采用功率補(bǔ)償策略，在A相發(fā)生電壓跌落時(shí)，從圖7中可以看出，有功功率和無(wú)功功率變化有劇烈的震蕩。

從仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，所提出的功率補(bǔ)償控制方法，能夠有效地減少二倍頻震蕩的影響。

圖6　雙饋異步電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（RSC）

搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要部分為：呈對(duì)拖結(jié)構(gòu)的4kW的繞線式異步電機(jī)與伺服電機(jī)、DSP28335控制板、WEINVIEW觸摸屏和安川變頻器。實(shí)驗(yàn)中的A相跌落14%左右是由定子供電電壓A相串接10Ω電阻組建的。圖7和圖8分別為未采用補(bǔ)償控制和采用這種控制策略的實(shí)驗(yàn)波形圖。其中示波器1通道為A相相電壓，示波器通道2、3分別為電網(wǎng)的有功功率和無(wú)功功率。有功功率和無(wú)功功率實(shí)驗(yàn)中參數(shù)設(shè)置分別為2kW和0kVar。未補(bǔ)償導(dǎo)致的有功功率和無(wú)功功率波動(dòng)30%左右。而補(bǔ)償后的有功功率和無(wú)功功率波動(dòng)14%左右。因此，新型控制目標(biāo)能夠減少功率控制的波動(dòng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到了驗(yàn)證，具有可行性。

圖7　未補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)圖

圖8　補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)圖

5　結(jié)論

本文針對(duì)電網(wǎng)電壓工作在不平衡狀態(tài)下雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)功率兩倍頻的影響，提出一種新的功率補(bǔ)償控制方法來(lái)減小有功和無(wú)功功率的兩倍頻震蕩。同時(shí)，對(duì)系統(tǒng)電壓鎖相環(huán)進(jìn)行改進(jìn)，提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，增強(qiáng)系統(tǒng)工作在不平衡電網(wǎng)電壓狀態(tài)下的運(yùn)行能力，并為控制策略提供了可靠旋轉(zhuǎn)變換角度。在系統(tǒng)控制方法中僅僅對(duì)電流內(nèi)環(huán)進(jìn)行控制，可降低系統(tǒng)的控制復(fù)雜度。最后，用Matlab/Simulink仿真和搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)均驗(yàn)證了所提出的功率補(bǔ)償方法可行性，此方法可減少功率波動(dòng)的影響。單相跌落后對(duì)有功功率和無(wú)功功率都有一定的優(yōu)化控制，以減弱其波動(dòng)。

［1］陳思哲，章云，吳捷，等.不平衡電網(wǎng)電壓下雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的比例-積分-諧振并網(wǎng)控制［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2012，36（8），62-68.

［2］胡家兵，賀益康，王宏勝.不平衡電網(wǎng)電壓下雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的比例-諧振電流控制策略［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010，30（6），48-56.

［3］趙帥央，葛寶明，畢大強(qiáng).電網(wǎng)電壓非平衡狀態(tài)下雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的改進(jìn)控制策略［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38（19），10-16.

［4］劉盟偉，徐永海.不平衡電網(wǎng)電壓下雙饋電機(jī)的協(xié)調(diào)控制策略［J］.電機(jī)與控制應(yīng)用，2011，38（1），33-37.

［5］陳思哲，張淼，吳捷.不平衡電壓下雙饋電機(jī)的正負(fù)序直接電壓控制［J］.太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2012，33（7），1080-1087.

［6］胡家兵，賀益康，郭曉明，等.不平衡電壓下雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的建模與控制［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2007，31（14），47-56.

［7］ Van-Tung Phan，Hong-Hee Lee，and Tae-Won Chun. An Effective Rotor Current Controller for Unbalanced Stand-Alone DFIG Systems in the Rotor Reference Frame［J］.Journal of Power Electronics，2010，10（6），724-732.

［8］劉晉，張一工，賈俊川.電網(wǎng)電壓不平衡條件下雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制策略［J］.現(xiàn)代電力，2013，3（5），19-24.

［9］賀益康，胡家兵，徐烈.并網(wǎng)雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行控制［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2012：176.

審稿人：宮海龍

PowerControlforRotor-Side Converterof Double-fed Induction GeneratorUnderUnbalanced Grid Voltage Conditions

YANGLiyong1，YUEYanzhe2
（North China University of Technology，Beijing 100041，China）

This paper presents a novel compensation control strategy.This strategy can improve dynamic performance of the doubly fed induction generator under the unbalanced power grid andcan reduce the active power and reactive power fluctuate.Rotor-side converter-RSC is implemented in positive d reference frame using stator voltage vector control.This kind of control strategy is no need for dual vector control，so it is simple and reliable.This method is used in the RSC.The focus is improved the ability of fault ride-through and decrease the damage of machine for different power demand of the grid.In order to test and verify this control strategy，model of matlab/simulink and 4kW DFIG experimental platform are built.The simulation and experimental results are to meet the required requirements.

DFIG；unbalanced grid voltage；RSC；PLL；power control

TM301.2

A

1000-3983（2016）04-0006-04

2015-05-04

楊立永（1974-），男，2006年畢業(yè)于北京科技大學(xué)，控制理論與控制工程博士，主要從事電機(jī)控制技術(shù)和電力電子技術(shù)等方面研究，副教授。