趙一心

(吉林工程職業(yè)學(xué)院,四平136001)

0 引 言

隨著工業(yè)發(fā)展,電力需求不斷增加,而傳統(tǒng)能源的過量使用導(dǎo)致了嚴(yán)重的環(huán)境問題和能源危機(jī),因此,新能源得到了廣泛研究和發(fā)展,尤其是風(fēng)能占能源利用比重越來越高,預(yù)測到2020年將達(dá)到世界范圍總發(fā)電量構(gòu)成的10%,并有可能進(jìn)一步發(fā)展到現(xiàn)有占比的一倍以上[1-2]。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組作為風(fēng)電場的核心設(shè)備,可以分為固定轉(zhuǎn)速和變轉(zhuǎn)速2種類型[3-4]。而變轉(zhuǎn)速的風(fēng)電機(jī)組由于具有最大風(fēng)能捕獲,較低的機(jī)械應(yīng)力和噪聲,較高電能質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛商業(yè)應(yīng)用[5-6]。變轉(zhuǎn)速風(fēng)電機(jī)組可以進(jìn)一步細(xì)分為基于永磁同步發(fā)電機(jī)(以下簡稱PMSG)和全功率變流器的類型和基于雙饋感應(yīng)電機(jī)(以下簡稱DFIG)和半功率變流器的類型[7-8]。DFIG尤其適合大功率場合,如兆瓦級風(fēng)電,因?yàn)槠渥兞髌鞒杀据^低,損耗較小。從控制的角度,DFIG分為轉(zhuǎn)子側(cè)RSC和電網(wǎng)側(cè)GSC控制,RSC控制定子有功和無功功率,GSC控制直流電壓,也輸出獨(dú)立的無功功率到電網(wǎng)[9-10]。矢量控制(以下簡稱VC)是DFIG型風(fēng)電機(jī)組常用的控制方案,其優(yōu)點(diǎn)在于較好的穩(wěn)態(tài)性能,較小的功率波動(dòng),較低的變流器開關(guān)頻率等[11-13]。但是該方法對電機(jī)參數(shù)變化較為敏感,魯棒性不好,且實(shí)時(shí)計(jì)算量較大。同時(shí),算法中使用的PI控制器必須調(diào)整好參數(shù)以滿足全工況下系統(tǒng)穩(wěn)定,這將折衷動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度[14]。因此,為了克服VC的缺點(diǎn),一種非線性控制方法,即直接功率控制(以下簡稱DPC)被提出來[15-17]。它的優(yōu)點(diǎn)在于暫態(tài)響應(yīng)較快,對電機(jī)參數(shù)的魯棒性較好和實(shí)時(shí)計(jì)算量小。但是其存在顯著的功率抖震,這是由于滯環(huán)控制器的高帶寬導(dǎo)致的,同時(shí)存在輸出電流諧波較大的問題,電機(jī)起動(dòng)和低速工況下的性能也不好[18-19]。

考慮到上述問題,文獻(xiàn)[20-21]在永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域提出了結(jié)合矢量和直接功率控制(以下簡稱CVDPC)的方法,而文獻(xiàn)[22-23]在感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域也提出了CVDPC方法。但是CVDPC在雙饋風(fēng)電機(jī)組上的應(yīng)用鮮有研究,因此,本文在前述研究的基礎(chǔ)上,集中對VC和DPC進(jìn)行了比較,總結(jié)了這兩種方法之間的數(shù)學(xué)聯(lián)系,從而提出了一種新型的CVDPC的雙饋風(fēng)電機(jī)組控制策略,設(shè)計(jì)的控制器作用于機(jī)組的RSC側(cè),最后通過搭建的仿真模型系統(tǒng),對控制策略進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

1 矢量控制和直接功率控制

1.1 矢量控制

在雙饋風(fēng)電機(jī)組控制策略中,VC方案是較為常見的。在VC方法中,可以通過控制轉(zhuǎn)子的電流矢量來實(shí)現(xiàn)對定子有功和無功功率的解耦控制。定子有功和無功功率輸出參考分別由最大功率點(diǎn)跟蹤算法MPPT(Maximum Power Point Tracking)和電網(wǎng)需求決定。控制器通常使用定子磁場定向SFOF(Stator Flux-Oriented Frame),但這使得VC的性能很大程度上依賴對定子磁鏈位置的精確觀測,從而較容易受到電壓畸變或電機(jī)參數(shù)擾動(dòng)的影響。因此下述將使用定子電壓定向SVOF(Stator Voltage Oriented Frame),同時(shí)為了從定子電壓中提取出同步信號,使用了鎖相環(huán)PLL(Phase Locked Loop)技術(shù),從而定子有功功率Ps和無功功率Qs表達(dá)式如下[12]:

式中:vs為定子的輸出電壓矢量;i*s為定子電流參考矢量;vds,ids和vqs,iqs分別為d軸和q軸的電壓電流分量。當(dāng)使用定子電壓定向后,上式可以簡化:

此時(shí)電流ids和iqs的表達(dá)式:

式中:Ls和Lm為定子繞組電感和互感;idr和idr分別為轉(zhuǎn)子d,q軸電流;ωs為定子角速度。將式(5)和式(6)代入式(3)和式(4),可得:

因此,定子有功和無功功率可以通過轉(zhuǎn)子電流idr和iqr控制,具體的雙饋風(fēng)電機(jī)組的機(jī)側(cè)矢量控制框圖如圖1所示。

圖1 機(jī)側(cè)VC框圖

圖1 中,vdc為直流側(cè)電壓;和為有功和無功功率參考;和為轉(zhuǎn)子電流參考;和為轉(zhuǎn)子電壓參考;σLr為轉(zhuǎn)子漏感;和v*

c為定子三相電壓參考;θr,θs和θm分別為轉(zhuǎn)子角、定子角和滑差角;iar,ibr和icr為機(jī)側(cè)輸出三相電流;vas,vbs和vcs為定子三相電壓;p為微分算子。

1.2 直接功率控制

在DPC方法中,將不再使用電流控制環(huán),而是直接對定子有功和無功功率進(jìn)行控制。具體的DPC方法可以用以下方程進(jìn)行表述[16]:

式中:Lr為轉(zhuǎn)子電感;σLs為定子漏感;φr為轉(zhuǎn)子磁鏈;φs為定子磁鏈;δ為轉(zhuǎn)子磁鏈和定子磁鏈之間的相角差。假定定子和轉(zhuǎn)子磁鏈近似為常數(shù),對式(9)求微分可以得到:

式(11)說明定子有功功率動(dòng)態(tài)決定于δ,因此可以通過改變?chǔ)膶?shí)現(xiàn)對有功功率的快速控制。假定定子磁鏈和δ近似為常數(shù),對式(10)求微分可以得到:

式(12)說明定子無功功率動(dòng)態(tài)取決于轉(zhuǎn)子磁鏈幅值的變化,因此可以通過改變轉(zhuǎn)子磁鏈實(shí)現(xiàn)對無功功率的快速控制。而改變轉(zhuǎn)子磁鏈可以通過將合適的變流器電壓矢量作用在轉(zhuǎn)子繞組上實(shí)現(xiàn)。轉(zhuǎn)子電壓微分方程在很短時(shí)間Δt內(nèi)能近似表示如下:

式中:Rr為轉(zhuǎn)子電阻;vr為轉(zhuǎn)子電壓。在知道轉(zhuǎn)子磁鏈φr位于哪個(gè)扇區(qū)后,6個(gè)變流器電壓矢量就能合適的作用來控制φr的位置和幅值。因此,DPC的框圖如圖2所示。圖2中定子有功和無功功率與參考值比較后的差值輸出給滯環(huán)控制器,然后滯環(huán)控制器輸出uPs和uQs給開關(guān)動(dòng)作表,后者結(jié)合扇區(qū)位置信息選擇合適的電壓矢量給PWM生成器生成功率器件的控制脈沖。具體開關(guān)動(dòng)作表如表1所示[15]。

圖2 機(jī)側(cè)DPC框圖

表1 DPC時(shí)的轉(zhuǎn)子電壓矢量開關(guān)動(dòng)作表

1.3 矢量控制和直接功率控制之間的數(shù)學(xué)聯(lián)系

以下將分析矢量控制和直接功率控制在數(shù)學(xué)上的聯(lián)系。在VC方法中,若定子電壓為常數(shù),那么從式(7)和式(8)中可得到:

另一方面,圖3為DPC在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)磁鏈?zhǔn)噶孔兓囊?guī)律。從圖3中可以看出,在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi),轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶繌摩誶變化到φr1,而由于定子時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大于開關(guān)周期,定子磁鏈?zhǔn)噶喀誷基本保持不變,而轉(zhuǎn)子磁鏈的變化量Δφr可以分解為徑向分量ΔφF和切向分量ΔφT,前者影響到磁鏈幅值,而后者關(guān)系到磁鏈相角位置。

圖3 DPC中一個(gè)開關(guān)周期的磁鏈?zhǔn)噶孔兓?/p>

因此,根據(jù)圖3,以及式(9)和式(10),定子有功和無功功率的變化可寫為:

考慮到Δδ很小,故 cos(Δδ)近似等于1,從而有:

將式(9)和式(10)代入式(15)和式(16)可以得到:

在式(19)中,右側(cè)括號中的第2項(xiàng)是由受限的變流器電壓矢量,以及沒有區(qū)分徑向和切向磁鏈分量造成的,通過降低滯環(huán)控制器的帶寬能顯著減小該項(xiàng)的幅值;對于右側(cè)括號中的第3項(xiàng),含有2個(gè)小量的乘積,屬于微小量,因此也可以忽略。從而得到:

因此根據(jù)式(20)、式(21),可得到線性關(guān)系如下:

式(22)說明,定子輸出有功和無功功率增量分別是與負(fù)的轉(zhuǎn)子磁鏈徑向分量和軸向分量的增量成線性比例關(guān)系的。對比式(14)和式(22),可以得到如下結(jié)果:

式(23)意味著DPC中轉(zhuǎn)子磁鏈徑向分量和軸向分量的增量與VC中d軸和q軸轉(zhuǎn)子電流的增量成線性比例關(guān)系。因此,DPC和VC存在明顯的內(nèi)在數(shù)學(xué)聯(lián)系。該結(jié)論為下面新型控制方案設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

2 結(jié)合矢量和直接功率控制的新型控制方法

2.1 基本思路

如前所述,DPC中的定子有功功率的滯環(huán)控制和VC中轉(zhuǎn)子d軸電流控制存在著本質(zhì)上的共通處。另一方面,DPC中的定子無功功率的滯環(huán)控制和VC中轉(zhuǎn)子q軸電流控制也是有數(shù)學(xué)聯(lián)系的?；诖?可以考慮一種新型控制策略將DPC和VC結(jié)合起來,這種新的控制方法可能同時(shí)獲取兩種傳統(tǒng)控制策略的優(yōu)勢。

前述已經(jīng)說明,DPC由于能夠快速地選擇功率器件開關(guān)矢量狀態(tài),因此具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng),所以考慮對這部分進(jìn)行保留,然后將VC中電流dq解耦控制融入,取代DPC中的直接功率滯環(huán),從而得到了新型控制器的設(shè)計(jì)思路。

2.2 新型控制器設(shè)計(jì)

圖4為新型的雙饋風(fēng)電機(jī)組的CVDPC控制器。從圖4中可以看出,其分為矢量電流控制環(huán)部分和直接功率控制部分,控制系統(tǒng)中首先是由功率計(jì)算模塊得到實(shí)時(shí)的有功和無功功率信息,然后和參考值比較,結(jié)果輸出到傳統(tǒng)的d軸和q軸PI電流環(huán)運(yùn)算,這和VC一樣,具體涉及到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換等,然后經(jīng)由滯環(huán)電流控制器,計(jì)算后輸出給開關(guān)動(dòng)作表,開關(guān)動(dòng)作表還有一個(gè)扇區(qū)信息輸入來自于扇區(qū)判斷模塊,其基于定子和轉(zhuǎn)子電流,以及轉(zhuǎn)子位置對轉(zhuǎn)子磁鏈所在扇區(qū)進(jìn)行定位。最后開關(guān)動(dòng)作表輸出合適的電壓矢量給PWM生成模塊進(jìn)行功率器件控制脈沖的生成,從而完成整個(gè)控制過程。

圖4 結(jié)合VC和DPC的控制器框圖

3 仿真驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)前述所介紹的結(jié)合矢量和直接功率控制的雙饋風(fēng)電機(jī)組控制策略的有效性,基于MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)搭建了風(fēng)電場仿真模型,并進(jìn)行了仿真研究。圖5為仿真系統(tǒng)模型,其中風(fēng)電場由6組1.5 MW的DFIG構(gòu)成,容量為10 MVA,具體的仿真系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。

圖5 仿真系統(tǒng)示意圖

表2 仿真系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)

基于仿真模型,進(jìn)行了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能仿真。仿真模型中電流滯環(huán)控制的帶寬設(shè)置為δ=2Δδ=6.28,從而獲取了一個(gè)轉(zhuǎn)子電流跟蹤精度和RSC側(cè)最大開關(guān)頻率的平衡。對于PI控制器參數(shù)的優(yōu)化設(shè)置,需要同時(shí)在3種控制方法之間取得一個(gè)平衡。因此,引入了PI參數(shù)優(yōu)化引入了標(biāo)準(zhǔn)型的最優(yōu)遺傳算法(以下簡稱GA),其中定子有功和無功功率控制環(huán)和轉(zhuǎn)子電流環(huán)優(yōu)化時(shí)設(shè)定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速恒定ωr=1.2ωs,定子無功功率恒定Qrs=0。優(yōu)化算法中定義目標(biāo)函數(shù):

GA算法中每一步優(yōu)化,即目標(biāo)函數(shù)的收斂過程如圖6所示。

圖6 GA算法中目標(biāo)函數(shù)的收斂過程

如圖7至圖11為系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果。仿真中設(shè)置風(fēng)速固定為15 m/s,基于最優(yōu)功率速度曲線,發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速ωr=1.2ωs,此時(shí)6組發(fā)電機(jī)通過定子傳送有功功率Ps為7.58 MW,轉(zhuǎn)子傳送有功功率Pr為1.42 MW,為了實(shí)現(xiàn)機(jī)側(cè)最大電流使用率,定子繞組不輸出無功功率。從圖中可以看出,CVDPC的功率波動(dòng)程度和VC接近,只有約0.55%,而DPC下的功率波動(dòng)明顯較大,接近2.22%。

圖7 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果

圖8 總有功功率穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果

圖9 定子總有功功率穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果

圖10 轉(zhuǎn)子總有功功率穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果

圖11 定子總無功功率穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果

圖12 為3種控制方案VC、CVDPC和DPC下的定子電流波形。進(jìn)一步進(jìn)行FFT分析可以得到,VC下的總諧波畸變THD為1.28%,CVDPC下的總諧波畸變THD為2.1%,VC下的總諧波畸變THD為4.64%。因此,新型控制方案穩(wěn)態(tài)下諧波輸出性能接近VC方案,明顯優(yōu)于DPC方案。

圖12 定子總有功功率穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果

圖13 ～圖17為風(fēng)速變化時(shí)3種不同控制策略的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程。其中風(fēng)速在t=0.3 s時(shí)從15 m/s階躍下降至10 m/s,DFIG轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速從2 220 r/min下降到1 480 r/min,同時(shí)定子總有功功率從7.58MW下降到2.81MW。當(dāng)DFIG運(yùn)行在次同步速度,即s=+0.2,20%的定子有功功率將通過變流器返回到電機(jī),即Pr=-0.6 MW。從圖中可以看出轉(zhuǎn)子d軸電流idr在控制器的作用下從0.79 kA下降至0.3 kA,從而改變了定子有功功率輸出,但轉(zhuǎn)子q軸電流iqr保持不變,這意味著新型控制策略是一種解耦的控制方法。從動(dòng)態(tài)響應(yīng)的細(xì)節(jié)圖中可以看出,新型控制策略的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度要明顯快于VC,并接近DPC方法。因此具有較優(yōu)的動(dòng)態(tài)性能。

圖13 風(fēng)速突變時(shí)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果

圖14 風(fēng)速突變時(shí)定子總有功功率仿真結(jié)果

圖15 風(fēng)速突變時(shí)轉(zhuǎn)子總有功功率仿真結(jié)果

圖16 風(fēng)速突變時(shí)轉(zhuǎn)子d軸電流仿真結(jié)果

圖17 風(fēng)速突變時(shí)轉(zhuǎn)子q軸電流仿真結(jié)果

4 結(jié) 語

本文主要穩(wěn)圍繞著一種新型的結(jié)合矢量和直接功率控制的雙饋風(fēng)電機(jī)組控制策略進(jìn)行了相關(guān)研究。現(xiàn)總結(jié)主要結(jié)論:

(1)雙饋風(fēng)電機(jī)組的矢量控制和直接功率控制之間存在數(shù)學(xué)本質(zhì)上的共通處,基于此設(shè)計(jì)出了結(jié)合矢量和直接功率控制的新型方案。

(2)CVDPC在機(jī)組穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)比DPC具有較小的功率波動(dòng)和輸出諧波,而在動(dòng)態(tài)過程中比VC具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng),因此其結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn),并通過仿真進(jìn)行了驗(yàn)證。

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