李 明，劉國榮，楊小亮

(1.湖南工程學(xué)院 電氣信息學(xué)院，湘潭 411104；2.湖南大學(xué) 電氣信息學(xué)院，長沙 410012)

雙饋異步電機(jī)低電壓穿越控制方法的研究

李 明1，劉國榮1，楊小亮2

(1.湖南工程學(xué)院 電氣信息學(xué)院，湘潭 411104；2.湖南大學(xué) 電氣信息學(xué)院，長沙 410012)

針對(duì)電網(wǎng)電壓跌落時(shí)矢量控制方法魯棒性差、沖擊電流大等問題，提出一種將矢量控制與多階滯環(huán)控制相結(jié)合的新控制方法。電網(wǎng)故障時(shí)滯環(huán)控制響應(yīng)快，轉(zhuǎn)子沖擊電流限制在1.5 pu內(nèi)，保護(hù)了雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器；無故障期間，矢量控制定轉(zhuǎn)子電流諧波含量少，電能質(zhì)量符合要求。仿真結(jié)果表明，低電壓穿越控制新方法魯棒性好、響應(yīng)快、電流諧波含量少，提高了低電壓穿越的能力。

低電壓穿越；雙饋異步電機(jī)；矢量+滯環(huán)控制

0 引言

國內(nèi)外對(duì)提高雙饋異步電機(jī)的低電壓穿越能力做了很多研究[1-4]，文獻(xiàn)[1-2]主要從改進(jìn)的控制策略方面進(jìn)行研究.矢量控制(Vector Contor，VC)[3-4]是最早運(yùn)用在實(shí)踐中并取得理想效果的控制方法，該方法在電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)有很好的控制效果，包括恒定的開關(guān)頻率，較小的跟蹤誤差.但在電網(wǎng)電壓跌落時(shí)尤其是不對(duì)稱跌落時(shí)，傳統(tǒng)PID只能對(duì)直流量實(shí)現(xiàn)無靜差跟蹤，對(duì)交流量的跟蹤易出現(xiàn)輸出飽和而使控制器處于失控狀態(tài)，暫態(tài)過程中定子有功功率、無功功率以及電磁轉(zhuǎn)矩會(huì)出現(xiàn)二倍頻分量，對(duì)風(fēng)機(jī)造成大的機(jī)械損害，同時(shí)電網(wǎng)可能因此產(chǎn)生震蕩甚至解裂.因此在低電壓穿越問題上通常使用改進(jìn)的矢量控制方法[5].考慮到雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是一個(gè)高階的多輸入多輸出非線性系統(tǒng)，有文獻(xiàn)提出了直接功率控制(Direct Torque Contor，DTC)[6-7]和直接轉(zhuǎn)矩控制(Direct Power Contor，DPC)[8-9]，這兩種方法是較早應(yīng)用在交流電機(jī)傳動(dòng)控制方面的控制技術(shù).和矢量控制方法相比省去了復(fù)雜的坐標(biāo)變換，直接對(duì)輸出量進(jìn)行控制.電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，瞬間的沖擊電流會(huì)對(duì)電機(jī)和轉(zhuǎn)子側(cè)變流器造成損害，為了減小沖擊電流，滯環(huán)電流控制方法在雙饋風(fēng)電系統(tǒng)低電壓穿越問題中得到應(yīng)用.滯環(huán)電流控制方法具有內(nèi)在的限流能力、響應(yīng)快、魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)，但這種直接選擇開關(guān)矢量的控制方法最大缺點(diǎn)是變流器的開關(guān)頻率不固定，導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的功率波動(dòng)大，且定轉(zhuǎn)子電流中諧波含量高.

針對(duì)這些缺點(diǎn)，本文從控制策略上進(jìn)行研究，將矢量控制在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行控制中的優(yōu)勢與滯環(huán)電流控制方法在故障瞬間的快速響應(yīng)等優(yōu)勢相結(jié)合，引入切換模式，即在風(fēng)電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)用矢量控制方法，當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，檢測轉(zhuǎn)子故障電流增大到一定值時(shí)切換到滯環(huán)電流控制策略，迅速響應(yīng)，將故障電流限制在一定范圍內(nèi)，從而避免機(jī)組受到損害、電網(wǎng)受到?jīng)_擊.當(dāng)電網(wǎng)故障恢復(fù)時(shí)，檢測到故障電流減小到正常值，將控制策略再切換到矢量控制模式，保證變流器產(chǎn)生的電流諧波含量少，減少電磁濾波器(EMI)的設(shè)計(jì)難度.

1 雙饋風(fēng)電系統(tǒng)

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)定子直接與電網(wǎng)相連，轉(zhuǎn)子通過雙向變流器與電網(wǎng)相連，如圖1所示.由于雙饋電機(jī)這種特殊的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致它對(duì)電網(wǎng)故障特別敏感.

圖1 雙饋異步電機(jī)并網(wǎng)結(jié)構(gòu)

這種敏感體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：(1)由于雙饋異步電機(jī)靠轉(zhuǎn)子側(cè)變流器給轉(zhuǎn)子勵(lì)磁，該變頻器只需提供轉(zhuǎn)差功率，相對(duì)于永磁直驅(qū)式的全功率變流器減小了工業(yè)成本，但同時(shí)由于容量的限制，電網(wǎng)故障時(shí)轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器不足以提供相應(yīng)的補(bǔ)償電流來抵消故障電流；(2)雙饋電機(jī)定子側(cè)轉(zhuǎn)子側(cè)都直接或間接與電網(wǎng)相連，進(jìn)行功率的交換，導(dǎo)致電網(wǎng)故障時(shí)對(duì)定轉(zhuǎn)子側(cè)都有一定的影響.因此雙饋異步電機(jī)低電壓穿越控制策略的研究是國內(nèi)外近年來研究的熱點(diǎn)[10].

雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同于永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)，不僅可以通過定子向電網(wǎng)饋電，還可以通過轉(zhuǎn)子與電網(wǎng)進(jìn)行能量交換.雙饋電機(jī)與電網(wǎng)之間能量的流動(dòng)和雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān).當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速小于同步轉(zhuǎn)速時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子從電網(wǎng)吸收電能，定子向電網(wǎng)輸送電能；當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速大于同步轉(zhuǎn)速時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子向電網(wǎng)輸送電能，定子向電網(wǎng)輸送電能；當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速等于同步轉(zhuǎn)速時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子與電網(wǎng)之間無能量的交換，定子向電網(wǎng)輸送電能.為了保證雙饋電機(jī)變速恒頻運(yùn)行，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的頻率與電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的頻率之和等于同步轉(zhuǎn)速.雙饋風(fēng)電系統(tǒng)的控制部分分為機(jī)側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器.網(wǎng)側(cè)變流器的作用主要是維持直流母線電壓恒定，保持網(wǎng)側(cè)變流器與電網(wǎng)之間的電流為對(duì)稱正弦波，以及網(wǎng)側(cè)變流器按指定的功率因素運(yùn)行.機(jī)側(cè)變流器的作用主要是實(shí)現(xiàn)雙饋電機(jī)的變速恒頻運(yùn)行以及控制電機(jī)定子的發(fā)出功率.當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時(shí)通過采取一定的措施，對(duì)機(jī)側(cè)網(wǎng)側(cè)變流器進(jìn)行控制，減小沖擊電流對(duì)電機(jī)和變流器的損壞.

2 矢量+滯環(huán)控制方案

矢量+滯環(huán)控制方案結(jié)合矢量控制與多階滯環(huán)電流控制的優(yōu)勢，在正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)選擇矢量控制方法，當(dāng)故障檢測器檢測到故障發(fā)生，立即切換為多階滯環(huán)電流控制方法，當(dāng)故障檢測器檢測到電網(wǎng)電壓故障恢復(fù)時(shí)再切換回矢量控制方法.矢量+滯環(huán)控制方案既保證了電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)雙饋異步電機(jī)定子側(cè)良好的電能質(zhì)量，又能在電網(wǎng)故障瞬間有迅速的暫態(tài)響應(yīng)使電機(jī)不失控.圖2為矢量+滯環(huán)控制方案結(jié)構(gòu)圖，圖中電網(wǎng)檢測故障模塊可以檢測電網(wǎng)電壓跌落，也可以檢測轉(zhuǎn)子電流大小.本文故障檢測模塊與切換機(jī)制結(jié)合，采用檢測轉(zhuǎn)子故障電流的方法，當(dāng)故障電流達(dá)到1.5倍標(biāo)幺值時(shí)切換機(jī)制將開關(guān)S與S2接通采用多階滯環(huán)電流控制方法，當(dāng)故障電流小于標(biāo)幺值時(shí)切換機(jī)制將開關(guān)S與S1接通，采用矢量控制方法.

圖2 矢量+滯環(huán)控制方案結(jié)構(gòu)圖

3 仿真分析

本文仿真所用雙饋異步電機(jī)為繞線式.參數(shù)如下：額定功率11 kW，定子額定電壓(線)轉(zhuǎn)子漏感Llr=0.002 H，互感Lm=0.0315 H，轉(zhuǎn)子電阻Rr=0.6 Ω，定子電阻Rs=0.4 Ω，極對(duì)數(shù)N=3.該仿真中基準(zhǔn)值如下：定子電壓UsN=220 V，轉(zhuǎn)子電流IrN=28.6 A，定子電流IsN=15.15 A，有功功率PN=10 kW，無功功率QN=1 kW.

圖3為矢量控制方法在電網(wǎng)電壓對(duì)稱跌落時(shí)的各指標(biāo)情況,圖4為多階滯環(huán)電流控制方法在電網(wǎng)電壓對(duì)稱跌落時(shí)的各指標(biāo)情況，圖5為矢量控制方法與多階滯環(huán)電流控制方法相結(jié)合的提高低電壓穿越能力的新控制策略在電網(wǎng)電壓對(duì)稱跌落時(shí)的各指標(biāo)情況.

圖3 矢量控制方法在電網(wǎng)電壓對(duì)稱跌落時(shí)的各指標(biāo)情況

圖3(a)為電網(wǎng)發(fā)生對(duì)稱電壓跌落時(shí)雙饋異步電機(jī)的定子電壓，可以看出電網(wǎng)在t=0.4 s時(shí)，三相電壓對(duì)稱跌落20%，故障時(shí)間從0.4 s持續(xù)了625 ms，在t=1.025 s時(shí)電壓恢復(fù)正常.圖3(b)為故障條件下雙饋異步電機(jī)定子發(fā)出的有功功率，圖3(c)為故障條件下雙饋電機(jī)定子發(fā)出的無功功率.在t<0.4 s故障發(fā)生前，定子實(shí)際功率與參考功率一致，為標(biāo)幺值1.說明矢量控制方法在電網(wǎng)電壓無故障條件下能實(shí)現(xiàn)功率的跟蹤控制；在0.4 s

圖4(a)為電網(wǎng)電壓跌落情況，與圖3(a)電網(wǎng)故障情況一致.圖4(b)到圖4(e)為同等故障條件下用多階滯環(huán)電流控制控制的雙饋電機(jī)各參數(shù)情況.圖4(b)和圖4(c)分別為故障條件下雙饋異步電機(jī)定子有功功率和無功功率跟蹤情況.可以看出，無論是故障前還是故障后，有功功率、無功功率基本跟蹤良好，但有功功率在t<0.4 s電網(wǎng)電壓跌落之前出現(xiàn)波動(dòng)，說明在電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)多階滯環(huán)電流控制方法，在電機(jī)功率控制上效果不好.在0.4 s

圖4 多階滯環(huán)電流控制方法在電網(wǎng)電壓對(duì)稱跌落時(shí)的各指標(biāo)情況

圖5(a)為電網(wǎng)對(duì)稱跌落情況，在t=0.4 s時(shí)電網(wǎng)電壓對(duì)稱跌落20%，故障時(shí)間持續(xù)625 ms，在t=1.025 s時(shí)，電網(wǎng)故障恢復(fù).圖5(b)和5(c)分別為新控制策略在電網(wǎng)對(duì)稱故障時(shí)雙饋異步電機(jī)的定子有功功率和無功功率.從圖5(b)可以看出，在0.4 s

圖5 矢量+滯環(huán)控制方案在電網(wǎng)對(duì)稱故障時(shí)的各指標(biāo)情況

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一種新的雙饋式風(fēng)電系統(tǒng)在低電壓穿越時(shí)的控制方案.首先介紹了雙饋風(fēng)電系統(tǒng)整體概況，然后對(duì)雙饋電機(jī)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，結(jié)合矢量控制在“低穿”時(shí)的缺點(diǎn)，將滯環(huán)電流控制器引入對(duì)風(fēng)機(jī)的控制中.但滯環(huán)電流控制器的優(yōu)勢局限于故障發(fā)生時(shí)刻，在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)缺點(diǎn)明顯，即諧波含量大.因此將兩種控制方法的優(yōu)勢結(jié)合起來，引入一種切換機(jī)制，在電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)使用矢量控制方法，在電網(wǎng)故障時(shí)，切換至滯環(huán)電流控制方法，當(dāng)電網(wǎng)故障恢復(fù)后再切換至矢量控制方法.最后對(duì)電網(wǎng)故障時(shí)三種方法做了仿真比較，仿真效果說明，矢量+滯環(huán)的控制方案在穩(wěn)態(tài)時(shí)跟蹤效果好，電能質(zhì)量好，在暫態(tài)時(shí)響應(yīng)迅速，有效地限制了故障損失沖擊電流，避免了對(duì)機(jī)組及變流器造成損害.

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ResearchonControlStrategyofLowVoltageRideThroughBasedonDoublyFedInductionGenerator

LI Ming1,LIU Guo-rong1,YANG Xiao-liang2

(1. College of Electrical and Information, Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411104, China;2. College of Electrical and Information, Hunan University, Changsha 410012, China)

In view of the poor robustness, large impact current of the Vector Control when the grid voltage drops, this paper proposes a new control method that Vector Control is combined with multilevel hysteresis control method. It can protect the rotor side converter for its quick response and limit the impact current in the range of 1.5 pu. It has less harmonics of rotor current and the power quality can meet the requirements with the Vector Control during the fault-free period. The simulation results show that the novel control method of Low Voltage Ride Through(LVRT) has good robustness, fast response and less current harmonic and it can improve file ability of LVRT.

low voltage ride through; doubly fed induction generator(DFIG); vector+hysteresis control scheme

TM614

A

1671-119X(2017)03-0005-06

2017-03-16

李 明(1990-)，女，碩士，研究方向：風(fēng)電系統(tǒng)控制.