# 交流励磁双馈电机分段并网控制策略 (求转子初始角)

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第 19 期
郎永强等： 交流励磁双馈电机分段并网控制策略
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在这个区间里时，由于补偿角是关于转子位置初始 误差的正弦函数， 随着比例系数(K 与补偿控制器增 益的乘积)的变化而得到一系列θc 的曲线， 如图 2 所 示。图中直线的斜率为−1。
交流励磁双馈电机分段并网控制策略
郎永强，徐殿国，Hadianmrei S.R，马洪飞
（哈尔滨工业大学电气工程系，黑龙江省 哈尔滨市 150001）
Stagewise Control of Connecting AC Excited Doubly-Fed Induction Generator to The Grid
(3) (4) (5)
usq
u′sd usd θ′error i ′ rq d
式中：usd、usq、isd、isq、ψsd、ψsq分别为定子电压、 电流和磁链的d、q轴分量；urd、urq、ird、irq、ψ rd、 ψrq分别为转子电压、电流、磁链的d、q轴分量；Rs、 Ls分别为定子的电阻和自感； Rr、 Lr分别为转子的电 阻和自感；Lm为互感；ω1、ω2分别为同步角速度和 转差角速度；Tem为电磁转矩；p为极对数；D为微 分算子。
式(9)、 (10)在任意转子位置误差( θ error 显 ′ )时都成立。 然 获取 θ error 最直接 的 方法 就 是 利用 以上 关系式 查 表。实际应用中会占用很多硬件资源，并且需要采 用二维查表的方法，实现起来比较复杂。本文不予 采用。 2.3 补偿原理 从 式(9) 描述的转子位置误差 角与 usq 之间关系 可以看出，usq实际上包含了转子位置误差的正弦信 息， 补偿控制器式(6)把usq直接看成转子位置误差的 正弦信息，进行反馈闭环补偿，并取零位置误差为 参考值。将式(9)代入式(6)整理得 θ c = K sin θ error ( K p + K i /s ) (11) 式中： K = −us′d ，显然K<0。补偿角是关于转子位 置初始误差的正弦函数，加入PI调节器的作用实际 上是根据usq不断调整补偿角度大小。 由 于转子位置初始误差的 随 机 性 ， 下 面 针对 θerror在不同区间时的补偿原理进行分区说明。 （1） θerror∈[−π/2, π/2]。 当转子位置初始误差落
2
转子位置初始误差补偿
2.1 转子位置初始误差的定义 在双馈电机电网电压矢量控制中，存在两个非 常重要的角度：电网电压矢量角θs和转子位置角θr。 θs用来实现定子侧电压电流的矢量变换，由于电网 电压可以直接测量，可以认为θs是准确的；θr通过 码盘获得，用来实现转子侧电流的矢量变换。同样 可以认为存在两个同步坐标系：一个是定子侧的各 个量通过电网电压矢量角度定向得到的同步坐标系 (d-q) ； 另外一个就 是 转子 侧各个 量 通 过 相对位置 (θs−θr)定向的同步坐标系(d′-q′)。 如果转子位置角不 存在误差，两个坐标系理论上是完全重合的。 转子位置角通过在定位脉冲处开始对增量式码 盘正交脉冲计数获得。转子位置角由两部分组成， 一部分是定位脉冲处转子的位置角，另一部分是由 脉冲计数得到的相对角度。相对角度可做到比较准 确，而定位脉冲处转子位置角与机械安装有关，需 要通过实验的方法测得，这种方法在实际应用中很 不方便。将此处的转子位置角度假定为零，由此产 生的转子位置误差本文定义为转子位置初始误差， 用符号θerror来表示。本文结合风电系统的实际情况 提出一种转子位置初始误差的补偿方法。 同步坐标系(d-q) 和(d′-q′) 由于转子位置角度误 差而存在角度偏差，且角度偏差就是转子位置角度 误差，如图1所示。 2.2 误差补偿控制器的提出 利用定子电压q轴分量构成PI补偿控制器 K θ c = ( K p + i )(0 − usq ) (6) s 式中：Kp、Ki 为 PI 控制器的比例积分系数；θc 为补
θc/rad π/2
θ noise ( θ noise ≠ π )，系统从而进入可补偿区(即上面所 描述的两个区间)， 依靠补偿控制器对转子的位置误 差进行自动补偿。 由以上分析可知，补偿控制器利用的是转子电 流 闭 环控制进 入稳态后 转子位置误差 角与 usq 之间 的关系( 式(9))，因此补偿控制器PI参数的选取与转 子电流PI控制器的参数选取有关。补偿控制器的调 整速度应低于转子电流环，补偿控制器的带宽应小 于转子电流控制器的带宽。
接测量， 电网电压定向矢量控制可以做到定向准确， 且不受电机参数的影响。双馈电机采用电网电压定 向矢量控制时，由于功率变换器在转子一侧，需要 把转子电流通过矢量坐标变换，变换到同步坐标系 中，因此需要知道转子对于定子A相绕组的空间位 置角。一般采用增量式码盘获取转子的位置信息。 转子的初始位置跟码盘的机械安装有关，可以通过 实验测定的方法获取，此方法很不方便，每次装卸 码盘之后，需要重新实验测定。为此本文提出了一 种转子位置初始误差在线自动补偿的方法。 交流励磁双馈电机变速恒频风力发电系统中， 发电机与电网之间是一种柔性连接关系，通过对发 电机转子电流的控制，就可在变速运行中的任何转 速下满足并网条件，实现成功并网，这是此类新型 发电方式的优势所在[6]。双馈电机并网条件是定子 电压和电网电压在幅值、频率及相位上相同，因而 并网之前应对定子电压进行调节。成功并网之后， 风电机组需要根据实际风速进行实时调整，发出的 有功功率、无功功率则根据电网调度需要决定，因 而并网之后应对双馈电机的功率进行调节。 将所提出的补偿控制器应用到交流励磁双馈电 机变速恒频风力发电系统中，提出了一种双馈电机 的分段并网控制策略。
第 26 卷 第 19 期 2006 年 10 月 文章编号：0258-8013 (2006) 19-0133-06
中 国 电 机 工 程 学 报 Proceedings of the CSEE 中图分类号：TM310 文献标识码：A
Vol.26 No.19 Oct. 2006 ©2006 Chin.Soc.for Elec.Eng. 学科分类号：470⋅40
Fig. 1
图 1 电网电压矢量定向同步坐标系 Grid voltage vector oriented synchronous frames
偿角，软件实现的时候直接将其加到测量得到的转 子角度上去。动态补偿后的转子位置误差角度为 ′ = θ error + θ c θ error (7) 补偿的目的就是 θ error ′ → 0 。补偿控制器的运行条件 为定子开路的情况下只采用转子电流闭环控制，且 角度范围需要采用[−π,π]表示。 采用PI闭环控制， 转子电流(d′-q′)坐标系中的分 量可以调节到参考值。如果参考值取 irqref = −usdref / ω1 Lm (8) irdref = 0 式中： usdref = U 为电网电压幅值。稳态时定子端感 应出的电压为 us′d = usdref ，u ′ 。从图1中分析可 sq = 0 以得到下列关系 usq = us′d sin θ error usd = us′d cosθ error (9) (10)
1 引言
双馈电机数学模型
0
交流励磁双馈电机变速恒频风力发电技术是目 前最有前景的风力发电技术之一，已成为国、内外 风力发电技术的研究热点[1-3]。 双馈电机的控制策略通常有定子磁场定向矢量 控制和电网电压定向矢量控制[4-5]。 电网电压可以直
定子采用发电机惯例，转子采用电动机惯例， 双馈感应电机在同步坐标系下的数学模型[7-8]为 usd = Dψ sd − ω1ψ sq − Rs isd (1) usq = Dψ sq + ω1ψ sd − Rsisq urd = Dψ rd − ω2ψ rq + Rr ird urq = Dψ rq + ω2ψ rd + Rr irq (2)
LANG Yong-qiang, XU Dian-guo, Hadianmrei S.R, MA Hong-fei
（Department of Electrical Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, Heilongjiang Province,China） ABSTRACT: In order to compensate initial error of position encoder used for ac excited DFIG (doubly fed induction generator), a controller was proposed based on the steady state relationship between rotor currents and stator voltages with open stator windings, which is derived according to the mathematical model of DFIG in the synchronous frame. The compensation principle was analyzed. A stagewise control strategy for grid connection was proposed by applying the compensate controller to DFIG wind power generation system. The overall controller was designed and implemented on the experimental platform. The results confirm the validity of the control strategy proposed. KEY WORDS：variable speed and constant frequency; wind power generation system; doubly fed induction generator; vector control; compensation control 摘要： 针对交流励磁双馈电机转子位置初始误差提出了一种 补偿控制器。根据电网电压矢量控制时双馈电机数学模型， 推导了定子开路稳态时转子电流与定子电压的关系， 并基于 此构建了转子位置初始误差的补偿控制器。 对所提出的初始 误差补偿原理进行了分析。另外，将该补偿控制器应用到风 力发电系统实际并网控制过程， 提出一种交流励磁双馈电机 分段并网控制策略。设计了控制器，并在所搭建的变速恒频 风力发电实验平台上作了相应的实验， 结果证明了补偿控制 器分段并网控制的有效性。 关键词：变速恒频；风力发电；双馈电机；矢量控制；补偿 控制
θerror/rad −π/2 A −π/2 π/2
3
双馈电机分阶段并网控制
图 2 初始误差在第一区间时补偿角θ c 的曲线 Fig. 2 Curves of compensation angle in the first region
显然， 直线与曲线的交点即为补偿角的期望点， 该点处补偿后的转子位置误差为零。可以证明对于 转子位置初始误差落在这个区间里的任意位置，交 点都存在，即误差都可以得到补偿。 以转子位置初始误差 θ error 大于零为例，具体补 偿过程为：转子位置动态误差 θ error ′ 大于零的时候， 由式(9)知道经过转子电流闭环控制，usq大于零，由 补偿控制器式(6)输出一个负的补偿角，并向负方向 增大， 从而 θ error 逐渐减小直至为零； 由于PI调节器 ′ 的作用，转子位置动态误差 θ error ′ 可能因过补偿而出 现小于零的情况，由式(9)知道经过转子电流闭环控 制，usq小于零，补偿控制器式(6)输出的补偿角向零 的方向减小， θ error ′ 将向零靠近。随着补偿过程的进 行，最终补偿角达到期望点，实现转子位置误差的 自动补偿。 （2）θ error ∈ (π / 2, π) 或 θ error ∈ (−π, −π / 2) 。当转 子位置初始误差落在这个区间里时，与第一个区间 的补偿过程相似，补偿控制器将输出一个与初始误 差角相反的补偿角，从而使补偿后的转子位置误差 ′ 向 零 靠近 ， 由 于补偿控制器中 积 分分量的 作 θ error ′ 幅值逐渐减小并最终进入区间 用 ， θ error [ −π / 2, π / 2] 。之后的补偿过程与第一个区间的情况 完全相同。从而转子初始误差落在此区间里也可以 得到补偿。 （3） θ error = π (或 θ error = −π )。当转子位置初始 误差 θ error = π 时，经过转子电流闭环控制调节后， usq=0，usd= −U，补偿控制器式(6)失去了补偿作用， 称之为不可补偿点，需要特殊处理。如果出现这种 情况，有两种解决办法：一是直接设定 θ c = −π (或 θ c = π ) ； 另外 也 可以在 转子 角 度 上 加 入干扰 量
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
中 国 电 机 工 程 学 报
第 26 卷
q′ q d′
ψ sd = − Ls isd + Lm ird ψ sq = − Ls isq + Lm irq ψ rd = Lr ird − Lm isd ψ rq = Lr irq − Lm isq Tem = 1.5 pLm (isq ird − isd irq )