不平衡电压下双馈发电系统控制策略

不平衡电压下双馈发电系统控制策略郑艳文1,李永东1,柴建云1,龚细秀2,苑国锋2(1.清华大学电机系,北京市100084;2.北京清能华福风电技术有限公司,北京市100084)摘要:由于风力资源分布的特点,许多风电机组被安装在比较偏远的地区,这些地区的电网通常比较薄弱,经常发生不对称运行的情况。

若在控制中不予考虑,会引起发电系统有功和无功的脉动。

文中基于对称分量理论,建立了不平衡电压下双馈发电机和网侧变流器的数学模型,分析了负序电压对传统双馈发电系统矢量控制策略的影响,并据此提出了一种基于比例谐振调节器的矢量控制策略。

理论分析和仿真结果表明,该方法可有效抑制电磁转矩、无功功率和直流母线电压的脉动,实现双馈发电系统在不平衡电压下的稳定运行。

关键词:双馈感应发电机;风力发电;不平衡电压;比例谐振;负序控制中图分类号:TM614;TM761收稿日期:2009202223;修回日期:2009205225。

国家科技支撑计划资助项目(2006BAA01A19)。

0　引言许多风电机组被安装在比较偏远的地区,这些地区往往处于电网的末梢,距离骨干电网较远,而且周边的用电设备情况复杂,在风电场接入点经常会发生三相电压不平衡的情况。

相对于其他类型的风力发电机组,双馈异步风力发电机组因其技术成熟、性价比高等优点,已成为当前风力发电市场兆瓦级变速恒频风电机组的主流机型。

传统的双馈发电系统矢量控制策略都假定电压和电流的波形是正弦而且三相对称的[123],这一假设虽然简化了控制策略的设计,但当电网出现三相不对称时,即使很小的不平衡电压都可能引起双馈发电机电磁转矩和变流器直流母线电压的剧烈脉动,从而危及主传动齿轮箱和直流母线电容等设备的寿命[425],为此需要研究合适的控制策略来抑制电网电压不平衡对双馈发电系统的影响。

国内外学者对于双馈发电机和网侧变流器在不平衡电压下的运行控制做了大量的研究。

文献[6]提出了一种扩展矢量控制策略,在双旋转坐标系下对双馈发电机转子电流的正、负序分量分别进行控制,取得了较好的控制效果[729],同样的方法也用于不平衡电压下网侧变流器的控制[10211]。

该方法由2套矢量控制算法组成,需要设计高性能的滤波器来检测电压、电流中的负序分量,系统复杂,不适于实际应用。

另外一种控制策略采用前馈补偿的方式,将观测出的有功和无功脉动的补偿值与转子电流正序分量调节器的输出叠加,从而得到所需要的转子电压指令[12213]。

该方法结构简单,但是控制效果取决于前馈量观测环节的误差,而且由于反馈中的有用信号幅值较小,其扰动抑制控制器需要精心设计。

为解决已有控制策略的不足,本文首先建立了不平衡电压下双馈发电系统的数学模型,找出了传统矢量控制系统的不足,并据此提出了一种新的双馈发电机及网侧变流器的矢量控制方法,理论分析和仿真计算均验证了所提出的控制策略的有效性。

1　不平衡电压下双馈发电系统数学模型忽略铁芯磁路饱和等非线性因素后,可利用对称分量法对双馈发电系统数学模型进行分析。

由于双馈发电系统的中点一般不接地,因此可以认为各电、磁量中只存在正序和负序分量,在静止αβ坐标系中可表示为:F αβ(t )=F αβ+(t )+F αβ-(t )=|F αβ+(t )|e j (ωn t +φ+)+|F αβ-(t )|ej (-ωn t +φ-)(1)式中:F 广义地代表电压、电流和磁链;ωn 为同步旋转角速度;φ为初始相位;下标+,-分别代表正、负序分量。

将式(1)变换到同步旋转坐标系下,有 F dq =F αβ(t )e -j ωn t =|F αβ+(t )|e j φ++|F αβ-(t )|e j (-2ωn t +φ-)(2) 可见,由于负序分量的存在,双馈发电系统各电、磁量在同步旋转坐标系中均表现为直流量和2倍频交流量之和。

1.1　双馈发电机将式(2)代入附录A 所示双馈发电机动态方程—98—第33卷　第15期2009年8月10日Vol.33　No.15Aug.10,2009中,可得到不平衡电压下双馈发电机的数学模型。

由于大型电机定子绕组的电阻值较小,电阻上压降远小于绕组的端电压,为简化分析可将其忽略。

此时,定子磁链正序分量Ψ・s +的相位在稳态时落后定子电压正序分量u ・s +相位90°,在定子电压正序分量定向坐标系下,可得到Ψs q +=0,据此可以对双馈电机模型进行简化,有Ψs d+≈L m i ms +=Ψs +=u s +ωn(3)i s q+=-L m i r q+L s(4)T e =-n p L 2m i ms +i r qL s+T eD(5)Q s =u s +L m (i ms +-i r d )L s+Q sD(6)式中:i ,Ψ,u 分别表示电流、磁链和电压;下标s ,r 分别表示定子分量和转子分量;下标d ,q 分别表示d 轴、q 轴分量;i ms 为广义励磁电流;n p 为极对数;T e 为电磁转矩;Q 为无功功率;负序电压对电磁转矩和无功功率的扰动T eD ,Q sD 分别为:T eD =-n p L m (i r q Ψs d--i r d Ψs q-)cos 2ωn tL s-n p L m (i r q Ψs q-+i r d Ψs d-)sin 2ωn tL s(7)Q sD=[u s +Ψs d-+u s q-L m (i ms +-i r d )+u s d-L m i r q ]・co s 2ωn tL s+[u s +Ψs q--u s d-L m (i ms +-i r d )+u s q-L m i r q ]sin 2ωn tL s+u s q-Ψs d--u s d-Ψs q-L s(8) 式(5)、式(6)构成了双馈发电机有功、无功解耦控制的理论依据。

当电网电压平衡时,T eD ,Q sD 均为0,T e 与i r q 成正比,Q s 与i r d 成正比,对转矩和定子无功功率可采用开环控制方式。

但是当电网电压不平衡时,双馈电机的电磁转矩可表示为一个与i r q 成线性关系的分量和一个包含2倍频量的扰动分量的叠加;无功功率可表示为一个与i r d 成线性关系的分量和一个包含2倍频量的扰动分量的叠加。

因此,为抑制由电压不平衡引起的有功、无功脉动,需要对双馈发电机的电磁转矩和无功功率进行闭环控制。

1.2　网侧变流器同理,将式(2)代入附录A 所示网侧变流器动态方程,得到不平衡电压下网侧变流器的数学模型。

电网电压正序分量定向坐标系下,u n q +=0,网侧变流器输入有功功率和无功功率可以简化为:P g =u n d +i g d +P gD(9)Q g =-u n d +i g q +Q gD (10)式中:下标g 和n 分别表示网侧变流器和电网的状态量;P gD ,Q gD 分别为负序电压对有功功率和无功功率的扰动:P gD =(i g d u n d-+i g q u n q-)co s 2ωn t +(i g d u n q--i g q u n d-)sin 2ωn t(11) Q gD =(i g d u n q--i g q u n d-)cos 2ωn t +(-i g q u n q--i g d u n d-)sin 2ωn t(12) 以式(7)、式(8)为基础,可设计网侧变流器的矢量控制策略。

当电网电压平衡时,负序电压为0,此时P gD ,Q gD 均等于0,对i g d ,i g q 分别进行控制即可实现对网侧有功、无功功率的解耦调节。

但是存在负序电压时,网侧变流器输入功率中将存在一个2倍频的扰动分量。

当电压不平衡时,转差功率中也将存在2倍频的分量,P gD -P r 共同构成了外部对直流母线控制闭环的扰动,其中,P r 为发电机转差功率。

若在控制中不予考虑,则会引起直流母线电压的波动。

2　控制策略从上述分析可以看出,当电网电压不平衡时,双馈发电机和网侧变流器的有功和无功功率均会出现二倍频的波动。

但传统的基于PI 调节器的双馈发电系统矢量控制策略是无法抑制这种脉动的,其原因是PI 调节器无法对负序电压引起的交流扰动量实现无差抑制。

同时,为保持有功和无功的恒定,电流闭环给定值中需要有脉动的交流分量,基于PI 调节器的电流闭环控制不能对给定值中的交流分量进行无差跟踪。

为此,本文提出一种新的控制策略,在传统的PI 调节器中增加谐振环节,构成了比例谐振(PR )调节器,此时调节器的传递函数为[14215]:F (p )=K p +K i p +K r p p 2+ω2c(13)式中:K r 为谐振环节的系数;ωc 为设定的谐振频率,为跟踪和抑制2倍频扰动分量,可取谐振频率ωc =2ωn 。

基于PR 调节器的定子电压正序分量定向双馈发电机矢量控制策略如图1所示,电网电压正序分量定向网侧变流器矢量控制策略如图2所示。

可以看出,该控制策略的算法结构与传统的双馈发电机及网侧变流器的矢量控制基本相同,由电流控制内环和功率控制外环组成,区别仅在于将原有的线性PI 调节器更换为带有谐振环节的PR 调节器,系统实现简单。

整个控制过程中不需要对电压、电流信号中的正、负序分量进行分别检测,没有滤波环节,大大减小了控制算法的计算量和复杂度。

对图1所示双馈发电机矢量控制闭环控制特性—9—2009,33(15)　进行分析后,得到基于PR 调节器的双馈发电机电磁转矩扰动闭环传递函数、定子无功功率扰动闭环传递函数、转子电流开环传递函数及转子电流扰动闭环传递函数分别如附录B 式(B1)～式(B4)所示,传递函数对应的幅频特性如附录B 图B1所示。

可以看出,基于PR 调节器的功率和电流闭环控制对于频率为0和2ωn 的扰动分量的增益均为0,可以实现稳态无差抑制。

转子电流开环增益在频率为0和二倍同步频率处均为无穷大,则转子电流闭环对直流给定和谐振频率的给定均能实现无差跟踪,从而保证转矩、无功外环谐振调节器输出的给定值得到无差跟踪。

因此,在电网电压不平衡情况下,采用图1所示基于PR 调节器的矢量控制策略可以实现双馈发电机的稳定控制,消除由负序电压引起的电磁转矩和无功功率的脉动。

图1　不对称条件下双馈发电机矢量控制原理框图Fig.1　Proposed vector control structure for doubly fedgenerator under unbalanced voltage condition图2　不平衡电压条件下网侧变流器矢量控制原理框图Fig.2　Proposed vector control structure for grid sideconverter under unb alanced voltage condition所得到的结论也适用于网侧变流器矢量控制系统,基于PR 调节器的直流母线电压扰动的闭环传递函数、整流无功功率扰动的闭环传递函数、整流电流的开环传递函数以及整流电流扰动的闭环传递函数分别如附录B 式(B5)～式(B8)所示,对应的幅频特性如附录B 图B2所示。