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α
β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 )|e
j (-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 α
β-(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
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9
8—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 2
m i ms +i r q
L 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 t
L s
-n p L m (i r q Ψs q-+i r d Ψs d-)sin 2ωn t
L 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 t
L 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 t
L 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
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)　
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 fed
generator under unb
alanced 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 side
converter 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。

可以看出,基于PR 调节器的网侧变流器矢量控制策略理论上也可以有效地抑制直流母线电压和网侧无功功率的脉动。

3　仿真验证
为验证所提出的双馈风力发电系统矢量控制策略的有效性,本文对一台1.5MW 双馈异步风力发电机系统进行了仿真验证。

系统参数为:定子电阻2.4m Ω,转子电阻3.3m Ω,电机互感3.19m H ,定、转子漏感均为0.1m H ;网侧电感0.6m H ,直流母线电容1000μF ;开关频率2k Hz 。

为简化分析,双馈发电机的机械转速固定为1800r/min 。

图3给出了电网有5%负序电压、双馈发电机额定功率运行时,2种控制策略的仿真结果。

1.0s ～1.2s 采用的是传统的基于PI 调节器的双馈发电机矢量控制策略,1.2s 投入PR 调节器。

由图3可以看出,未投入PR 调节器时,双馈发电机定子无功功率和电磁转矩存在幅值较大的2倍频脉动,转子电流d ,
q 轴分量不能实时跟踪脉动的给定值。

图3　5%不对称电压下双馈发电机
不同控制策略仿真结果
Fig.3　Simulation results of doubly fed generator with different control methods under 5%voltage unb alance
—
19—・绿色电力自动化・　郑艳文,等　不平衡电压下双馈发电系统控制策略
在1.2s 投入PR 调节器后,转矩和无功功率的脉动快速衰减,转子电流反馈值也迅速跟踪上外环调节器输出的设定值。

由于负序电压的存在,电网电压矢量的旋转速度在同步旋转速度上下波动,造成双馈电机滑差频率和转差功率也存在2倍频脉动。

转子转差功率和定子功率脉动分量的幅值相同、相位相反,机组总的输出功率恒定,这也说明在转速固定的情况下机组的电磁转矩恒定。

从图3可以看出,本文提出的双馈发电机矢量控制策略可以有效抑制不平衡电压引起的双馈发电机电磁转矩和无功功率脉动。

通常,变流器直流环节电容的参数较大,为便于说明问题,将母线电容减小到1000μF 。

图4给出了在电网负序电压10%、双馈发电机额定功率运行时,网侧变流器2种控制策略的仿真结果。

0.2s ～0.6s 控制系统采用基于PI 调节器矢量控制策略,0.6s 投入PR 调节器。

由图4可见,未投入PR 调节器时的直流母线电压、无功功率和整流电流给定值中均存在100Hz 的脉动,整流电流实际值中的直流分量可以跟踪给定值的直流分量,但脉动部分则不能无差跟踪。

0.6s 切入PR 调节器后,直流母线电压和无功功率的脉动分量快速衰减,整流电流实际值也迅速跟踪上其设定值。

可以看出,采用基于PR 调节器的网侧变流器正序电网电压定向矢量控制策略可以有效抑制不平衡电压引起的直流母线电压和无功功率的脉动。

图4　10%不对称电压下网侧变流器
不同控制策略仿真结果
Fig.4　Simulation results of grid 2side converter with different control methods under 10%voltage unb alance
对基于PR 调节器的双馈发电机及网侧变流器矢量控制系统的稳态性能及突加负序电压时的动态性能进行仿真,得到的波形如附录C 所示。

仿真结果进一步说明了控制策略的有效性。

4　结语
本文提出了一种基于比例谐振调节器的电压正序分量定向矢量控制策略,分别用于不平衡电压下双馈风力发电机和网侧变流器的控制。

与已有的方法相比,该控制策略具有以下一些优点:
1)不需要对不平衡电量的正负序成分进行分解,避免了复杂滤波器的设计,系统简单;
2)仅将传统双馈发电机和网侧变流器三相对称矢量控制方法所采用的PI 调节器改为PR 调节器,系统改动较小,易于实现;
3)控制系统幅频特性分析表明,引入PR 调节器后,矢量控制系统可实现对前向通道由负序电压引起的2倍频扰动的无差抑制,电流闭环控制可实现对含有2倍频成分的给定值的无差跟踪,不需要复杂的前馈项计算;
4)考虑并抑制了不平衡电压下脉动的转差功率对直流母线电压的影响,不需要转子侧的检测信息,实现了双馈发电机网侧和转子侧变流器控制策略的独立设计。

理论分析和仿真计算结果表明,本文所提出的双馈发电机和网侧变流器矢量控制策略可以有效抑制电网电压不平衡引起的电磁转矩、直流母线电压和无功功率的脉动,实现双馈风力发电机组的稳定运行。

附录见本刊网络版(http ://www.aep s /aep s/ch/index.asp x )。

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郑艳文(1983—
),男,通信作者,博士研究生,主要研究方向:风力发电系统控制技术。

E 2mail :zhengyanwen -00@
李永东(1962—
),男,博士,教授,博士生导师,主要研究方向:电气自动化和电机控制
柴建云(1961—
),男,博士,教授,博士生导师,主要研究方向:电机及其控制和可再生能源发电技术。

R esearch on Control Strategy for Doubly 2fed G eneration System under U nbalanced V oltage Condition
Z H EN G Yanw en 1,L I Yong dong 1,C HA I J iany un 1,GO N G X i x i u 2,YUA N Guof eng 2
(1.Tsinghua University ,Beijing 100084,China ;
2.Chino 2Harvest Wind Power Technology Corporation Limited ,Beijing 100084,China )
Abstract :Due to the distribution characteristics of wind resources ,many wind turbines are installed in remote areas ,where the power grid is usually weak and the unbalanced voltage condition often occurs.The unbalanced voltage condition should be taken into account in the control system ,otherwise it will cause active and reactive power fluctuations.The models of doubly fed induction generator and grid 2side converter under unbalanced voltage are presented based on the symmetrical component theory.The impact of negative sequence voltage on the conventional vector control is analyzed.According to the analysis results ,a novel double fed wind generation (DFW G )vector control method based on the proportional resonant (PR )regulator is presented.Theoretical analysis and simulation results show that the proposed strategy is very effective to minimize the torque ,reactive power and dc 2link voltage fluctuations in unbalanced network.
This work is supported by China Key Technologies R &D Program (No.2006BAA01A19).
K ey w ords :doubly fed induction generator ;wind generation ;unbalanced voltage ;proportional resonant (PR );negative sequence control
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39—・绿色电力自动化・　郑艳文,等　不平衡电压下双馈发电系统控制策略。