電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)基于直接諧振調(diào)節(jié)的雙饋感應(yīng)風(fēng)電系統(tǒng)聯(lián)合控制策略

王建良 張奕黃 程 鵬 年 珩

電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)基于直接諧振調(diào)節(jié)的雙饋感應(yīng)風(fēng)電系統(tǒng)聯(lián)合控制策略

王建良1,2張奕黃1程 鵬3年 珩3

（1. 北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 北京 100044 2. 中國(guó)南車株洲電機(jī)有限公司 株洲 412001 3. 浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院 杭州 310027）

采用直接諧振調(diào)節(jié)技術(shù)，并兼顧考慮網(wǎng)側(cè)變流器輔助功能，給出轉(zhuǎn)子側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器的聯(lián)合控制策略，以期最大限度提升雙饋發(fā)電系統(tǒng)綜合運(yùn)行能力。直接諧振控制技術(shù)以目標(biāo)電磁量作為被控量，在正轉(zhuǎn)同步速dq坐標(biāo)系中通過諧振調(diào)節(jié)器直接獲得所需的參考電壓矢量，因此無需電流和電壓的正、負(fù)序分解以及負(fù)序電流指令計(jì)算環(huán)節(jié)，即可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)、轉(zhuǎn)子側(cè)電流的統(tǒng)一調(diào)節(jié)，并可顯著增強(qiáng)控制系統(tǒng)對(duì)電機(jī)參數(shù)變化的適應(yīng)性。仿真和實(shí)驗(yàn)研究表明：所設(shè)計(jì)的直接諧振調(diào)節(jié)技術(shù)在電網(wǎng)電壓不平衡下提供準(zhǔn)確的電流調(diào)節(jié)，并可嚴(yán)格地實(shí)現(xiàn)雙饋發(fā)電系統(tǒng)在不平衡電網(wǎng)下的聯(lián)合控制策略。

電壓不平衡 聯(lián)合控制 雙饋發(fā)電系統(tǒng) 諧振調(diào)節(jié)

1 引言

近年來，風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為一種最具前景、最成熟的可再生能源發(fā)電技術(shù)得到了廣泛的關(guān)注，其中基于雙饋電機(jī)（Doubly Fed Induction Generator, DFIG）風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由于其可實(shí)現(xiàn)變速恒頻運(yùn)行、自身變流器容量小等優(yōu)點(diǎn)而得到最為廣泛的應(yīng)用[1-2]。

目前，考慮到我國(guó)采用“集中式開發(fā)，遠(yuǎn)距離輸送”的運(yùn)營(yíng)模式，很多風(fēng)電場(chǎng)處于電網(wǎng)末端、遠(yuǎn)離骨干電網(wǎng)，因而在風(fēng)電場(chǎng)接入點(diǎn)常會(huì)出現(xiàn)負(fù)序電壓擾動(dòng)，進(jìn)而影響雙饋發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性[3-4]。因此，電力系統(tǒng)提出了相應(yīng)的風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)[5-6]，要求風(fēng)電機(jī)組能夠承受一定的負(fù)序電壓擾動(dòng)而不跳閘脫網(wǎng)。因此，有必要對(duì)雙饋發(fā)電系統(tǒng)在不平衡電網(wǎng)下運(yùn)行能力進(jìn)行強(qiáng)化與提升。

文獻(xiàn)[7-14]對(duì)不平衡電網(wǎng)下雙饋電機(jī)的運(yùn)行與控制進(jìn)行了研究。雙同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系、雙電流調(diào)節(jié)器作為一種典型的控制策略，廣泛應(yīng)用于不平衡電網(wǎng)下雙饋電機(jī)控制[7-8]。然而，這種方法需對(duì)電流、電壓正負(fù)序分量進(jìn)行分離和提取，并會(huì)引入控制延時(shí)以及測(cè)量誤差，影響系統(tǒng)控制效果。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電流精確控制，諧振調(diào)節(jié)器作為一種二階積分器（Second-Order Generalized Integrator, SOGI）廣泛應(yīng)用在雙饋電機(jī)控制策略中[9-11]，其中文獻(xiàn)分別采用比例積分諧振（Proportion Integral Plus Resonant, PI+R）調(diào)節(jié)器[9]、比例諧振（Proportion Resonant, PR）調(diào)節(jié)器[10]、諧振反饋調(diào)節(jié)器[11]。

對(duì)于雙饋發(fā)電系統(tǒng)而言，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器僅能在一定范圍內(nèi)改善雙饋發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行特性，而網(wǎng)側(cè)變流器（Grid Side Converter, GSC）作為交流勵(lì)磁用雙PWM變流器的一個(gè)重要組成部分，還應(yīng)該考慮GSC的輔助控制作用，因此有必要綜合考慮GSC、RSC的聯(lián)合控制功能。文獻(xiàn)[12]采用在雙同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中主-輔控制器，并對(duì)正、負(fù)序參考電壓做不同的前饋補(bǔ)償，以實(shí)現(xiàn)對(duì)正、負(fù)序電流分量的調(diào)節(jié)。文獻(xiàn)[13]在此基礎(chǔ)上利用正轉(zhuǎn)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中PI+R調(diào)節(jié)器同時(shí)調(diào)節(jié)電流正、負(fù)序分量，并對(duì)正、負(fù)序參考電壓進(jìn)行統(tǒng)一前饋補(bǔ)償。文獻(xiàn)[14]定義了GSC的四個(gè)輔助控制目標(biāo)，在靜止坐標(biāo)系中采用PR調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)對(duì)正、負(fù)序電流分量的精確控制。然后，上述所提出的控制策略均以正、負(fù)序電流指令為基礎(chǔ)，采用各不相同的控制技術(shù)以實(shí)現(xiàn)對(duì)正、負(fù)序電流分量的調(diào)節(jié)。實(shí)際上，電流指令計(jì)算中仍涉及電壓的正、負(fù)序分解，且其計(jì)算過程繁瑣復(fù)雜。此外，電流指令計(jì)算的準(zhǔn)確度對(duì)電機(jī)參數(shù)要求較高，因而導(dǎo)致系統(tǒng)控制效果易受電機(jī)參數(shù)變化的影響。

因此，針對(duì)上述不足，本文在DFIG數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，著重研究了電網(wǎng)電壓不平衡下GSC和RSC的聯(lián)合控制策略，并設(shè)計(jì)出一種基于矢量控制的直接諧振控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)無需相序分離以及負(fù)序電流指令計(jì)算環(huán)節(jié)，并最大限度降低對(duì)電機(jī)參數(shù)的依賴性。最后，2.0MW DFIG風(fēng)電系統(tǒng)的仿真和1.0kW雙饋電機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的有效性。

2 數(shù)學(xué)模型

在雙饋發(fā)電系統(tǒng)中，RSC用于實(shí)現(xiàn)對(duì)DFIG輸出有功功率和無功功率的獨(dú)立、解耦控制，而GSC控制直流側(cè)電壓恒定。考慮到文獻(xiàn)[7-8, 12, 14]已經(jīng)對(duì)RSC和GSC數(shù)學(xué)模型做了詳細(xì)的分析和討論，這里僅對(duì)其數(shù)學(xué)模型作以簡(jiǎn)單描述。

2.1RSC

圖1給出了在正轉(zhuǎn)同步坐標(biāo)系中DFIG的T等效電路，并根據(jù)圖1 DFIG轉(zhuǎn)子電壓表達(dá)式可寫為

式中 U——電壓；

I——電流；

ψ——磁鏈；

E——轉(zhuǎn)子等效感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；

Ls，Lr——定、轉(zhuǎn)子繞組全自感，且Ls=Lm+Lσs，Lr=Lm+Lσr；

其中 Lm，Lσs，Lσr——定轉(zhuǎn)子之間的互感、定子漏

感、轉(zhuǎn)子漏感；

上標(biāo)+表示正轉(zhuǎn)同步坐標(biāo)系；

下標(biāo)s、r表示定子、轉(zhuǎn)子；

下標(biāo)d、q表示dq軸分量。

圖1 DFIG在正轉(zhuǎn)同步坐標(biāo)系下的T形等效電路Fig.1 T-representation of the DFIG equivalent circuit in positive synchronous reference frame

式中 Rs，Rr——定、轉(zhuǎn)子電阻；

ωsl——滑差角頻率，ωsl=ω1-ωr；

其中 ω1——同步角頻率；

ωr——轉(zhuǎn)子角頻率。

根據(jù)文獻(xiàn)[7-8]可知，此時(shí)DFIG輸出功率可表示為

式中，Ps0、Pss2、Psc2分別表示DFIG輸出有功功率的平均值（直流分量）、二倍頻正、余弦波動(dòng)分量，Qs0、Qss2、Qsc2分別表示DFIG輸出無功功率的平均值（直流分量）、二倍頻正、余弦波動(dòng)分量，并將其表示為矩陣乘積的形式，有

根據(jù)文獻(xiàn)[7-8]，在正轉(zhuǎn)同步坐標(biāo)系中，DFIG電轉(zhuǎn)矩可表示為

式中 Te0，Te2——DFIG轉(zhuǎn)矩的平均值與波動(dòng)值

對(duì)比式（4）和式（6）可知，DFIG轉(zhuǎn)矩波動(dòng)值與無功功率波動(dòng)值計(jì)算矩陣相同，即Tes2=-kQsc2，Tec2=kQss2，其中k=ω1/np。這表明，在復(fù)系數(shù)坐標(biāo)系下電磁轉(zhuǎn)矩二倍頻波動(dòng)矢量Te2=Tec2+jTes2相對(duì)無功功率二倍頻波動(dòng)矢量Qs2= Qsc2+jQss2超前90°。

2.2GSC

根據(jù)文獻(xiàn)[12, 14]可知，在正轉(zhuǎn)同步坐標(biāo)系中，GSC輸出電壓矢量可表示為

式中 Rg，Lg——網(wǎng)側(cè)變流器進(jìn)線電感的等效電阻、電感；

下標(biāo)g表示網(wǎng)側(cè)變流器；

Egdq——解耦項(xiàng)，且

根據(jù)文獻(xiàn)[12, 14]可知，此時(shí)網(wǎng)側(cè)變流器與整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)向電網(wǎng)輸送有功、無功瞬時(shí)功率可表示為

式中，下標(biāo)X=g、t分別表示網(wǎng)側(cè)變流器、整個(gè)雙饋發(fā)電系統(tǒng)，PX0、PXs2、PXc2分別表示輸出有功功率的平均值（直流分量）、二倍頻正、余弦波動(dòng)分量，QX0、QXs2、QXc2分別表示輸出無功功率的平均值（直流分量）、二倍頻正、余弦波動(dòng)分量。

3 控制系統(tǒng)

3.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為最大限度改善雙饋發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行特性，需綜合考慮網(wǎng)側(cè)變流器輔助控制功能。在實(shí)際雙饋發(fā)電系統(tǒng)中，作為機(jī)械故障的主要原因之一，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致機(jī)械傳動(dòng)部分受力不均，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致切機(jī)現(xiàn)象發(fā)生，故需在RSC控制中應(yīng)該對(duì)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)給予有效的抑制。此外，考慮到風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)范并兼顧雙饋感應(yīng)發(fā)電系統(tǒng)輸出功率波動(dòng)，選擇正弦且平衡的總電流輸出作為GSC的輔助控制目標(biāo)，以提升整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行能力。

目前，不平衡電網(wǎng)下雙饋感應(yīng)發(fā)電系統(tǒng)的典型控制方法是基于對(duì)稱分量法，但這一控制方法存在動(dòng)態(tài)特性差、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變換大等缺點(diǎn)?？紤]到諧振調(diào)節(jié)器，又稱為二階廣義積分器（second-order generalized integrator）具有良好的頻率選擇特性、抑制具有典型振蕩頻率分量的特性等優(yōu)點(diǎn)，本文提出一種以SOGI為基礎(chǔ)的直接諧振調(diào)節(jié)技術(shù)，并著重討論了不平衡電網(wǎng)下雙饋發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)合控制策略，以期最大限度改善整個(gè)系統(tǒng)的綜合控制能力。

圖2給出了采用直接諧振調(diào)節(jié)技術(shù)的整個(gè)系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖。采用如圖1所示的電網(wǎng)電壓矢量d軸定向后，此時(shí)U+sq+=0。在控制框圖中，所提出的直接諧振調(diào)節(jié)技術(shù)包含兩個(gè)閉環(huán)環(huán)節(jié):①PI電流閉環(huán)；②直接諧振閉環(huán)。在正轉(zhuǎn)同步速坐標(biāo)系中，正序基頻分量表現(xiàn)為直流量形式，而負(fù)序基頻分量表現(xiàn)為2ω1的交流量形式，因此可采用諧振頻率2ω1為的SOGI以減小二倍頻波動(dòng)分量，其表達(dá)式可寫為

式中 kr——諧振系數(shù)；

ωc——截止頻率，其取值范圍一般為5～15 rad/s，本文取ωc=10rad/s。

圖2 電網(wǎng)電壓不平衡下雙饋發(fā)電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)、轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制原理框圖Fig.2 Diagram for DFIG’s grid- and rotor-side conoverter under unbalanced grid voltage conditions

在RSC中，PI電流調(diào)節(jié)器用來控制雙饋電機(jī)輸出有功、無功功率的平均值，而SOGI則用來抑制轉(zhuǎn)矩指定頻率波動(dòng)2ω1，并考慮到轉(zhuǎn)矩波動(dòng)矢量超前無功功率波動(dòng)矢量90°，則其反饋值可設(shè)置為

可見，由于SOGI對(duì)轉(zhuǎn)矩、無功功率進(jìn)行直接諧振控制，即無需根據(jù)電壓正、負(fù)序分量計(jì)算轉(zhuǎn)子負(fù)序電流指令，節(jié)省大量數(shù)字運(yùn)算資源，并有效降低控制系統(tǒng)對(duì)電機(jī)參數(shù)的依賴性。由于SOGI具有典型的頻率選擇特性，對(duì)且僅對(duì)頻率為2ω1的交流信號(hào)提供足夠的增益，而對(duì)其頻率的交流信號(hào)幅值造成大幅衰減，因此無需考慮諧振調(diào)節(jié)器輸入項(xiàng)（ΔCRSC=C*RSC-CRSC）的直流偏置，故可將其參考值設(shè)置為C*RSC=0。此外，在電網(wǎng)電壓不平衡條件下，正轉(zhuǎn)同步速坐標(biāo)系中轉(zhuǎn)子電流指令和反饋量均存在100Hz波動(dòng)分量，然而由于PI調(diào)節(jié)器僅能消除直流靜差，因此轉(zhuǎn)子實(shí)際電流平均值能對(duì)電流指令平均值保持良好的追蹤特性，繼而保證定子輸出功率平均值符合功率指令的要求。

在GSC中，PI電流調(diào)節(jié)器用來獲得一個(gè)恒定的直流側(cè)電壓，并保持單位功率因數(shù)運(yùn)行。根據(jù)所設(shè)定的GSC輔助控制目標(biāo)，即確保在正轉(zhuǎn)同步坐標(biāo)系中輸出總電流dq分量無波動(dòng)，則諧振調(diào)節(jié)器反饋值可設(shè)計(jì)為

可見，采用SOGI對(duì)總電流d、q分量進(jìn)行直接控制，可對(duì)其指定頻率波動(dòng)分量進(jìn)行有效抑制。與RSC相類似，由于SOGI的頻率選擇特性，可忽略諧振調(diào)節(jié)器輸入項(xiàng)（ΔCGSC=C*GSC-CGSC）的直流偏置，可將其參考值設(shè)為C*GSC=0。此外，為了實(shí)現(xiàn)GSC和RSC的聯(lián)合控制，并兼顧考慮變流器模塊化設(shè)計(jì)要求，GSC仍需對(duì)雙饋發(fā)電系統(tǒng)輸出總電流進(jìn)行采集。

綜上所述，采用諧振直接控制技術(shù)，可完全消去控制系統(tǒng)中電壓和電流正、負(fù)序分量的分離環(huán)節(jié)以及負(fù)序電流指令計(jì)算環(huán)節(jié)，并最大限度降低電機(jī)參數(shù)變化對(duì)控制系統(tǒng)的影響，在簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)、節(jié)省數(shù)字資源的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)雙饋發(fā)電系統(tǒng)GSC和RSC的聯(lián)合控制。

3.2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

圖2給出了電網(wǎng)電壓不平衡條件下雙饋發(fā)電系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)框圖，并根據(jù)上述分析可知，在所提出的采用直接諧振控制調(diào)節(jié)技術(shù)的控制結(jié)構(gòu)主要由電網(wǎng)電壓同步信號(hào)檢測(cè)、參考電壓生成兩部分構(gòu)成。

圖3 諧振式鎖相環(huán)原理框圖Fig.3 Diagram of the phase locked loop based on a SOGI

為了準(zhǔn)確快速獲取電壓同步信號(hào)，特別是相角，本文采用諧振式鎖相環(huán)（Phase Locked Loop, PLL）[15]，如圖3所示。采用該方法可以實(shí)現(xiàn)基頻電壓相角的準(zhǔn)確、快速檢測(cè)，并且具有較高的檢測(cè)精度。此外，采用這種技術(shù)無需提取電壓基頻分量即可獲取其相位特性，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，應(yīng)用靈活。

根據(jù)圖2可知，采用直接諧振調(diào)節(jié)技術(shù)后，轉(zhuǎn)子參考電壓矢量由三部分構(gòu)成，即PI電流調(diào)節(jié)器輸出、SOGI調(diào)節(jié)器輸出、轉(zhuǎn)子等效電動(dòng)勢(shì)，其表達(dá)式可以寫為

將式（13）計(jì)算所得轉(zhuǎn)子電壓，根據(jù)R-PLL獲得的電壓相位對(duì)其進(jìn)行反Parker變換后，可得靜止坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子電壓參考矢量為

與RSC相類似，GSC輸出電壓矢量亦由PI電流調(diào)節(jié)器輸出、SOGI調(diào)節(jié)器輸出和解耦項(xiàng)共同構(gòu)成，且可表示為

將式（15）所得GSC輸出電壓矢量經(jīng)反Parker變換后，可得靜止坐標(biāo)系中GSC輸出電壓矢量為

最后，對(duì)式（14）和式（16）所得參考電壓矢量，采用空間矢量調(diào)制技術(shù)（Space Vector Modulation, SVM）即可獲得控制RSC和GSC所需的開關(guān)信號(hào)。

4 仿真研究

為了驗(yàn)證不平衡電網(wǎng)電壓條件下，GSC和RSC聯(lián)合控制策略以及直接諧振調(diào)節(jié)技術(shù)的有效性，采用圖4所示的雙饋發(fā)電系統(tǒng)及其參數(shù)（表1）進(jìn)行仿真研究。直流側(cè)電壓為1 150V，RSC和GSC變流器開關(guān)頻率為2.5kHz。DFIG輸出有功、無功功率平均值為0.83pu、0.0pu。并考慮到雙饋發(fā)電系統(tǒng)機(jī)械時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大于電磁時(shí)間常數(shù)的緣故，在電網(wǎng)不平衡器件可假定轉(zhuǎn)速為1.2pu（1.0pu表示同步速）。

圖4 雙饋風(fēng)電仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of the simulated DFIG system

表1 仿真系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 The simulated DFIG parameters

為了分別驗(yàn)證網(wǎng)側(cè)、轉(zhuǎn)子側(cè)變流器各自控制目標(biāo)的有效性，使用直接諧振調(diào)節(jié)技術(shù)進(jìn)行仿真驗(yàn)證: t=0～0.2s，網(wǎng)側(cè)、轉(zhuǎn)子側(cè)變流器均采用傳統(tǒng)PI電流調(diào)節(jié)器；t =0.2～0.4s，網(wǎng)側(cè)變流器采用傳統(tǒng)PI電流調(diào)節(jié)器，即無輔助控制目標(biāo)，而機(jī)側(cè)變流器采用直接諧振調(diào)節(jié)技術(shù)以消除轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)；t =0.4～0.6s，網(wǎng)側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)均采用直接諧振調(diào)節(jié)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)RSC和GSC的聯(lián)合控制策略。其仿真結(jié)果如圖5所示。

由圖5可見，在0～0.2s內(nèi)，定子電流、總電流存在明顯的不平衡。由于轉(zhuǎn)速為1.2pu（60Hz），則負(fù)序電壓分量會(huì)在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)產(chǎn)生110Hz諧波分量，其約為12.5%。雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)矩存在較為明顯振蕩，會(huì)導(dǎo)致傳動(dòng)軸系受力不均。此外，總輸出有功、無功功率也存在一定波動(dòng)，破壞并網(wǎng)點(diǎn)電能質(zhì)量。在0.2～0.4s時(shí)間內(nèi)，以抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為目標(biāo)，RSC采用直接諧振調(diào)節(jié)技術(shù)后，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)被限制到1.1%，并且無功功率波動(dòng)分量與轉(zhuǎn)矩波動(dòng)分量成正比關(guān)系，則無功功率波動(dòng)得到了一定的抑制，并且轉(zhuǎn)子電流的110Hz含量下降為6.2%，但定子有功功率波動(dòng)分量幅值上升為12.5%，考慮到雙饋電機(jī)定子出力要大于GSC出力，因此會(huì)導(dǎo)致雙饋風(fēng)電系統(tǒng)總輸出有功功率出現(xiàn)較大脈動(dòng)。需要指出的是由于在0.2s后RSC傳遞到GSC的功率大小發(fā)生變化，并考慮到GSC在能量輸出的滯后性以及控制系統(tǒng)弱阻尼性，此時(shí)直流母線電壓在1.0pu上下呈現(xiàn)低頻衰減振蕩。在RSC和GSC不同控制目標(biāo)運(yùn)行下，直流電壓一直存在一個(gè)二倍頻波動(dòng)，但此脈動(dòng)電壓對(duì)兩個(gè)變流器目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)影響較小。在0.4～0.6s內(nèi)，轉(zhuǎn)子側(cè)保持原有控制目標(biāo)不改變，GSC對(duì)總輸出電流采用直接諧振控制，消去其100Hz波動(dòng)分量，即可確?？傒敵鲭娏髌胶?，此時(shí)總輸出電流負(fù)序分量下降為0.9%，并將總輸出有功功率脈動(dòng)降低為9.4%。直流電壓的脈動(dòng)相對(duì)減小，但仍不能完全消除，主要是因?yàn)榭傒敵龉β蚀嬖诿}動(dòng)以及GSC交流電感消耗有功功率脈動(dòng)的結(jié)果。

圖5 網(wǎng)側(cè)、轉(zhuǎn)子側(cè)變流器聯(lián)合控制仿真結(jié)果Fig.5 Simulated results of the coordinated control for DFIG’s grid- and rotor-side converter

表2 不平衡電網(wǎng)條件下采用不同控制策略的仿真結(jié)果對(duì)比（%）Tab.2 Comparisons with different control strategies under unbalance grid voltage conditions

為了更好的說明采用直接諧振調(diào)節(jié)技術(shù)的RSC和GSC聯(lián)合控制策略的控制效果，給出個(gè)時(shí)間段內(nèi)總電流負(fù)序分量幅值、輸出有功與無功功率波動(dòng)幅值、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)幅值以及直流側(cè)電壓波動(dòng)幅值的對(duì)比結(jié)果見表2?？梢钥闯?，采用所提出的聯(lián)合控制策略可以有效實(shí)現(xiàn)GSC和RSC的聯(lián)合控制，有效抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、平衡總輸出電流，并對(duì)總輸出有功、無功功率波動(dòng)起一定的限制作用，但無法完全消去功率波動(dòng)。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所提出采用直接諧振調(diào)節(jié)技術(shù)的GSC和RSC聯(lián)合控制策略的有效性，構(gòu)建了一套變速恒頻DFIG實(shí)驗(yàn)小容量系統(tǒng)，系統(tǒng)中采用兩塊TMS320F28335 DSP對(duì)RSC和GSC進(jìn)行獨(dú)立控制，其結(jié)構(gòu)與電機(jī)參數(shù)如圖6和表3所示。

圖6 DFIG實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)框圖Fig.6 Test setup of the DFIG system

表3 實(shí)驗(yàn)電機(jī)參數(shù)Tab.3 The experimental system parameters

圖7給出了雙饋發(fā)電模擬系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在實(shí)驗(yàn)中，電網(wǎng)電壓不平衡度為5.5%，直流側(cè)電壓為300V，定子輸出平均有功、無功功率為1 000W、0var，DFIG轉(zhuǎn)矩為12N·m，機(jī)組轉(zhuǎn)速為800r/min（每單元0.8，40Hz），轉(zhuǎn)子電流表現(xiàn)為10Hz（50～40Hz）為基頻的正弦交流量。對(duì)比圖7a與7b可知，當(dāng)電網(wǎng)電壓存在負(fù)序分量時(shí)，由于PI電流調(diào)節(jié)器對(duì)負(fù)序分量（即100Hz分量）幾乎沒有調(diào)節(jié)作用，因此會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子電流中出現(xiàn)4.7%的90Hz（40Hz+ 50Hz）諧波分量。此外，雙饋系統(tǒng)總輸出電流中含有8.2%的負(fù)序分量，并其輸出有功、無功功率也分別存在±83W、±105var的波動(dòng)，同時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)矩長(zhǎng)期處于±0.9N·m的波動(dòng)環(huán)境中，致使機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)受力不均，不利于系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，此外由于系統(tǒng)輸出功率波動(dòng)也在一定程度上破壞并網(wǎng)點(diǎn)電能質(zhì)量。

圖7 網(wǎng)側(cè)、轉(zhuǎn)子側(cè)變流器聯(lián)合控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.7 The experiment results of the coordinated control

在圖7c中采用諧振直接調(diào)節(jié)技術(shù)，以抑制轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和平衡總輸出電流為目標(biāo)，給出RSC和GSC聯(lián)合控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在RSC控制中，由于對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩100Hz波動(dòng)分量進(jìn)行直接諧振閉環(huán)調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)分量被抑制為±0.12N·m，同時(shí)無功功率的波動(dòng)量也得到了一定的限制，并且在諧振調(diào)節(jié)器作用下轉(zhuǎn)子電流90Hz諧波分量也下降為1.1%，有效提升了雙饋電機(jī)的運(yùn)行能力。在考慮GSC輔助控制基礎(chǔ)上，由于GSC對(duì)輸出總電流dq軸100Hz波動(dòng)分量采用直接諧振調(diào)節(jié)技術(shù)，使得整個(gè)系統(tǒng)輸出總電流中負(fù)序電流含量下降為1.3%。由于這一原因，雙饋發(fā)電系統(tǒng)輸出有功、無功功率的波動(dòng)量也被抑制為±43W、±48var，在一定程度上改善了并網(wǎng)點(diǎn)電能質(zhì)量。此外，由于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中電容相對(duì)機(jī)組振蕩功率較大的緣故，致使其電壓波動(dòng)不如圖5所示明顯。

表4 DFIG實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Tab.4 Comparison of the experiment results

為了更好的說明采用直接諧振控制技術(shù)后GSC和GSC聯(lián)合控制的實(shí)驗(yàn)效果，給出直接諧振調(diào)節(jié)技術(shù)使能與未使能的實(shí)驗(yàn)比較結(jié)果見表4?？梢悦黠@看出，采用直接諧振調(diào)節(jié)技術(shù)后，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)由±0.9N·m降為±0.12N·m，有效削減機(jī)械軸系所承受的應(yīng)力，確保雙饋電機(jī)自身的安全穩(wěn)定運(yùn)行。此外，利用GSC的輔助控制功能，使總輸出電流的負(fù)序含量由8.2%降為1.3%，可有效改善并網(wǎng)點(diǎn)電能質(zhì)量。因此，采用直接諧振調(diào)節(jié)的RSC和GSC聯(lián)合控制策略可使整個(gè)雙饋發(fā)電系統(tǒng)在不平衡電網(wǎng)電壓條件下運(yùn)行時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)成分和輸出電網(wǎng)的負(fù)序電流同時(shí)獲得了有效抑制，從而顯著提升了雙饋發(fā)電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行能力。

6 結(jié)論

本文在考慮網(wǎng)側(cè)變流器輔助控制功能的基礎(chǔ)上，給出一種GSC和RSC的聯(lián)合控制策略。在正轉(zhuǎn)同步速dq坐標(biāo)系中，提出雙饋發(fā)電系統(tǒng)的一種直接諧振調(diào)節(jié)技術(shù)，在不平衡電網(wǎng)電壓條件下，無需實(shí)施電流和電壓的正、負(fù)序分解以及負(fù)序電流指令計(jì)算，即可對(duì)轉(zhuǎn)子側(cè)、網(wǎng)側(cè)電流實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)節(jié)。同時(shí)采用這種諧振調(diào)節(jié)技術(shù)，可最大限度降低參數(shù)變化對(duì)控制效果的影響。通過仿真和實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了所提出的直接諧振調(diào)節(jié)技術(shù)的有效性與可行性。

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Coordinated Control Strategy for a DFIG Generation System Under Unbalanced Grid Voltage Conditions Based on Direct Resonant Regulation

Wang Jianliang1,2 Zhang Yihuang1 Cheng Peng3 Nian Heng3
（1. Beijing Jiaotong University Beijing 100044 China 2. CSR Zhuzhou Electric Motor Co. Ltd． Zhuzhou 412001 China 3. Zheiang University Hangzhou 310027 China）

In order to develop the operation performance of the overall DFIG generation system, taking into account the GSC’s auxiliary control, a coordinated control strategy with the direct resonant regulation has been presented in this paper. The selected electromagnetic quantities according to the target are used as the controlled variables for the resonant regulator in the positive synchronous reference frame so as to approach the commanded voltages. As a result, the rotor and GSC currents can be regulated without sequential separations and reference calculations. Besides, the proposed method can enhance the adaptability to generator parameters variations. Simulated and experiment results demonstrate the availability of the proposed direct resonant control methods for grid- and rotor-side converter.

Unbalanced grid voltage, coordinated control, doubly fed induction generation (DFIG), resonant regulation

TM310

王建良 男，1975年生，博士研究生，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電機(jī)研究。

2014-02-10 改稿日期 2014-06-20

張奕黃 男，1958年生，博士生導(dǎo)師，教授，主要研究方向?yàn)殡姍C(jī)控制。