雙饋電機(jī)變環(huán)寬多階滯環(huán)電流控制方法的研究*

李 明，劉國榮，楊小亮

(1.湖南工程學(xué)院 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，湘潭 411101；2.湖南工程學(xué)院 電氣信息學(xué)院，湘潭 411104；3.湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，長沙 410012)

雙饋電機(jī)變環(huán)寬多階滯環(huán)電流控制方法的研究*

李 明1，劉國榮2，楊小亮3

(1.湖南工程學(xué)院 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，湘潭 411101；2.湖南工程學(xué)院 電氣信息學(xué)院，湘潭 411104；3.湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，長沙 410012)

為減少雙饋異步風(fēng)機(jī)并網(wǎng)諧波含量，提出了一種新型變環(huán)寬多階滯環(huán)電流控制的方法.研究了環(huán)寬與頻率之間的關(guān)系，在普通變環(huán)寬表達(dá)式的基礎(chǔ)上考慮初相位的影響，對(duì)滯環(huán)環(huán)寬建立關(guān)于頻率與初相位的精確建模.仿真結(jié)果表明，新型變環(huán)寬多階滯環(huán)電流控制方法能實(shí)現(xiàn)電流的快速穩(wěn)定跟蹤，并大大降低電流中的諧波含量.

雙饋異步電機(jī)；新型多階滯環(huán)電流控制；初相位；諧波含量

0 引言

與傳統(tǒng)定速感應(yīng)發(fā)電機(jī)和同步發(fā)電機(jī)相比，雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可以變速恒頻且功率能夠四象限流動(dòng)，同時(shí)，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子側(cè)直接連接到電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子側(cè)與變流器相連，相對(duì)于籠式異步發(fā)電機(jī)及永磁同步發(fā)電機(jī)，其變流器功率遠(yuǎn)小于發(fā)電機(jī)額定功率，使變頻器的體積、重量和成本降低.雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制目標(biāo)為控制雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子側(cè)的有功和無功功率.

圖1 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

傳統(tǒng)雙饋風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)一般采用定子磁鏈定向或定子電壓定向的矢量控制策略，該方法將轉(zhuǎn)子電流解耦為有功和無功分量，進(jìn)而將系統(tǒng)有功和無功功率轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的電流控制.根據(jù)上述基本思路，給定功率轉(zhuǎn)化為參考電流值，通過控制器產(chǎn)生所需轉(zhuǎn)子電壓，上述方法能夠解耦系統(tǒng)有功和無功功率分量，實(shí)現(xiàn)解耦控制，但矢量控制需要復(fù)雜的坐標(biāo)變換，同時(shí)系統(tǒng)動(dòng)、靜態(tài)性能很大程度上依賴于電流PI控制器參數(shù)的整定，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化敏感.相較于矢量控制，滯環(huán)電流控制方法直接對(duì)交流電流進(jìn)行控制，省去了復(fù)雜的坐標(biāo)變換，響應(yīng)速度快；同時(shí)對(duì)系統(tǒng)參數(shù)不敏感,魯棒性好，因而被廣泛用在需要控制電流的變換器上[1].

傳統(tǒng)的滯環(huán)電流控制器直接對(duì)三相電流分別進(jìn)行控制，但相互獨(dú)立的三相滯環(huán)電流控制器不能協(xié)同動(dòng)作，因此開關(guān)頻率波動(dòng)明顯[2].在此基礎(chǔ)上文獻(xiàn)[3]提出一種基于空間矢量的定環(huán)寬滯環(huán)電流控制方法，該方法有效避免了三相電流的獨(dú)立控制引起的開關(guān)冗余動(dòng)作，但由于電流波動(dòng)的不確定性，固定環(huán)寬的滯環(huán)電流控制方法導(dǎo)致開關(guān)頻率的波動(dòng)較大，增加濾波器的設(shè)計(jì)難度.該方法對(duì)控制的精確性與IGBT較小的開關(guān)頻率不可兼得，需通過試湊法來得到合適的環(huán)寬，因此不適用在動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中[4].文獻(xiàn)[5]對(duì)滯環(huán)電流控制的定頻方法進(jìn)行了研究，主要探究開關(guān)頻率和環(huán)寬之間的關(guān)系.本文以雙饋異步電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器為控制對(duì)象，結(jié)合空間矢量控制技術(shù)和變環(huán)寬滯環(huán)電流控制方法，提出一種新型變環(huán)寬多階滯環(huán)電流控制策略，使IGBT動(dòng)作頻率基本穩(wěn)定，轉(zhuǎn)子電流諧波含量大大減少.仿真結(jié)果表明固定環(huán)寬的滯環(huán)電流控制器在參考指令變化時(shí)比矢量控制有更快的響應(yīng)速度，但諧波含量較大；變環(huán)寬的多階滯環(huán)電流控制器不僅在指令值變化時(shí)有更快的響應(yīng)速度，諧波含量也大大減少.

1 DFIG建模

雙饋異步電機(jī)在定子坐標(biāo)下采用簡化的Γ型等效電路，如圖2所示.圖2中Rs、Rr分別表示定轉(zhuǎn)子繞組等效電阻，Lm、Lσ分別表示電機(jī)定轉(zhuǎn)子之間的互感、漏感.Is、Ir分別為定轉(zhuǎn)子繞組流過的電流.ω1、ωr分別表示同步角速度和轉(zhuǎn)子電角速度.φs、φr分別表示定轉(zhuǎn)子磁鏈.jω1φs表示同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，定子繞組等效電抗上的壓降.j(ω1-ωr)φr表示在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子電流在轉(zhuǎn)子繞組等效電抗上的壓降.

圖2 雙饋異步電機(jī)Γ型等效電路圖

由圖2根據(jù)基爾霍夫電壓定律(KVL)可得到定轉(zhuǎn)子電壓表達(dá)式(1)、(2)

(1)

(2)

定子轉(zhuǎn)子磁鏈的表達(dá)式(3)、(4)

φs=(Is+Ir)Lm=ImLm

(3)

φr=IrLσ+(Is+Ir)Lm

(4)

聯(lián)合公式(1)、(2)、(3)、(4)可得到轉(zhuǎn)子電壓與定子磁鏈之間的關(guān)系如下

(5)

公式(5)說明通過控制轉(zhuǎn)子電壓可間接控制定子磁鏈，從而控制定子發(fā)出的功率.在對(duì)電機(jī)的控制方法中，有定子電壓定向[6]，定子磁鏈定向[7]，轉(zhuǎn)子磁鏈定向[8]，虛擬電網(wǎng)磁鏈定向[9]等.轉(zhuǎn)子磁鏈定向多用在直接轉(zhuǎn)矩控制策略中；虛擬電網(wǎng)磁鏈定向在電網(wǎng)電壓跌落，定子電流中有負(fù)分量對(duì)定子磁鏈觀測造成干擾時(shí)運(yùn)用；雙饋異步電機(jī)多采用定子磁鏈定向的控制方法[10]，無論是定子磁鏈定向，轉(zhuǎn)子磁鏈定向，還是虛擬電網(wǎng)磁鏈定向，控制效果都高度依賴磁鏈觀測的準(zhǔn)確性.而且在無故障情況下的功率控制，沒必要進(jìn)行虛擬電網(wǎng)磁鏈定向.因此本文選擇定子電壓定向，即Vs=Vsd.文獻(xiàn)[6]給出了定子側(cè)發(fā)出功率與轉(zhuǎn)子電流之間的關(guān)系，見表達(dá)式(6)、(7).

(6)

(7)

由式(6)、(7)可以看出有功功率與d軸電流有關(guān)，無功功率與q軸電流有關(guān)，實(shí)現(xiàn)了有功無功的解耦控制.因此通過控制坐標(biāo)變換后的dq軸轉(zhuǎn)子電流即可控制定子的有功和無功功率.將本文所提出的新型滯環(huán)電流控制策略應(yīng)用到雙饋異步電機(jī)的并網(wǎng)運(yùn)行中，結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示.圖3中功率計(jì)算模塊按照式(6)、(7)計(jì)算.

圖3 雙饋異步電機(jī)滯環(huán)電流控制結(jié)構(gòu)圖

若選擇定環(huán)寬滯環(huán)控制方法，環(huán)寬δ需要仿真試湊，最后確定在滿足控制精度的條件下，諧波含量相對(duì)較小的環(huán)寬δ.文獻(xiàn)[16]用變化的環(huán)寬代替固定環(huán)寬，對(duì)三相變流器電路建模，得出環(huán)寬與開關(guān)頻率的關(guān)系，使開關(guān)頻率為固定值，求出此時(shí)的滯環(huán)大小，見式(8).

(8)

式(8)中，h0為當(dāng)前環(huán)寬，U0為變流器輸出電壓有效值，f為期望的開關(guān)頻率，L為轉(zhuǎn)子繞組等效電感.文獻(xiàn)[11]對(duì)于輸出電壓u0=U0sinωt的假設(shè)并不精確.環(huán)寬的大小不僅與轉(zhuǎn)子電壓的角頻率有關(guān)，還與轉(zhuǎn)子電壓當(dāng)前時(shí)刻的相位有關(guān).設(shè)輸出電壓u0=U0sin(ωt+φ0)，將其代入式(8)中，得

(9)

化簡：

(10)

式(10)中φ0為初始時(shí)刻轉(zhuǎn)子電壓相位，由軟鎖相環(huán)確定，ω為轉(zhuǎn)子電流角頻率Ud為直流母線電壓.將各參數(shù)帶入式(10)中，得h0的范圍為0～73.2.

2 仿真結(jié)果分析

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=2.5 Ω，定子電阻Rs=1.0 Ω，極對(duì)數(shù)N=3.圖4(a)～圖8(a)為固定環(huán)寬的滯環(huán)電流控制仿真結(jié)果，圖4(b)～圖8(b)為變環(huán)寬滯環(huán)電流控制仿真結(jié)果.

圖4 定環(huán)寬與變環(huán)寬的滯環(huán)電流控制方法電流誤差的比較圖

圖5 定環(huán)寬與變環(huán)寬的滯環(huán)電流控制誤差局部的比較圖

圖6 定環(huán)寬與變環(huán)寬的滯環(huán)電流跟蹤曲線比較圖

圖7 定環(huán)寬與變環(huán)寬的滯環(huán)電流跟蹤曲線局部比較圖

圖8 定環(huán)寬與變環(huán)寬的滯環(huán)電流控制方法諧波分析比較圖

3 結(jié)論

新型變環(huán)寬滯環(huán)電流控制方法的仿真結(jié)果比定環(huán)寬滯環(huán)電流控制方法的效果好.從諧波含量以及參考值發(fā)生突變時(shí)的調(diào)整效果來說，變環(huán)寬滯環(huán)電流控制方法比固定環(huán)寬的滯環(huán)電流控制方法效果好.在參考值發(fā)生突變時(shí)，滯環(huán)電流控制器內(nèi)在的限流特性能保證反饋電流值不會(huì)偏離參考值太多.變環(huán)寬滯環(huán)電流控制方法通過找到滯環(huán)寬度與頻率之間的關(guān)系式，將固定頻率代入公式中得到環(huán)寬與輸出電壓的2倍頻分量之間的關(guān)系，在原來模型的基礎(chǔ)上考慮電壓初相位的影響，得到更為精確的環(huán)寬表達(dá)式.固定環(huán)寬的滯環(huán)電流控制的方法在雙饋風(fēng)電系統(tǒng)的控制中諧波含量較高，變環(huán)寬滯環(huán)電流控制方法能明顯減少轉(zhuǎn)子電流的諧波含量，且在參考值發(fā)生突變時(shí)響應(yīng)迅速，對(duì)風(fēng)電這種對(duì)穩(wěn)定性要求極高的系統(tǒng)來說是十分必要的.

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ResearchonControlStrategyofLowVoltageRideThroughBasedonDoublyFedInductionGenerator

LI Ming1, LIU Guo-rong2, YANG Xiao-liang3

(1. College of Applied Technology, Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411101, China; 2. College of Elect. and Information Engineering, Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411104, China; 3. College of Elect. and Information Engineering, Hunan University, Changsha 410012, China)

In order to reduce the total harmonic distortion(THD) of the double-fed wind generator which is connected to the grid, this paper puts forward a novel control method of variable multistage hysteresis current. The relationship between hysteresis and frequency has been studied in this papper.And accurate model of hysteresis about frequency and initial phase is set up. The simulation results show that the proposed current regulator has a superior tracking performance with low harmonic content of the current.

doubly fed induction generator (DFIG)； novel multistage hysteresis current control； initial phase； THD

2017-05-17

李 明(1990-)，女，碩士研究生，研究方向：風(fēng)電系統(tǒng)控制技術(shù).通信作者：劉國榮(1957-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：多變量系統(tǒng)模糊、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制.

TM614

A

1671-119X(2017)04-0001-05