雙饋異步電機(jī)空載并網(wǎng)數(shù)字物理混合仿真技術(shù)

王 鶴，周鶴倫

(東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

在所有新能源發(fā)電的發(fā)展過程中，風(fēng)能利用及開發(fā)呈指數(shù)級增長.據(jù)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)階段每年開發(fā)利用的風(fēng)能是每年燃燒煤炭得到能量的一千倍以上[1].風(fēng)能作為新世紀(jì)主要供能能源之一，不僅在陸地可以開發(fā)利用，海洋上方也大量存在.積極開發(fā)風(fēng)能一方面能夠解決能源危機(jī)，另一方面對可持續(xù)發(fā)展提供了新的思路.恒頻變速電機(jī)是主流發(fā)電機(jī)中應(yīng)用最廣泛的電機(jī)之一，它擁有較小的變頻功率、較高的發(fā)電效率以及優(yōu)良的可控性[2-6].風(fēng)電并網(wǎng)在電力系統(tǒng)中占據(jù)很重要的研究地位，不僅對其電能直量有較高要求，而且對并網(wǎng)過程中對設(shè)備的電流沖擊也有著嚴(yán)格的限制要求.若將未經(jīng)變壓等處理的風(fēng)電系統(tǒng)直接并入大電網(wǎng)中，會(huì)產(chǎn)生極大的電流沖擊，干擾穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的電力系統(tǒng)，甚至有可能燒毀相關(guān)設(shè)備.因此需要柔性并網(wǎng)技術(shù)的支持[7].

雙饋異步電機(jī)擁有十分復(fù)雜的發(fā)電系統(tǒng)，在系統(tǒng)運(yùn)行中存在大量的電力電子設(shè)備，以及諸多動(dòng)態(tài)控制[8].目前，在DFIG并網(wǎng)技術(shù)的研究中需要進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真，因此學(xué)者們主要通過RTDS和RT-LAB 兩種仿真系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析.在雙饋風(fēng)機(jī)當(dāng)中存在大量的電力電子器件，但換流器的各個(gè)橋臂在仿真中卻均是理想化封裝[9]，所以與實(shí)際風(fēng)機(jī)內(nèi)部動(dòng)態(tài)特性不符，因此純數(shù)字仿真很難精準(zhǔn)的重現(xiàn)電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行工況.雖然純物理仿真可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行真實(shí)情況，成本消耗大，因此難以搭建純物理仿真平臺(tái).功率硬件在環(huán)的應(yīng)用十分靈活，既能夠精確分析并網(wǎng)系統(tǒng)的暫穩(wěn)態(tài)特性也可以保證多電力電子器件的真實(shí)性[10-12].

在數(shù)字物理混合仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，以下三種算法最為常用：理想變壓器模型法ITM、輸電線路模型法TLM、阻尼阻抗法DIM[13-18].ITM算法設(shè)計(jì)思路簡單易于搭建，且在PHIL仿真實(shí)驗(yàn)中被廣泛應(yīng)用，相對其他算法穩(wěn)定性較差[18].TLM穩(wěn)定性較好，但受限于解耦原件.DIM算法在數(shù)字側(cè)增加了一個(gè)可變阻抗，但該阻抗參數(shù)需經(jīng)過復(fù)雜的實(shí)時(shí)計(jì)算以阻抗匹配.

本文設(shè)計(jì)了一套雙饋異步電機(jī)并網(wǎng)的功率在環(huán)的數(shù)模混合仿真系統(tǒng)，對各部分的主電路參數(shù)和控制方法進(jìn)行了設(shè)計(jì)，功率接口采用阻尼阻抗法接口算法，為提高接口的穩(wěn)定性，采用了改進(jìn)的濾波算法，并對整個(gè)數(shù)模混合系統(tǒng)進(jìn)行了典型工況下的仿真驗(yàn)證.

1 風(fēng)電并網(wǎng)PHIL系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及DIM接口算法分析

1.1 風(fēng)電并網(wǎng)PHIL系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

PHIL仿真系統(tǒng)主要包括數(shù)字仿真系統(tǒng)DSS、物理仿真系統(tǒng)PSS、功率接口三個(gè)部分[19].以雙饋風(fēng)機(jī)DFIG并網(wǎng)為例，其結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 風(fēng)電并網(wǎng)數(shù)字物理混合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2 雙饋異步風(fēng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

PSS子系統(tǒng)為PHIL混合系統(tǒng)中重點(diǎn)研究子模塊工作狀態(tài)的部分，本文中雙饋異步風(fēng)機(jī)作為物理側(cè)主要部件.其中包括風(fēng)輪及齒輪箱、無刷雙饋電機(jī)、控制及功率繞組、功率變換器、交直流等值線路、濾波器等[20]，以實(shí)現(xiàn)對模擬雙饋異步發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)物理模擬如圖2所示.

DSS子系統(tǒng)為升壓變壓器及交直流系統(tǒng)工作狀態(tài)的部分，主要包括大電網(wǎng)等效交流系統(tǒng)及阻抗負(fù)載等電力系統(tǒng)原件，運(yùn)行于實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器中，在所設(shè)定的仿真步長內(nèi)，完成信號采集、運(yùn)算、輸出任務(wù)[21].

1.2 DIM接口算法分析

相比ITM算法DIM接口算法在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了調(diào)整，除受控電流源外又增加了一條受控電壓源支路.受控支路上的等效阻抗Z*有效地保證了PHIL系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確性，其原理如圖3所示.圖3中ZSH為功率放大器等效輸出阻抗，等效直流電源US和等值阻抗ZS組成了數(shù)字側(cè)等效系統(tǒng)，物理側(cè)系統(tǒng)也應(yīng)用了同樣的等效方法.

圖3 DIM算法原理

在此算法當(dāng)中，由于功率放大器是實(shí)際硬件，所以右側(cè)功率接口的ZSH應(yīng)該計(jì)算在左側(cè)功率接口的ZH中；同理，左側(cè)功率接口的ZSH也應(yīng)該計(jì)算在右側(cè)功率接口的ZSH中.

依據(jù)數(shù)字側(cè)和物理側(cè)直流系統(tǒng)傳輸容量和電壓等級，受控電壓源和受控電流源比例系數(shù)取值如下：

(1)

(2)

公式中：UDSS和UPSS分別為數(shù)字側(cè)和物理側(cè)直流電壓額定值；UPSS和PPSS分別為數(shù)字側(cè)和物理側(cè)直流系統(tǒng)額定傳輸功率.

根據(jù)圖3可以推導(dǎo)出直流DIM接口算法開環(huán)傳遞函數(shù)為

(3)

通過DIM接口算法的開環(huán)傳遞函數(shù)可知，在混合仿真系統(tǒng)中存在著延時(shí)及其他可能影響接口穩(wěn)定性的因素.根據(jù)奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)，若使系統(tǒng)中接口達(dá)到絕對穩(wěn)態(tài)，則需要得到實(shí)時(shí)物理側(cè)阻抗ZH，以及實(shí)時(shí)匹配阻尼阻抗Z*，令Z*=(kU/kI)ZH，從而控制傳遞函數(shù)值無限趨近于零.

1.3 L-DIM接口算法設(shè)計(jì)分析

動(dòng)態(tài)電路中，經(jīng)過仿真實(shí)驗(yàn)FFT分析，DIM接口顯示出放大諧波的性質(zhì)，從而降低了接口的精確性.因此，本文對DIM接口進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，增加了濾波環(huán)節(jié)如圖4(a)中紅色部分所示.假設(shè)電網(wǎng)電壓為理想對稱系統(tǒng)，因此三相濾波模塊可以利用單項(xiàng)等效如圖4(b)加以描述.

圖4 L-DIM接口結(jié)構(gòu)

基于圖4(b)，利用基爾霍夫電壓定理，可寫出接口濾波器電壓方程為

(4)

公式中：iga、igb、igc為接口濾波器電流；ufa、ufb、ufc為接口數(shù)字側(cè)三相電壓.

為了仿真的目的，須將公式(4)寫成狀態(tài)方程形式.由此可知，可繪制出三相接口濾波器仿真模型框圖，如圖5所示.

2 DIM阻抗匹配

對于DIM接口算法需要求得物理側(cè)風(fēng)機(jī)的等效阻抗，本文所選的雙饋感應(yīng)電機(jī)的運(yùn)行原理和變壓器類似，因此可以利用類似變壓器模型代替求取雙饋電機(jī)的等效阻抗.不同的是感應(yīng)電機(jī)定轉(zhuǎn)子繞組間有相對運(yùn)動(dòng)，而變壓器一、二次繞組之間是靜止的.因此，在用變壓器穩(wěn)態(tài)等效電路等效雙饋感應(yīng)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)等效電路時(shí)，需要考慮定轉(zhuǎn)子繞組間的相對運(yùn)動(dòng)，并遵守如下假設(shè)：

(1)假設(shè)定轉(zhuǎn)子繞組均采用星型聯(lián)結(jié)，若是三角形聯(lián)結(jié)，可以先進(jìn)行等效變換；

(2)定子繞組直接接恒壓恒頻的三相對稱交流電源；

(3)轉(zhuǎn)子繞組通過背靠背功率變換器接三相對稱交流電源.

基于一個(gè)理想變壓器等效電路可以繪制出雙饋感應(yīng)電機(jī)單項(xiàng)穩(wěn)態(tài)等效電路，如圖6所示.各電氣變量采用相量的表述，其中k為等效理想變壓器匝間比.需要強(qiáng)調(diào)的是，定子側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)的電壓電流旁路是不一樣的.如果定子繞組直接接電網(wǎng)電源，其頻率固定，而轉(zhuǎn)子側(cè)電壓電流的頻率是變化的，與轉(zhuǎn)差成正比.因此，轉(zhuǎn)子漏感抗也是變化的，與電機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān).

圖6 雙饋感應(yīng)電機(jī)穩(wěn)態(tài)單項(xiàng)等效電路

圖7 雙饋感應(yīng)電機(jī)T型等效電路

對于雙饋風(fēng)機(jī)而言，等效理想變壓器匝間比k很容易確定.它與定轉(zhuǎn)子每項(xiàng)繞組串聯(lián)的匝數(shù)比以及定轉(zhuǎn)子基波繞組系數(shù)比有關(guān).雙饋風(fēng)機(jī)在發(fā)電時(shí)通常需要特別設(shè)計(jì)，此時(shí)定轉(zhuǎn)子基波繞組系數(shù)比近似等于1，轉(zhuǎn)子側(cè)徹底折算到了定子側(cè).將變比帶入等效電路中，去除圖6中理想變壓器后可獲得圖7所示的雙饋感應(yīng)電機(jī)T型等效電路圖.

進(jìn)而經(jīng)過計(jì)算整理后，獲得完整的雙饋感應(yīng)電機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型.定轉(zhuǎn)子電壓方程：

Us=RsIs+jω1ψs，

(5)

Ur=RrIr+jsω1ψr.

(6)

磁鏈方程：

ψs=LsIs+LmIr，

(7)

ψr=LmIs+LrIr.

(8)

電磁轉(zhuǎn)矩方程：

(9)

根據(jù)前一節(jié)的等效電路分析，可將T型等效電路進(jìn)一步做戴維南等效變換得到等效阻抗及等效電壓為

(10)

(11)

3 接口延時(shí)補(bǔ)償策略

實(shí)際上，在混合仿真系統(tǒng)中功率放大器的啟動(dòng)運(yùn)行需要一定的響應(yīng)時(shí)間，因此在接口硬件裝置前饋通道存在一定的延時(shí)，導(dǎo)致數(shù)字側(cè)信號無法實(shí)時(shí)于物理側(cè)反應(yīng).在直流電壓基本恒定情況下，各信號傳輸受到的延時(shí)誤差可以忽略.一旦數(shù)字仿真系統(tǒng)中直流母線電壓出現(xiàn)波動(dòng)，那么物理側(cè)定會(huì)受到延時(shí)影響，除此外波動(dòng)的信號具有不確定性，因此難以通過交流信號的頻域相移法[15]進(jìn)行接口延時(shí)補(bǔ)償.據(jù)實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，各接口裝置產(chǎn)生的延時(shí)大小如表1所示.

表1 接口裝置時(shí)間延遲

圖8 接口延時(shí)補(bǔ)償策略原理

對于硬件延時(shí)本文采用數(shù)據(jù)預(yù)測的方法來進(jìn)行延時(shí)補(bǔ)償，根據(jù)已有電壓數(shù)據(jù)預(yù)測Δt延時(shí)后的電壓值，令功率放大器輸出相對電壓值.因延時(shí)時(shí)間Δt為μs級物理量，仿真步長使數(shù)字系統(tǒng)的十幾倍，因此選擇了簡單的直線預(yù)測法.首先進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣得到當(dāng)前及前一步長點(diǎn)電壓值，并計(jì)算兩點(diǎn)的直線斜率，根據(jù)該斜率得到Δt時(shí)間后的信號預(yù)測值Udc_ f.該預(yù)測值與實(shí)際數(shù)字系統(tǒng)電壓間仍存在誤差，為彌補(bǔ)此誤差，定義預(yù)測值為

(12)

公式中：Udc_PSS為功率放大器實(shí)時(shí)輸出電壓；Udc_DSS為數(shù)字系統(tǒng)實(shí)時(shí)直流母線電壓；k為誤差補(bǔ)償系數(shù).由于作用于物理側(cè)的補(bǔ)償量在Δt時(shí)間后才能作用于數(shù)字側(cè)，在Udc_ f的作用下，誤差值有所降低，因此k應(yīng)取0到1之間的數(shù)值，延時(shí)補(bǔ)償策略如圖8所示.

4 仿真實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證所提出的功率接口算法以及接口延時(shí)補(bǔ)償方法的有效性，搭建了單臺(tái)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)數(shù)字物理混合仿真平臺(tái).在上位機(jī)使用MATLAB/SIMULINK搭建了容量為3 000 MW的200電平±500 kV數(shù)字仿真系統(tǒng)，通過RT-LAB5600實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器與容量為20 kW的物理模擬風(fēng)機(jī)相連.實(shí)物圖,如圖9所示.

首先進(jìn)行接口延時(shí)補(bǔ)償算法驗(yàn)證.將并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，且設(shè)置直流電壓額定值.將功率放大器輸出電壓與直流母線電壓在有無延時(shí)補(bǔ)償兩種情況下進(jìn)行比較，電壓波形對比圖如圖10(a)所示.由圖10(a)可知補(bǔ)償前后時(shí)差大小為30 μs左右，略大于前向通道延時(shí)；當(dāng)數(shù)直流母線發(fā)生單極短路時(shí)，將延時(shí)補(bǔ)償加入到系統(tǒng)中得到輸出電壓的對比圖如圖10(b)所示.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，通過所設(shè)計(jì)的延時(shí)補(bǔ)償算法后，功率放大器輸出電壓基本完全與數(shù)字側(cè)直流母線電壓重合，能夠有效地消除誤差延時(shí).

圖9 數(shù)字物理仿真測試平臺(tái)

圖10 接口延時(shí)補(bǔ)償算法驗(yàn)證

使用PID控制模擬自然增長風(fēng)速，首先模擬的是風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)漿片帶入的風(fēng)速.并且結(jié)合模擬數(shù)字大電網(wǎng)仿真出整個(gè)單臺(tái)風(fēng)機(jī)的自啟動(dòng)及并網(wǎng)過程，風(fēng)機(jī)輸出電流波形，如圖11所示.從圖11可知，在第一個(gè)階段中電壓電流波形會(huì)發(fā)生適量的擾動(dòng)也顯示出風(fēng)機(jī)在暫態(tài)情況下輸出的波動(dòng)性，在轉(zhuǎn)速達(dá)到所設(shè)定的1200轉(zhuǎn)之后進(jìn)行并網(wǎng)連接，最終達(dá)到并網(wǎng)穩(wěn)態(tài).因此，可將接口仿真分為兩部分進(jìn)行分析：風(fēng)機(jī)啟動(dòng)動(dòng)態(tài)分析以及風(fēng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行穩(wěn)態(tài)分析.

圖11 雙饋風(fēng)機(jī)啟動(dòng)過程并網(wǎng)點(diǎn)電流波形

圖12 A相接口風(fēng)機(jī)側(cè)電流對比圖

風(fēng)機(jī)啟動(dòng)狀態(tài)下，接入ITM及DIM算法接口后，風(fēng)機(jī)側(cè)電流波形如圖12所示.由波形圖可知，動(dòng)態(tài)條件下ITM接口失真嚴(yán)重，難以在動(dòng)態(tài)電力系統(tǒng)中保持良好的穩(wěn)定性.相比之下通過DIM接口反映的風(fēng)機(jī)側(cè)電流波形則相對穩(wěn)定，可以將誤差降至0.1%以下，但仍需對其進(jìn)行改進(jìn).將DIM接口系統(tǒng)中物理側(cè)波形與原電路物理側(cè)波形進(jìn)行對照分析，可以觀察出總諧波失真(THD)較高.由此可知，DIM接口在本動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中會(huì)產(chǎn)生少量的諧波從而影響接口精確性.當(dāng)風(fēng)機(jī)達(dá)到恒功率穩(wěn)定時(shí)，可由圖12可看出穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下兩接口對應(yīng)波形相對原系統(tǒng)差異并不大.在少量風(fēng)功率波動(dòng)時(shí)，DIM算法接口則體現(xiàn)出了較好的穩(wěn)定性.綜上所述，在絕對穩(wěn)定的理想條件下，兩接口性能均表現(xiàn)良好.當(dāng)穩(wěn)態(tài)僅有少許功率波動(dòng)時(shí)，則DIM體現(xiàn)出其較好的穩(wěn)定性.但在風(fēng)機(jī)啟動(dòng)的波動(dòng)狀態(tài)，ITM大幅度失真，相對的DIM則僅產(chǎn)生少量諧波.因此，提高DIM算法接口精確性的關(guān)鍵在于適當(dāng)濾波同時(shí)并不影響系統(tǒng)整體運(yùn)行.

在風(fēng)機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)中，網(wǎng)側(cè)結(jié)構(gòu)略顯感性.因此，在數(shù)字側(cè)仿真當(dāng)中會(huì)造成受控電流源產(chǎn)生少量諧波導(dǎo)致接口精確性下降.因此，本文提出一種新型DIM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)L-DIM，在電流源及ZSH間接入感性接地阻抗ZG.該阻抗的接入一方面可以避免數(shù)字仿真中電感與受控源直連，另一方面可以濾去微量諧波從而提高接口精確度.作為仿真驗(yàn)證該改進(jìn)接口是否能夠改善原接口算法不足.大電網(wǎng)側(cè)幾乎不受其影響，因此，僅從風(fēng)機(jī)側(cè)對兩接口算法進(jìn)行對比驗(yàn)證，電流波形對比圖及FFT頻譜分析圖，如圖13所示.可以明顯看出L-DIM相對DIM接口更精確，濾去了大量多余諧波，更加精確真實(shí)地反映了風(fēng)機(jī)并網(wǎng)的運(yùn)行工況.

圖13 FFT頻譜對比分析圖

5 結(jié) 論

(1)本文提出了一種基于感性DIM接口算法，可以消除動(dòng)態(tài)物理系統(tǒng)經(jīng)接口產(chǎn)生的多余諧波，以保證混合仿真系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行.

(2)對于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)阻抗匹配問題，本文提出了一種新的等效動(dòng)態(tài)阻抗拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在仿真軟件中對該模型進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，在穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)條件下均有良好的表現(xiàn)，驗(yàn)證了該模型成立.

(3)針對電流電壓信號受硬件響應(yīng)延遲所導(dǎo)致時(shí)滯的問題，提出了針接口延時(shí)補(bǔ)償方法.通過預(yù)測Δt時(shí)長后DSS系統(tǒng)的直流電壓，利用提前輸出手段進(jìn)行延時(shí)補(bǔ)償，有效減小因延時(shí)產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差.

(4)搭建了物理雙饋風(fēng)機(jī)并數(shù)字電網(wǎng)的數(shù)字物理混合仿真系統(tǒng)，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)算法以及延時(shí)補(bǔ)償方法進(jìn)行有效性及可行性.