不平衡电网电压下并网型双馈感应发电机励磁控制策略_图文

1、第 42卷 第 1期 2009年 2月 武汉大学学报 (工学版 Engineering Journal of Wuhan University Vol. 42No. 1Feb. 2009收稿日期 :2008211220作者简介 :赵 阳 (19752 , 女 , 博士 , 讲师 , 主要从事电力电子与电力传动等方面的研究 , E 2mail :zhaoyanghg. 基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (编号 :50507006 .文章编号 :167128844(2009 0120110204不平衡电网电压下并网型双馈感应发电机励磁控制策略赵 阳 1, 邹旭东 2, 丁稳房 1(1. 湖北工

2、业大学电气与电子工程学院 , 湖北 武汉 430068; 2. 华中科技大学电气与电子工程学院 , 湖北 武汉 430074摘要 :通过坐标变换推导出双馈感应发电机在正 、 负序坐标系下的电压方程和磁链方程 , 建立了正 、 负序坐标系下基于定子正 、 负序磁链定向的并网型双馈感应发电机数学模型 . 分别给出负序控制系统 4负序电流指令值 , 得到适应于电网电压不平衡的双馈感应发电机在正 、 .关键词 :双馈感应发电机 ; 励磁控制策略 ; 不平衡电压 ; 中图分类号 :TM 614 文献标志码 :A2connectingunbalanced grid voltageZHAO Yang 1,

3、ZOU Xudong 2, DIN G Wenfang 1(1. School of Electrical and Electronic Engineering , Hubei University of Technology , Wuhan 430068, China ; 2. College of Electrical and Electronic Engineering , HuazhongUniversity of Science and Technology , Wuhan 430074, China Abstract :The voltage and flux equations

4、of t he doubly fed induction generator (DFIG under t he po sitive and negative rotary coordinates are deduced by using t he coordinate conversion mat rixes. By orienting t he po sitive and negative component s of stator flux at t he same time , a mat hematical model of grid 2connecting DFIG under t

5、he po sitive and negative rotary coordinates is built. The cont rol target s of negative control system are classified into four kinds ; and a DFIG exctitation vector cont rol strategy suitable for t he condi 2tion of unbalanced grid voltage is p ut forward.K ey w ords :doubly fed induction generato

6、r (DFIG ; excitation co nt rol st rategy ; unbalanced grid voltage ; stator flux oriented 并网型双馈感应发电机传统控制策略 15是在 电网电压理想的条件下得到的 . 但通常电网电压或 多或少存在相位与幅值不平衡 , 由于建立在正序旋 转坐标上的传统励磁控制策略对转子负序电流无法 进行有效控制 , 因此不平衡电网电压会对双馈发电 系统运行产生不良影响 69:三相绕组发热不平衡 , 严重时还会引起过流 ; 有功功率 、 无功功率以及电磁 转矩存在两倍基频脉动 . 脉动功率影响系统的稳定 运行 , 脉动电磁转矩

7、产生噪音 , 损坏发电系统的机械部件等 .本文通过坐标变换推导出双馈感应发电机在 正 、 负序坐标系下的电压方程和磁链方程 , 建立了 正 、 负序坐标系下的基于定子正 、 负序磁链定向的并 网型双馈感应发电机数学模型 . 为解决电网电压不 平衡引起的定 、 转子电流不平衡和有功功率 、 无功功 率 、 电磁转矩周期性脉动等问题 , 将控制目标分成 4类 , 推导出不同控制目标下转子负序电流指令值 , 从 而得到并网型双馈感应发电机在不平衡电网电压条 第 1期 赵 阳 , 等 :不平衡电网电压下并网型双馈感应发电机励磁控制策略件下的励磁控制策略 .1 正 、 负序坐标系下双馈感应发电机数学模型

8、 图 1示出双馈感应发电机定子 A B C 坐标系 、 转子 abc 坐标系 、 正序 (dq +坐标系和负序 (dq -坐标 系的关系 . abc 坐标系以 r 电角速度逆时针旋转 , 正 序 (dq +坐标系以 1转速逆时针旋转 , 负序 (dq -坐标系以 1转速顺时针旋转. 图 1 对三相定, 分别得 、 负序坐标系下的正 、 负序电 压方程和磁链方程 .正序电压方程为u +d s +u + q s +u+d r +u +q r +=-R s 0000-R s000R rR i + d s +i +q s +i+d r +i +q r +p+d s +q s +d r +q r +-1

9、+q s +1+d s +-2+q r +2+d r +(1式中 :u +d s +、 u +q s +、 u +d r +、 u +q r +, i +d s +、 i +q s +、 i +d r +、 i +q r +以及 +d s +、 +q s +、 +d r +和 +q r +分别为定子与转子正序电压 、 电流和磁链在正序坐标系中的 d +、 q +轴分量 ; 2为 转差角速度 , 2=1-r ; p 为微分算子 , p =d/d t ;R s 、 R r 为定、 转子等效电阻 . 负序电压方程为u - d s -u -q s -u -d r -u -q r -=-R s 0000

10、-R s 000R rR i -d s -i -q s -i -d r -i-q r -+p-d s -q s -d r -q r -+-1-q s -1-d s -2-q r -2-d r -(2式中 :u -d s -、 u -q s -、 u -d r -、 u -q r -, i -d s -、 i -q s -、 i -d r -、 i -q r -以及-d s -、 -q s -、 -d r -、 -q r -分别为定子与转子负序电压 、 电 流和磁链在负序坐标系中的 d -、 q -轴分量 ; 1-=-1, 2-=-1+r .正序磁链方程为+d s +q s +d r +q r

11、+=-L s 0L 00-L sL 0-L 0L r0-L 0L ri +d s +i +q s +i +d r +i +q r +(3 负序磁链方程为 -d s -q s -d r -q r -=-L s 0L 0-L sL 0-L 0L 00L L ri -d s -i -q s -i-d r -i -q r -(4L r ; 、 转子间等效. n pT m -T e=Jd t+Br (5式中 :T m 为机械转矩 ; T e 为电磁转矩 ; n p 为电机极对 数 ; J 为电机的转动惯量 , B 为与转速成正比的转矩 阻尼系数 .式 (1 (5 构成了双馈感应发电机在正 、 负序坐标系

12、下的九阶数学模型 .2 基于定子正 、 负序磁链定向的并网型双馈感应发电机励磁控制策略2. 1 定子正 、 负序磁链定向假设 :1 将 s +定义在 d +轴上 , 并忽略其暂态 过程 , 将 s -定义在 d -轴上 , 并忽略其暂态过程 ;2 忽略定子电阻 R s . 则有+d s +=s +q s +=0(6 u +d s + ps +=0u +q s + 1s +=U s +(7 -d s -=s -q s -=0(8u -d s - p s -=0u -q s - 1-s -=-1s -=-U s -(9式中 :s +和 s -分别为定子正 、 负序磁链矢量幅值 ;U s +和 U

13、s -分别为定子正 、 负序电压矢量幅值 .2. 2 正 、 负序坐标系下并网型双馈感应发电机数学模型 转子正序电压与正序电流以及转子负序电压与111 武汉大学学报 (工学版 第 42卷负序电流之间的关系如下 :u +d r +=R r +L r i +d r +-2L r i +q r +u +q r +=R r +L r i+q r +2L r i +d r +L 0s +/L s (10u -d r -=R r +L r i -d r -2- L r i -q r -u -q r -=R r +L r i -q r -+2-L r i -d r -+L 0s -/L s (11式中 :为

14、漏抗因子 , =1-L 20/(L s L r .并网型双馈感应发电机的控制目标有定子有功 功率 (或电磁转矩 、 转速 和定子无功功率 .定子输出有功功率 P s 和无功功率 Q s 为P s =L s U s +i +q r +1-k u k iq +21L s-L sU s +i +d r +k u +k id sin 21t +0+L sU s +i +q r +k iq -k u co s 21t 0(Q s =21s2+U s +d r +k id L sU s +i +q r +k iq +k u sin 21t +0+L sU s +i +d r +k id -k u cos

15、21t +0(13式中 :k u =U s -/U s +; k id =i -d r -/i +d r +, k iq =i -q r -/i +q r +.发电机系统向电网输出的有功功率 P e 为P e =1L sU s +i +q r +1+k u k iq +1L s U s +i +q r +k u +k iq sin 21t +0+1L sU s +i +d r +k u -k id cos 21t +0(14 电磁转矩 T e 为T e =1L sU s +i +q r +1+k u k iq +1L s U s +i +q r +k u +k iq 21t +0+1sU s

16、+i d u -id 1t +0(152(a 、(b 所示 , 图中 :T esc2为电磁转矩的两倍频脉动 量 ; T e0为电磁转矩中的直流量 ; i ms +、 i ms -为正、 负序励磁电流 , i ms +=U s +/(1L 0 , i ms -=U s -/(1L 0 . 图 2 并网型双馈感应发电机数学模型2. 3 电压不平衡条件下的励磁控制策略在励磁控制策略中正序控制部分应使控制目标的直流量追踪指令值 ; 对负序控制部分 , 其输入的控 制变量仅有 2个 , 而控制目标却多达 7种 , 如定 、 转 子电流平衡 , 定子输出的有功和无功功率无脉动 , 发 电机组向电网输出的有

17、功功率无脉动 , 电磁转矩和 转速无脉动 , 同时满足这些控制目标是不可能的 . 表 1列出负序控制系统在不同控制目标下 , 转子负序 电流指令值 i -3d r -和 i -3q r -满足的关系 .表 1说明 :1 实际控制目标分为 4类 , 抑制定 子无功功率 、 发电机系统向电网输出有功功率 、 电磁 转矩和转速脉动可以同时满足 ; 2 当以抑制转子 (定子 电流不平衡为控制目标时 , 负序励磁电流i ms -由定子 (转子 侧提供 , 即定子电流和转子电流的不平衡不可能同时得到抑制 . 但是 , 由于负序励磁 电流较小 , 抑制转子 (定子 电流不平衡时 , 定子 (转 子 电流的不

18、平衡程度也大大减轻 .表 1 不同控制目标下定 、 转子电流负序分量指令值 不同控制目标 i -3d r -i -3q r -抑制转子电流不对称 00抑制定子电流不对称i ms -0抑制 P s 脉动 k id =1L 0i +d r +-k u k iq =k u 抑制 Q s 、 P e 、 T e 和 r 脉动k id =k uk iq =-k u 因此可以得到适用于电网电压不平衡条件 , 建立在正 、 负序坐标系下的基于定子正 、 负序磁链定向 的并网型双馈感应发电机励磁控制策略 , 如图 3所示 . 211 第 1期 赵 阳 , 等 :不平衡电网电压下并网型双馈感应发电机励磁控制策略

19、 图 3 基于定子正 、 负序磁链定向的并网型双馈感应发电机励磁控制策略3 结 论本文推导出正 、 负序坐标系下的双馈感应发电 机电压方程和磁链方程 , 通过对正 、 负序定子励磁进 行定向 , 得到并网运行双馈感应发电机的五阶数学 模型 ; 为解决电网电压不平衡所引起的系列问题 , 将 控制目标分成 4类 , 并分别给出不同控制目标下转 子电流负序分量的指令值 , 得到并网型双馈感应发 电机在不平衡电网电压条件下的励磁控制策略 . 为 双馈感应发电系统在电网不平衡条件下实现不间断 运行能力打下良好的理论基础 . 参考文献 :1 Pena R , Clare J C , Asher G M.

20、Doubly fed inductiongenerator using back 2to 2back PWM converters and its application to variable 2speed wind 2energy generation J.IEE Proc. Electr. Power Appl. , 1996, 143(3 :2312241.2 Pena R , Cardenas R , Clare J. Control strategy of dou 2bly fed induction generators for a winddiesel energy system J.IECON ,2002,4:329723302.3 李 辉 , 杨顺昌 , 廖 勇 . 变速恒频双馈风力发电机励 磁控制策略综述 J.电工技术杂志 , 2002,12:528.4 李 辉 , 杨顺昌 , 廖 勇 . 并网双馈发电机电网电压定向励磁控制的研究 J.中国电机工程学报 , 2003,23(8 :1592162.5 李 晶 , 方 勇 , 宋家骅 , 王伟胜 . 变速恒频双馈风电机组分段分层控制策略的研究 J.电网技术 , 2005,2