基于电网电压定向直接功率控制的双馈风力发电运行综合控制策略

基于电网电压定向直接功率控制的双馈风力发电运行综合控制策略

0dfig的控制策略随着能源危机的日益增加，所有国家都在大力推动新能源的开发和应用研究。其中,风力发电被公认为最具规模开发条件和商业化发展前景的发电方式之一。双馈感应风力发电机(doubly-fedinductiongenerator,DFIG)因其优良的特性,在风力发电装机容量中占有相当大的比重,受到各国学者广泛关注。为提高发电效率,实现定转子双向馈能,双馈感应风力发电系统核心控制器由双PWM变换器组成,其运行控制复杂,国内外许多文献对其进行了研究报道,但相关研究集中于DFIG矢量控制技术,对直接功率控制(directpowercontrol,DPC)的研究较少。而直接功率控制结构简单,受电机参数变化影响小,动态性能好,因此有必要进行研究。文献对电网非正常运行状态下DFIG直接功率控制的不同响应特性进行了分析,文献对DFIG电机参数变化时开关频率恒定直接功率控制的鲁棒性进行分析,文献对基于直接功率控制的电网电压故障时的ActiveCrowbar保护控制策略进行研究。而直接功率控制作为一种完备的控制策略,需对DFIG各个不同的运行状态进行有效控制,如并网控制、稳态运行、电网故障时的低电压穿越控制等,而DPC完整控制体系的相关研究罕见报道。本文从系统整体的角度对基于直接功率控制的双馈感应风力发电系统的各种不同运行状态下的控制方式进行了深入分析,分别对其空载并网、稳态运行及电网电压瞬降时低电压穿越控制策略进行了系统的理论分析,建立了相关数学模型,并在3kW的双馈风力发电实验系统上对其综合控制进行了相应的实验研究。1风力发电系统稳态运行数学模型双馈感应风力发电系统结构如图1所示,发电机定子绕组直接与三相电网相连,转子绕组由双PWM变换器提供励磁,以实现能量的双向流动。当风速变化时,通过改变转子励磁电流的频率,使定子频率保持和电网频率相同。采用同步旋转坐标系下矢量形式的DFIG模型进行DPC分析与控制。图2为双馈电机矢量形式的等效电路图。定转子均为电动机惯例,则其定转子电压方程为{us=Rsis+pψs+jω1ψs；ur=Rrir+pψr+jωsψr。(1){us=Rsis+pψs+jω1ψs；ur=Rrir+pψr+jωsψr。(1)定转子的磁链方程为{ψs=Lsis+Lmir；ψr=Lmis+Lrir。(2)式中:p=d/dt;Ls=Lm+L1s;Lr=Lm+L1r;Lm、L1s、L1r分别为互感和定、转子的漏感;us、ur分别为定、转子端电压矢量;is、ir分别为定、转子绕组中的电流矢量;ψs、ψr分别为定、转子磁链矢量;Rs、Rr分别为定、转子电阻;ω1为同步旋转角频率;ωs为转差角频率。同步旋转坐标系d轴定向于电网电压矢量时,有us=usd。(3)如果采用等幅值变换,则从电网输入到定子侧的视在功率为S=32us⋅i*s=32usd(Lrψ*s-Lmψ*rLsLr-L2m)。(4){Ρs=kσusd(LrLmψsd-ψrd);Qs=kσusd(ψrq-LrLmψsq)。(5)式中,kσ=1.5Lm/(LsLr-L2m);i*s为定子绕组电流矢量的共轭;ψ*s、ψ*r分别为定、转子磁链矢量的共轭。忽略定子电阻,稳态时:us≈jω1ψs,即{usd=-ω1ψsq;usq=-ω1ψsd=0。(6)将式(6)中ψsd、ψsq代入式(5),可得有功功率和无功功率分别为{Ρs=-kσusdψrd;Qs=kσusd(ψrq+LrusdLmω1)。(7)稳态运行电网电压恒定,在ts时间间隔内,有功功率和无功功率的变化为:{ΔΡs=-kσusdΔψrd;ΔQs=kσusdΔψrq;(8){ΔΡs=Ρ*s-Ρs;ΔQs=Q*s-Qs。(9)式中,P*s、Q*s为给定功率;Ps、Qs为实际反馈功率。由式(1)的第2式,在ts时间间隔内有{Δψrd=urdts+ωsψrqts-Rrirdts;Δψrq=urqts-ωsψrdts-Rrirqts。(10)将式(1)、(7)、(8)代入式(10)可得{urd=Rrird-1kσusdΔΡsts-ωs(Qskσusd-LrusdLmω1);urq=Rrirq+1kσusdΔQsts-ωsΡskσusd。(11)式(11)为双馈感应风力发电机直接功率控制稳态运行的数学模型。式中带有ΔPs和ΔQs的项减小给定功率和反馈功率的误差,而带有ωs的项为定、转子磁链旋转速度偏差补偿。2双馈感应风力发电转子侧励磁电流并网实并双馈感应风力发电机并网控制的关键是在并网时刻保证电网电压和发电机发出的定子电压的相位、幅值和频率完全相同,以实现无冲击并网,即柔性并网。而这些条件又是通过控制双馈感应风力发电机转子侧的励磁电流来实现的。以下2.1节分析双馈感应风力发电机并网的要求,得出空载并网控制条件。2.2节对DPC稳态控制模型进行改进,得到DPC空载并网控制模型。2.1有待正确理解的规范模型DFIG空载并网时d-q坐标系下的等效电路图如图3所示。空载并网前,其定子侧开路,因而有如下约束关系:isd=0,isq=0,将此约束关系代入定转子磁链方程可得{ψsd=Lmird；ψsq=Lmirq；ψrd=Lrird；ψrq=Lrirq。(12)将约束关系及式(12)代入定子电压方程(1),忽略定子电阻,并考虑到Usd=Us,Usq=0。因为并网过程对定子侧动态性能要求不高,故再忽略其动态过程,只考虑其静态模型,有{Usd=-ω1Lmirq=Us;Usq=ω1Lmird=0。(13)由此可得{irq=-Usω1Lm;ird=0。(14)式(14)给出了空载并网时对电机转子电流的控制要求,是实现柔性并网的必备条件,针对这样的要求和条件,以下对直接功率控制的稳态运行数学模型进行改进,从而得出空载并网时的直接功率控制模型。2.2双馈应力风力发电机转子电压控制策略并网前,根据电网电压的大小、相位以及发电机转速,调节转子侧励磁电流,控制发电机定子电压满足并网条件。因而对前述直接功率控制稳态数学模型加以变换。忽略定子磁链变化的动态分量,在Ts时间间隔内,由式(2)可得{Δψrd=23LmLsΔird；Δψrq=23LmLsΔirq。(15)又有定子有功、无功功率(等幅值变换){Ρs=1.5usdisd；Qs=-1.5usdisq。(16)将式(8)、(11)与(15)、(16)联立,并考虑到空载并网前定子电流为0,可得双馈感应风力发电机空载并网时的直接功率控制的数学模型{urd=Rrird+3Lm2LskσΔirdts+ωsLrusdLmω1；urq=Rrirq+3Lm2LskσΔirqts。(17)式中,{Δird=i*rd-ird;Δirq=i*rq-irq。(18)i*rd、i*rq由式(14)确定,从而满足空载并网条件。式(17)为电网电压定向的双馈感应风力发电机直接功率并网控制DFIG转子电压计算的依据。根据式(11)和式(17),可得DPC空载并网及稳态运行切换控制框图如图4所示。3转子侧变换器控制双馈感应风力发电机在电网发生三相对称短路故障时,与电网连接的发电机定子端电压骤降,由磁链守恒原则,磁链不能突变,如果外来条件迫使线圈的磁链发生突变时,线圈中就要感应出一个自由电流,这个电流将产生一个反作用磁场以保持其磁链不发生突变,即定子中在故障瞬间会出现定子磁链直流分量。本文从抑制定子磁链直流分量的角度出发,采用一种转子侧变换器低电压穿越控制策略。设发电机转子电流为ira、irb、irc,对其进行abc/dq变换后得到ird、irq,此时,转子电流励磁分量为直流量,而由定子磁链直流分量引起的转子电流为交流量。将ird、irq经过低通滤波得到转子电流励磁分量ird1、irq1,而由定子磁链直流分量所引起的电流为{irdψ=ird-ird1;irqψ=irq-irq1。(19)为抵消定子磁链直流分量对转子电流的影响,在转子稳态励磁电流i*rd、i*rq上加入反向的irdψ、irqψ,共同组成转子电流励磁给定值{i′rd=i*rd-irdψ;i′rq=i*rq-irqψ。(20)低电压穿越控制框图如图5所示。在稳态控制策略的基础上,采用低电压穿越控制策略能在很大程度上减小电网电压瞬降对发电机定、转子的影响。4发电机转子侧变换器的充放电结果为了验证DPC综合控制策略的正确性和有效性,本文对双馈感应风力发电机直接功率控制进行了实验研究,使用参数为:双馈电机额定功率P=3kW,频率f=50Hz,定子为Y连接方式,电阻1.95Ω,漏感9.04mH;转子为Y连接方式,折算到定子侧后,电阻3.54Ω,漏感9.04mH,激磁电阻为9.42Ω,激磁电感为258.5mH。图6～9为空载并网、稳态运行及柔性解列的实验研究波形。图6(a)为空载并网前的电网电压与定子电压,图中电网电压与定子电压的频率、幅值、相位非常吻合;图6(b)为定子电压与转子励磁电流。图7(a)为空载并网时刻的定子电压与定子电流波形,并网瞬间发电机与电网柔性连接,定子与电网之间的电流几乎为0,是柔性并网;图7(b)为并网时刻定子电压与转子电流波形。图8(a)为并网后由空载并网控制策略向稳态控制策略切换时的实验波形,切换前定子电流在0值附近波动,切换后发电机向电网输出有功功率,其稳态定子电压电流见图8(b),由图可知定子电流与定子电压相位互差180°,电机处于并网发电状态。图9(a)为柔性解列时刻的定子电压与定子电流波形,解列前发电机发出功率为0,解列瞬间发电机与电网柔性断开,无电流冲击;图9(b)为解列时刻定子电压与转子励磁电流波形。图10、11为电网发生三相对称故障时,发电机的机端电压降落到故障前的50%,故障持续500ms,转子侧变换器分别采用稳态控制策略(图(a))和低电压穿越控制策略(图(b))时的定子电流的实验波形对比(图10)及转子电流实验波形对比(图11)。由图10可知采用稳态控制方式时,发电机定子电流明显出现随时间逐渐衰减的直流偏置分量(图10(a)),而采用本文提出的低电压穿越控制方式,定子过电流情况明显改善,定子电流基本保持平稳(图10(b))。由图11可以看出,在稳态控制方式下,转子明显增大电流(图11(a));而在低电压穿越控制方式下,故障出现时,转子电流在故障时基本保持正常运行时的励磁电流(图11(b))。5dfig的并网控制策略本文分析研究了基于电网电压定向直接功率控制的双馈感应风力发电综合控制策略,并在3kW的双馈感应风力发电系统上对其综合控