考虑直压波动的双馈风机转子侧改进控制的研究_郑景文.pdf

.大 电 机 技 术考虑直压波动的双馈风机转子侧改进控制的研究郑景文，陶 骞，崔一铂，郭 雨，康逸群，陈念斌（国网湖北省电力有限公司电力科学研究院，武汉）摘 要 双馈风力发电机（以下简称双馈风机）在传统转子侧矢量控制中，控制的前提是默认直流母线电压（以下简称直压）恒定，而没考虑其波动。当直压波动时，对象模型中的功率也会随之波动而导致输出不平稳，同时，在工程实际中，为保证直压的稳定，一般采用较大的电容，会造成较大的成本消耗。因此本文提出针对直压波动的转子侧改进控制算法，引入前馈控制，消除直流母线电压波动造成的影响，保证直压波动情况下对象模型功率的稳定输出，且运用改进控制后，可降低电容容量，节约工程成本。最后基于 仿真对所提出的改进控制策略进行仿真验证，与传统控制策略进行对比分析，结果表明：本文提出的转子侧改进控制策略控制精度高，响应迅速，在直压波动时可降低功率的波动，输出更平稳，验证了所给控制策略的正确性及有效性。关键词 双馈风机；直压波动；前馈控制；转子侧改进控制策略中图分类号.文献标志码 文章编号（），（，）：，：；前言相比于传统的定桨距、定转速的风力发电机以及现阶段的全功率变换直驱式风机而言，基于双馈感应电机（，）的变速恒频风力发电机因其具有更好的电能质量、更低的维护成本、更灵活的有功无功解耦以及更成熟的技术和广泛的适用性等优点，成为目前大型风电场主要采用的机型。对于双馈风机而言，网侧变换器的控制目标是保考虑直压波动的双馈风机转子侧改进控制的研究.证直压的稳定，转子侧变换器的控制目标是实现功率的解耦以及稳定输出，且输出功率的稳定性取决于直压的稳定性。目前，对于双馈风机的网侧和转子侧的控制策略，国内外学者已做了大量的研究：文献 对传统的经典矢量控制技术做了详细的理论分析和仿真实验验证；文献 基于传统控制方法研究了考虑电网电压波动情况下的转子侧改进控制策略，引入定子励磁电流的微分量对电网电压波动时的转子电流实现有效地控制，降低故障时转子及转子侧变换器的过电流；文献 研究了双馈风机网侧与转子侧变换器的协调控制策略，在网侧引入负载电流前馈补偿，对电容能量进行快速补偿，提高直流母线电压控制系统的动态特性，降低直流母线电压的波动。以上文献虽然对双馈风机网侧以及转子侧变换器的控制进行了较全面详细的分析，但对于转子侧的控制策略而言，现有文献控制的前提是保证直压恒定，将整流部分等效为恒压源，而没考虑母线电压的波动。当直压波动时，对象模型中的功率也会随之波动而导致输出不平稳，同时，在工程实际中，为保证直压的稳定，一般采用较大的电容，会造成较大的成本消耗。因此本文提出针对直压波动的转子侧改进控制算法，引入前馈控制，消除母线电压波动造成的影响，保证母线电压波动情况下对象模型功率的稳定输出，且运用改进控制后，可降低电容容量，节约工程成本。双馈风机数学模型双馈感应电机具有非线性、时变性、强耦合的特点，分析和求解困难。为了简化分析并应用于矢量变换控制，按照电动机的正方向规定，可以得到 同步旋转坐标系下双馈发电机的定转子电压、磁链、功率以及转矩数学模型，公式如下：（）（）（）（）（）（）（）（）（）式中，、分别表示双馈风机定、转子电压的、轴分量；、分别表示双馈风机定、转子电流的、轴分量；、分别为定、转子电阻；、分别表示双馈风机定、转子磁链的、轴分量；为 轴同步旋转角速度；为转差频率，有 ，其中 为转子角速度；为 坐标系下同轴定子与转子绕组间的等效互感，有，其中 表示与定子绕组相交链的互感磁通的最大值所对应的定子互感；为 坐标系下两相定子绕组的自感；为 坐标系下两相转子绕组的自感；为定子侧漏感；为转子侧漏感；、分别为双馈风机定子侧输出的有功和无功功率；为电磁转矩；为极对数；是微分算子。双馈风机对象模型及传统控制策略分析采用定子磁链定向矢量控制技术，将同步速旋转 坐标系的 轴定向在双馈发电机定子磁链矢量方向上，轴则在旋转方向上超前 轴。因此有：（）式中，、表示双馈发电机定子磁链以及定子电压幅值。将式（）带入定子磁链方程式（）可得：（）（）联立式（）（）可得理想电网条件下，基于定子磁链定向矢量下双馈风机对象模型：（）（）.大 电 机 技 术（）（）式中，为发电机漏磁系数，有 。在控制系统中，根据式（）定义控制电压的、轴分量、如下：（）（）（）（）（）其中，、为转子电流参考值的、轴分量；和 分别定义为控制系统中、的开环增益。定义耦合补偿项、如下式：（）（）则可得转子电压控制方程为：（）其中，、为控制器转子电压输出参考值的、轴分量。而又因为：（）故可得：（）其中，为控制器输出的转子电压幅值；为转子电压实际值，即对象模型的输入值；为直流母线电压幅值；为三角载波幅值；为换流器增益；为载波比。由式（）得：（）（）其中，为直流母线电压稳态参考值；为直流母线电压波动量。根据以上分析可得到双馈风机的对象模型以及传统转子侧控制器模型总体图，如图 所示。图 双馈风机的对象模型以及传统转子侧控制器模型图中 为无功参考值；为有功参考值；、分别定义为转子电压、轴分量某一时刻的初始值；为微分方程中的电阻；为机械转矩；为转子惯量；为微分的符号。由图中可以看出，通过双闭环系统实现双馈风机的有功无功解耦控制，从而达到转子侧变换器控制的目标。假定当直流电压恒定为，时，在图中定义此时控制器的输出 ，转子电压实际值为，此时，如果控制系统功率参考值不变，则系统中的量都为静态工作点的值，、始终为定值，则对象模型中的功率也始终保持稳定。但是当直流电压波动，即 时，此时对象模型立刻引入转子电压突变量（），而由于控制系统的延时性，可认为此时控制器的输出 不变，则考虑直压波动的双馈风机转子侧改进控制的研究.对象模型的输入 立刻发生改变，故对象模型的输出功率也会立刻发生改变，从而对功率的平稳输出造成影响。同理，轴分析也类似。为保证直流母线电压波动时，也能保证功率的平稳输出，本文提出了考虑直压波动的双馈风机转子侧改进控制策略。考虑直压波动的转子侧改进控制策略考虑直压波动的双馈风机转子侧改进控制策略相比于传统的控制策略，其主要目的是为了消除直流母线电压波动带来的影响。在对象模型引入转子电压突变时，在控制系统内也迅速引入电压前馈控制，提高整个控制系统的动态性能。通过改变控制器的电压输出，进而消除对象模型转子电压的突变，保持，由于对象模型输入保持为稳态运行时的输入值不变，故可保证对象模型输出功率的稳定。根据以上分析得到双馈风机的对象模型以及改进的转子侧控制器模型总体图，如图 所示。图 双馈风机的对象模型以及改进的转子侧控制器模型 根据图 以及对图 的分析可得：图 中由于控制系统的延时性，不计前馈时控制器的输出仍为，引入前馈后，控制器的输出 为。现分析 轴，而 轴分析类似。稳态时，电压恒定时，有：（）计及直流电压波动时，有：（）计及直流电压波动同时引入前馈后，有：（）（）联立式（）、式（），且令 ，则有：（）又根据式（）得：（）由于 波 动 量 相 对 于 稳 态 值 平 方 较 小，联 立式（）、（）得：（）改进控制策略仿真对比分析为验证本文所提出的考虑直压波动的双馈风机转子侧改进控制策略的正确性以及优越性，本文基于 仿真环境对传统以及改进的控制策略进行了仿真验证及对比分析。仿真参数如下：双馈风机的额定功率为，额定频率 ，同步转速为 ，定、转 子 电 阻、分 别 为.、.，定、转 子 自 感、分 别 为.、.，定转子互感 为.。仿真条件：.时风机交流母线侧电压从.骤降为，持续.，在 .时突升到.，分别观察传统以及改进控制策略下双馈风机的有功、无功功率输出波形。图 所示为设定条件下，双馈风机交流母线侧相电压的变化情况。图 所示分别是电网电压发生骤降时，风机直流母线电压以及传统及改进算法下输出的有功、无功仿真波形图。由图 所示，双馈风机启动并网后在 .附.大 电 机 技 术近稳定，本文主要研究双馈风机并网稳定后的情况。图 是电网相电压幅值，.时从.骤降为.，持 续.，在 .时 突 升 到.。在此过程中图 中双馈风机直流母线电压发生波动，于 .时达到.，逐渐稳定到 后，在 .再次发生较大波动，于 .达到.后逐渐趋于稳定。图 双馈风机交流母线侧相电压图 双馈风机直流母线电压图、图 分别是直流母线电压波动时传统控制以及改进控制策略下，双馈风机有功功率输出的波形图。由图 所示，双馈风机稳定运行时输出有功为.，当直压波动时（.），双馈风机有功功率也随之发生波动，持续.，于 .时接近平稳，波动范围为 ；当 .时，由于直压波动较小，趋于稳定，双馈风机有功功率也呈较小波动，波动范围为.；.时，有功功率再次发生较大波动，持续.，波动范围为.；.功率稳定。图 中双馈风机输出有功的变化趋势与图 的相似，但在 .时，功率波动范围为.；当 .时基本没有波动；当 .时，功率波动范围为.；.后趋于稳定。图、图 分别是直压波动时传统控制以及改进控制策略下，双馈风机无功功率输出波形图。由图 所示，双馈风机稳定运行时输出无功为，当直压波动时，在 .时，无功功率波动范围为 ；当 .时，功率波动范围为.；当 .时，功率波动范围为.；.后趋于稳定。图 改进的控制策略中，在 .时，无功功率波动范围为.；当 .时，功率波动范围为.；当 .时，功率波动范围为-.；.后趋于稳定。图 传统控制双馈风机输出有功图 改进控制双馈风机输出有功图 传统控制双馈风机输出无功图 改进控制双馈风机输出无功考虑直压波动的双馈风机转子侧改进控制的研究.对比图、以及、可知，直压波动时会对功率输出造成影响。改进的控制策略相比于传统的控制策略而言，引入了前馈补偿，减小了直压波动造成的影响，减小了对象模型输出功率的波动范围，缩短了功率波动的时间，验证了本文所提出的考虑直压波动的双馈风机转子侧改进控制策略的正确性以及优越性。结论本文提出针对直压波动的转子侧改进控制算法，引入前馈控制，消除直流母线电压波动造成的影响。基于 仿真对所提出的改进控制策略进行了仿真验证。通过与传统控制策略进行对比分析，得出结论：本文提出的转子侧改进控制策略控制精度高，响应迅速，相对于传统的控制算法在直压波动时可降低功率的波动，输出更平稳，由此验证了所提出控制策略的正确性及有效性。同时运用改进控制策略可适当提高直流母线电压的波动阈值，降低电容容量，节约工程成本。参 考 文 献 李文津，汤广福，康勇，等 基于 的双馈式变速恒频风电机组启动及并网控制中国电机工程学报，（）：贺益康，胡家兵 双馈异步风力发电机并网运行中的几个热点问题 中国电机工程学报，（）：贺益康，胡家兵，徐烈 并网双馈异步风力发电机运行控制 北京：中国电力出版社，杨淑英 双馈型风力发电变流器及其控制合肥：合肥工业大学，苑国锋，柴建云，李永东 变速恒频风力发电机组励磁变频器的研究 中国电机工程学报，（）：刘其辉 变速恒频风力发电系统运行与控制策略 杭州：浙江大学，刘其辉，贺益康，卞松江 变速恒频风力发电机空载并网控制 中国电机工程学报，（）：刘其辉，谢孟丽 双馈式变速恒频风力发电机的空载及负载并网策略 电工技术学报，（）：赵梅花 双馈风力发电系统控制策略研究上海：上海大学，蔚兰，陈国呈，宋小亮，等 一种双馈感应风力发电机低电压穿越的控制策略 电工技术学报，（）：陈福佳 双馈式风力发电机及其控制系统的研究 北京：华北电力大学，张琦玮 变速恒频双馈风力发电双 协调控制研究 上海：上海交通大学，肖运启 双馈型风力发电机励磁控制与优化运行研究 北京：华北电力大学，（）：收稿日期 作者简介郑景文（），年毕业于武汉大学电气工程学院电力系统及其自动化专业，硕士，现就职于国网湖北电科院，主要研究方向为新能源并网及电机控制，工程师。