基于電網(wǎng)電壓定向直接功率控制的雙饋風(fēng)力發(fā)電運行綜合控制策略

基于電網(wǎng)電壓定向直接功率控制的雙饋風(fēng)力發(fā)電運行綜合控制策略

0dfig的控制策略隨著能源危機的日益增加，所有國家都在大力推動新能源的開發(fā)和應(yīng)用研究。其中,風(fēng)力發(fā)電被公認為最具規(guī)模開發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一。雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(doubly-fedinductiongenerator,DFIG)因其優(yōu)良的特性,在風(fēng)力發(fā)電裝機容量中占有相當大的比重,受到各國學(xué)者廣泛關(guān)注。為提高發(fā)電效率,實現(xiàn)定轉(zhuǎn)子雙向饋能,雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)核心控制器由雙PWM變換器組成,其運行控制復(fù)雜,國內(nèi)外許多文獻對其進行了研究報道,但相關(guān)研究集中于DFIG矢量控制技術(shù),對直接功率控制(directpowercontrol,DPC)的研究較少。而直接功率控制結(jié)構(gòu)簡單,受電機參數(shù)變化影響小,動態(tài)性能好,因此有必要進行研究。文獻對電網(wǎng)非正常運行狀態(tài)下DFIG直接功率控制的不同響應(yīng)特性進行了分析,文獻對DFIG電機參數(shù)變化時開關(guān)頻率恒定直接功率控制的魯棒性進行分析,文獻對基于直接功率控制的電網(wǎng)電壓故障時的ActiveCrowbar保護控制策略進行研究。而直接功率控制作為一種完備的控制策略,需對DFIG各個不同的運行狀態(tài)進行有效控制,如并網(wǎng)控制、穩(wěn)態(tài)運行、電網(wǎng)故障時的低電壓穿越控制等,而DPC完整控制體系的相關(guān)研究罕見報道。本文從系統(tǒng)整體的角度對基于直接功率控制的雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的各種不同運行狀態(tài)下的控制方式進行了深入分析,分別對其空載并網(wǎng)、穩(wěn)態(tài)運行及電網(wǎng)電壓瞬降時低電壓穿越控制策略進行了系統(tǒng)的理論分析,建立了相關(guān)數(shù)學(xué)模型,并在3kW的雙饋風(fēng)力發(fā)電實驗系統(tǒng)上對其綜合控制進行了相應(yīng)的實驗研究。1風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行數(shù)學(xué)模型雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,發(fā)電機定子繞組直接與三相電網(wǎng)相連,轉(zhuǎn)子繞組由雙PWM變換器提供勵磁,以實現(xiàn)能量的雙向流動。當風(fēng)速變化時,通過改變轉(zhuǎn)子勵磁電流的頻率,使定子頻率保持和電網(wǎng)頻率相同。采用同步旋轉(zhuǎn)坐標系下矢量形式的DFIG模型進行DPC分析與控制。圖2為雙饋電機矢量形式的等效電路圖。定轉(zhuǎn)子均為電動機慣例,則其定轉(zhuǎn)子電壓方程為{us=Rsis+pψs+jω1ψs；ur=Rrir+pψr+jωsψr。(1){us=Rsis+pψs+jω1ψs；ur=Rrir+pψr+jωsψr。(1)定轉(zhuǎn)子的磁鏈方程為{ψs=Lsis+Lmir；ψr=Lmis+Lrir。(2)式中:p=d/dt;Ls=Lm+L1s;Lr=Lm+L1r;Lm、L1s、L1r分別為互感和定、轉(zhuǎn)子的漏感;us、ur分別為定、轉(zhuǎn)子端電壓矢量;is、ir分別為定、轉(zhuǎn)子繞組中的電流矢量;ψs、ψr分別為定、轉(zhuǎn)子磁鏈矢量;Rs、Rr分別為定、轉(zhuǎn)子電阻;ω1為同步旋轉(zhuǎn)角頻率;ωs為轉(zhuǎn)差角頻率。同步旋轉(zhuǎn)坐標系d軸定向于電網(wǎng)電壓矢量時,有us=usd。(3)如果采用等幅值變換,則從電網(wǎng)輸入到定子側(cè)的視在功率為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為定子繞組電流矢量的共軛;ψ*s、ψ*r分別為定、轉(zhuǎn)子磁鏈矢量的共軛。忽略定子電阻,穩(wěn)態(tài)時:us≈jω1ψs,即{usd=-ω1ψsq;usq=-ω1ψsd=0。(6)將式(6)中ψsd、ψsq代入式(5),可得有功功率和無功功率分別為{Ρs=-kσusdψrd;Qs=kσusd(ψrq+LrusdLmω1)。(7)穩(wěn)態(tài)運行電網(wǎng)電壓恒定,在ts時間間隔內(nèi),有功功率和無功功率的變化為:{ΔΡs=-kσusdΔψrd;ΔQs=kσusdΔψrq;(8){ΔΡs=Ρ*s-Ρs;ΔQs=Q*s-Qs。(9)式中,P*s、Q*s為給定功率;Ps、Qs為實際反饋功率。由式(1)的第2式,在ts時間間隔內(nèi)有{Δψrd=urdts+ωsψrqts-Rrirdts;Δψrq=urqts-ωsψrdts-Rrirqts。(10)將式(1)、(7)、(8)代入式(10)可得{urd=Rrird-1kσusdΔΡsts-ωs(Qskσusd-LrusdLmω1);urq=Rrirq+1kσusdΔQsts-ωsΡskσusd。(11)式(11)為雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機直接功率控制穩(wěn)態(tài)運行的數(shù)學(xué)模型。式中帶有ΔPs和ΔQs的項減小給定功率和反饋功率的誤差,而帶有ωs的項為定、轉(zhuǎn)子磁鏈旋轉(zhuǎn)速度偏差補償。2雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電轉(zhuǎn)子側(cè)勵磁電流并網(wǎng)實并雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機并網(wǎng)控制的關(guān)鍵是在并網(wǎng)時刻保證電網(wǎng)電壓和發(fā)電機發(fā)出的定子電壓的相位、幅值和頻率完全相同,以實現(xiàn)無沖擊并網(wǎng),即柔性并網(wǎng)。而這些條件又是通過控制雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)子側(cè)的勵磁電流來實現(xiàn)的。以下2.1節(jié)分析雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機并網(wǎng)的要求,得出空載并網(wǎng)控制條件。2.2節(jié)對DPC穩(wěn)態(tài)控制模型進行改進,得到DPC空載并網(wǎng)控制模型。2.1有待正確理解的規(guī)范模型DFIG空載并網(wǎng)時d-q坐標系下的等效電路圖如圖3所示?？蛰d并網(wǎng)前,其定子側(cè)開路,因而有如下約束關(guān)系:isd=0,isq=0,將此約束關(guān)系代入定轉(zhuǎn)子磁鏈方程可得{ψsd=Lmird；ψsq=Lmirq；ψrd=Lrird；ψrq=Lrirq。(12)將約束關(guān)系及式(12)代入定子電壓方程(1),忽略定子電阻,并考慮到Usd=Us,Usq=0。因為并網(wǎng)過程對定子側(cè)動態(tài)性能要求不高,故再忽略其動態(tài)過程,只考慮其靜態(tài)模型,有{Usd=-ω1Lmirq=Us;Usq=ω1Lmird=0。(13)由此可得{irq=-Usω1Lm;ird=0。(14)式(14)給出了空載并網(wǎng)時對電機轉(zhuǎn)子電流的控制要求,是實現(xiàn)柔性并網(wǎng)的必備條件,針對這樣的要求和條件,以下對直接功率控制的穩(wěn)態(tài)運行數(shù)學(xué)模型進行改進,從而得出空載并網(wǎng)時的直接功率控制模型。2.2雙饋應(yīng)力風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)子電壓控制策略并網(wǎng)前,根據(jù)電網(wǎng)電壓的大小、相位以及發(fā)電機轉(zhuǎn)速,調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子側(cè)勵磁電流,控制發(fā)電機定子電壓滿足并網(wǎng)條件。因而對前述直接功率控制穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型加以變換。忽略定子磁鏈變化的動態(tài)分量,在Ts時間間隔內(nèi),由式(2)可得{Δψrd=23LmLsΔird；Δψrq=23LmLsΔirq。(15)又有定子有功、無功功率(等幅值變換){Ρs=1.5usdisd；Qs=-1.5usdisq。(16)將式(8)、(11)與(15)、(16)聯(lián)立,并考慮到空載并網(wǎng)前定子電流為0,可得雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機空載并網(wǎng)時的直接功率控制的數(shù)學(xué)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)確定,從而滿足空載并網(wǎng)條件。式(17)為電網(wǎng)電壓定向的雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機直接功率并網(wǎng)控制DFIG轉(zhuǎn)子電壓計算的依據(jù)。根據(jù)式(11)和式(17),可得DPC空載并網(wǎng)及穩(wěn)態(tài)運行切換控制框圖如圖4所示。3轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機在電網(wǎng)發(fā)生三相對稱短路故障時,與電網(wǎng)連接的發(fā)電機定子端電壓驟降,由磁鏈守恒原則,磁鏈不能突變,如果外來條件迫使線圈的磁鏈發(fā)生突變時,線圈中就要感應(yīng)出一個自由電流,這個電流將產(chǎn)生一個反作用磁場以保持其磁鏈不發(fā)生突變,即定子中在故障瞬間會出現(xiàn)定子磁鏈直流分量。本文從抑制定子磁鏈直流分量的角度出發(fā),采用一種轉(zhuǎn)子側(cè)變換器低電壓穿越控制策略。設(shè)發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流為ira、irb、irc,對其進行abc/dq變換后得到ird、irq,此時,轉(zhuǎn)子電流勵磁分量為直流量,而由定子磁鏈直流分量引起的轉(zhuǎn)子電流為交流量。將ird、irq經(jīng)過低通濾波得到轉(zhuǎn)子電流勵磁分量ird1、irq1,而由定子磁鏈直流分量所引起的電流為{irdψ=ird-ird1;irqψ=irq-irq1。(19)為抵消定子磁鏈直流分量對轉(zhuǎn)子電流的影響,在轉(zhuǎn)子穩(wěn)態(tài)勵磁電流i*rd、i*rq上加入反向的irdψ、irqψ,共同組成轉(zhuǎn)子電流勵磁給定值{i′rd=i*rd-irdψ;i′rq=i*rq-irqψ。(20)低電壓穿越控制框圖如圖5所示。在穩(wěn)態(tài)控制策略的基礎(chǔ)上,采用低電壓穿越控制策略能在很大程度上減小電網(wǎng)電壓瞬降對發(fā)電機定、轉(zhuǎn)子的影響。4發(fā)電機轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的充放電結(jié)果為了驗證DPC綜合控制策略的正確性和有效性,本文對雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機直接功率控制進行了實驗研究,使用參數(shù)為:雙饋電機額定功率P=3kW,頻率f=50Hz,定子為Y連接方式,電阻1.95Ω,漏感9.04mH;轉(zhuǎn)子為Y連接方式,折算到定子側(cè)后,電阻3.54Ω,漏感9.04mH,激磁電阻為9.42Ω,激磁電感為258.5mH。圖6～9為空載并網(wǎng)、穩(wěn)態(tài)運行及柔性解列的實驗研究波形。圖6(a)為空載并網(wǎng)前的電網(wǎng)電壓與定子電壓,圖中電網(wǎng)電壓與定子電壓的頻率、幅值、相位非常吻合;圖6(b)為定子電壓與轉(zhuǎn)子勵磁電流。圖7(a)為空載并網(wǎng)時刻的定子電壓與定子電流波形,并網(wǎng)瞬間發(fā)電機與電網(wǎng)柔性連接,定子與電網(wǎng)之間的電流幾乎為0,是柔性并網(wǎng);圖7(b)為并網(wǎng)時刻定子電壓與轉(zhuǎn)子電流波形。圖8(a)為并網(wǎng)后由空載并網(wǎng)控制策略向穩(wěn)態(tài)控制策略切換時的實驗波形,切換前定子電流在0值附近波動,切換后發(fā)電機向電網(wǎng)輸出有功功率,其穩(wěn)態(tài)定子電壓電流見圖8(b),由圖可知定子電流與定子電壓相位互差180°,電機處于并網(wǎng)發(fā)電狀態(tài)。圖9(a)為柔性解列時刻的定子電壓與定子電流波形,解列前發(fā)電機發(fā)出功率為0,解列瞬間發(fā)電機與電網(wǎng)柔性斷開,無電流沖擊;圖9(b)為解列時刻定子電壓與轉(zhuǎn)子勵磁電流波形。圖10、11為電網(wǎng)發(fā)生三相對稱故障時,發(fā)電機的機端電壓降落到故障前的50%,故障持續(xù)500ms,轉(zhuǎn)子側(cè)變換器分別采用穩(wěn)態(tài)控制策略(圖(a))和低電壓穿越控制策略(圖(b))時的定子電流的實驗波形對比(圖10)及轉(zhuǎn)子電流實驗波形對比(圖11)。由圖10可知采用穩(wěn)態(tài)控制方式時,發(fā)電機定子電流明顯出現(xiàn)隨時間逐漸衰減的直流偏置分量(圖10(a)),而采用本文提出的低電壓穿越控制方式,定子過電流情況明顯改善,定子電流基本保持平穩(wěn)(圖10(b))。由圖11可以看出,在穩(wěn)態(tài)控制方式下,轉(zhuǎn)子明顯增大電流(圖11(a));而在低電壓穿越控制方式下,故障出現(xiàn)時,轉(zhuǎn)子電流在故障時基本保持正常運行時的勵磁電流(圖11(b))。5dfig的并網(wǎng)控制策略本文分析研究了基于電網(wǎng)電壓定向直接功率控制的雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電綜合控制策略,并在3kW的雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)上對其綜合控