結合矢量和直接功率控制的雙饋風電機組研究

趙一心

(吉林工程職業學院,四平136001)

0 引 言

隨著工業發展,電力需求不斷增加,而傳統能源的過量使用導致了嚴重的環境問題和能源危機,因此,新能源得到了廣泛研究和發展,尤其是風能占能源利用比重越來越高,預測到2020年將達到世界范圍總發電量構成的10%,并有可能進一步發展到現有占比的一倍以上[1-2]。

風力發電機組作為風電場的核心設備,可以分為固定轉速和變轉速2種類型[3-4]。而變轉速的風電機組由于具有最大風能捕獲,較低的機械應力和噪聲,較高電能質量等優點得到了廣泛商業應用[5-6]。變轉速風電機組可以進一步細分為基于永磁同步發電機(以下簡稱PMSG)和全功率變流器的類型和基于雙饋感應電機(以下簡稱DFIG)和半功率變流器的類型[7-8]。DFIG尤其適合大功率場合,如兆瓦級風電,因為其變流器成本較低,損耗較小。從控制的角度,DFIG分為轉子側RSC和電網側GSC控制,RSC控制定子有功和無功功率,GSC控制直流電壓,也輸出獨立的無功功率到電網[9-10]。矢量控制(以下簡稱VC)是DFIG型風電機組常用的控制方案,其優點在于較好的穩態性能,較小的功率波動,較低的變流器開關頻率等[11-13]。但是該方法對電機參數變化較為敏感,魯棒性不好,且實時計算量較大。同時,算法中使用的PI控制器必須調整好參數以滿足全工況下系統穩定,這將折衷動態響應速度[14]。因此,為了克服VC的缺點,一種非線性控制方法,即直接功率控制(以下簡稱DPC)被提出來[15-17]。它的優點在于暫態響應較快,對電機參數的魯棒性較好和實時計算量小。但是其存在顯著的功率抖震,這是由于滯環控制器的高帶寬導致的,同時存在輸出電流諧波較大的問題,電機起動和低速工況下的性能也不好[18-19]。

考慮到上述問題,文獻[20-21]在永磁電機驅動領域提出了結合矢量和直接功率控制(以下簡稱CVDPC)的方法,而文獻[22-23]在感應電機驅動領域也提出了CVDPC方法。但是CVDPC在雙饋風電機組上的應用鮮有研究,因此,本文在前述研究的基礎上,集中對VC和DPC進行了比較,總結了這兩種方法之間的數學聯系,從而提出了一種新型的CVDPC的雙饋風電機組控制策略,設計的控制器作用于機組的RSC側,最后通過搭建的仿真模型系統,對控制策略進行了仿真驗證。

1 矢量控制和直接功率控制

1.1 矢量控制

在雙饋風電機組控制策略中,VC方案是較為常見的。在VC方法中,可以通過控制轉子的電流矢量來實現對定子有功和無功功率的解耦控制。定子有功和無功功率輸出參考分別由最大功率點跟蹤算法MPPT(Maximum Power Point Tracking)和電網需求決定?？刂破魍ǔＪ褂枚ㄗ哟艌龆ㄏ騍FOF(Stator Flux-Oriented Frame),但這使得VC的性能很大程度上依賴對定子磁鏈位置的精確觀測,從而較容易受到電壓畸變或電機參數擾動的影響。因此下述將使用定子電壓定向SVOF(Stator Voltage Oriented Frame),同時為了從定子電壓中提取出同步信號,使用了鎖相環PLL(Phase Locked Loop)技術,從而定子有功功率Ps和無功功率Qs表達式如下[12]:

式中:vs為定子的輸出電壓矢量;i*s為定子電流參考矢量;vds,ids和vqs,iqs分別為d軸和q軸的電壓電流分量。當使用定子電壓定向后,上式可以簡化:

此時電流ids和iqs的表達式:

式中:Ls和Lm為定子繞組電感和互感;idr和idr分別為轉子d,q軸電流;ωs為定子角速度。將式(5)和式(6)代入式(3)和式(4),可得:

因此,定子有功和無功功率可以通過轉子電流idr和iqr控制,具體的雙饋風電機組的機側矢量控制框圖如圖1所示。

圖1 機側VC框圖

圖1 中,vdc為直流側電壓;和為有功和無功功率參考;和為轉子電流參考;和為轉子電壓參考;σLr為轉子漏感;和v*

c為定子三相電壓參考;θr,θs和θm分別為轉子角、定子角和滑差角;iar,ibr和icr為機側輸出三相電流;vas,vbs和vcs為定子三相電壓;p為微分算子。

1.2 直接功率控制

在DPC方法中,將不再使用電流控制環,而是直接對定子有功和無功功率進行控制。具體的DPC方法可以用以下方程進行表述[16]:

式中:Lr為轉子電感;σLs為定子漏感;φr為轉子磁鏈;φs為定子磁鏈;δ為轉子磁鏈和定子磁鏈之間的相角差。假定定子和轉子磁鏈近似為常數,對式(9)求微分可以得到:

式(11)說明定子有功功率動態決定于δ,因此可以通過改變δ實現對有功功率的快速控制。假定定子磁鏈和δ近似為常數,對式(10)求微分可以得到:

式(12)說明定子無功功率動態取決于轉子磁鏈幅值的變化,因此可以通過改變轉子磁鏈實現對無功功率的快速控制。而改變轉子磁鏈可以通過將合適的變流器電壓矢量作用在轉子繞組上實現。轉子電壓微分方程在很短時間Δt內能近似表示如下:

式中:Rr為轉子電阻;vr為轉子電壓。在知道轉子磁鏈φr位于哪個扇區后,6個變流器電壓矢量就能合適的作用來控制φr的位置和幅值。因此,DPC的框圖如圖2所示。圖2中定子有功和無功功率與參考值比較后的差值輸出給滯環控制器,然后滯環控制器輸出uPs和uQs給開關動作表,后者結合扇區位置信息選擇合適的電壓矢量給PWM生成器生成功率器件的控制脈沖。具體開關動作表如表1所示[15]。

圖2 機側DPC框圖

表1 DPC時的轉子電壓矢量開關動作表

1.3 矢量控制和直接功率控制之間的數學聯系

以下將分析矢量控制和直接功率控制在數學上的聯系。在VC方法中,若定子電壓為常數,那么從式(7)和式(8)中可得到:

另一方面,圖3為DPC在一個開關周期內磁鏈矢量變化的規律。從圖3中可以看出,在一個開關周期內,轉子磁鏈矢量從φr變化到φr1,而由于定子時間常數遠大于開關周期,定子磁鏈矢量φs基本保持不變,而轉子磁鏈的變化量Δφr可以分解為徑向分量ΔφF和切向分量ΔφT,前者影響到磁鏈幅值,而后者關系到磁鏈相角位置。

圖3 DPC中一個開關周期的磁鏈矢量變化

因此,根據圖3,以及式(9)和式(10),定子有功和無功功率的變化可寫為:

考慮到Δδ很小,故 cos(Δδ)近似等于1,從而有:

將式(9)和式(10)代入式(15)和式(16)可以得到:

在式(19)中,右側括號中的第2項是由受限的變流器電壓矢量,以及沒有區分徑向和切向磁鏈分量造成的,通過降低滯環控制器的帶寬能顯著減小該項的幅值;對于右側括號中的第3項,含有2個小量的乘積,屬于微小量,因此也可以忽略。從而得到:

因此根據式(20)、式(21),可得到線性關系如下:

式(22)說明,定子輸出有功和無功功率增量分別是與負的轉子磁鏈徑向分量和軸向分量的增量成線性比例關系的。對比式(14)和式(22),可以得到如下結果:

式(23)意味著DPC中轉子磁鏈徑向分量和軸向分量的增量與VC中d軸和q軸轉子電流的增量成線性比例關系。因此,DPC和VC存在明顯的內在數學聯系。該結論為下面新型控制方案設計提供了理論依據。

2 結合矢量和直接功率控制的新型控制方法

2.1 基本思路

如前所述,DPC中的定子有功功率的滯環控制和VC中轉子d軸電流控制存在著本質上的共通處。另一方面,DPC中的定子無功功率的滯環控制和VC中轉子q軸電流控制也是有數學聯系的?；诖?可以考慮一種新型控制策略將DPC和VC結合起來,這種新的控制方法可能同時獲取兩種傳統控制策略的優勢。

前述已經說明,DPC由于能夠快速地選擇功率器件開關矢量狀態,因此具有較快的動態響應,所以考慮對這部分進行保留,然后將VC中電流dq解耦控制融入,取代DPC中的直接功率滯環,從而得到了新型控制器的設計思路。

2.2 新型控制器設計

圖4為新型的雙饋風電機組的CVDPC控制器。從圖4中可以看出,其分為矢量電流控制環部分和直接功率控制部分,控制系統中首先是由功率計算模塊得到實時的有功和無功功率信息,然后和參考值比較,結果輸出到傳統的d軸和q軸PI電流環運算,這和VC一樣,具體涉及到旋轉坐標系變換等,然后經由滯環電流控制器,計算后輸出給開關動作表,開關動作表還有一個扇區信息輸入來自于扇區判斷模塊,其基于定子和轉子電流,以及轉子位置對轉子磁鏈所在扇區進行定位。最后開關動作表輸出合適的電壓矢量給PWM生成模塊進行功率器件控制脈沖的生成,從而完成整個控制過程。

圖4 結合VC和DPC的控制器框圖

3 仿真驗證

為了檢驗前述所介紹的結合矢量和直接功率控制的雙饋風電機組控制策略的有效性,基于MATLAB/Simulink仿真平臺搭建了風電場仿真模型,并進行了仿真研究。圖5為仿真系統模型,其中風電場由6組1.5 MW的DFIG構成,容量為10 MVA,具體的仿真系統參數如表2所示。

圖5 仿真系統示意圖

表2 仿真系統相關參數

基于仿真模型,進行了系統穩態和動態性能仿真。仿真模型中電流滯環控制的帶寬設置為δ=2Δδ=6.28,從而獲取了一個轉子電流跟蹤精度和RSC側最大開關頻率的平衡。對于PI控制器參數的優化設置,需要同時在3種控制方法之間取得一個平衡。因此,引入了PI參數優化引入了標準型的最優遺傳算法(以下簡稱GA),其中定子有功和無功功率控制環和轉子電流環優化時設定轉子轉速恒定ωr=1.2ωs,定子無功功率恒定Qrs=0。優化算法中定義目標函數:

GA算法中每一步優化,即目標函數的收斂過程如圖6所示。

圖6 GA算法中目標函數的收斂過程

如圖7至圖11為系統穩態仿真結果。仿真中設置風速固定為15 m/s,基于最優功率速度曲線,發電機轉速ωr=1.2ωs,此時6組發電機通過定子傳送有功功率Ps為7.58 MW,轉子傳送有功功率Pr為1.42 MW,為了實現機側最大電流使用率,定子繞組不輸出無功功率。從圖中可以看出,CVDPC的功率波動程度和VC接近,只有約0.55%,而DPC下的功率波動明顯較大,接近2.22%。

圖7 發電機轉速穩態仿真結果

圖8 總有功功率穩態仿真結果

圖9 定子總有功功率穩態仿真結果

圖10 轉子總有功功率穩態仿真結果

圖11 定子總無功功率穩態仿真結果

圖12 為3種控制方案VC、CVDPC和DPC下的定子電流波形。進一步進行FFT分析可以得到,VC下的總諧波畸變THD為1.28%,CVDPC下的總諧波畸變THD為2.1%,VC下的總諧波畸變THD為4.64%。因此,新型控制方案穩態下諧波輸出性能接近VC方案,明顯優于DPC方案。

圖12 定子總有功功率穩態仿真結果

圖13 ～圖17為風速變化時3種不同控制策略的動態響應過程。其中風速在t=0.3 s時從15 m/s階躍下降至10 m/s,DFIG轉子的轉速從2 220 r/min下降到1 480 r/min,同時定子總有功功率從7.58MW下降到2.81MW。當DFIG運行在次同步速度,即s=+0.2,20%的定子有功功率將通過變流器返回到電機,即Pr=-0.6 MW。從圖中可以看出轉子d軸電流idr在控制器的作用下從0.79 kA下降至0.3 kA,從而改變了定子有功功率輸出,但轉子q軸電流iqr保持不變,這意味著新型控制策略是一種解耦的控制方法。從動態響應的細節圖中可以看出,新型控制策略的動態響應速度要明顯快于VC,并接近DPC方法。因此具有較優的動態性能。

圖13 風速突變時發電機轉速仿真結果

圖14 風速突變時定子總有功功率仿真結果

圖15 風速突變時轉子總有功功率仿真結果

圖16 風速突變時轉子d軸電流仿真結果

圖17 風速突變時轉子q軸電流仿真結果

4 結 語

本文主要穩圍繞著一種新型的結合矢量和直接功率控制的雙饋風電機組控制策略進行了相關研究?，F總結主要結論:

(1)雙饋風電機組的矢量控制和直接功率控制之間存在數學本質上的共通處,基于此設計出了結合矢量和直接功率控制的新型方案。

(2)CVDPC在機組穩態運行時比DPC具有較小的功率波動和輸出諧波,而在動態過程中比VC具有較快的動態響應,因此其結合了兩者的優點,并通過仿真進行了驗證。

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