双馈风力发电机转子变流器九点控制器设计

李文杰,周 瞿,陈 进,陈冠玲

(1.上海海事大学物流工程学院,上海201306;2.上海第二工业大学电子与电气工程学院,上海201209)

双馈风力发电机转子变流器九点控制器设计

李文杰1,周 瞿1,陈 进2∗,陈冠玲2

(1.上海海事大学物流工程学院,上海201306;2.上海第二工业大学电子与电气工程学院,上海201209)

在分析双馈风力发电机转子变流器运行特性的基础上,设计了该变流器的九点控制器。以8 kW双馈风力发电机为对象、Matlab为仿真工具,研究了在超同步转速、同步转速、低同步转速、大扰动等不同条件下该控制器的控制效果;在相同约束条件下,与传统PI控制做了对比研究。仿真试验结果表明:九点控制器各项性能指标优于传统的PI控制器。

九点控制器;变流器;双馈感应发电机

0 引言

双馈风力发电系统[1]应用广泛,系统模型复杂,运行状态多变且变化动态大。在双馈风力发电机(DFIG)输出电流的自动调节和控制系统中,直流环节电压的稳定性对整个发电系统能否正常运行意义重大。现在风力发电机的控制方法多样,各有特色。滑模变结构控制(SMC)[2-3],能在系统参数不确定时保持系统稳定,但是在动态中转矩波动较大,影响系统鲁棒性。定子磁链定向矢量控制[4],可以实现定子有功无功解耦控制,但是需要对定子磁链进行观测,加大了误差,也使控制器的设计变得复杂。如果采用传统的PI调节控制技术[5],系统的响应时间和超调量具有矛盾性,且PI调节器参数的精确整定,取决于系统的具体模型,使得它难以精确满足复杂多变的双馈风力发电机的调节需要。本文选用一种基于泛布尔代数的九点控制器[6-8](分区域控制器)对转子变流器进行控制,改善了系统的响应。

1 双馈风力发电机转子变流器的九点控制算法

首先定义几个关于九点控制器的概念。设系统输出的参考值为r;系统的实际输出值为c;控制器的输出值为uc;偏差e=r−c;偏差变化率˙e为偏差e的微分;零带表示误差在设定所允许的范围内,包括偏差零带±e0和偏差变化率零带±˙e0。偏差e和偏差变化率˙e各有三种状态:e＞e0,|e|≤e0,e＜−e0;˙e＞˙e0, |˙e|≤˙e0,˙e＜−˙e0(e0＞0,˙e0＞0)。这样e和˙e的组合变化情况就有9种,用相平面[9]来描述这9种组合如图1所示。

在相平面图上有四条虚线:L1,L2,L3,L4。L1和L2所夹区域表示偏差变化率˙e的零带,而L3和L4所夹区域构成了偏差e的零带。四条虚线正好把相平面划分成对应于I,II,III,···,IX的9个区域,而这9个区域也正好对应于系统运行的9种工况。对应于这9种工况,有9种相应的控制策略,控制器分别输出K4+,K3+,K2+,K1+,K4−,K3−,K2−,K1−,K0。上述控制策略中“+”号表示控制作用力加强,“-”号表示控制作用力减弱。符号前的数字表示加强或者减弱的程度。

将九点控制器原理运用于双馈风力发电机转子变流器的控制上,可以得到如图2的原理框图。其中九点控制器用M文件编程实现。

图1 九点控制相平面Fig.1 The phase plane of nine-point control

图2 双馈风力发电机转子变流器九点控制原理图Fig.2 The schematic of nine-point control on rotor converter of double feed power generator

上图的控制器可以分别用在网侧变流器和转子侧变流器上。当它用在网侧变流器上时,对直流环节的电压进行控制,先设定直流电压参考值,再将实测电压与之对比,得到电压偏差e,微分后得到e˙。九点控制器通过分析e和e˙,判断出系统工作在9个区域中的哪一个,并输出相应的控制信号,该信号作为d分量进入dq0abc坐标变换器,再由变换器输出产生PWM信号[10-11]的参考电压,最后由PWM信号发生器发出变流器控制信号。当控制器用在转子侧变流器上时,对发电机定子输出电流进行dq解耦后,将d分量或q分量输入九点控制器进行控制,具体控制方法相同。

下面用如图3的双PWM变流器[12]直流环节电压响应曲线来说明九点控制策略的工作原理。

图3 双PWM变流器直流环节电压响应曲线Fig.3 The response curve of dual PWM converter DC link

图中g到h段属于相平面I区,e＞e0,˙e＞˙e0,uc=K4+,说明电压值小于设定值,并且有继续变小的趋势,这时九点控制器应该发出强加(++++)的控制指令,可以让PWM发生器输出的波形相应变窄,从而使变流器交流侧的等效电压降低,由电网侧向直流侧输入电流,最后使直流环节电压回升。

图中h到i段属于相平面II区,e＞e0,|˙e|≤˙e0,uc=K3+,说明电压值小于设定值,但没有继续变化的趋势,这时九点控制器应该发出稍加(+++)的控制指令。

图中i到m段属于相平面III区,e＞e0,˙e＜−˙e0,uc=K2+,说明系统的输出值小于设定值,而且有向设定值靠拢的趋势,这时九点控制器应该发出弱加(++)的控制指令。

图中f到g段属于相平面IV区,|e|≤e0,˙e＞˙e0,uc=K1+,说明系统的输出值等于设定值,但有负方向偏离设定值的趋势,这时九点控制器应该发出微加(+)的控制指令。

图中c到d段属于相平面V区,e＜−e0,˙e＜−˙e0,uc=K4−,说明系统的输出值大于设定值,并有继续变大的趋势,这时九点控制器应该发出强减(—-)的控制指令。可以让PWM发生器输出的波形相应变宽,从而使变流器交流侧等效电压升高,直流侧向电网侧输出电流,最后使直流环节电压降低。

图中d到e段属于相平面VI区,e＜−e0,|˙e|≤˙e0,uc=K3−,说明系统的输出值大于设定值,但没有继续变化的趋势,这时九点控制器应该发出稍减(—)的控制指令。

图中e到f段属于相平面VII区,e＜−e0,˙e＞˙e0,uc=K2−,说明系统的输出值大于设定值,并有向设定值靠拢的趋势,这时九点控制器应该发出弱减(–)的控制指令。

图中b到c段属于相平面VIII区,|e|≤e0,˙e＜−˙e0,uc=K1−,说明系统的输出值等于设定值,但有变大的趋势,这时九点控制器应该发出微减(-)的控制指令。

图中j到k段属于相平面IX区,|e|≤e0,|˙e|≤˙e0,uc=K0,说明系统的输出值在设定值偏差零带内,并且没有变化的趋势,这时希望输出保持,九点控制器应该发出保持指令。PWM波形的宽度应使变流器交流侧等效电压等于电网电压,这样就可以使直流环节电压保持不变。

通过对图3进行简单分析,还可以得到控制器参数设置对系统动态响应的影响规律。上升时间t和超调量η是标志调节器性能的重要指标。图3曲线的a到b段,调节器输出的控制量为K2+,当K2+数值增大时,从a到b的时间缩短,即t减少;反之,t增大。但是若设置过大,输出上升过快,会导致超调量η的增加。所以在设置K2+的时候,需统筹考虑上升时间和超调量。同样,在c到d段,调节器输出K4−,它抑制输出上升,可减小η。所以当控制器通过增加K2+减小上升时间时,可适当增大K4−来抑制系统的超调量。

2 DFIG变流器九点控制仿真模型

双馈风力发电系统运行时发电机的转速可以随风速变化,使转速始终保持在最大效率利用风能的最佳速度上。随着风速的高低,电机运行在超同步或亚同步状态时,通过控制转子变流器输出转差频率的交流电可以给转子励磁,使发电机定子输出跟电网频率一致的恒频电能。超同步运行时,转差功率从转子经过变流器馈入电网;亚同步运行时,转差功率通过变流器由电网送入转子。此功率仅仅是定子额定功率的30%左右,不但降低了变流器的容量和成本,而且还大大降低了控制难度。下面,通过Matlab仿真软件来模拟一台8 kW小型风力发电机的运行,分别用PI调节器和九点控制器进行控制。

图4为双馈风力发电机仿真试验的模型,发电机定子侧直接连接电网,转子侧通过双PWM变流器与电网连接。变流器的控制信号由图2的九点控制器输出。网侧变流器用的九点控制器参数[13]设置为K4+=0.61,K3+=0.72,K2+=0.79,K1+=0.795,K4−=0.99,K3−=0.88,K2−=0.81,K1−=0.805, K0=0.8。电机转子侧变流器用的九点控制器参数设置为K4+=0.3,K3+=0.15,K2+=0.03,K1+=0.01, K4−=−0.3,K3−=−0.15,K2−=−0.03,K1−=−0.01,K0=0。

3 仿真试验结果讨论

双PWM变流器直流环节作为连接转子和电网的桥梁,其电压是否稳定、调节是否迅速,关系到双馈发电机的运行状况。系统启动阶段的仿真响应波形如图5,图中虚线为PI调节下相同模型的电压响应波形,以作对比。

从图中可以看出,采用九点控制器后,响应时间更快,超调量更小,并且稳定后波形平滑,稳定性良好。波形的调节时间t=0.05 s,超调量η=3%,稳态误差接近于零。这为双馈电机定子输出的稳定性提供了良好的基础。也可通过减小图中控制器参数K2+的值,牺牲一部分调节时间,来达到更小的超调量。而采用PI调节时,调节时间延迟,超调量略大。

发电机定子输出电流能够直观地反应系统的工作状况,图6为双馈发电机超同步运行时定子输出的单相电流波形,图中电流频率和电网电压频率保持一致,为50 Hz,电流与电压同相位,表示双馈发电机在九点控制器下工作正常,向电网发送有功电能。

下面考察系统在启动时和动态下的电流输出。

图7为系统启动时双馈发电机定子侧的三相电流波形。从图中可以看出,系统启动后,经过一个电流周期的时间,电流波形趋于稳定,调节速度很快,这也得益于变流器直流环节电压的快速建立。

为了考验系统在大动态下的稳定性,在时刻1秒时将风力机的输入风速从12 m/s降低到7 m/s,相当于发电机转速从1 650 r/m迅速降低到950 r/m。响应如图8所示。

从图8的波形可以看出在时刻1秒时风力发电机输出电流经过0.2 s的波动后,恢复正常稳定的状态。可见九点控制器的使用增强了系统的鲁棒性。

最后,在系统三态运行时,分析转子变流器对转子的励磁电流,这是双馈发电机之所以能够实现变速恒频的关键。选择的发电机转速分别为超同步时1 950 r/m,同步时1 500 r/m,亚同步时1 350 r/m。仿真结果如图9所示。

图4 双馈风力发电机仿真试验模型Fig.4 The simulation model of double feed power generator

图5 九点控制和PI调节下直流环节电压响应曲线Fig.5 The DC link voltage response curve under control of nine-point controller and PI controller

图6 双馈发电机定子输出电流波形(单相)Fig.6 The waveform of double feed power generator stator output current(single phase)

图7 双馈发电机定子输出电流波形(三相)Fig.7 The waveform of double feed power generator stator output current(three phase)

图8 风速动态变化下定子输出电流波形(单相)Fig.8 The waveform of stator output current under dynamic changes in wind speed(single phase)

图9 超同步、同步、亚同步运行时转子励磁电流(三相)Fig.9 The waveforms of rotor excitation current in super-synchronous,synchronous, sub-synchronous speed(three phase)

由图9可以看出,当发电机以超同步运行时,对应的同步频率为65 Hz,转子励磁电流为15 Hz,经过调节使定子输出频率为50 Hz。当发电机以同步转速运行时,对应的同步频率为50 Hz,转子只需直流励磁。当发电机以亚同步转速运行时,对应的同步频率为45 Hz,此时,转子励磁电流频率为5 Hz,调节后定子输出频率为50 Hz。所以,使用九点控制器,完全可以达到变速恒频的调控目的。

4 结论

以上针对双馈风力发电系统的非线性和运行状态变化频繁、动态大的特点,采用一种新型的九点控制器(分区域控制器)。通过Matlab仿真并与常规PI调节比较后发现,PI控制器在满足初步调节效果的时候,响应速度并不理想,超调量也略大,而且由于难以建立系统精确模型,调节的精度也不理想。而九点控制器具有结构简单、参数整定方便、调节精度高、响应速度和超调量均比较理想的特点,并且对于系统的动态变化表现出较强的鲁棒性。因此,九点控制器对双馈风力发电系统的控制是有效的,有着良好的应用前景。

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Nine-Point Controller Design of the Rotor Converter of Doubly-fed Wind Generator

LI Wen-jie1,ZHOU Qu1,CHEN Jin2,CHEN Guan-ling2
(1.School of Logistics Engineering,Shanghai Maritime University,Shanghai 201306,P.R.China; 2.School of Electronic and Electrical Engineering,Shanghai Second Polytechnic University, Shanghai 201209,P.R.China)

The nine-point controller of the rotor converter of double feed induction generator is designed based on the analysis of the features of doubly-fed wind power generator rotor converter.The control performance of the nine point controller under dif f erent conditions is studied,such as extra-synchronous revolving speed,synchronous revolving speed, low synchronous speed,and great disturbance etc.,with 8 kW doubly-fed wind power generator as the object and Matlab as the simulation tools;the simulation results are compared between nine-point controller and the traditional PI controller under the same conditions.The simulation experiment data are showed that the performance indicators of nine-point controller are superior to the PI controller.

nine-point controller;converter;double feed induction generator

TM614

A

1001-4543(2013)03-0202-07

2013-05-02;

2013-09-10

陈进(1964–),男,贵州省金沙县人,教授,博士,上海海事大学外聘硕士研究生导师,主要研究方向为电子废弃物资源化过程控制、材料生产过程控制,电子邮箱chenjin@ee.sspu.cn。

上海市教委第五期重点学科建设基金项目(No.J51801)和上海市教委科研创新项目(No.09YZ453)资助