理想电网条件下双馈风力发电系统低电压穿越技术的控制策略研究

刘颉++易灵芝+刘智磊++朱广辉+罗百敏++周哲

收稿日期：2012-02-20

作者简介：刘 颉（1989—），男，湖南株洲人，硕士研究生，研究方向：电力电子与电力传动。

文章编号：1003-6199(2014)02-0019-04

摘 要：随着风电在电网所占比例的不断增大，提高风机在故障条件下的不间断运行能力越来越重要。通过分析交流励磁变速恒频双馈风机的运行特点，建立双馈风力发电系统的并网数学模型；针对电网电压小幅对称跌落，在不增加硬件成本的基础上，改进传统双馈发电机矢量控制策略，加入前馈补偿项来抑制电压小幅跌落时转子中的过电流，提高双馈风力发电系统的低压穿越能力。在MATLAB/SIMULINK中验证控制策略的合理性，为以后深入研究双馈风力发电系统提供了基础。



关键词：双馈风机；变速恒频；前馈补偿；低电压穿越

中图分类号：TM34文献标识码：A



Control Strategy of the Doublyfed Wind Power Generator System of Low Voltage Ride Through Technology Ideal Grid Conditions



LIU Jie1, YILingzhi1, LIU Zhilei1, ZHU Gguanghui2, KUO Baimin2, ZHOU Zhe2

(1. College of Information Engineering, Xiangtan University, Xiangtan,Hunan 411105，China；

2.Co. of Xiangtan electric traction equipment , Xiangtan,Hunan 411101，China)

Abstract:As the penetration of wind power in electric power systems continues to grow, it has became very important to improve the fault ridethrough capability of gridconnected wind generator. Through the analysis variable speed constant frequency doubly fed induction generator running characteristics, the precise mathematical model of DFIG has been built；In order to protect the system, an improved vector control strategy of the DFIG without using any other hardware circuit is proposed, it will reduce the rotor overcurrent during non-serious voltage dips, where the feedforward compensation term has been considered. The model of doubly fed inductor wind generator has been built based on MATLAB/SIMULINK. A DFIG applying in wind power generator is under study for low voltage ridethrough(LVRT).



Key words:DFIG; variable speed constant frequency; Feedforward compensation; low voltage ridethrough



1 序 言

风能具有污染小、低碳、可再生等优点，近年来风力发电在电网中的比重越来越大而且在未来数年内呈现风电比重持续增长的趋势。越来越多的国家投入风力发电研究并纷纷为这可持续发展的发电系统提出了相应的计划［1］。

由于双馈电机(DFIG)同时拥有超越定速感应电机(FSIG)和永磁同步电机(PMSG)的性能，使得其在风力发电系统里得到大量的应用。这种电机不论在主动式结构还是在被动式结构下都具有独立控制的能力，而且此种电机具有效率高的特点并且可以减少变流器的损耗。双馈电机的定子侧通过阶跃变压器直接并网，转子侧在0.8-1.2pu转速下通过转子变流器(RSC)并网。但是，DFIG风力发电系统对于网侧的扰动很敏感，这就要求DFIG系统在电网扰动情况下需要加额外的保护装置，如图1。

由图1可看出电网电压降落直接反映在电机定子端电压上，根据楞次定律，定子磁链不能发生突变，所以电机中会出现直流成分。当电网电压发生跌落故障时，会感生出较大的转子电动势，并产生较大的转子电流，从而导致转子电路中电压和电流大幅增加。

图1 具有Crowbar电路的双馈风力发电系统



虽然Crowbar保护电路对双馈风电系统低压穿越具有一定作用，然而在面对电网小幅跌落情况下这种保护增大了硬件成本。不仅需要额外增加由晶闸管构成的交流开关保护电路，并且对于Crowbar电路的投切信号处理还并不成熟。再者，Crowbar电路的频繁投切，也不利于双馈风电系统的稳定。

参考近年来国内外文献可以看出，目前大多数双馈风力发电系统都在同步dq旋转坐标系下建立了电机数学模型，通过简化，找到其稳态情况下有功和无功的解耦模型，采用矢量控制，通过常规的 PI 调节来实现对双馈发电机的控制，实现有功和无功的独立调节［2-7］。

计算技术与自动化2014年6月

第33卷第2期刘 颉等：理想电网条件下双馈风力发电系统低电压穿越技术的控制策略研究

本文首先建立了双馈电机在电网电压对称跌落故障条件下的完整数学模型和瞬时功率模型，随后根据电网运行规程，针对电网电压小幅跌落，设计基于改进矢量控制策略和无功补偿控制策略的双馈风力发电系统低压穿越方案，通过MTLAB/SIMULINK仿真平台对所提出的双馈风力发电系统低电压穿越技术的控制策略进行验证。

2 DFIG并网数学模型



为了实现交流励磁发电机并网前的定子电压准确调节和并网后的输出有功、无功功率的解耦控制，必须实施发电机定子电压定向的矢量控制。

图2 dq轴物理模型

为此，首先要分析定子电压定向dq同步旋转坐标系内 DFIG 的数学模型［8-10］。由图2，定子电压定向dq同步旋转坐标系内 DFIG 的数学模型：

定子电压：

usd=-Rsisd-pψsd+ω1ψsq

usq=-Rsisq-pψsq+ω1ψsd

(1)

转子电压：

urd=Rrird+pψrd-ω2ψrq

urq=Rrirq+pψrq-ω2ψrd

(2)

定子磁链：

ψsd=Lsisd-Lmird

ψsq=Lsisq-Lmirq

(3)

转子磁链：

ψrd=Lrird-Lmisd

ψrq=Lrirq-Lmisq(4)

电磁转矩：

Te=np(ψsqisd-ψsdisq=

npLm(isdisq-isqird)(5)

其中,usd，usq，urd，urq分别为定、转子d、q轴电压；isd，isq，ird，irq分别为定、转子d、q轴电流；ψsd，ψsq，ψrd，ψrq分别为定、转子d、q轴磁链；Rs，Ls分别为定子的电阻和自感；Rr，Lr分别为转子的电阻和自感；Lm为dq坐标系下同轴定、转子间的等效互感；为dq坐标系的旋转角速度；为dq坐标系相对转子的角速度。

以上5个方程一起构成了双馈电机在dq坐标系下的数学模型。在理想电网条件下，可以认为电网电压恒定。则通过DFIG的物理模型可得电压的通用公式：

us=RsIs+jωψs

ur=RrIr+σLrdIrdt+jω2ψr

(6)

3 定子电压矢量控制

在定子电压恒定的情况下，忽略定子励磁电流变化过程，忽略定子电阻Rs，可以推得功率公式：

p≈32LmLsusird

Q≈-32usω1Ls(us+ω1Lmirq)

(7)

式(7)表明，在定子电压定向矢量控制下，忽略定子电阻，DFIG有功功率和无功功率近似地解耦了。

将式(4)的转子磁链代入式(6)的dq改写形式，可得：

urd=Rrird+σLrdirddt-ω2(Lrirq-Lmisq)

urq=Rrirq+σLrdirqdt-ω2(Lrird-Lmisd)

(8)

为了消除耦合项，引入前馈解耦：

urd=σLrdirddt

urq=σLrdirqdt

(9)

将式(9)作为PI控制器设计依据，得：

urd=σLrdirddt=σLdi*rddt+

krip(i*rd-ird)+krii∫(i*rd-ird)dt

urq=σLrdirqdt=σLdi*rqdt+

krip(i*rq-irq)+krii∫(i*rq-irq)dt

(10)

其中,ikrd、i*rq——转子侧变流器dq轴电流给定值；krip、krii——转子侧变流器电流环PI控制器比例积分系数。

将式(10)代入式(9)，得转子侧变流器输出电压给定值为：

u*rd=u′rd+Rrird-ω2(Lrirq-Lmisq)

u*rq=u′rq+Rrirq-ω2(Lrird-Lmisd)

(11)



即可得DFIG转子侧变流器定子电压定向矢量控制框图, 见图3。图3中，PLL为锁相环，RSC为转子侧变流器。



图3 转子侧变流器定子电压定向矢量控制框图

图4 低压穿越实验波形



4 系统仿真

为验证本文所提出的控制策略的有效性，本文在MATLAB/SIMULINK仿真软件平台上搭建了双馈风机并网的仿真模型。所用的参数如下：额定功率为6*1.5MW，定子绕组电阻为0.00706Ω，转子绕组电阻为0.005Ω，定转子互感为2.9Ω，极对数为3，直流母线电压为1200V。

如图4所示，电网电压发生了80%的小幅对称跌落情况。图4中的波形由上至下分别为：转子电压、转子电流、有功功率、无功功率以及直流母线电压。

从波形可见，电压跌落发生及恢复时的暂态冲击电流较小，暂态过渡时间较短，直流母线电压基本保持在稳定工作区域内，可以较好地帮助双馈机组实现低电压穿越功能，验证了本文低电压穿越分析和控制策略的有效性。

5 结 论

当双馈式风电机组接入电网后，承受最多的低压考验是来自对称条件下的电网电压波动。本文通过在转子侧变流器电流环中应用PI控制器配合前馈补偿项，进一步提高低电压穿越实现的效果。基于本文所提控制策略，提高双馈式风电机组对电网小波动的自适应能力，提高风电供能的稳定性与可靠性，并在成本上有所改善。而关于电网的非理想条件下的自适应能力，需要进一步开展研究。

参考文献

［1］ 张丽英，叶廷路，辛耀中，等. 大规模风电接入电网的相关问题及措施［J］.中国电机工程学报，2010，30(25)：1-9.

［2］ GALINDO R, COTOROGEA M, BIEL D. Two families of sliding mode controllers for a doubly-fed induction generator in an isolated generation system［C］ //IEEE Electronics, Robotics and Automotive Mechanics Conference. 2007, 5(2): 115-121.

［3］ WANG YUN.A Review of Reaserch Status on LVRT Technology in Doubly-fed wind Turbine Generator System［C］ //IEEE International Conference on Electrical and Control Engineering. 2010, IEEE: 4948-4953.

［4］ 廖永恺．电压跌落条件下并网逆变器锁相环与电流控制技术研究［D］．浙江：浙江大学，2012．

［5］ 李缔华．双馈风力发电系统的低电压穿越技术研究［D］．浙江：浙江大学，2010．

［6］ 刘其辉，贺益康，张建华．交流励磁变速恒频风力发电机的运行控制及建模仿真［J］．中国电机工程学报，2006，26(5)：43-50.

［7］ PENG CHENG, HENG NIAN.An Improved Control Strategy for DFIG System and Dynamic Voltage Restorer under Grid Voltage Dip［C］ //IEEE Electronics, Robotics and Automotive Mechanics Conference. 2012, IEEE: 1868-1873.

［8］ 苏平，张靠社．基于主动式IGBT型Crowbar的双馈风力发电系统LVRT仿真研究［J］．电力系统保护与控制，2010，38(23)：164-171.

［9］ 李辉，付博，杨超,等．双馈风电机组低电压穿越的无功电流分配及控制策略改进［J］．中国电机工程学报，2012，32(22)：24-31.

［10］张永斌，袁海文．双馈风电机组低电压穿越主控系统控制策略［J］．电力自动化设备，2012，32(8)：106-112.

(2)

定子磁链：

ψsd=Lsisd-Lmird

ψsq=Lsisq-Lmirq

(3)

转子磁链：

ψrd=Lrird-Lmisd

ψrq=Lrirq-Lmisq(4)

电磁转矩：

Te=np(ψsqisd-ψsdisq=

npLm(isdisq-isqird)(5)

其中,usd，usq，urd，urq分别为定、转子d、q轴电压；isd，isq，ird，irq分别为定、转子d、q轴电流；ψsd，ψsq，ψrd，ψrq分别为定、转子d、q轴磁链；Rs，Ls分别为定子的电阻和自感；Rr，Lr分别为转子的电阻和自感；Lm为dq坐标系下同轴定、转子间的等效互感；为dq坐标系的旋转角速度；为dq坐标系相对转子的角速度。

以上5个方程一起构成了双馈电机在dq坐标系下的数学模型。在理想电网条件下，可以认为电网电压恒定。则通过DFIG的物理模型可得电压的通用公式：

us=RsIs+jωψs

ur=RrIr+σLrdIrdt+jω2ψr

(6)

3 定子电压矢量控制

在定子电压恒定的情况下，忽略定子励磁电流变化过程，忽略定子电阻Rs，可以推得功率公式：

p≈32LmLsusird

Q≈-32usω1Ls(us+ω1Lmirq)

(7)

式(7)表明，在定子电压定向矢量控制下，忽略定子电阻，DFIG有功功率和无功功率近似地解耦了。

将式(4)的转子磁链代入式(6)的dq改写形式，可得：

urd=Rrird+σLrdirddt-ω2(Lrirq-Lmisq)

urq=Rrirq+σLrdirqdt-ω2(Lrird-Lmisd)

(8)

为了消除耦合项，引入前馈解耦：

urd=σLrdirddt

urq=σLrdirqdt

(9)

将式(9)作为PI控制器设计依据，得：

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krip(i*rd-ird)+krii∫(i*rd-ird)dt

urq=σLrdirqdt=σLdi*rqdt+

krip(i*rq-irq)+krii∫(i*rq-irq)dt

(10)

其中,ikrd、i*rq——转子侧变流器dq轴电流给定值；krip、krii——转子侧变流器电流环PI控制器比例积分系数。

将式(10)代入式(9)，得转子侧变流器输出电压给定值为：

u*rd=u′rd+Rrird-ω2(Lrirq-Lmisq)

u*rq=u′rq+Rrirq-ω2(Lrird-Lmisd)

(11)



即可得DFIG转子侧变流器定子电压定向矢量控制框图, 见图3。图3中，PLL为锁相环，RSC为转子侧变流器。



图3 转子侧变流器定子电压定向矢量控制框图

图4 低压穿越实验波形



4 系统仿真

为验证本文所提出的控制策略的有效性，本文在MATLAB/SIMULINK仿真软件平台上搭建了双馈风机并网的仿真模型。所用的参数如下：额定功率为6*1.5MW，定子绕组电阻为0.00706Ω，转子绕组电阻为0.005Ω，定转子互感为2.9Ω，极对数为3，直流母线电压为1200V。

如图4所示，电网电压发生了80%的小幅对称跌落情况。图4中的波形由上至下分别为：转子电压、转子电流、有功功率、无功功率以及直流母线电压。

从波形可见，电压跌落发生及恢复时的暂态冲击电流较小，暂态过渡时间较短，直流母线电压基本保持在稳定工作区域内，可以较好地帮助双馈机组实现低电压穿越功能，验证了本文低电压穿越分析和控制策略的有效性。

5 结 论

当双馈式风电机组接入电网后，承受最多的低压考验是来自对称条件下的电网电压波动。本文通过在转子侧变流器电流环中应用PI控制器配合前馈补偿项，进一步提高低电压穿越实现的效果。基于本文所提控制策略，提高双馈式风电机组对电网小波动的自适应能力，提高风电供能的稳定性与可靠性，并在成本上有所改善。而关于电网的非理想条件下的自适应能力，需要进一步开展研究。

参考文献

［1］ 张丽英，叶廷路，辛耀中，等. 大规模风电接入电网的相关问题及措施［J］.中国电机工程学报，2010，30(25)：1-9.

［2］ GALINDO R, COTOROGEA M, BIEL D. Two families of sliding mode controllers for a doubly-fed induction generator in an isolated generation system［C］ //IEEE Electronics, Robotics and Automotive Mechanics Conference. 2007, 5(2): 115-121.

［3］ WANG YUN.A Review of Reaserch Status on LVRT Technology in Doubly-fed wind Turbine Generator System［C］ //IEEE International Conference on Electrical and Control Engineering. 2010, IEEE: 4948-4953.

［4］ 廖永恺．电压跌落条件下并网逆变器锁相环与电流控制技术研究［D］．浙江：浙江大学，2012．

［5］ 李缔华．双馈风力发电系统的低电压穿越技术研究［D］．浙江：浙江大学，2010．

［6］ 刘其辉，贺益康，张建华．交流励磁变速恒频风力发电机的运行控制及建模仿真［J］．中国电机工程学报，2006，26(5)：43-50.

［7］ PENG CHENG, HENG NIAN.An Improved Control Strategy for DFIG System and Dynamic Voltage Restorer under Grid Voltage Dip［C］ //IEEE Electronics, Robotics and Automotive Mechanics Conference. 2012, IEEE: 1868-1873.

［8］ 苏平，张靠社．基于主动式IGBT型Crowbar的双馈风力发电系统LVRT仿真研究［J］．电力系统保护与控制，2010，38(23)：164-171.

［9］ 李辉，付博，杨超,等．双馈风电机组低电压穿越的无功电流分配及控制策略改进［J］．中国电机工程学报，2012，32(22)：24-31.

［10］张永斌，袁海文．双馈风电机组低电压穿越主控系统控制策略［J］．电力自动化设备，2012，32(8)：106-112.

(2)

定子磁链：

ψsd=Lsisd-Lmird

ψsq=Lsisq-Lmirq

(3)

转子磁链：

ψrd=Lrird-Lmisd

ψrq=Lrirq-Lmisq(4)

电磁转矩：

Te=np(ψsqisd-ψsdisq=

npLm(isdisq-isqird)(5)

其中,usd，usq，urd，urq分别为定、转子d、q轴电压；isd，isq，ird，irq分别为定、转子d、q轴电流；ψsd，ψsq，ψrd，ψrq分别为定、转子d、q轴磁链；Rs，Ls分别为定子的电阻和自感；Rr，Lr分别为转子的电阻和自感；Lm为dq坐标系下同轴定、转子间的等效互感；为dq坐标系的旋转角速度；为dq坐标系相对转子的角速度。

以上5个方程一起构成了双馈电机在dq坐标系下的数学模型。在理想电网条件下，可以认为电网电压恒定。则通过DFIG的物理模型可得电压的通用公式：

us=RsIs+jωψs

ur=RrIr+σLrdIrdt+jω2ψr

(6)

3 定子电压矢量控制

在定子电压恒定的情况下，忽略定子励磁电流变化过程，忽略定子电阻Rs，可以推得功率公式：

p≈32LmLsusird

Q≈-32usω1Ls(us+ω1Lmirq)

(7)

式(7)表明，在定子电压定向矢量控制下，忽略定子电阻，DFIG有功功率和无功功率近似地解耦了。

将式(4)的转子磁链代入式(6)的dq改写形式，可得：

urd=Rrird+σLrdirddt-ω2(Lrirq-Lmisq)

urq=Rrirq+σLrdirqdt-ω2(Lrird-Lmisd)

(8)

为了消除耦合项，引入前馈解耦：

urd=σLrdirddt

urq=σLrdirqdt

(9)

将式(9)作为PI控制器设计依据，得：

urd=σLrdirddt=σLdi*rddt+

krip(i*rd-ird)+krii∫(i*rd-ird)dt

urq=σLrdirqdt=σLdi*rqdt+

krip(i*rq-irq)+krii∫(i*rq-irq)dt

(10)

其中,ikrd、i*rq——转子侧变流器dq轴电流给定值；krip、krii——转子侧变流器电流环PI控制器比例积分系数。

将式(10)代入式(9)，得转子侧变流器输出电压给定值为：

u*rd=u′rd+Rrird-ω2(Lrirq-Lmisq)

u*rq=u′rq+Rrirq-ω2(Lrird-Lmisd)

(11)



即可得DFIG转子侧变流器定子电压定向矢量控制框图, 见图3。图3中，PLL为锁相环，RSC为转子侧变流器。



图3 转子侧变流器定子电压定向矢量控制框图

图4 低压穿越实验波形



4 系统仿真

为验证本文所提出的控制策略的有效性，本文在MATLAB/SIMULINK仿真软件平台上搭建了双馈风机并网的仿真模型。所用的参数如下：额定功率为6*1.5MW，定子绕组电阻为0.00706Ω，转子绕组电阻为0.005Ω，定转子互感为2.9Ω，极对数为3，直流母线电压为1200V。

如图4所示，电网电压发生了80%的小幅对称跌落情况。图4中的波形由上至下分别为：转子电压、转子电流、有功功率、无功功率以及直流母线电压。

从波形可见，电压跌落发生及恢复时的暂态冲击电流较小，暂态过渡时间较短，直流母线电压基本保持在稳定工作区域内，可以较好地帮助双馈机组实现低电压穿越功能，验证了本文低电压穿越分析和控制策略的有效性。

5 结 论

当双馈式风电机组接入电网后，承受最多的低压考验是来自对称条件下的电网电压波动。本文通过在转子侧变流器电流环中应用PI控制器配合前馈补偿项，进一步提高低电压穿越实现的效果。基于本文所提控制策略，提高双馈式风电机组对电网小波动的自适应能力，提高风电供能的稳定性与可靠性，并在成本上有所改善。而关于电网的非理想条件下的自适应能力，需要进一步开展研究。

参考文献

［1］ 张丽英，叶廷路，辛耀中，等. 大规模风电接入电网的相关问题及措施［J］.中国电机工程学报，2010，30(25)：1-9.

［2］ GALINDO R, COTOROGEA M, BIEL D. Two families of sliding mode controllers for a doubly-fed induction generator in an isolated generation system［C］ //IEEE Electronics, Robotics and Automotive Mechanics Conference. 2007, 5(2): 115-121.

［3］ WANG YUN.A Review of Reaserch Status on LVRT Technology in Doubly-fed wind Turbine Generator System［C］ //IEEE International Conference on Electrical and Control Engineering. 2010, IEEE: 4948-4953.

［4］ 廖永恺．电压跌落条件下并网逆变器锁相环与电流控制技术研究［D］．浙江：浙江大学，2012．

［5］ 李缔华．双馈风力发电系统的低电压穿越技术研究［D］．浙江：浙江大学，2010．

［6］ 刘其辉，贺益康，张建华．交流励磁变速恒频风力发电机的运行控制及建模仿真［J］．中国电机工程学报，2006，26(5)：43-50.

［7］ PENG CHENG, HENG NIAN.An Improved Control Strategy for DFIG System and Dynamic Voltage Restorer under Grid Voltage Dip［C］ //IEEE Electronics, Robotics and Automotive Mechanics Conference. 2012, IEEE: 1868-1873.

［8］ 苏平，张靠社．基于主动式IGBT型Crowbar的双馈风力发电系统LVRT仿真研究［J］．电力系统保护与控制，2010，38(23)：164-171.

［9］ 李辉，付博，杨超,等．双馈风电机组低电压穿越的无功电流分配及控制策略改进［J］．中国电机工程学报，2012，32(22)：24-31.

［10］张永斌，袁海文．双馈风电机组低电压穿越主控系统控制策略［J］．电力自动化设备，2012，32(8)：106-112.