不平衡电网条件下建模与仿真研究

郑飘飘,梁俊宇,赵明,李传斌(1.华北电力大学云南电网公司研究生工作站,昆明 65017；.云南电网公司电力科学研究院,昆明65017；3.华北电力大学控制与计算机工程学院,河北保定071003)

不平衡电网条件下建模与仿真研究

郑飘飘1,3,梁俊宇2,赵明2,李传斌1,3
(1.华北电力大学云南电网公司研究生工作站,昆明 650217；2.云南电网公司电力科学研究院,昆明650217；3.华北电力大学控制与计算机工程学院,河北保定071003)

为了准确分析不平衡电网条件下,DFIG机组使用传统矢量控制策略而引发控制能力下降的原因,并改善DFIG机组的故障穿越能力,建立了DFIG机组转子侧变换器和网侧变换器的数学模型。首先分析了故障下DFIG机组的动态变化过程。针对电网电压不对称故障,在Simulink环境下搭建了基于双d-q正、负序分解的转子侧及网侧变换器模型,并将传统的控制策略与改进控制策略进行仿真对比。仿真结果表明,改进的控制策略可以有效地抑制有功、无功的二倍频波动,减小过电压和过电流,增强机组对电网故障冲击承受能力,提高DFIG机组运行的稳定性。

风力发电；双馈异步发电机；电压跌落；不对称故障；双d-q分解

0 前言

随着风电装机容量及单机容量逐年上升,电网对风电机组接入的稳定性有了更高的要求。近年来,双馈异步型风力发电机组 (DFIG)逐步成为风电市场上的主力机型,但由于其定子直接连接电网,使得DFIG机组对于电网电压故障极其敏感[1-3]。电网电压故障主要分为电网电压对称故障与电网电压不对称故障,其中电网电压不对称故障最为频发[4-5]。电网不平衡故障将会造成定子电压、电流存在负序分量,而负序分量在正转d-q坐标系下体现为二倍频交流量,但PI电流调节器无法实现对交流分量的控制；同时,电机的电磁转矩包含的二倍频波动会导致输向电网的功率发生振荡,使双馈电机的运行性能恶化[6-7]。当电网发生故障时,机组是否具有保持不脱网继续运行并可为系统提供一定无功以帮助系统恢复电压的能力,直接影响DFIG机组的可靠性和最大风能追踪的效果,所以故障穿越策略是研究的重点环节。

目前,故障穿越控制策略主要包括：

1、“灭磁”控制方法,该方法是通过转子漏磁场来抵消定子磁链中的负序和直流分量[8]；

2、计及定子磁链动态过程的改进矢量控制方法,该方法在转子侧变换器中添加定子磁链微分补偿项[9]；

3、传统的双d-q、PI电流矢量控制方案,该方案是将系统各变量分解在正、反转d-q坐标系下后,实行各自的解耦控制[10]。

本文在分析电网电压不对称故障 (单相电压跌落)对双馈风力发电机影响的基础上,在Simulink环境下搭建了基于双d-q正、负序分解的转子侧和网侧变换器模型,通过对1.5MW的DFIG机组采用传统控制策略与改进控制策略进行仿真对比,验证了改进控制策略在电网故障时能够增强DFIG机组的故障穿越能力。

1 DFIG模型与传统控制策略

1.1 转子侧变换器建模与控制

在同步旋转坐标系下,若忽略定子励磁电流的动态过程,DFIG电压方程和磁链方程可写为[11]

式中,Us、Ur、Is、Ir为定、转子电压和电流矢量；ψs、ψr为定、转子磁链矢量；ω1为同步转速；ωslip=ω1-ωr为转差角速度；Rs、Ls、Rr、Lr、Lm为定、转子电阻和电感以及互感；σ =1-Lm

2/LrLs为发电机漏磁系数。当同步旋转坐标系d轴定向于定子电压矢量Us上时,若忽略定子电阻Rs和转子电阻Rr,可得定子电压和转子电压d-q轴参考值为

式中,ψsd、ψsq为定子磁链d-q轴分量；Us为定子电压矢量的幅值；ird、irq为转子电流d-q轴分量。

根据式 (4)可以看出,直接被控对象是转子电流Ir,可控量是转子电压Ur,而转子侧变换器主要的功能是控制定子发出的有功功率和无功功率。

1.2 网侧变换器建模与控制

在d-q轴坐标系下,网侧变换器的数学描述可写为

式中,Ug、Ig为网侧电压和电流矢量；Vg为交流侧电压矢量；Sg为开关函数矢量；Rg、Lg为进线电阻和电感；C为直流母线电容；iload为直流侧的负载电流。

根据式 (3)当d轴定向于定子电压矢量时,若忽略进线电阻Rg,可得网侧变换器交流侧电压d-q轴参考值为

式中,igd、igq为网侧电流d-q轴分量。

传统的矢量控制策略在电网电压理想条件下能获得良好的控制效果,而当发生不对称故障时,如果继续沿用传统的矢量控制策略将出现解耦不完全导致的风电系统控制能力下降。

2 改进控制策略

2.1 双d-q坐标系下的正、负序分解

根据对称分量法[12-13],不平衡条件下的三相电压可分解为三相对称的正序分量、负序分量和零序分量。若忽略零序分量,如图1所示,三相坐标系下的电压矢量被分别分解到以ω1旋转的正序同步坐标系和以-ω1旋转的负序同步坐标系下。

图1 双d-q变换矢量图

双d-q分解的目的在于得到正、负序分量的幅值、相位和频率,从而能够分别对正、负序电压进行解耦控制来消除二倍频波动。

设故障前三相电网电压幅值为Um,假定A相对地短路故障后幅值跌落至0.8 p.u.,跌落后的电网电压正、负序分量为

电网电压的正、负序分量将使定子磁链也产生正、负序分量,根据磁链守恒原则,电网电压不对称跌落后,定子磁链的变化为[14-15]

式中,ψs+、ψs-为定子磁链在d-q+、d-q-坐标系下的交流量；ψs1+、ψs1-为t0跌落瞬间定子磁链在d-q+、d-q-坐标系下的直流量。

定子磁链正、负序交流量会在转子中产生感应电动势,其幅值大小由跌落后电压幅值决定；而定子磁链直流分量会在转子中产生与转子转速成正比且幅值随定子时间常数τs衰减的电动势,这是转子侧出现过电压、过电流的原因。此外,当电网电压跌落时,由于DFIG网侧变换器无法及时将机组转子侧的过剩能量输送至电网,将导致直流母线产生泵升电压[16],严重危及机组运行安全。所以应该采用在正、负序分解下计及定子磁链动态变化的控制策略。

2.2 转子侧变换器改进控制策略

为了保证DFIG机组的稳定运行,考虑定子电压、励磁电流和磁链的动态变化过程[9,11], DFIG电压方程可写为

式中,Ims为定子的等效励磁电流矢量,Ims=ψs/Lm=(Ls/Lm)Is+Ir。

在电网电压发生不对称故障时,先将不平衡电压和电流分解为正、负序分量,即Usdq+、Usdq-、Isdq+、Isdq-,再分别增加动态微分补偿,通过修正转子参考电压以达到对转子电流的有效控制。

当正序同步坐标系d+轴定向于定子电压矢量Usdq+上时,可得定子电压和转子电压d-q+轴参考值为

式中,ird+、irq+为转子电流d-q+轴分量；isd+、isq+为定子电流d-q+轴分量；ψsd+、ψsq+为定子磁链d-q+轴分量；urd1+=Lm/Ls(usd+-Rsisd++ωrψsq+),urq1+=Lm/Ls(-Rsisq+-ωrψsd+)。

同理,转子电压d-q-轴参考值为

式中,ird-、irq-为转子电流d-q-轴分量；isd-、isq-为定子电流d-q-轴分量；ψsd-、ψsq-为定子磁链d-q-轴分量；urd1-=Lm/Ls(usd--Rsisd-+ωrψsq-),urq1-=Lm/Ls(usq--Rsisq--ωrψsd-)。

与式 (4)对比可以看出,式 (11)、(12)在正、负序坐标系下考虑到磁链矢量ψsdq+、ψsdq-的变化,并引入了定子励磁电流的微分矢量Urdq1+、Urdq1-作为补偿项。由于转子侧变换器控制目标是消除负序分量,故转子负序电流d-q-轴参考值为

图2为转子侧变换器改进控制策略框图,图中陷波角频率为2ω1的陷波器能够滤去二倍频波动分量,获得电压和电流的正、负序分量,从而进行PI控制。可以看出,功率外环的反馈信号经过外环功率控制得到内环正序电流参考值,负序电流参考值置零,将正、负序电流参考值作为电流内环控制的指令信号,由此实现正、负序的有功、无功解耦控制。

图2 转子侧变换器改进控制策略框图

2.3 网侧变换器改进控制策略

根据式 (10),当正序同步坐标系d+轴定向于定子电压矢量Usdq+上时,若考虑进线电阻Rg,可得网侧变换器交流侧电压d-q+、d-q-轴参考值为

式中,igd+、igq+为转子电流 d-q+轴分量；usd+、usq+为定子电压d-q+轴分量。

式中,igd-、igq-为转子电流 d-q-轴分量；usd-、usq-为定子电压d-q-轴分量。

图3为网侧变换器改进控制策略框图,可以看出改进控制策略采用电压外环、电流内环的双闭环控制结构,并且用四个电流内环分别对正、负序电流进行控制。将网侧变换器的控制目标设定为平衡风电系统的输出电流,故负序电流d-q-轴参考值为

图3 网侧变换器改进控制策略框图

3 仿真结果与讨论

本文在Simulink平台上搭建了1.5 MW双馈风力发电系统仿真模型,仿真所用的双馈发电机参数如表1所示。

表1 DFIG参数

假定电网在0.1 s时A相故障,电压跌落至0.8 p.u.,0.2 s时恢复。图4和图5给出了分别采用传统矢量控制和正负序分解下增加微分补偿项的改进矢量控制时的输出功率、电磁转矩、定子磁链和转子电流波形图。图4(a)、(b)中各参数分量都含有明显的二倍频波动,这是由于传统控制策略不考虑不平衡电网下的负序分量所造成的；由图4(c)可以看出,故障发生前的DFIG机组在传统矢量控制策略下稳态运行,此时定子磁链矢量运动轨迹呈圆形且半径恒定,在A相电压跌落时,定子磁链有一个从端电压正常到端电压不对称故障的稳态过渡过程,由于故障后端电压为不对称三相电压,所以此时磁链矢量的运动轨迹为非圆形并逐渐逼近于故障电压下的稳态点；由图7(d)可以看出,转子电流d-q轴分量有0.4 p.u.的波动。

将图5(a)、(b)与图4(a)、(b)对比可以看出,当电压跌落时,改进的控制策略减小了输出功率波动和转矩波动,其中有功、无功功率波动最大幅值均从原来的1 MW减小为0.1 MW,电磁转矩波动最大幅值从原来的0.6 p.u.减小为0.2 p.u.,这是通过调节发电机转子侧电流在dq+、d-q-旋转坐标系下的正、负序分量,实现对发电机电磁转矩振荡的有效抑制,从而保持输出功率稳定；由图5(c)可以看出,电压跌落时定子磁链正序轨迹是由一个稳态轨迹圆过渡到另一个稳态轨迹圆,而轨迹圆的半径随定子端电压的降低而减小,当电压恢复时,恢复到第一个稳态轨迹圆；图5(d)中,定子磁链负序轨迹是由零点过渡到一个稳态,当电压恢复时,轨迹逐步回到初始零点；此时的转子电流如图5(e)、(f)所示,当出现电压跌落时,经过正、负序分解后的正序分量波动幅值为0.06 p.u.,负序dq轴分量重合并由零初值出现0.03 p.u.的小幅波动,相比图4(d)明显减小。

图4 传统控制策略下的仿真结果

图5 改进控制策略下的仿真结果

4 结束语

本文分析了电网不对称故障对DFIG发电机组的影响,并在Simulink环境下搭建了基于双dq正、负序分解的转子侧及网侧变换器模型。通过对传统的控制策略与改进控制策略进行仿真和对比,得到以下结论：

1)电网发生不对称故障时,定子磁链会按照一定的速率从原先的轨迹圆变化至新的轨迹圆,新轨迹圆的幅值由电压跌落后的幅值决定。采用正负序分解后,正序磁链的变化规律与前述差异不大,但负序定子磁链轨迹是由零点过渡到一个稳态,当电压恢复时,轨迹逐步回到初始零点；

2)在不对称故障情况下,采用传统矢量控制策略时,风力机出力和转子电流等均会出现二倍工频振荡。而双d-q正、负序改进控制策略能够有效抑制二倍频的波动,从而有效控制发电机输出功率和电磁转矩,减小功率波动对电网稳定性的影响,改善不平衡电网条件下对转子电流的控制效果,提高DFIG机组在电网不平衡故障下的穿越能力。

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郑飘飘 (1990),女,硕士研究生,华北电力大学控制与计算机工程学院,研究方向风力发电机建模与仿真 (e-mail) zpp6060＠163.com。

Research on Modeling and Simulation of DFIG under Unbalanced Grid Conditions

ZHENG Piaopiao1,LIANG Junyu2,ZHAO Ming2,LI Chuanbin1
(1.Graduate Workstation of North China Electric Power University＆Yunnan Power Grid,Kunming 650217,China；2.Yunnan Electric Power Research Institute,Kunming 650217,China；3.Department of Automation,North China Electric Power University,Baoding,Hebei 071003,China)

For analyzing the weakening control ability of DFIG which use the traditional vector control strategy under unbalanced grid conditions and improve the fault ride-through capability,the mathematical model are established for the rotor side and the grid side converter of DFIG.The dynamic behaviors of DFIG during asymmetrical grid fault are firstly analyzed.The rotor side and the grid side converter are modeled based on double d-q positive and negative sequence decomposition in Simulink and the simulation results are compared with the traditional one.The results show that the oscillation of power output could be effectively restrained with this improved control strategy.The over current and voltage of the rotor winding are also reduced.Moreover,the endurance ability and operating stability are enhanced.

wind turbine generator；doubly-fed induction generator(DFIG)；voltage-dip；asymmetrical fault；double d-q decomposition

TM315

B

1006-7345(2015)01-0129-06

2014-10-24作者简介：