两相静止坐标系下DFIG适应复杂电网环境的定子输出功率波动抑制

李俊卿，　戴　斌

(华北电力大学 电气与电子工程学院，河北 保定　071003)



两相静止坐标系下DFIG适应复杂电网环境的定子输出功率波动抑制

李俊卿，戴斌

(华北电力大学 电气与电子工程学院，河北 保定071003)

摘要：针对电网电压不平衡且同时含有5次、7次谐波的复杂电网环境对双馈风力发电机组(DFIG)定子输出功率的不良影响，在两相静止α、β坐标系中对DFIG适应复杂电网环境的定子输出有功和无功功率波动抑制控制策略进行了研究。分析了复杂电网环境下DFIG在两相静止α、β坐标系中的定子输出有功、无功功率波动成分，计算出能抑制DFIG定子输出有功、无功功率中2倍频和6倍频波动成分的转子电流参考指令。通过MATLAB/Simulink仿真验证了所提控制策略的有效性。

关键词：双馈风力发电机组； 电网电压不平衡； 电网电压谐波； 定子输出功率； 波动抑制

0引言

随着双馈风力发电机组(Doubly-Fed Induction Generator， DFIG)并网技术研究的逐渐深入，许多双馈风力发电并网技术领域中一些深层次的问题也逐渐凸显出来。DFIG在电网电压不平衡和谐波畸变等非理想电网环境下保持不脱网运行并降低对并网端的影响是对并网风电机组安全运行的约束条件[1]。

文献[2]提出了在电网电压不平衡条件下基于新型PI-R调节器的双馈风电系统控制技术，以抑制电网电压不平衡对DFIG的不良影响。文献[3]研究了电网电压含有5次、7次谐波条件下DFIG的建模与控制。本文在分析电网电压不平衡且谐波畸变的复杂电网环境下DFIG定子输出功率波动成分的基础上，在两相静止α、β坐标系中计算出能同时抑制DFIG定子输出有功、无功功率中2倍频和6倍频波动成分的转子电流参考指令，实现了DFIG适应复杂电网环境的定子输出有功、无功功率波动抑制目标。

1.1　两相静止坐标系下DFIG数学模型

电网电压不平衡且含有5次、7次谐波条件下双馈风电系统中表示电压、电流或磁链的空间矢量F在两相静止α、β坐标系中可写为式(1)形式[4]。Fαβ5-、Fαβ7+、Fαβ+、Fαβ-分别表示5次谐波、7次谐波和基波正、负序分量。其中Fαβ=Fα+jFβ。

Fαβ=Fαβ++Fαβ-+Fαβ5-+Fαβ7+

(1)

两相静止α、β坐标系下DFIG的定、转子电压和磁链方程如式(2)、(3)[5]所示：

(2)

(3)

式中：usαβ、urαβ——定、转子电压矢量；

isαβ、irαβ——定、转子电流矢量；

ψsαβ、ψrαβ——定、转子磁链矢量；

Ls、Lr——定、转子等效自感；

Lm——绕阻间等效互感；

Rs、Rr——定、转子绕组电阻；

ωr——转子电角速度。

1.2　DFIG的定子瞬时输出功率表达

DFIG在两相静止α-β坐标系中的定子输出功率表达式为[6]

(4)

Ps、Qs——定子瞬时输出有功、无功功率。

根据式(1)可将usαβ、isαβ写为

(5)

将式(5)代入式(4)可得式(6)。式(6)中各下标代表各功率分量频次：

(6)

式中4倍频、8倍频和12倍频的波动成分由负序与谐波分量或谐波与谐波分量作用而成，幅值很小，忽略不计，得式(7)：

(7)

式(8)给出了式(7)中各项的表达式：

(8)

将式(8)展开可得式(9)～(10)：

(9)

(10)

1.3　复杂电网环境下DFIG的转子电流参考指令计算

由式(3)中定子磁链表达式得式(11)：

(11)

式(8)～(10)可以用矩阵表示，如式(12)所示。令式(12)中的2次和6次的功率波动成分参考值为零，即Ps2*=Ps6+*=Ps6-*=0，Qs2*=Qs6+*=Qs6-*=0，并将式(11)代入可解得转子

(12)

电流参考指令，如式(13)所示：

(13)

P_Q*=(Ps0*Qs0*000000)

Ψs=(Ψsα+Ψsβ+Ψsα-Ψsβ-Ψsα5-

Ψsβ5-Ψsα7+Ψsβ7+)

Ir*=(isα+*isβ+*isα-*isβ-*isα5-*

isβ5-*isα7+*isβ7+*)

式中： M——式(12)中的定子电压各分量组成的方阵。

2.1　复杂电网环境下DFIG定子电压的基波正、负序和谐波分量提取

相关电磁量基波正序、负序和5次、7次谐波分量的提取分离是电网电压不平衡且含有5次、7次谐波条件下DFIG控制的重要环节。文献[7]提出了一种基于二阶广义积分器的基波正、负序分量检测方法，并分析了二阶广义积分器的工作原理及其滤波作用。另外，陷波器能有效滤除特定频次的谐波成分[8]。在上述基础上本文采用二阶广义积分器和陷波器结合的方法实现电网电压不平衡且谐波畸变时DFIG定子电压和磁链在两相静止α、β坐标系中的基波正、负序和5次、7次谐波分量提取。另外用锁相环对定子电压基波正序分量进行频率检测[9]。定子电压的基波正、负序和5次、7次谐波分量提取原理框图如图1所示；ω1为定子电压基波正序角频率，q为时域中的90°相移算子。usα经过二阶广义积分器得到正交分量usα′和qusα′，usβ经过二阶广义积分器得到正交分量usβ′和qusβ′。usαt、usβt仅含有5次和7次谐波分量，经过对应陷波器提取出对应的5次和7次谐波分量。5次谐波分量通过7次陷波器及7次谐波分量通过5次陷波器时会有相同的幅值衰减，需要对陷波过程进行幅值补偿。k为补偿系数。根据5次和7次陷波器的传递函数可计算得k=1+(70ξ/24)2，ξ为陷波器的衰减系数。

图1　定子电压的基波正、负序和5次、7次谐波分量提取原理结构图

2.2　两相静止α、β坐标系下DFIG适应复杂电网环境的控制系统

电网电压不平衡且含有5次、7次谐波时两相静止αβ坐标系中的转子电流将同时包含有角频率为±ω1的正序、负序分量和角频率分别为-5ω1、7ω1的5次、7次谐波分量，因此系统所采用的控制器必须对上述各分量同时起到控制作用。两相静止α、β坐标系中的比例-谐振控制器可以等效于同步旋转dq坐标系中的比例-积分控制器[10]。文献[11]对比例谐振控制器的工作原理作了详细阐述。所以采用合理形式的谐振控制器可以对上述正、负和5、7次谐波分量起到很好的控制作用。结合上述分析本文采用的比例-奇数多频谐振控制器传递函数如式(14)所示：

(14)

式中：Kp——比例系数；

Kr1、Kr2、Kr3——各谐振系数；

ωc1、ωc2、ωc3——对应截止频率。

文献[5]给出了两相静止α、β坐标系中转子电压参考值的表达式，如式(15)所示：

(15)

式中：σ——漏感系数，σ=1-Lm2/(LsLr)。

urα′、urβ′表达式如式(16)所示：

(16)

最后，SVPWM为转子参考电压的空间矢量脉宽调制环节[12]。

上述电网电压不平衡且谐波畸变下DFIG定子输出功率波动抑制控制原理框图如图2所示。

图2　电网电压不平衡且谐波畸变下DFIG定子输出功率波动抑制控制原理框图

3仿真与分析

为了验证上述两相静止α、β坐标系下双馈风力发电机组适应复杂电网环境的定子输出功率波动抑制控制策略的有效性，在MATLAB/Simulink环境中建立了额定功率为1.5MW的DFIG系统标幺值仿真模型，功率基准值为1.5MW，电压基准值为690V，定、转子绕组电阻分别为0.023和0.016，定、转子漏感分别为0.18和0.16，定、转子绕阻间等效互感为2.9。

仿真中在t=0.6s时刻设置电网电压发生不平衡，同时加入5次、7次谐波，电网电压不平衡度为5%，5次、7次谐波含量分别为基波分量的5%和3%。图3为usabc的仿真波形图，0.5～0.6s 为正常电网工况，0.6s开始发生电网电压不平衡且谐波畸变。图4为usαβ+、usαβ-、usα5-、usα7+的仿真波形图，可以看出所采用的正、负序及谐波分量提取方法实现了正、负序和5次、7次谐波分量的提取。图5为定子输出有功、无功功率仿真波形图，可看出所采用的控制策略有效抑制了由电网电压不平衡且谐波畸变造成的DFIG定子输出有功、无功功率的波动。

图3　电网电压不平衡且谐波畸变前后usabc仿真波形图

图4　电网电压不平衡且谐波畸变前后usαβ+、usαβ-、usα5-、usα7+的仿真波形图

图5　电网电压不平衡且谐波畸变前后DFIG定子输出功率仿真波形图

4结语

本文在两相静止α、β坐标系中分析了电网电压不平衡且谐波畸变的复杂电网环境下定子输出有功、无功功率成分，采用了适合两相静止α、β坐标系的正、负序和谐波分量提取方法，采用比例-奇数多频谐振控制器对转子电流进行控制。仿真结果验证了本文转子电流参考指令计算的正确性和所采用正、负序和5次、7次谐波分量提取方法及定子输出有功、无功功率中2倍频和6倍频波动抑制控制策略的有效性。

【参 考 文 献】

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[4]徐海亮，张玮，陈建生，等.电网电压不平衡且谐波畸变时双馈风电机组转矩波动抑制[J]. 电力系统自动化，2013，37(7)： 12-17.

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Suppression of DFIG Stator Output Power Fluctuation Adapted to

Complicated Grid Conditions in Theα、βReference Frame

LIJunqing，DAIBin

(School of Electrical and Electronic Engineering， North China Electric Power University，

Baoding 071003， China)

Abstract：At the view of the harmful effects on DFIG stator output power caused by unbalanced grid voltage which also contains fifth order harmonic and seventh order harmonic， the DFIG stator output active and reactive power fluctuation suppressing control strategy was studied in the α、β reference frame. The rotor current reference instructions that suppressed the 2-doubling and 6-doubling fluctuant components of DFIG stator output active and reactive power was calculated in the α、β reference frame based on analysis of DFIG stator output active and reactive power fluctuant components. The effectiveness of the control strategy proposed was proved through MATLAB/Simulink simulation.

Key words：doubly-fed induction generator(DFIG)； grid voltage unbalance； grid voltage harmonic；stator output power； fluctuation suppression

收稿日期：2015-07-16

中图分类号：TM 614

文献标志码：A

文章编号：1673-6540(2016)02- 0078- 05

作者简介：李俊卿(1967—)，女，博士，教授，研究方向为交流电机及其系统分析，发电机发热分析、计算以及在线监测和故障诊断。

戴斌(1989—)，男，硕士研究生，研究方向为变速恒频双馈风力发电机组适应非理想电网环境的运行与控制。