基于滑模控制器的双馈风电机组低电压穿越控制策略*

王艾萌，郗文远(华北电力大学电气与电子工程学院，河北保定　071003)



基于滑模控制器的双馈风电机组低电压穿越控制策略*

王艾萌，郗文远
(华北电力大学电气与电子工程学院，河北保定071003)

摘要:为增强双馈风力发电系统(DFIG)的动态响应速度，设计了滑模电流控制器。分析了DFIG能量流动关系，并从抑制能量向转子侧流动的角度考虑，提出了电网故障时刻转子侧变流器的改进控制策略。对所提改进控制策略进行了对比仿真分析。结果表明，该方法能有效地抑制转子侧过电流和电磁转矩振荡，动态性能好，提高了DFIG的低电压穿越能力。

关键词:双馈风力发电机;低电压穿越;滑模控制;能量流动

郗文远(1990—)，男，硕士研究生，研究方向为电机控制、新能源发电技术。

0　引言

双馈风力发电机(Doubly-Fed Induction Generator，DFIG)组应用广泛，但低电压穿越问题也最为严重。典型的DFIG机组，转子绕组通过电力电子变流器与电网相连，定子侧则直接接入电网，使得其对电网故障异常敏感。当电网电压发生跌落时，会使DFIG产生严重的电磁暂态过程，引起定、转子的过流和直流母线电压泵升［1-5］。

近年来，各类方案相继被提出以提高DFIG的低电压穿越能力。可以大致分为3类:第1类通过增加硬件保护设备，如Crowbar电路［3-4］，DC-chopper电路［5］等，通过增加额外的耗能设备消耗DFIG多余的能量，保护变流器的安全。但这类方案各有其局限性，且会增加风电机组成本，降低其可靠性。第2类是在风电场安装无功补偿设备，如静止无功补偿器［1］(SVC)、静止同步补偿器［6］(STATCOM)、动态电压恢复器［7］(DVR)等。这一类方案能有效地提高风电场的故障穿越能力，但这一类设备往往成本过高，限制了其大规模应用。第3类方案为改进电网故障时刻的控制策略。文献［8-12］从不同的角度考虑，得到电网故障时刻抑制转子过电流的控制方法，如文献［8］提出控制转子电压电流，产生与定子暂态直流分量和负序分量相反的转子磁链，从而达到抑制转子侧过电流的效果。文献［9］中，通过将定子磁链作为前馈量，控制转子磁链跟踪定子磁链，从而起到减小转子过流、抑制电磁转矩振荡的作用。这类方案受变流器容量的限制，电网发生严重故障时，并不能保证变流器的安全。

本文对电网故障时DFIG转子侧变流器控制策略进行研究，力图在不触发硬件保护的基础上，扩大DFIG安全运行范围。基于滑模控制原理设计了转子变流器功率控制策略;基于抑制电磁功率向转子侧传递的观点提出了电网故障时刻改进的转子侧变流器控制策略;对本文所设计低电压穿越方案的有效性进行了仿真验证。

1　电网故障下DFIG的控制策略

1.1DFIG数学模型

Park模型通常用于分析DFIG的运行特性。采用电动机惯例，则在同步旋转坐标系中DFIG的定、转子电压方程和磁链方程可表示为［13］

式中: U——电压;

R——电阻;

I——电流;

Ψ——磁链;

ωs——同步电角速度;

ωsl——转差电角速度，ωsl=ω－ωr;

Ls、Lr——定、转子绕组自感，其中Ls= Lm+ Lsσ、Lr= Lm+ Lrσ，Lm、Lsσ、Lrσ为定转子间互感、定子漏感、转子漏感。σ=1－(Lm

2/(LsLr) ) ;

s、r——定、转子相应量。

由式(1)、(2)可得转子电压方程:

由式(1)、(2)、(3)可得状态方程:

1.2滑模控制器设计

转子侧变换器控制策略的切换或者重新投入运行，会给系统带来不必要的冲击。为增强DFIG控制的响应速度和抗扰能力，本节基于滑模控制原理设计电流控制器。

定义如下切换函数:

对式(6)求导得

为减弱抖振并改善趋近运动的动态性能，采用指数趋近律［14］，则由式(7)可得

其中，sat(s)为

联立式(4)、(5)、(7)、(8)得转子电压方程:

由式(10)可得电网正常情况下转子侧变流器基于滑模控制器的控制方程。其控制原理图如图1所示。

图1　基于滑模控制器的转子侧变流器功率控制原理图

1.3转子回路过电流抑制机理

将DFIG作为1个具有1个机械端口和2个电端口的能量转换装置。电动机惯例下DFIG的能量流动如图2所示。当DFIG超同步运行时，风力机捕获风能，通过机械能的方式输入到机电耦合系统，经电磁能量转换，以电能的形式从定子侧和转子侧馈入到电网。其能量关系如下:

图2　DFIG三端口能量流动示意图

其中:

式中: Ws、Wr、Wm——定子输入电能、转子输入电能及风力机输入的机械能; es、er——定、转子感应电动势。

当电网电压发生跌落时，定、转子端口输出的电能减少而风力机输入的机械能不变，此时定、转子感应电动势将发生变换，以使电端口输出更多的能量，从而造成了定、转子回路的浪涌电流。

由机电能量转换原理可知，感应电动势的存在是耦合磁场与电网进行能量交换的必要条件［15］。转子回路感应电动势由变压器电动势dψr/dt和运动电动势jωslψr组成，由变压器电动势向外输出的能量，是磁链中的直流暂态磁链衰减向外释放能量的结果，因此，转子感应电动势可控部分只有运动电动势。为减小这一部分感应电动势，可得转子电流参考值为

结合式(2)对式(13)进行修正，得由定子磁链表示的转子电流参考值:

将式(14)代入到电磁转矩和转子电磁功率表达式［16］，可得

由式(15)、(16)可知，若转子电流能快速跟踪给定值，则电网故障时，转子回路输出的电磁功率为零，且电磁转矩的振荡能得到抑制。

2　 MATLAB仿真验证

为了验证本文所改进低电压穿越控制方案的正确性，采用MATLAB/Simulink进行仿真研究。以1 台1.5 MW的DFIG机组为例。其主要参数如下:额定电压575 V，额定频率60 Hz，极对数2，定、转子绕组匝数比1∶3，定子电阻0.023，转子电阻0.016，定子漏感0.18，转子漏感0.16，激磁电感2.9(均折算到标幺值)。直流母线电压额定值1 150 V，直流卸荷电路与直流电容并联，保护直流母线电压不超过1.1 p.u.。滑模电流控制器参数如下: kp=1，ki= 5，k1=1，k2=15。电网电压跌落前，DFIG以单位功率因数向电网输出有功功率，转差率s =－0.2。

2.1电网对称故障

图3给出了当t = 0.2 s时机端电压跌落到25%时的仿真结果。设转子侧电流最大值不超过2 p.u.。当检测到电网故障时，转子电流参考值切换到式(14)。由图3(a)可知，采用带前馈补偿的传统矢量控制，电网故障时刻，转子电流峰值为4 p.u.，电磁转矩振荡反向最大幅值达到了1 p.u.。采用文献［8］所提“灭磁”控制策略时，如图3(b)所示，转子电流峰值被限制在了2 p.u.，电磁转矩的反向振荡幅值达到了0.45 p.u.。图3(c)所示采用本文所提控制策略时，转子电流峰值减小到1.72 p.u.，且抑制电磁转矩振荡的控制效果明显，电磁转矩保持为零。电网电压跌落及电压恢复时刻，图3(c)所示功率波形，相比于图3 (a)、(b)所示功率波形，其振荡幅度和进入稳态的速度明显缩短，滑模电流控制器的应用能使DFIG快速进入稳态，减小了DFIG对电网的冲击。

2.2电网不对称故障

图3　电压对称跌落到25%时DFIG仿真结果

如图4所示为电网出现两相电压跌落到20%时的仿真结果。因受并网变压器结构的影响，其DFIG机端电压跌落情况如图4所示定子电压波形。图4(a)为采用带前馈补偿的传统矢量控制时的仿真结果，电网电压跌落瞬间，转子侧电流过电流达到3.2 p.u.，电磁转矩振荡幅值达到了0.95 p.u.。采用文献［8］所提灭磁控制策略时，电网故障时刻，转子电流幅值减小到了1.5 p.u.，如图4(b)所示。图4(c)为所提LVRT控制策略控制下的仿真结果。电网故障时刻，转子电流峰值为1.5 p.u.，可见电磁转矩的仿真结果为一条值接近于零的直线，电磁转矩的振荡得到了很好的抑制。值得注意的是，所提控制策略投入运行时，会从电网吸收无功功率。

图4　电压两相跌落到20%时的DFIG仿真结果

3　结语

为提高控制的响应速度，减小DFIG对电网的冲击，基于滑模控制原理设计了电流控制器。分析了DFIG能量流动关系，并从抑制能量向转子侧流动的角度考虑，提出了电网故障时刻转子侧变流器的改进控制策略。针对电压对称、不对称跌落进行了仿真验证，证明了该方法能有效抑制电网故障时刻转子侧过电流，并对电磁转矩的振荡有很好的抑制效果，达到了扩大DFIG安全运行区域、提高DFIG低电压穿越能力的目的。

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A SMC-Based Low Voltage Ride-Through Capability Enhancement for DFIG Wind Turbines

WANG Aimeng，XI Wenyuan
(Electrical＆Electronic Engineering Department，North China Electric Power University，Baoding 071003，China)

Abstract:The SMC current controller to alter the dynamics of doubly-fed induction generator(DFIG) was designed.The flow of energy inner the DFIG was discussed.Then a low voltage ride-through(LVRT) control strategy was modified to suppress the energy flowing to the rotor circuit.The simulation was carried out to verify the effectiveness on restrain the rotor over current and the oscillations of electromagnetic torque.The simulation results demonstrated that the modified control strategy could improve the LVRT capability.

Key words:doubly-fed induction generator(DFIG) ; low voltage ride through(LVRT) ; sliding-mode control(SMC) ; energy flow

收稿日期:2015-09-15

作者简介:王艾萌(1963—)，女，博士，教授，研究方向为电机设计及其控制技术。

*基金项目:河北省自然科学基金(E2012502018) ;教育部中央高校基本科研业务费专项资金项目(2014MS95)

中图分类号:TM301.2

文献标志码:A

文章编号:1673-6540(2016) 03-0054-005