双馈异步电机低电压穿越控制方法的研究

李 明，刘国荣，杨小亮

(1.湖南工程学院 电气信息学院，湘潭 411104；2.湖南大学 电气信息学院，长沙 410012)

双馈异步电机低电压穿越控制方法的研究

李 明1，刘国荣1，杨小亮2

(1.湖南工程学院 电气信息学院，湘潭 411104；2.湖南大学 电气信息学院，长沙 410012)

针对电网电压跌落时矢量控制方法鲁棒性差、冲击电流大等问题，提出一种将矢量控制与多阶滞环控制相结合的新控制方法。电网故障时滞环控制响应快，转子冲击电流限制在1.5 pu内，保护了双馈电机转子侧变流器；无故障期间，矢量控制定转子电流谐波含量少，电能质量符合要求。仿真结果表明，低电压穿越控制新方法鲁棒性好、响应快、电流谐波含量少，提高了低电压穿越的能力。

低电压穿越；双馈异步电机；矢量+滞环控制

0 引言

国内外对提高双馈异步电机的低电压穿越能力做了很多研究[1-4]，文献[1-2]主要从改进的控制策略方面进行研究.矢量控制(Vector Contor，VC)[3-4]是最早运用在实践中并取得理想效果的控制方法，该方法在电网正常运行时有很好的控制效果，包括恒定的开关频率，较小的跟踪误差.但在电网电压跌落时尤其是不对称跌落时，传统PID只能对直流量实现无静差跟踪，对交流量的跟踪易出现输出饱和而使控制器处于失控状态，暂态过程中定子有功功率、无功功率以及电磁转矩会出现二倍频分量，对风机造成大的机械损害，同时电网可能因此产生震荡甚至解裂.因此在低电压穿越问题上通常使用改进的矢量控制方法[5].考虑到双馈异步风力发电系统是一个高阶的多输入多输出非线性系统，有文献提出了直接功率控制(Direct Torque Contor，DTC)[6-7]和直接转矩控制(Direct Power Contor，DPC)[8-9]，这两种方法是较早应用在交流电机传动控制方面的控制技术.和矢量控制方法相比省去了复杂的坐标变换，直接对输出量进行控制.电网电压跌落时，瞬间的冲击电流会对电机和转子侧变流器造成损害，为了减小冲击电流，滞环电流控制方法在双馈风电系统低电压穿越问题中得到应用.滞环电流控制方法具有内在的限流能力、响应快、鲁棒性好等优点，但这种直接选择开关矢量的控制方法最大缺点是变流器的开关频率不固定，导致稳态运行时的功率波动大，且定转子电流中谐波含量高.

针对这些缺点，本文从控制策略上进行研究，将矢量控制在稳态运行控制中的优势与滞环电流控制方法在故障瞬间的快速响应等优势相结合，引入切换模式，即在风电系统稳态运行时用矢量控制方法，当电网电压跌落时，检测转子故障电流增大到一定值时切换到滞环电流控制策略，迅速响应，将故障电流限制在一定范围内，从而避免机组受到损害、电网受到冲击.当电网故障恢复时，检测到故障电流减小到正常值，将控制策略再切换到矢量控制模式，保证变流器产生的电流谐波含量少，减少电磁滤波器(EMI)的设计难度.

1 双馈风电系统

双馈风力发电机并网运行时定子直接与电网相连，转子通过双向变流器与电网相连，如图1所示.由于双馈电机这种特殊的结构，导致它对电网故障特别敏感.

图1 双馈异步电机并网结构

这种敏感体现在以下两个方面：(1)由于双馈异步电机靠转子侧变流器给转子励磁，该变频器只需提供转差功率，相对于永磁直驱式的全功率变流器减小了工业成本，但同时由于容量的限制，电网故障时转子侧变频器不足以提供相应的补偿电流来抵消故障电流；(2)双馈电机定子侧转子侧都直接或间接与电网相连，进行功率的交换，导致电网故障时对定转子侧都有一定的影响.因此双馈异步电机低电压穿越控制策略的研究是国内外近年来研究的热点[10].

双馈风力发电系统拓扑结构不同于永磁直驱风电系统，不仅可以通过定子向电网馈电，还可以通过转子与电网进行能量交换.双馈电机与电网之间能量的流动和双馈电机的转速有关.当电机转速小于同步转速时，电机转子从电网吸收电能，定子向电网输送电能；当电机转速大于同步转速时，电机转子向电网输送电能，定子向电网输送电能；当电机转速等于同步转速时，电机转子与电网之间无能量的交换，定子向电网输送电能.为了保证双馈电机变速恒频运行，转子励磁电流的频率与电机转速对应的频率之和等于同步转速.双馈风电系统的控制部分分为机侧变流器和网侧变流器.网侧变流器的作用主要是维持直流母线电压恒定，保持网侧变流器与电网之间的电流为对称正弦波，以及网侧变流器按指定的功率因素运行.机侧变流器的作用主要是实现双馈电机的变速恒频运行以及控制电机定子的发出功率.当电网电压跌落时通过采取一定的措施，对机侧网侧变流器进行控制，减小冲击电流对电机和变流器的损坏.

2 矢量+滞环控制方案

矢量+滞环控制方案结合矢量控制与多阶滞环电流控制的优势，在正常运行状态时选择矢量控制方法，当故障检测器检测到故障发生，立即切换为多阶滞环电流控制方法，当故障检测器检测到电网电压故障恢复时再切换回矢量控制方法.矢量+滞环控制方案既保证了电网稳态运行时双馈异步电机定子侧良好的电能质量，又能在电网故障瞬间有迅速的暂态响应使电机不失控.图2为矢量+滞环控制方案结构图，图中电网检测故障模块可以检测电网电压跌落，也可以检测转子电流大小.本文故障检测模块与切换机制结合，采用检测转子故障电流的方法，当故障电流达到1.5倍标幺值时切换机制将开关S与S2接通采用多阶滞环电流控制方法，当故障电流小于标幺值时切换机制将开关S与S1接通，采用矢量控制方法.

图2 矢量+滞环控制方案结构图

3 仿真分析

本文仿真所用双馈异步电机为绕线式.参数如下：额定功率11 kW，定子额定电压(线)转子漏感Llr=0.002 H，互感Lm=0.0315 H，转子电阻Rr=0.6 Ω，定子电阻Rs=0.4 Ω，极对数N=3.该仿真中基准值如下：定子电压UsN=220 V，转子电流IrN=28.6 A，定子电流IsN=15.15 A，有功功率PN=10 kW，无功功率QN=1 kW.

图3为矢量控制方法在电网电压对称跌落时的各指标情况,图4为多阶滞环电流控制方法在电网电压对称跌落时的各指标情况，图5为矢量控制方法与多阶滞环电流控制方法相结合的提高低电压穿越能力的新控制策略在电网电压对称跌落时的各指标情况.

图3 矢量控制方法在电网电压对称跌落时的各指标情况

图3(a)为电网发生对称电压跌落时双馈异步电机的定子电压，可以看出电网在t=0.4 s时，三相电压对称跌落20%，故障时间从0.4 s持续了625 ms，在t=1.025 s时电压恢复正常.图3(b)为故障条件下双馈异步电机定子发出的有功功率，图3(c)为故障条件下双馈电机定子发出的无功功率.在t<0.4 s故障发生前，定子实际功率与参考功率一致，为标幺值1.说明矢量控制方法在电网电压无故障条件下能实现功率的跟踪控制；在0.4 s

图4(a)为电网电压跌落情况，与图3(a)电网故障情况一致.图4(b)到图4(e)为同等故障条件下用多阶滞环电流控制控制的双馈电机各参数情况.图4(b)和图4(c)分别为故障条件下双馈异步电机定子有功功率和无功功率跟踪情况.可以看出，无论是故障前还是故障后，有功功率、无功功率基本跟踪良好，但有功功率在t<0.4 s电网电压跌落之前出现波动，说明在电网正常运行时多阶滞环电流控制方法，在电机功率控制上效果不好.在0.4 s

图4 多阶滞环电流控制方法在电网电压对称跌落时的各指标情况

图5(a)为电网对称跌落情况，在t=0.4 s时电网电压对称跌落20%，故障时间持续625 ms，在t=1.025 s时，电网故障恢复.图5(b)和5(c)分别为新控制策略在电网对称故障时双馈异步电机的定子有功功率和无功功率.从图5(b)可以看出，在0.4 s

图5 矢量+滞环控制方案在电网对称故障时的各指标情况

4 结 语

本文设计了一种新的双馈式风电系统在低电压穿越时的控制方案.首先介绍了双馈风电系统整体概况，然后对双馈电机进行数学建模，结合矢量控制在“低穿”时的缺点，将滞环电流控制器引入对风机的控制中.但滞环电流控制器的优势局限于故障发生时刻，在系统稳态运行时缺点明显，即谐波含量大.因此将两种控制方法的优势结合起来，引入一种切换机制，在电网正常运行时使用矢量控制方法，在电网故障时，切换至滞环电流控制方法，当电网故障恢复后再切换至矢量控制方法.最后对电网故障时三种方法做了仿真比较，仿真效果说明，矢量+滞环的控制方案在稳态时跟踪效果好，电能质量好，在暂态时响应迅速，有效地限制了故障损失冲击电流，避免了对机组及变流器造成损害.

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ResearchonControlStrategyofLowVoltageRideThroughBasedonDoublyFedInductionGenerator

LI Ming1,LIU Guo-rong1,YANG Xiao-liang2

(1. College of Electrical and Information, Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411104, China;2. College of Electrical and Information, Hunan University, Changsha 410012, China)

In view of the poor robustness, large impact current of the Vector Control when the grid voltage drops, this paper proposes a new control method that Vector Control is combined with multilevel hysteresis control method. It can protect the rotor side converter for its quick response and limit the impact current in the range of 1.5 pu. It has less harmonics of rotor current and the power quality can meet the requirements with the Vector Control during the fault-free period. The simulation results show that the novel control method of Low Voltage Ride Through(LVRT) has good robustness, fast response and less current harmonic and it can improve file ability of LVRT.

low voltage ride through; doubly fed induction generator(DFIG); vector+hysteresis control scheme

TM614

A

1671-119X(2017)03-0005-06

2017-03-16

李 明(1990-)，女，硕士，研究方向：风电系统控制.