双馈感应发电机机侧变换器直接功率控制策略比较研究*

赵梅花, 郑 鹏, 孙南海, 李广伦

(洛阳理工学院 电气工程与自动化学院,河南 洛阳 471023)

双馈感应发电机机侧变换器直接功率控制策略比较研究*

赵梅花, 郑 鹏, 孙南海, 李广伦

(洛阳理工学院 电气工程与自动化学院,河南 洛阳 471023)

对双馈感应发电机(DFIG)的两种直接功率控制(DPC)策略进行比较研究。根据DFIG的数学模型，导出对DFIG进行DPC的统一控制模型；首先设计基于滞环比较器的直接功率控制(HC-DPC)策略，采用开关型滞环控制器，直接实现定子有功功率和无功功率的解耦控制；其次将SVM技术应用于DPC，提出SVM-DPC策略，根据DFIG定子有功、无功功率偏差，采用PI调节器，直接实现定子有功、无功功率的解耦控制；最后对两种DPC策略进行试验研究，验证了两种DPC策略的正确性和可行性，并对其控制性能进行了对比评估。

双馈感应发电机；直接功率控制；滞环控制器；空间矢量调制

0 引 言

双馈感应发电机(Doubly-Fed Induction Generator,DFIG)的转子采用双PWM励磁变换器为交流励磁电源，以实现变速恒频运行。转子侧PWM变换器与DFIG的运行控制策略主要有矢量控制(Vector Control,VC)[1-2]和直接功率控制(Direct Power Control，DPC)[3-5]。在电网电压正常时，VC具有良好的动、静态控制性能，但因控制过程采用PI调节器，当电网发生故障时，其动态响应能力便不能满足控制要求。

DPC把DFIG定子输出有功功率Ps和无功功率Qs作为被控量，具有动态响应快、鲁棒性好等优点。将DPC应用于DFIG的运行控制，以提高系统的动态响应能力。文献[6]提出了基于滞环控制器的DPC策略(DPC Based on Hysteresis Comparator，HC-DPC)，模型结构简单，具有优良的动态响应能力。该文献对HC-DPC进行了仿真研究。在转子旋转坐标系αrβr下推导DFIG HC-DPC的控制模型，使DPC的内在机理较为明晰。推导模型时需引入多个中间角度变量，多次采用坐标旋转变换，过程较为复杂；HC-DPC策略控制性能的不足之处是开关频率不恒定，使定子输出电流对电网产生宽频范围的谐波污染。文献[7]将空间矢量调制(Space Vector Modulation,SVM)技术与DPC策略结合，提出SVM-DPC策略，实现开关频率恒定的DPC。文中对SVM-DPC进行仿真研究,其控制效果只能减小而不能完全消除功率偏差。

本文在DFIG同步旋转dq坐标系数学模型基础上，导出采用定子电压定向条件下，对DFIG实施DPC的控制模型，分别提出改进的HC-DPC与SVM-DPC两种实现策略；统一了HC-DPC与SVM-DPC的控制模型，揭示了两者之间的区别与联系，简化了DPC模型推导过程；搭建了双馈风力发电系统试验平台，对HC-DPC与SVM-DPC策略进行了对比试验研究，得出对DFIG DPC控制有指导意义的结论。

1 DFIG DPC控制模型

定子采用发电机惯例，转子采用电动机惯例，在同步旋转dq坐标系中，DFIG电压和磁链矢量方程分别为

式(1)、式(2)的d、q分量形式为

式中: 下标s——DFIG定子相应物理量；

下标r——DFIG转子相应物理量。

由式(2)可得：

将坐标系d轴定向于定子电压矢量us得

式中:Us——定子电压矢量的幅值。

稳态时，忽略DFIG定子电阻Rs，将式(7)代入式(3)得

DFIG定子向电网输出的复功率为

将式(7)、式(8)代入式(9)并写成实部和虚部形式：

式(10)说明，当电机参数和电网电压恒定时，控制转子磁链的d、q轴分量ψrd、ψrq，就能直接控制DFIG定子输出的Ps和Qs。这就是直接功率控制的基本思想。

将式(10)等号两边取微分得

式(11)说明，DFIG定子有功功率Ps、无功功率Qs的变化率取决于转子磁链矢量的dq分量ψrd与ψrq的变化率。

式(11)即为对DFIG实施DPC的控制模型。本文依据式(11)，分别提出了改进的HC-DPC策略和SVM-DPC策略。

2 HC-DPC

2.1HC-DPC控制机理

忽略转子电阻，转子磁链空间矢量ψr和电压矢量ur的关系近似为

式(12)表明：转子磁链ψr的变化取决于施加的转子电压矢量ur，通过ur的选用及作用时间的调节控制转子磁链ψr的变化规律，从而将对转子磁链ψr的控制转化为对转子电压ur的控制。

转子电压矢量ur对转子磁链ψr的作用及扇区N分配如图1所示。

图1 电压矢量对转子磁链的作用及扇区N分配

根据图1所示的定子电压矢量us所在的扇区，可确定各转子电压矢量对磁链分矢量ψrd、ψrq的影响，继而确定出作用的转子电压矢量对有功功率Ps和无功功率Qs的控制效果。

按此规则，可规划出电压空间矢量ur选用的开关表，决定出减少有功和无功功率控制误差的最佳电压空间矢量。这就是HC-DPC的实现机理。

2.2HC-DPC策略

依据式(11)，6个有效转子电压矢量在图1所示的第1扇区作用效果为

6个有效转子电压矢量在其他扇区的作用效果可依次推出。

采用式(13)所示的滞环控制规律，产生与Ps与Qs状态相对应的标志信号SP与SQ。

式中:HP、HQ——有功和无功功率的滞环宽带；

SP=1——有功功率Ps需要增加；

SP=0——Ps不变；

SP=-1——Ps需要减少；

SQ=1——无功功率Qs需要增加；

SQ=0——Qs不变；

SQ=-1表示Qs需要减少；

依据以上分析得到如表1所示的HC-DPC优化开关表。DFIG HC-DPC策略框图如图2所示。

表1 HC-DPC开关表

图2 DFIG HC-DPC结构框图

3 SVM-DPC

将式(8)、式(9)分别恒等变形可得

忽略转子电阻，将式(13)、式(14)带入式(4)得

由式(16)可知，DFIG的Ps由urd控制，Qs由urq控制。式(16)是SVM-DPC闭环控制器设计的主要依据。

为实现对DFIG输出功率的无静差控制，采用PI调节器，用PI调节器输出控制式(16)中的定子功率微分项，则转子电压控制方程为

二是严格质量标准并打造知名品牌。提高产品科技含量，发展农业科技，加强对农业生产者利用互联网技术的培训力度，提高生产效率，增加农产品附加值，优化产业架构；三是通过多种途径提高农业生产者的品牌意识，使规范生产变为常规操作，在根源上保障产品质量，并且要加强品牌保护意识，对假冒产品予以打击。

式中:kPP、kiP、kPQ、kiQ——DFIGPs及QsPI控制器的比例、积分系数。

图3为DFIG SVM-DPC策略结构框图。

图3 DFIG SVM-DPC结构框图

4 试验及结果分析

搭建双馈风力发电系统试验平台，将HC-DPC与SVM-DPC策略进行对比试验。用直流电机-绕线式异步电机模拟风力机-双馈感应发电机组。

绕线电机参数：PN=3 kW,UN=380 V,nN=1 450 r/min；

直流电机参数：PN=3 kW,UN=220 V,nN=1 500 r/min；

网侧PWM变换器进线电感8 mH，直流母线电压200 V；PWM开关频率10 kHz；定子并网电压180 V。图4～图6为试验波形。

图4 稳态波形

图5 有功跟随波形

图6 无功突变波形

5 结 语

该文对DFIG的HC-DPC和SVM-DPC两种控制策略进行比较研究，得出如下结论：

(1) HC-DPC和SVM-DPC均能实现定子Ps、Qs良好的跟随性能，且能实现Ps、Qs的解耦控制，定子功率因数任意可调。

(2) HC-DPC采用滞环控制器，其控制特性与PWM变换器的开关非线性特性相匹配，具有快速的动态响应能力，但其开关频率不固定，静态特性不佳，限制了其现场应用；SVM-DPC开关频率恒定，具有良好的动、静态控制性能，但受PI参数的制约，动态响应比HC-DPC稍慢。

综上所述，采用SVM-DPC能使系统同时具有良好的动态和静态性能，具有实际的应用价值。

[1] 刘其辉,谢孟丽.双馈式变速恒频风力发电机的空载及负载并网策略[J].电工技术学报,2012,27(10): 60-67.

[2] LUNA A, LIMA F K, SANTOS D, et al. Simplified modeling of a DFIG for transient studies in wind power applications[J].IEEE Trans Ind Electron,2011,58(1):9-20.

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[4] NIAN H, SONG Y, ZHOU P, et al. Improved direct power control of a wind turbine driven doubly fed induction generator during transient grid voltage unbalance[J].IEEE Trans Energy Convers,2011,26(3):976-986.

[5] 赵方平,杨勇,阮毅,等.三相并网逆变器直接功率控制和直接功率预测控制的对比[J].电工技术学报,2012,27(7): 212-220.

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[7] DAWEI Z, LIE X. Direct power control of DFIG with constant switching frequency and improved transient performance[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2007,22(1): 110-118.

ComparativeStudyonDPCStrategyofDFIGGrid-SideConverter*

ZHANMeihua,ZHENGPeng,SUNNanhai,LIGuanglun

(School of Electrical Engineering & Automation, Luoyang Institute of Science and Technology,Luoyang 471023, China)

Two kinds of direct power control strategy of Doubly-fed Induction Generator (DFIG) were presented and made Comparative Study on their performance. According to the mathematical model of DFIG, The direct power control (DPC) model for DFIG was deduced. Firstly, the direct power control based on hysteresis controller (HC-DPC) strategy was presented, it implements directly decoupling control between DFIG stator active power and reactive power by hysteresis controller. Secondly, the SVM-DPC strategy was designed by applying the SVM technology to DPC. It had no rotor current control loop to implement directly decoupling control between DFIG stator active power and reactive power by PI controller. Finally, simulations and experiments did done for HC-DPC and SVM-DPC to verify its correctness and feasibility and compare its control performance.

doubly-fedinductiongenerator(DFIG);directpowercontrol(DPC);hysteresiscontroller;spacevectormodulation

国家自然科学青年基金项目(51407124)；河南省高等学校重点科研项目(16A470012)

赵梅花(1966—)，女，博士，副教授，研究方向为新型电力电子变换及新能源发电技术。

TM 301.2

A

1673-6540(2017)10- 0053- 06

2017 -02 -22