双馈风力发电机阻尼控制方法的改进

陆仕信 刘国荣

摘 要：为研究双馈风力发电机的低电压穿越特性，建立了磁链状态方程并求解其特征根。对几种典型的改进励磁电流控制方法进行分析，得出此类方法均是通过控制转子电流指令值来加快磁链的暂态衰减，从而提出在电流环参考值的基础上添加定子磁链暂态分量的补偿项，来改善系统欠阻尼特性，针对PI控制器对交流量调节能力有限，引入电流前馈补偿项，对其进行修正。仿真表明，改进的阻尼控制方法加速了暂态磁链的衰减，提高了故障穿越能力。

关键词：双馈感应电机；欠阻尼特性；前馈补偿；低电压穿越

中图分类号：TM315 文献标识码：A

Abstract：In order to research the low voltage ride through characteristics of doubly-fed induction generators， the equation of state is established and the characteristic roots is solved. By analyzing several typical improved excitation current control strategies， it is concluded that these methods used to control the rotor current reference value to accelerate the transient decay of flux. Consequently， the compensation term of the stator flux transient component is added on the basis of the reference value of the current loop， in order to optimize the system under-damping characteristics. Because the PI controller has limited capacity to adjust the AC reference，the feed forward current compensation term is introduced to correct it.Simulation results show that the improved damping control method can accelerate the decay of transient flux linkage and improve the low voltage ride through capability.

Key words：doubly fed induction generator；under-damping characteristics；feed forward compensation；low voltage ride through

1 引 言

近年来，随着风电的装机容量不断增加，对电网的影响逐年加重，为了适应日益严格的并网要求，风力发电必须具有低电压穿越（Low Voltage Ride Through，LVRT）能力保障在电网故障条件下不脱网运行。目前，风电机组中双馈感应发电机（doubly fed induction generator，DFIG）[1]已成为主流机型，其优点是可通过对转子侧变流器的控制来实现有功和无功功率的独立调节、具有良好的动态调速性能，此外，轉子侧变流器容量较小仅为发电机额定容量的30%左右且成本低。但由于双馈电机的定子绕组与电网直接相连及其特殊的拓扑结构，当电网电压发生骤降故障时极易引起转子侧变流器过电流和直流侧过电压等现象，危害变流器的稳定运行。

针对电网电压故障，文献[2]采用的是撬棒

（Crowbar）保护电路，虽能有效地抑制转子侧变流器过电流和直流侧过电压，但此时DFIG类似于笼型异步电机，需从电网中吸收大量的无功功率。也有些学者提出添加动态电压恢复器（DVR）[3]、静止同步补偿器（STATCOM）、无功补偿器（SVC）[4]、串联网侧变流器（SGSC）[5]等装置来实现低电压穿越，该类方案能对变流器起到有效保护并在电网电压恢复过程中提供无功支撑，但其成本较高、控制复杂，致使这些控制方案都难以得到大规模的应用。

文献[6]转子电流参考指令中仅含正序分量，而故障状态下引入了较大定子磁链暂态分量、负序分量进行补偿控制，能对转子端电压起到抑制作用，但需要磁链观测及分离模块。文献[7]提出虚拟电阻控制技术，并对电阻值进行了整定和优化，改善了欠阻尼性能，但并未对转子端电压进行分析。文献[8]采用虚拟磁链的方法改变系统的欠阻尼特性，并抑制了转矩脉动，却存在明显的动态切换问题。文献[9]提出了反向电流跟踪控制方法，无需磁链观测和相序分离，但需要故障检测及切换装置。文献[10]为了改善电网电压故障时DFIG的暂态过程，采样前馈补偿控制，但转子电流、电磁转矩的振荡时间较长。

针对电磁暂态过程较长，首先分析了电网对称故障下DFIG的电磁特性，建立定子磁链状态方程并求解其特征根，对几种典型的LVRT方案进行归纳总结，得出此类方法实质上均是通过控制转子电流指令值来改善电网电压对称故障下双馈电机的欠阻尼特性，针对PI控制对交流量的跟踪性能较差的缺点，引入电流前馈项对其进行修正，从而提出了改进阻尼控制方法。最后，仿真验证，所提方法改善了系统的欠阻尼特性，提高了系统LVRT能力。

2 DFIG的数学模型和暂态分析

2.1 DFIG模型

改进阻尼控制方法的结构图如图4所示，首先检测定，转子电流Isdq与Irdq，通过磁链观测模型得到定子磁链ψsdq，并提取暂态磁链ψsdc。由式（17）可以得到暂态转子电流Irdqn，Irdqn与常规矢量控制下的稳态电流相加，得到转子dq轴电流指令。转子dq轴电流指令通过PI控制，电流前馈项与耦合项及反电动势项相加得到等效转子电压参考量，然后经过坐标变换得到转子电压控制指令Ur α β，经SVPWM算法调制后，控制转子变流器完成整个过程。矢量控制方法在正常运行条件下能提供良好的动、静态特性，本文采用定子电压定向的矢量控制方法，采用PI控制器，DFIG的转子电流能实现精确的解耦，且可以独立的调节有功功率与无功功率。

其中电网电压正常情况下，在两相dq同步旋转坐标系下，定子磁链只含有稳态分量，暂态分量为0，即补偿项在稳态工况下为0，不影响系统稳态工况下控制系统的性能。然而在电网电压对称跌落故障状态下，定子磁链在两相dq同步旋转坐标系下，其稳态分量和暂态分量分别为0 Hz、50 Hz，暂态分量可通过50 Hz的带通滤波器进行提取，无需故障切换模块，针对PI控制器只能对直流量实现无静差跟踪，故引入电流前馈项来修正PI控制器，对交流量实现较好的跟踪。

5 仿真分析

为了验证改进的励磁电流控制方法的有效性，采用绕线式异步电机，并搭建仿真模型，使用电机参数如下：额定功率11 KW，定子电压额定值为380 V，定子电阻1.435，定子漏感5.839 mH，转子电阻1.395，转子漏感5.839 mH，互感0.1722 H，直流电压500 V，极对数3。该仿真中基准值如下：定子电压UsN = 220 V，有功功率PN = 10 KW，无功功率QN = 0 W，定子电流IsN = 24.9 A，转子电流IrN = 27.6 A。转子侧变流器所允许的最大电流为两倍额定电流，转子电流限幅为最大电流，转子电压的最大值不能超过变流器允许流过的最大电压。

图5，图6，图7为电网电压在0.8 s开始发生三相对称跌落，跌落深度为50%，故障持续时间600 ms，转子侧变流器分别采用常规的矢量控制策略[16]及改进的阻尼控制未加电流前馈项和添加电流前馈项方法。图5为采用常规矢量控制策略在故障状态下DFIG的仿真波形图，图5（a）、（b）表明，在两相dq同步旋转坐标系下定子磁链的波动幅值较大，衰减缓慢，振荡持续时间较长。由图5（c）知，电磁转矩波动的持续时间也较长。定子磁链波动也引起了转子感应电动势增大，进而引起转子侧电压幅值增大，由图5（d）知，转子侧电压幅值为220 V左右，危害变流器的安全运行。

6 结论

针对电网电压对称骤降故障下DFIG的欠阻尼特性，对几种典型的低电压穿越方法进行了分析，并归纳该类方法的共性，进而提出一种改进的阻尼控制方法。该方法无需增加额外的硬件装置及故障切换模块，改善了DFIG的欠阻尼特性，加速了电磁暂态衰减过程，同时抑制了暂态电磁冲击，降低了转子端电压，保护了转子侧变流器，另外，引入的电流前馈项，对PI控制器进行了修正，进一步拓宽了低电压穿越性能。

参考文献

[1] CARDENAS R，PENA R， ALEPUZ S，et al.Overview of control systems for the operation of DFIGs in wind energy applications[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2013，60（7）：2776—2798.

[2] 朱晓东，石磊，陈宁，等.考虑Crowbar阻值和退出时间的双馈风电机组低电压穿越[J].电力系统自动化，2010，（18）：84—89.

[3] 黄伟煌，胡书举，付勋波，等.DVR在风电机组LVRT中的应用及其无功补偿能力[J].电机与控制学报，2014，（03）：7—13.

[4] 王境彪，晁勤，王一波，等.STATCOM与SVC提高大型异步机风电场LVRT能力对比研究[J].电源技术，2016，40（05）：1080—1083.

[5] 姚骏，廖勇，李辉，等.电网电压不平衡下采用串联网侧变换器的双馈感应风电系统改进控制[J].中国电机工程报，2012，32（06）：121—130.

[6] 杨淑英，陈刘伟，孙灯悦，等 基于电磁暂态控制算法的双馈风电机组低电压穿越控制策略[J]. 太阳能学报，2015，36（12）：2906—2915.

[7] 程鹏，年珩，诸自强. 电网对称故障时双馈电机虚拟电阻控制技术[J].电机与控制学报，2014，18（06）：1—8.

[8] ZHU R， CHEN Z， WU X， et al. Virtual damping flux-based LVRT control for DFIG-based wind turbine[J].IEEE Transactions on Energy Conversion，2015.30（2）：714—725.

[9] 陈鉴庆，邹旭东，梁宗泽，等.基于反向电流跟踪的双馈风机低电压穿越控制策略[J].电工技术学报，2016，31（02）：221—229.

[10] LIANG J，HOWARD D， RESTREPO J. Feed forward transient compensation control for DFIG wind turbines during both balanced and unbalanced grid disturbances[J]. IEEE Transactions on Industry Applications，2013，49（3）：1452—1463.

[11] ZHU R， CHEN Z，WU X.Dynamic performance of doubly-fed induction generator stator flux during consecutive grid voltage variations[J]. IET Renewable Power Generation，2015，9（7）：720—728.

[12] XIANG Da-wei， LI Ran， TAVNER P J，et al. Control of a doubly fed induction generator in a wind turbine during grid fault ride-through[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion，2006，21（3）：652—662.

[13] XIAO Shuai， YANG Geng， ZHOU Hong-lin，et al. An LVRT control strategy based on flux linkage tracking for DFIG-based WECS[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2013， 60（7）：2820—2832.

[14] HU Sheng，LIN Xin-chun， KANG Yong，et al. An improved low-voltage ride-through control strategy of doubly fed induction generator during grid faults[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2011，26 （12）：3653—3665.

[15] HUANG Q，ZOU X，ZHU D，et al.Scaled current tracking control for doubly fed induction generator to ride-through serious grid faults[J]. IEEE Trans. Power Electron，2016，31（03）31：2150—2165.

[16] 吳国祥，陈国呈，蔚兰. 变速恒频风力发电柔性并网及解列控制[J].华中科技大学学报：自然科学版，2009（03）：94—97.

[17] WANG L，LIU C. Research on virtual inductance control strategy of DFIG during grid voltage dips[J].2016 35th Chinese Control Conference（CCC），2016，Chengdu，China，2016：8738—8742.