基于动态励磁电流的双馈风机组控制策略论文_赵飞跃

赵飞跃

国华（锡林郭勒）新能源有限公司 内蒙古锡林浩特市 026000

摘要：在电网故障时，风力发电机组机端电压会降低，导致转子过电流、直流侧母线过电压、转矩振荡等一系列暂态过程，对风力发电机组并网运行的稳定性和电力电子变流器的安全运行产生了严重威胁。因此，研究电网故障状态下风电机组的电磁暂态过程有着重要的意义。基于此，本文主要对基于动态励磁电流的双馈风机组控制策略进行分析探讨。

关键词：基于动态励磁电流；双馈风机组；控制策略

1、前言

故障时，风电机组暂态特性与外部电网运行工况、控制系统、硬件结构等诸多因素有关，本文主要研究控制系统对于风电机组暂态特性的影响。本文在PSCAD环境下搭建了双馈风机的模型，在转子侧控制策略中计及定子励磁电流动态过程，建立了DFIG控制系统模型。通过仿真比较验证了在电网电压骤降时，计及定子励磁电流能够有效地抑制转子侧输出电流的波动，提高机组的暂态稳定性。

2、DFIG的数学模型

两相任意旋转dq坐标系下DFIG的数学模型。

2.1磁链方程

式中：np电机的极对数；J为转子及其连接负载的转动惯量；TL为风力机提供的拖动转矩；D为与转速成正比的阻转矩阻尼系数；K为扭转弹性转矩系数。

3、计及定子励磁电流动态过程的转子侧控制策略

双馈变速风力发电机组中的转子侧PWM变换器的控制目标是：①在变速恒频前提下实现最大风能追踪，关键是双馈发电机转速或有功功率的控制；②双馈发电机输出无功功率的控制，以保证所并电网的运行稳定性。由于双馈发电机输出有功功率和无功功率与转子d、q轴电流分量密切相关，转子侧PWM变换器的控制目的就是实现对转子d、q轴电流分量的有效控制。

本文转子侧PWM变换器控制策略采用基于定子磁链定向矢量控制，由此可得定子磁链的d、q轴分量分别为

ψsd=|ψs|=ψs，ψq=0。

令定子励磁电流矢量

当电网正常运行时，定子电压Us和定子磁链ψs是恒定不变的，所以定子励磁电流的分量dΙm0/dt也是恒定不变的，即dΙm0/dt=0。当电网故障时，风力发电机组机端电压骤降，Us和ψs发生变化，不再是恒定值，dΙm0/dt也随之发生变化，即dΙm0/dt≠Ι。所以在电网电压骤降的情况下，计及定子励磁电流分量对转子侧输出电流的波动是有影响的。控制策略采用定子磁链定向时，双馈发电机输出的有功、无功功率分别与转子侧输出电流的q、d轴分量有关。

因此可得出改进后的转子侧控制策略。整个控制系统采用双闭环控制，电机输出的无功功率和电机的转速闭环控制为外环控制，分别产生转子d轴和q轴的电流分量参考值；内环控制为电流控制环。首先，将检测到的电机输出无功功率和电机转速作为外环控制的反馈值，从减少转子励磁电源双PWM变换器损耗的角度考虑，将电机输出无功功率的指令值Q*g设定为0；电机转速的指令值W*由风力机转速特性确定。将检测到的定、转子电压电流，经过坐标变换，通过计算得出定子磁链ψs。将电机转速指令W*、无功功率指令Q*g与电机转速W、无功功率Qg反馈值进行对比，差值经由PI调节器可以分别得出转子电流d、q轴分量指令值i*rd、i*rq，再和转子电流反馈量ird、irq比较，其差值经由PI调节器后输出电压分量u*rd、u*rq，u*rd、u*rq加上传统控制策略中的电压反馈项和改进策略中引入的动态补偿项——定子励磁电流的微分项，它在传统控制中常常被视为零而将其忽略。

4、仿真验证

为了验证当电网故障时，在转子侧控制策略计及定子励磁电流能够有效地抑制电流波动，在PSCAD平台上搭建了1.5MW的DFIG变速恒频风力发电系统的仿真模型，其仿真参数如下：额定功率1.5MW，额定电压0.69kV，惯性常数为0.85s，定转子匝比为0.3，定子电阻为0.00706，转子电阻为0.005，定子漏感为0.171，转子漏感为0.156，励磁电感为2.9（以上参数均为标么值）。

DFIG在风速稳定时（ν=13m/s），运行2s时电网发生三相短路故障，电网电压骤降，持续时间为0.15s。在电网故障期间，对改进的转子侧控制策略与传统的转子侧控制策略仿真进行比较，比较结果如图1所示。

图1 电网故障时改进和传统定子励磁定向矢量控制仿真结果对比

图1（a）和图1（b）为转子侧输出电流d、q轴分量波形，电网故障时，d、q轴的电流最大值出现在t=2.006s，此时，传统控制策略下ird=-2.78，irq=2.42；改进的控制策略下ird=-2.21，irq=1.60。通过对比可以看出，改进控制策略下电流波动要比传统控制策略下小很多，d、q轴电流分量分别减小20.5%、33.9%。表明计及定子励磁电流的改进控制策略能够有效地抑制电流波动，防止了电网故障时转子侧变换器过电流的发生。

图1（c）为双馈电机的电磁转矩波形，电网故障时，转矩的最大值出现在t=2.004s，此时，传统控制策略下TE=-3.48；改进的控制策略下TE=-2.42。通过对比可以看出，改进的控制策略下电磁转矩的波动幅度比传统控制策略下小，减小了30.5%。有效地减小了电磁转矩在电网故障期间对风电机组转轴系统机械应力的冲击，延长了转轴机械系统的工作寿命。

图1（d）和图1（e）为双馈电机输出的有功和无功功率，故障解除恢复期间，在2.15~2.35s之间，传统控制策略下，有功功率的波动幅度为2.24，无功功率的波动幅度为1.33；改进的控制策略下，有功功率的波动幅度为1.59，无功功率的波动幅度为1.05。通过对比可以看出，改进的控制策略下，两者的波动幅度减小了，有功和无功分别减小了29%和21%。图1（f）为发电机的转速，在t=2.16s时，转速值最大，此时传统控制策略下转速值为1.27，改进的控制策略下转速值为1.28。通过对比可以看出，改进的控制策略对转速的控制并没有太大帮助。

5、结论

传统的控制策略都是在假定电网电压恒定、忽略DFIG定子励磁电流动态过程的条件下得到的，电网故障时会导致转子侧过电流、转矩震荡等危害。定子励磁电流在电网故障时是变化的，本文在传统控制策略的基础上，计及定子励磁电流的动态过程，建立了DFIG控制策略模型。

仿真结果表明，电网故障时，与传统控制策略相比，改进后的控制策略使转子侧电流波动减小了20%~30%，电机电磁转矩波动减小了30.5%。改进后的控制策略能够有效地抑制电网故障时转子侧电流以及电机电磁转矩的波动。提高了机组的不间断运行能力。在以后的研究中，重点研究基于改进控制策略的风电机组动态特性对电网稳定性及继电保护的影响。

参考文献：

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［2］蔚兰，陈宇晨，陈国呈，等．双馈感应风力发电机低电压穿越控制策略的理论分析与实验研究［J］．电工技术学报，2011，26（7）：30-36．

［3］胡书举，赵栋利，赵斌，等．双馈风电机组低电压穿越特性的试验研究［J］．高电压技术，2010，（3）：789-795．

论文作者:赵飞跃

论文发表刊物:《防护工程》2018年第15期

论文发表时间:2018/10/23

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