双馈风机定子侧不控整流并网控制策略分析_裴善鹏.pdf

Application 创新应用398 电子技术 第 52 卷 第 5 期（总第 558 期）2023 年 5 月计算定子磁链角度并实现定向的方法。该方法利用惯性滞后环节替代了积分环节从而消除了直流偏置的影响，但由于定子电压的畸变，造成定子磁链角度和定频频率观测值的波动，影响了解耦控制的效果。文献5提出一种基于定子电流的无速度传感器控制算法获取转差角度和定子频率。但是在实际运行过程中，二极管的通断将造成定子基波电流和基波电压存在一定的相位差，进而影响解耦控制。并且该方法的控制效果很大程度上依赖于DFIG电气参数的准确获得，影响了实际应用。文献6通过调节d轴参考电流以调节定子频率。q轴参考电流根据定子通量进行调整，减少了由于定子通量的自然振荡而引起的振荡。但在控制回路的分析中过于繁杂，难以实现。本文提出了一种基于定子侧不可控整流的双馈发电机直流并网控制策略。首先分析了定子不可控整流并网模式下的定子电压的特点。之后在此基础上，分析了转子频率与励磁电流的关系。最后，通过仿真验证了该控制策略的可行性。2 系统建模 2.1系统结构图基于定子侧不可控整流的双馈发电机直流并网系统如图1所示。定子和转子分别通过二极管整流器和转子变流器连接到直流电网。二极管整流器取代了电网侧变流器，实现了定子侧的全功率传输。由于在直流电网中，直流电压通常是稳定的，因此0 引言双馈风机直流并网方式，由于其适合大容量输电、降低外送线路成本、提高电能输送效率等优势，在大规模海上风电直流外送和直流微电网中具有广泛的应用前景。双馈风机采用AC-DC变流器与直流电网连接，是目前DFIG直流并网的常规并网方式。该方式的优势在于不需要改变传统的双馈风机交流并网拓扑结构及其控制策略。但是，由于该方式增加了电能变换环节，因而存在结构更加复杂、可靠性差、效率低等缺点。1 研究背景采用定子侧不可控整流的双馈风机直流并网系统（DFIG-DC）由于其结构简单、设备成本低等优势，成为双馈风机直流并网的重要研究方向。最近在文献1中研究了几种DFIG-DC系统的控制方案，提出了一种通过直接给定参考坐标系旋转速度控制定子频率的控制方法。然而该方法仅仅适用于直流孤岛模式，而在直流电网模式下无法实现精准的功率控制。文献2利用对定子磁链角的闭环反馈控制方法观测定子频率，但在基于电压模型计算定子磁链角度时，会导致转子励磁电流中有50Hz脉动分量，从而影响了系统的控制性能。文献3使用定子电压和定子电阻计算定子通量，虽然定子电阻很小可以忽略不计，但纯积分器会放大直流偏移量，如果采用通滤波器代替，那么也需要考虑其大小和相位的误差。文献4提出了一种通过定子电压、电流直接作者简介：裴善鹏，山东电力工程咨询院有限公司；研究方向：控制技术。收稿日期：2022-08-27；修回日期：2023-05-12。摘要：阐述定子电压基频分量的角度和频率的观测方法，并设计了定子电压频率控制方法，并在此基础上形成了适用于双馈风机定子侧通过不控整流实现直流并网的控制策略。关键词：不控整流，控制策略，直流并网，DFIG。中图分类号：TM614文章编号：1000-0755(2023)05-0398-03文献引用格式：裴善鹏，王炎.双馈风机定子侧不控整流并网控制策略分析J.电子技术,2023,52(05):398-400.双馈风机定子侧不控整流并网控制策略分析裴善鹏，王炎（山东电力工程咨询院有限公司，山东 250014）Abstract This paper describes the observation method of the angle and frequency of the fundamental frequency component of the stator voltage,and designs the stator voltage frequency control method.On this basis,a control strategy suitable for realizing DC grid connection through uncontrolled rectification at the stator side of the doubly fed fan is formed.Index Terms uncontrolled rectifier,control strategy,DC grid connection,DFIG.Analysis of Grid Connected Control Strategy of Uncontrolled Rectifier at Stator Side of Doubly Fed FanPEI Shanpeng,WANG Yan(Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Co.,Ltd.,Shandong 250014,China.)Application 创新应用电子技术 第 52 卷 第 5 期（总第 558 期）2023 年 5 月 399本文假设直流电网的电压是恒定的。2.2 不控整流的电压特性在DFIG-DC系统运行期间，定子端子电压与直流母线电压之比将决定二极管的导通状态。定子相电压基波的峰值与二极管不导通和连续导通之间的直流母线电压之间的关系如式（1）。（1）式中，Vdc为直流母线电压，Vslpk表示定子相电压的基波峰值。双馈风机的定子侧采用二极管不可控整流桥连接到直流母线上。当双馈风机正常工作时，定子侧应该工作在电流连续状态。由于不可控整流桥的特点，要实现向直流母线侧输出电能，必须满足定子侧感应电势大于不控整流桥连续导通阈值。如式（1）所示，当定子相电压基波峰值小于0.58倍直流母线电压时，不控桥中二极管不会导通，双馈电机不能输送能量到直流端；随着比值的增大，二极管逐渐导通。当定子相电压基波峰值达到0.63倍直流母线电压时，不可控整流桥将在持续导通状态下工作，并且定子电压会被钳位成阶梯形。在保证双馈风机工作效率的前提下，应该保证不控整流桥在连续导通模式下工作，以防止因定子电流的间断而引起的转矩和功率脉动。此时定子电流连续，定子基波电压被钳位成一个固定值，定子侧相电压的幅值与直流电压幅值的关系为式（2）。（2）3 控制策略DFIG-DC系统由于采用不控整流方式使得双馈风机定子电压高度畸变。而且双馈电机定子端由于没有与交流电网相连接，定子侧失去传统拓扑中交流并网点母线电压和频率支撑。传统的基于交流电网电压的锁相环控制和定向方法已不能满足要求。因此，定子频率的独立控制，以及如何观测定向角以实现解耦控制，是双馈风机定子侧不控整流并网方式需要解决的关键问题。3.1 定子频率控制在两相同步旋转坐标系中，以电动机惯例为例，即以定转子电流流向电机为正方向，则双馈风机的定转子电压和磁链方程为式（3）和式（4）。（3）（4）当同步速旋转坐标系的d轴定向于定子电压矢量上，且在忽略定子电阻，系统稳定运行状态下时，可以得到式（5）。（5）当定子定向d轴时，isd和isq分别为定子有功电流和无功电流,则有式（6）。（6）结合式（5）和式（6），d轴定子电压为式（7）。（7）由于采用定子电压定向d轴，q轴电压为0，所以usd即为定子电压。因此，irq为励磁电流。由于定子基波电压恒定，则可以通过控制irq控制定子电压频率，此时转子q轴指令值Irq*为式（8）。（8）3.2 定子基波电压角度和频率的观测由上述分析可以得出定子电压被钳位成阶梯波且为固定值，若直接测量，将会含有多次谐波。本文提出了一种利用二阶巴特沃斯带通滤波器提取基频分量来测量定子基波电压角的方法。二阶巴特沃斯带通滤波器的数学模型如式（9）。（9）式中，c是基频(c=100rad/s)，阻尼比为0.707，增益G为1.414。滤波器的波特图如图2。由滤波器的波特图可以看出，在c频率点，滤波器幅频增益为1，相频特性为0，因此可以实现定子电压基波分量的提取。不控整流运行在完全导通模式下定子电压Usa的波形以及经过滤波器提取后的电压基频分量Usa1的波形如图3所示。图1 基于定子侧不可控整流的双馈发电机直流并网系统图2 滤波器的波特图图3 定子电压波形图Application 创新应用400 电子技术 第 52 卷 第 5 期（总第 558 期）2023 年 5 月综上所述，采用二阶巴特欧斯滤波器提取的基频电压分量作为PLL输入，可实现定子电压基频分量的频率和角度测量。可以形成完整的定子电压基波分量的频率测量和角度定向的控制原理和框图，如图4所示。3.3 转子侧控制策略在前面提出的定子电压频率控制和电压基频分量角度观测的基础上，适用于定子不控整流直流并网的转子变流器控制原理图如图5所示。基于前述研究成果，本文对传统定子电压定向控制方法进行改进，（1）通过提取定子电压基频分量作为锁相环的输入，实现了定子电压基频分量的角度和频率观测。（2）通过控制转子励磁电流的方法，间接控制定子电压频率。从图5可以看出，Q轴外环以参考频率和定子电压工频分量测量频率的差值，经过PI控制后，作为转子q轴电流指令值，实现定子频率控制。4 仿真分析为了验证所提出的DFIG直流并网结构及其控制策略的可行性和有效性。本文基于PSCAD仿真平台，建立了直流并网双馈风力发电系统模型，并分析了所提出的DFIG系统和控制方案的运行性能。DFIG和控制系统额定值和参数值列于表1。当风速为8m/s时，对模型进行仿真。风速在1s时从8m/s增加到10m/s。从图6可以看出，定子频率始终稳定在50Hz。可以发现，随着风速的增加，定子有功功率增加，转速从0.9增加到1.12。由此可以得出DFIG可以正常并网的结论。5 结语针对双馈风机采用定子侧不控整流的直流并网方式面临的定子角度定向和定子频率控制难题，本文提出了定子电压基频分量的角度和频率的观测方法，并设计了定子电压频率控制方法，并在此基础上形成了适用于双馈风机定子侧通过不控整流实现直流并网的控制策略。仿真验证表明，采用本文提出的控制策略，DFIG-DC系统可以实现定子频率控制和定子电压定向角观测，满足双馈风机定子侧不控整流方式下的直流并网运行要求。参考文献1 Phan V,Lee H.Control Strategy for Harmonic Elimination in Stand-Alone DFIG Applications With Nonlinear LoadsJ.IEEE Transactions on Power Electronics,2011,26(9):2662-26752 Marques G D，Iacchetti M FInner Control Method and Frequency Regulation of a DFIG Connected to a DC LinkJ.IEEE Transactions on Energy Conversion，2014，29(2):435-4443 Nian H，Wu C，Cheng PDirect Resonant Control Strategy for Torque Ripple Mitigation of DFIG Connected to DC Link through Diode Rectifier on StatorJ.IEEE Transactions on Power Electronics，2017，32(9)：6936-69454 Iacchetti M F,Marques G D,Perini R.Torque Ripple Reduction in a DFIG-DC System by Resonant Current ControllersJ.IEEE Transactions on Power Electronics，2015，30(8)：4244-42545 Marques G D,Iacchetti M F.A Self-Sensing Stator-Current-Based Control System of a DFIG Connected to a DC-LinkJ.Industrial Electronics IEEE Transactions on,2015,62(10):6140-61506 Marques,G.D,Iacchetti,et al.Stator Frequency Regulation in a Field-Oriented Controlled DFIG Connected to a DC LinkJ.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2014，61(11)：5930-5939图4 定子电压基波角度观测器框图图5 转子控制器框图图6 转速、定子频率、定子有功功率和转子电流的波形图表1 DFIG的部分参数值