李文杰,周 瞿,陳 進,陳冠玲

(1.上海海事大學物流工程學院,上海201306;2.上海第二工業(yè)大學電子與電氣工程學院,上海201209)

雙饋風力發(fā)電機轉(zhuǎn)子變流器九點控制器設(shè)計

李文杰1,周 瞿1,陳 進2?,陳冠玲2

(1.上海海事大學物流工程學院,上海201306;2.上海第二工業(yè)大學電子與電氣工程學院,上海201209)

在分析雙饋風力發(fā)電機轉(zhuǎn)子變流器運行特性的基礎(chǔ)上,設(shè)計了該變流器的九點控制器。以8 kW雙饋風力發(fā)電機為對象、Matlab為仿真工具,研究了在超同步轉(zhuǎn)速、同步轉(zhuǎn)速、低同步轉(zhuǎn)速、大擾動等不同條件下該控制器的控制效果;在相同約束條件下,與傳統(tǒng)PI控制做了對比研究。仿真試驗結(jié)果表明:九點控制器各項性能指標優(yōu)于傳統(tǒng)的PI控制器。

九點控制器;變流器;雙饋感應(yīng)發(fā)電機

0 引言

雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)[1]應(yīng)用廣泛,系統(tǒng)模型復(fù)雜,運行狀態(tài)多變且變化動態(tài)大。在雙饋風力發(fā)電機(DFIG)輸出電流的自動調(diào)節(jié)和控制系統(tǒng)中,直流環(huán)節(jié)電壓的穩(wěn)定性對整個發(fā)電系統(tǒng)能否正常運行意義重大?，F(xiàn)在風力發(fā)電機的控制方法多樣,各有特色?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制(SMC)[2-3],能在系統(tǒng)參數(shù)不確定時保持系統(tǒng)穩(wěn)定,但是在動態(tài)中轉(zhuǎn)矩波動較大,影響系統(tǒng)魯棒性。定子磁鏈定向矢量控制[4],可以實現(xiàn)定子有功無功解耦控制,但是需要對定子磁鏈進行觀測,加大了誤差,也使控制器的設(shè)計變得復(fù)雜。如果采用傳統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)控制技術(shù)[5],系統(tǒng)的響應(yīng)時間和超調(diào)量具有矛盾性,且PI調(diào)節(jié)器參數(shù)的精確整定,取決于系統(tǒng)的具體模型,使得它難以精確滿足復(fù)雜多變的雙饋風力發(fā)電機的調(diào)節(jié)需要。本文選用一種基于泛布爾代數(shù)的九點控制器[6-8](分區(qū)域控制器)對轉(zhuǎn)子變流器進行控制,改善了系統(tǒng)的響應(yīng)。

1 雙饋風力發(fā)電機轉(zhuǎn)子變流器的九點控制算法

首先定義幾個關(guān)于九點控制器的概念。設(shè)系統(tǒng)輸出的參考值為r;系統(tǒng)的實際輸出值為c;控制器的輸出值為uc;偏差e=r?c;偏差變化率˙e為偏差e的微分;零帶表示誤差在設(shè)定所允許的范圍內(nèi),包括偏差零帶±e0和偏差變化率零帶±˙e0。偏差e和偏差變化率˙e各有三種狀態(tài):e＞e0,|e|≤e0,e＜?e0;˙e＞˙e0, |˙e|≤˙e0,˙e＜?˙e0(e0＞0,˙e0＞0)。這樣e和˙e的組合變化情況就有9種,用相平面[9]來描述這9種組合如圖1所示。

在相平面圖上有四條虛線:L1,L2,L3,L4。L1和L2所夾區(qū)域表示偏差變化率˙e的零帶,而L3和L4所夾區(qū)域構(gòu)成了偏差e的零帶。四條虛線正好把相平面劃分成對應(yīng)于I,II,III,···,IX的9個區(qū)域,而這9個區(qū)域也正好對應(yīng)于系統(tǒng)運行的9種工況。對應(yīng)于這9種工況,有9種相應(yīng)的控制策略,控制器分別輸出K4+,K3+,K2+,K1+,K4?,K3?,K2?,K1?,K0。上述控制策略中“+”號表示控制作用力加強,“-”號表示控制作用力減弱。符號前的數(shù)字表示加強或者減弱的程度。

將九點控制器原理運用于雙饋風力發(fā)電機轉(zhuǎn)子變流器的控制上,可以得到如圖2的原理框圖。其中九點控制器用M文件編程實現(xiàn)。

圖1 九點控制相平面Fig.1 The phase plane of nine-point control

圖2 雙饋風力發(fā)電機轉(zhuǎn)子變流器九點控制原理圖Fig.2 The schematic of nine-point control on rotor converter of double feed power generator

上圖的控制器可以分別用在網(wǎng)側(cè)變流器和轉(zhuǎn)子側(cè)變流器上。當它用在網(wǎng)側(cè)變流器上時,對直流環(huán)節(jié)的電壓進行控制,先設(shè)定直流電壓參考值,再將實測電壓與之對比,得到電壓偏差e,微分后得到e˙。九點控制器通過分析e和e˙,判斷出系統(tǒng)工作在9個區(qū)域中的哪一個,并輸出相應(yīng)的控制信號,該信號作為d分量進入dq0abc坐標變換器,再由變換器輸出產(chǎn)生PWM信號[10-11]的參考電壓,最后由PWM信號發(fā)生器發(fā)出變流器控制信號。當控制器用在轉(zhuǎn)子側(cè)變流器上時,對發(fā)電機定子輸出電流進行dq解耦后,將d分量或q分量輸入九點控制器進行控制,具體控制方法相同。

下面用如圖3的雙PWM變流器[12]直流環(huán)節(jié)電壓響應(yīng)曲線來說明九點控制策略的工作原理。

圖3 雙PWM變流器直流環(huán)節(jié)電壓響應(yīng)曲線Fig.3 The response curve of dual PWM converter DC link

圖中g(shù)到h段屬于相平面I區(qū),e＞e0,˙e＞˙e0,uc=K4+,說明電壓值小于設(shè)定值,并且有繼續(xù)變小的趨勢,這時九點控制器應(yīng)該發(fā)出強加(++++)的控制指令,可以讓PWM發(fā)生器輸出的波形相應(yīng)變窄,從而使變流器交流側(cè)的等效電壓降低,由電網(wǎng)側(cè)向直流側(cè)輸入電流,最后使直流環(huán)節(jié)電壓回升。

圖中h到i段屬于相平面II區(qū),e＞e0,|˙e|≤˙e0,uc=K3+,說明電壓值小于設(shè)定值,但沒有繼續(xù)變化的趨勢,這時九點控制器應(yīng)該發(fā)出稍加(+++)的控制指令。

圖中i到m段屬于相平面III區(qū),e＞e0,˙e＜?˙e0,uc=K2+,說明系統(tǒng)的輸出值小于設(shè)定值,而且有向設(shè)定值靠攏的趨勢,這時九點控制器應(yīng)該發(fā)出弱加(++)的控制指令。

圖中f到g段屬于相平面IV區(qū),|e|≤e0,˙e＞˙e0,uc=K1+,說明系統(tǒng)的輸出值等于設(shè)定值,但有負方向偏離設(shè)定值的趨勢,這時九點控制器應(yīng)該發(fā)出微加(+)的控制指令。

圖中c到d段屬于相平面V區(qū),e＜?e0,˙e＜?˙e0,uc=K4?,說明系統(tǒng)的輸出值大于設(shè)定值,并有繼續(xù)變大的趨勢,這時九點控制器應(yīng)該發(fā)出強減(—-)的控制指令?？梢宰孭WM發(fā)生器輸出的波形相應(yīng)變寬,從而使變流器交流側(cè)等效電壓升高,直流側(cè)向電網(wǎng)側(cè)輸出電流,最后使直流環(huán)節(jié)電壓降低。

圖中d到e段屬于相平面VI區(qū),e＜?e0,|˙e|≤˙e0,uc=K3?,說明系統(tǒng)的輸出值大于設(shè)定值,但沒有繼續(xù)變化的趨勢,這時九點控制器應(yīng)該發(fā)出稍減(—)的控制指令。

圖中e到f段屬于相平面VII區(qū),e＜?e0,˙e＞˙e0,uc=K2?,說明系統(tǒng)的輸出值大于設(shè)定值,并有向設(shè)定值靠攏的趨勢,這時九點控制器應(yīng)該發(fā)出弱減(–)的控制指令。

圖中b到c段屬于相平面VIII區(qū),|e|≤e0,˙e＜?˙e0,uc=K1?,說明系統(tǒng)的輸出值等于設(shè)定值,但有變大的趨勢,這時九點控制器應(yīng)該發(fā)出微減(-)的控制指令。

圖中j到k段屬于相平面IX區(qū),|e|≤e0,|˙e|≤˙e0,uc=K0,說明系統(tǒng)的輸出值在設(shè)定值偏差零帶內(nèi),并且沒有變化的趨勢,這時希望輸出保持,九點控制器應(yīng)該發(fā)出保持指令。PWM波形的寬度應(yīng)使變流器交流側(cè)等效電壓等于電網(wǎng)電壓,這樣就可以使直流環(huán)節(jié)電壓保持不變。

通過對圖3進行簡單分析,還可以得到控制器參數(shù)設(shè)置對系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)的影響規(guī)律。上升時間t和超調(diào)量η是標志調(diào)節(jié)器性能的重要指標。圖3曲線的a到b段,調(diào)節(jié)器輸出的控制量為K2+,當K2+數(shù)值增大時,從a到b的時間縮短,即t減少;反之,t增大。但是若設(shè)置過大,輸出上升過快,會導致超調(diào)量η的增加。所以在設(shè)置K2+的時候,需統(tǒng)籌考慮上升時間和超調(diào)量。同樣,在c到d段,調(diào)節(jié)器輸出K4?,它抑制輸出上升,可減小η。所以當控制器通過增加K2+減小上升時間時,可適當增大K4?來抑制系統(tǒng)的超調(diào)量。

2 DFIG變流器九點控制仿真模型

雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)運行時發(fā)電機的轉(zhuǎn)速可以隨風速變化,使轉(zhuǎn)速始終保持在最大效率利用風能的最佳速度上。隨著風速的高低,電機運行在超同步或亞同步狀態(tài)時,通過控制轉(zhuǎn)子變流器輸出轉(zhuǎn)差頻率的交流電可以給轉(zhuǎn)子勵磁,使發(fā)電機定子輸出跟電網(wǎng)頻率一致的恒頻電能。超同步運行時,轉(zhuǎn)差功率從轉(zhuǎn)子經(jīng)過變流器饋入電網(wǎng);亞同步運行時,轉(zhuǎn)差功率通過變流器由電網(wǎng)送入轉(zhuǎn)子。此功率僅僅是定子額定功率的30%左右,不但降低了變流器的容量和成本,而且還大大降低了控制難度。下面,通過Matlab仿真軟件來模擬一臺8 kW小型風力發(fā)電機的運行,分別用PI調(diào)節(jié)器和九點控制器進行控制。

圖4為雙饋風力發(fā)電機仿真試驗的模型,發(fā)電機定子側(cè)直接連接電網(wǎng),轉(zhuǎn)子側(cè)通過雙PWM變流器與電網(wǎng)連接。變流器的控制信號由圖2的九點控制器輸出。網(wǎng)側(cè)變流器用的九點控制器參數(shù)[13]設(shè)置為K4+=0.61,K3+=0.72,K2+=0.79,K1+=0.795,K4?=0.99,K3?=0.88,K2?=0.81,K1?=0.805, K0=0.8。電機轉(zhuǎn)子側(cè)變流器用的九點控制器參數(shù)設(shè)置為K4+=0.3,K3+=0.15,K2+=0.03,K1+=0.01, K4?=?0.3,K3?=?0.15,K2?=?0.03,K1?=?0.01,K0=0。

3 仿真試驗結(jié)果討論

雙PWM變流器直流環(huán)節(jié)作為連接轉(zhuǎn)子和電網(wǎng)的橋梁,其電壓是否穩(wěn)定、調(diào)節(jié)是否迅速,關(guān)系到雙饋發(fā)電機的運行狀況。系統(tǒng)啟動階段的仿真響應(yīng)波形如圖5,圖中虛線為PI調(diào)節(jié)下相同模型的電壓響應(yīng)波形,以作對比。

從圖中可以看出,采用九點控制器后,響應(yīng)時間更快,超調(diào)量更小,并且穩(wěn)定后波形平滑,穩(wěn)定性良好。波形的調(diào)節(jié)時間t=0.05 s,超調(diào)量η=3%,穩(wěn)態(tài)誤差接近于零。這為雙饋電機定子輸出的穩(wěn)定性提供了良好的基礎(chǔ)。也可通過減小圖中控制器參數(shù)K2+的值,犧牲一部分調(diào)節(jié)時間,來達到更小的超調(diào)量。而采用PI調(diào)節(jié)時,調(diào)節(jié)時間延遲,超調(diào)量略大。

發(fā)電機定子輸出電流能夠直觀地反應(yīng)系統(tǒng)的工作狀況,圖6為雙饋發(fā)電機超同步運行時定子輸出的單相電流波形,圖中電流頻率和電網(wǎng)電壓頻率保持一致,為50 Hz,電流與電壓同相位,表示雙饋發(fā)電機在九點控制器下工作正常,向電網(wǎng)發(fā)送有功電能。

下面考察系統(tǒng)在啟動時和動態(tài)下的電流輸出。

圖7為系統(tǒng)啟動時雙饋發(fā)電機定子側(cè)的三相電流波形。從圖中可以看出,系統(tǒng)啟動后,經(jīng)過一個電流周期的時間,電流波形趨于穩(wěn)定,調(diào)節(jié)速度很快,這也得益于變流器直流環(huán)節(jié)電壓的快速建立。

為了考驗系統(tǒng)在大動態(tài)下的穩(wěn)定性,在時刻1秒時將風力機的輸入風速從12 m/s降低到7 m/s,相當于發(fā)電機轉(zhuǎn)速從1 650 r/m迅速降低到950 r/m。響應(yīng)如圖8所示。

從圖8的波形可以看出在時刻1秒時風力發(fā)電機輸出電流經(jīng)過0.2 s的波動后,恢復(fù)正常穩(wěn)定的狀態(tài)。可見九點控制器的使用增強了系統(tǒng)的魯棒性。

最后,在系統(tǒng)三態(tài)運行時,分析轉(zhuǎn)子變流器對轉(zhuǎn)子的勵磁電流,這是雙饋發(fā)電機之所以能夠?qū)崿F(xiàn)變速恒頻的關(guān)鍵。選擇的發(fā)電機轉(zhuǎn)速分別為超同步時1 950 r/m,同步時1 500 r/m,亞同步時1 350 r/m。仿真結(jié)果如圖9所示。

圖4 雙饋風力發(fā)電機仿真試驗?zāi)Ｐ虵ig.4 The simulation model of double feed power generator

圖5 九點控制和PI調(diào)節(jié)下直流環(huán)節(jié)電壓響應(yīng)曲線Fig.5 The DC link voltage response curve under control of nine-point controller and PI controller

圖6 雙饋發(fā)電機定子輸出電流波形(單相)Fig.6 The waveform of double feed power generator stator output current(single phase)

圖7 雙饋發(fā)電機定子輸出電流波形(三相)Fig.7 The waveform of double feed power generator stator output current(three phase)

圖8 風速動態(tài)變化下定子輸出電流波形(單相)Fig.8 The waveform of stator output current under dynamic changes in wind speed(single phase)

圖9 超同步、同步、亞同步運行時轉(zhuǎn)子勵磁電流(三相)Fig.9 The waveforms of rotor excitation current in super-synchronous,synchronous, sub-synchronous speed(three phase)

由圖9可以看出,當發(fā)電機以超同步運行時,對應(yīng)的同步頻率為65 Hz,轉(zhuǎn)子勵磁電流為15 Hz,經(jīng)過調(diào)節(jié)使定子輸出頻率為50 Hz。當發(fā)電機以同步轉(zhuǎn)速運行時,對應(yīng)的同步頻率為50 Hz,轉(zhuǎn)子只需直流勵磁。當發(fā)電機以亞同步轉(zhuǎn)速運行時,對應(yīng)的同步頻率為45 Hz,此時,轉(zhuǎn)子勵磁電流頻率為5 Hz,調(diào)節(jié)后定子輸出頻率為50 Hz。所以,使用九點控制器,完全可以達到變速恒頻的調(diào)控目的。

4 結(jié)論

以上針對雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的非線性和運行狀態(tài)變化頻繁、動態(tài)大的特點,采用一種新型的九點控制器(分區(qū)域控制器)。通過Matlab仿真并與常規(guī)PI調(diào)節(jié)比較后發(fā)現(xiàn),PI控制器在滿足初步調(diào)節(jié)效果的時候,響應(yīng)速度并不理想,超調(diào)量也略大,而且由于難以建立系統(tǒng)精確模型,調(diào)節(jié)的精度也不理想。而九點控制器具有結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)整定方便、調(diào)節(jié)精度高、響應(yīng)速度和超調(diào)量均比較理想的特點,并且對于系統(tǒng)的動態(tài)變化表現(xiàn)出較強的魯棒性。因此,九點控制器對雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的控制是有效的,有著良好的應(yīng)用前景。

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Nine-Point Controller Design of the Rotor Converter of Doubly-fed Wind Generator

LI Wen-jie1,ZHOU Qu1,CHEN Jin2,CHEN Guan-ling2
(1.School of Logistics Engineering,Shanghai Maritime University,Shanghai 201306,P.R.China; 2.School of Electronic and Electrical Engineering,Shanghai Second Polytechnic University, Shanghai 201209,P.R.China)

The nine-point controller of the rotor converter of double feed induction generator is designed based on the analysis of the features of doubly-fed wind power generator rotor converter.The control performance of the nine point controller under dif f erent conditions is studied,such as extra-synchronous revolving speed,synchronous revolving speed, low synchronous speed,and great disturbance etc.,with 8 kW doubly-fed wind power generator as the object and Matlab as the simulation tools;the simulation results are compared between nine-point controller and the traditional PI controller under the same conditions.The simulation experiment data are showed that the performance indicators of nine-point controller are superior to the PI controller.

nine-point controller;converter;double feed induction generator

TM614

A

1001-4543(2013)03-0202-07

2013-05-02;

2013-09-10

陳進(1964–),男,貴州省金沙縣人,教授,博士,上海海事大學外聘碩士研究生導師,主要研究方向為電子廢棄物資源化過程控制、材料生產(chǎn)過程控制,電子郵箱chenjin@ee.sspu.cn。

上海市教委第五期重點學科建設(shè)基金項目(No.J51801)和上海市教委科研創(chuàng)新項目(No.09YZ453)資助