趙梅花，楊奎民，林立，楊勇

(1.洛陽(yáng)理工學(xué)院 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，河南 洛陽(yáng)，471023；2.邵陽(yáng)學(xué)院 多電源地區(qū)電網(wǎng)運(yùn)行與控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 邵陽(yáng)，422000；3.蘇州大學(xué) 城市軌道交通學(xué)院，江蘇 蘇州，215137；)

電網(wǎng)異常條件下的DFIG轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)器

趙梅花1，楊奎民1，林立2，楊勇3

(1.洛陽(yáng)理工學(xué)院 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，河南 洛陽(yáng)，471023；2.邵陽(yáng)學(xué)院 多電源地區(qū)電網(wǎng)運(yùn)行與控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 邵陽(yáng)，422000；3.蘇州大學(xué) 城市軌道交通學(xué)院，江蘇 蘇州，215137；)

論文根據(jù)雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(DFIG)在電網(wǎng)異常條件下的數(shù)學(xué)模型，提出一種滯環(huán)轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)器來獲得轉(zhuǎn)子位置角。該觀測(cè)器的實(shí)現(xiàn)主要依據(jù)實(shí)際轉(zhuǎn)子電流和估算轉(zhuǎn)子電流正序分量的相位偏差，采用滯環(huán)控制器來調(diào)節(jié)估算轉(zhuǎn)子位置。此觀測(cè)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無需調(diào)節(jié)任何參數(shù)，實(shí)現(xiàn)方便；所提出的觀測(cè)器既適應(yīng)于理想電網(wǎng)條件下DFIG的運(yùn)行控制，也適用于電網(wǎng)異常情況下DFIG的故障穿越運(yùn)行。搭建了雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真模型，對(duì)提出的控制策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提方案的可行性和正確性。

雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)；電網(wǎng)異常；無度傳感器；滯環(huán)轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)器

雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(Doubly-fed induction generator,DFIG)因能實(shí)現(xiàn)變速恒頻運(yùn)行，在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中備受關(guān)注。在該系統(tǒng)中，DFIG定子直接與電網(wǎng)相連，轉(zhuǎn)子通過雙PWM變換器進(jìn)行交流勵(lì)磁，實(shí)現(xiàn)DFIG輸出有功和無功功率的解耦控制。

DFIG控制策略的研究要用到轉(zhuǎn)子位置角θr。θr可通過速度傳感器獲得[1]，也可采用無速度傳感器控制技術(shù)獲取[2]。無速度傳感器技術(shù)無需安裝和維護(hù)轉(zhuǎn)子位置傳感器，系統(tǒng)成本低，可靠性高，適應(yīng)于在惡劣環(huán)境下工作。因此，無速度傳感器控制在雙饋風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用越來越受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視。文獻(xiàn)[3-5]提出基于轉(zhuǎn)子電流的模型參考自適應(yīng)(Model Reference Adaptive System，MRAS)轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)器，采用PI調(diào)節(jié)器作為自適應(yīng)控制器。該觀測(cè)器的估算精度受PI參數(shù)和電機(jī)參數(shù)影響；上述文獻(xiàn)均在αβ坐標(biāo)系下用定子磁鏈估算轉(zhuǎn)子電流，定子磁鏈的估算誤差將直接影響轉(zhuǎn)子電流的估算精度。現(xiàn)有的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)無速度傳感器技術(shù)的研究成果均適合于理想電網(wǎng)條件下DFIG的運(yùn)行控制，對(duì)于電網(wǎng)異常條件下轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)器的研究尚未看到相關(guān)文獻(xiàn)。

本文提出一種不平衡電網(wǎng)電壓條件下基于滯環(huán)控制(Hysteresis control,HC)的轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)器。此觀測(cè)器依據(jù)實(shí)際轉(zhuǎn)子電流和估算轉(zhuǎn)子電流正序分量相位偏差估算轉(zhuǎn)子位置。為避免文獻(xiàn)[12-13]中采用定子磁鏈觀測(cè)器估算轉(zhuǎn)子電流所帶來的估算誤差，所提出的觀測(cè)器在正轉(zhuǎn)同步旋轉(zhuǎn)dqP坐標(biāo)系下用定子電壓和電流的正序分量直接估算轉(zhuǎn)子電流正序分量，提高了電流估算精度。仿真研究驗(yàn)證了所提策略的可行性和正確性。

1 電網(wǎng)電壓不平衡條件下DFIG的等效模型

定子按發(fā)電慣例、轉(zhuǎn)子按電動(dòng)慣例。DFIG在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下電壓和磁鏈?zhǔn)噶糠匠虨?/p>

(1)

(2)

下標(biāo)“+”表示正序分量，“-”表示負(fù)序分量，“s”表示定子，“r”表示轉(zhuǎn)子，上標(biāo)“P”表示正轉(zhuǎn)，“N”表示反轉(zhuǎn)；us,ur,is,ir,ψs,ψr分別為定子、轉(zhuǎn)子電壓、電流及磁鏈?zhǔn)噶?；Lm,Ls,Lr分別為定、轉(zhuǎn)子同軸等效繞組間的互感、定子等效兩相繞組的自感和轉(zhuǎn)子等效兩相繞組的自感；ω1為電網(wǎng)電壓同步旋轉(zhuǎn)角頻率，ωr為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角頻率，ωslip+=ω1-ωr為正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)差角頻率。

DFIG正轉(zhuǎn)同步坐標(biāo)系下等效電路如圖1所示，其中Lσs,Lσr為定、轉(zhuǎn)子漏感。

圖1 正同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中DFIG等效電路Fig.1 The equivalent circuit of DFIG in positive synchronous rotating coordinate

2 基于轉(zhuǎn)子電流的轉(zhuǎn)子位置估算原理

2.1 dq坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子電流正序分量估算模型

(3)

由式(2)與式(3)可得

(4)

將式(4)改寫為正負(fù)序分量可得

(5)

由式(5)估算轉(zhuǎn)子電流時(shí)，包含轉(zhuǎn)子電流負(fù)序二倍頻分量，可采用二階陷波器濾除二倍頻分量，二階陷波器傳遞函數(shù)為：

(6)

式中ω0=2ω1=200πrad/s為截止頻率；ξ為衰減系數(shù)。實(shí)際系統(tǒng)中考慮到濾波效果和控制系統(tǒng)穩(wěn)定性，取ξ=0.707。二階陷波器伯德圖2所示。

圖2 二階陷波器伯德圖Fig.2 The bode diagram of the second order notch filter

由上圖可知，在頻率為2ω1附近，其增益很小，可以濾除二倍頻的負(fù)序分量。式(5)經(jīng)二次陷波器分離出轉(zhuǎn)子電流在dqP坐標(biāo)系下的正序分量為

(7)

(8)

將式(8)代入式(7)中得

(9)

(10)

圖3 轉(zhuǎn)子電流估算模型

圖3中的PLL為電網(wǎng)電壓鎖相環(huán)。

2.2 轉(zhuǎn)子位置偏差函數(shù)εr的構(gòu)建

(11)

在dqP坐標(biāo)系下，εr的模表示為：

(12)

3 滯環(huán)轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)器

圖4 HC觀測(cè)器結(jié)構(gòu)Fig.4 Schematic of observer based on the HC controller

圖5 HC原理圖Fig.5 The diagram of hysteresis controller

圖5中，H為滯環(huán)寬度。本文選取幾個(gè)不同的H值進(jìn)行仿真，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，得出最佳滯環(huán)寬度為H=0。H=0時(shí)的滯環(huán)控制規(guī)律為

(13)

4 電網(wǎng)電壓不平衡條件下HC觀測(cè)器仿真

本文采用Matlab仿真技術(shù)驗(yàn)證提出的HC轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)器在電網(wǎng)故障條件下實(shí)現(xiàn)的正確性和可行性。

仿真時(shí)轉(zhuǎn)子側(cè)變換器及DFIG控制策略采用電網(wǎng)電壓不平衡條件下的PIR矢量控制策略[6]，基于滯環(huán)轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)器的DFIG PIR矢量控制結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 電網(wǎng)不平衡條件下DFIG PIR矢量控制策略框圖Fig.7 The PIR control strategy of DFIG unbalanced network conditions

仿真時(shí)DFIG并網(wǎng)線電壓為270V。仿真條件為：①電網(wǎng)電壓?jiǎn)蜗嗟?5%，故障發(fā)生時(shí)段為[0.6s 1.2s]；②DFIG風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行轉(zhuǎn)速為1000r/min；③定子輸出平均有功、無功功率參考分別為2800W和0Var;網(wǎng)側(cè)變換器直流母線電壓200V。仿真波形如圖8～9所示。

圖8 單相跌落25%實(shí)際與估算轉(zhuǎn)子位置仿真波形Fig.8 Simulation waveform of the actual and estimated rotor position with 25% of single-phase voltage drop

圖9 電網(wǎng)電壓?jiǎn)蜗嗟?5%時(shí)DFIG主要物理量仿真波形Fig.9 Simulation waveform of DFIG with 25% of single-phase voltage drop

圖9為電網(wǎng)電壓下不平衡條件下基于HC轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)器的DFIG PIR控制策略仿真波形。由圖9可知，在故障發(fā)生的整個(gè)時(shí)段[0.6s 1.2s]內(nèi)，在基于HC轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)器的DFIG PIR策略控制下，DFIG定子電流和轉(zhuǎn)子電流正弦度好、平衡度高，定子輸出功率Ps,Qs和電磁轉(zhuǎn)矩Te均在允許的誤差范圍內(nèi)可控。

仿真驗(yàn)證了所提出的HC轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)器在電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)能正確估算轉(zhuǎn)子位置；基于HC轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)器的DFIG PIR矢量控制策略具有良好的故障穿越能力。

5 結(jié) 論

本文對(duì)提出適合電網(wǎng)電壓不平衡條件下的HC轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)器進(jìn)行了分析和討論。通過仿真研究驗(yàn)證了在電網(wǎng)電壓不平衡條件下，HC觀測(cè)器均能準(zhǔn)確估算轉(zhuǎn)子位置。

[1]劉其輝,王志明.雙饋式變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)的無功功率機(jī)制及特性研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011(3):82-89.

[2]康忠健，呂學(xué)志，陳天立，等.基于轉(zhuǎn)子電流的模型參考自適應(yīng)模糊控制雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)器設(shè)計(jì)[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2010,38(21):72-82.

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[5]高樂,周有慶,徐隆亞,等.基于轉(zhuǎn)子電流的雙饋感應(yīng)電機(jī)無速度傳感器控制[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2010,34(13):61-65.

[6]Hu Jia bing,He Yikang,XuLie,et al.Improved control of DFIG system during network unbalance using PI-R current regulators[J].IEEE transactions On Industrial Electronics,2009,56(2);439-451.

The rotor position observer design of DFIG under unbalanced network conditions

ZHAO Meihua1，YANG Kuimin1，LIN Li2，YANG Yong3

(1.Luoyang Institute of Science and Technology,Luoyang 471023，China；2.Shaoyang University，Hunan Provincial Key Laboratory of Grids Operation and Control on Multi-Power Sources Area，Shaoyang 422000，China；3.School of Urban Rail Transportation,Soochow University,Suzhou 215137，China)

A hysteresis rotor position observer was presented to acquire the rotor position angle based on mathematical model of the doubly-fed induction generator(DFIG)under unbalanced network conditions.The observer estimated the rotor position and speed by hysteresis controller to adjust the phase deviation between actual rotor current and estimated positive sequence component of the rotor current,the system structure is relatively simple,without adjusting any parameters,easy to achieve.Simulation model for wind energy generation system-with DFIG is set up.The simulation results show that the control strategy is feasible and efficient.

doubly-fed induction generator;unbalanced network conditions;sensorless;rotor position hysteresis observer.

1672-7010(2017)01-0076-06

2016-09-12

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(51407124);.河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目(16A470012);湖南省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2016TP1023);湖南省教育廳科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(16A191)

趙梅花(1966-)，女，河南西平人，副教授，博士，從事新型電力電子變換及新能源發(fā)電技術(shù)研究；E-mail:zhaomh2013@126.com

TM46 < class="emphasis_bold">文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

A