双馈异步风电机组机侧转速控制器的设计与仿真研究.pdf

太阳能第 09 期总第 353 期2023 年 09 月No.09Total No.353Sep.,2023SOLAR ENERGY990 引言为落实中国节能减排目标，近年来中国风电机组装机容量快速增长，在总装机量中占比不断提升。根据中国电力企业联合会发布的 2023 年12 月电力工业运行简况，截至 2023 年 2 月，中国风电机组装机容量为 3.7 亿 kW，占总装机量的 14.20%1-2。目前大规模并网运行的风电机组可分为两类：永磁直驱风电机组(PMSG)和双馈异步风电机组(DFIG)。DFIG由于其发电机(绕线式)和变流器造价低廉，在额定功率为 2 MW及以下的风电机组类型中广泛使用。DFIG 在不同风速段的控制目标也略有不同。在切入风速附近(对于 1.5 MW 风电机组，风速一般为 3.04.5 m/s)DFIG 控制方式为恒转速控制(转速为 1000 r/min)，此时 DFIG 保持最低并网转速(控制 I 段)；当风速(一般为 4.59.0 m/s)略高于切入风速且略低于额定风速时，DFIG 控制方式为恒定风能利用系数 Cp控制，此时风轮转速随着风速的变化，而变化保持其最大风能利用系数Cp,max值不变(转速范围为 10001800 r/min)，从而使风轮捕获的能量最大(控制 II 段)；当风速在额定风速附近时(一般为 911 m/s)，此时 DFIG保持额定转速(1800 r/min)运行(控制 III 段)；当风速高于额定风速(11 m/s)时，此时 DFIG 为依然保持额定转速(1800 r/min)恒功率运行(控制 IV 段)。由于风资源较好的地区风能开发已趋于饱和，同时随着平价与竞价上网时代的到来，提升风电机组在低风速下的发电效率具有重要意义3。DFIG 在控制 II 段(低风速段)通过调节发电机转矩使风轮按照最佳叶尖速比运行，跟踪最佳风能利用系数，提升风能利用率4-5。由于在电气结构上，DFIG的定子绕组直接与电网相连，机侧(即转子侧)通过变流器与电网相连，可通过调节转子侧变流器输出的频率和电流幅值控制 DFIG 转速6。所以，目前大多数主机厂家在控制 II 段主要采用查表法，DOI:10.19911/j.1003-0417.tyn20220701.01 文章编号：1003-0417(2023)09-99-06双馈异步风电机组机侧转速控制器的 设计与仿真研究张骏*，马东，卢成志，张银龙(华电电力科学研究院有限公司，杭州 310030)摘要：双馈异步风力发电机组(DFIG)机侧(即转子侧)变流器作为其电控系统的核心控制部件，主要负责双馈感应电机的转速控制和发电机无功调节任务，但由于其具有非线性、强耦合等复杂特性，导致变流器的控制器设计十分困难。针对上述情况，提供一种 DFIG 转子侧变流器控制策略设计方法和控制参数优化方法，可通过调节转子侧电流大小实现双馈感应电机转速、无功的无静差调节；并以 1.5 MW DFIG 实际参数为模型，利用 Simulink 仿真软件对该控制策略进行仿真验证。研究结果表明：利用 PI 控制器可实现 DFIG 转速-转矩控制，发电机转子侧电流理论上可实现无静差跟踪。关键词：风电机组；双馈异步风电机组；DFIG；转速控制；转子侧变流器中图分类号：TK513.5 文献标志码：A收稿日期：2022-07-01通信作者：张骏(1990)，男，硕士、工程师，主要从事风电机组控制、电力电子方面的研究。jun-2023-09杂志.indd 992023-09杂志.indd 992023/9/26 10:13:402023/9/26 10:13:402023 年太阳能100主控系统将不同转速对应的转矩下放至变流器，由变流器调节转子侧电流大小，以实现对DFIG 的转速控制。所以网侧变流器作为DFIG 转速控制的核心部件，其控制方法和控制参数的选择极其关键。本文在建立 DFIG 数学模型的基础上，采用传统 PI 矢量控制技术实现 DFIG 转速控制，并利用典型 型系统参数设计方法优化控制器参数，同时结合 Simulink 仿真软件对该方法设计得到的参数进行仿真验证。1 DFIG 数学建模由于双馈发电机具有非线性、强耦合的特性，所以为实现 DFIG 转速控制，必须构建 DFIG 动态数学模型。DFIG 的转子侧电气原理如图 1 所示。图中：ur、ir为转子侧电压、电流，us、is分别为定子侧电压、电流，Q1Q3、Q1Q3 均为绝缘栅双极型晶体管，C1为电容。?DFIGQ1Q2Q3Q1Q2Q3C1surusiri图 1 DFIG 转子侧电气原理图Fig.1 Electrical schematic diagram of rotor side of DFIG由于传统的 PI 控制方式一般只能无静差跟踪阶跃信号，所以需将机侧三相静止坐标系下的方程转换为两相同步旋转坐标方程，DFIG 定子侧数学模型为5,7：usd=Rsisd+?ssqdsddt (1)usq=Rsisq+ssddsqdt (2)式中：usd、isd和 usq、isq分别为定子 d 轴和q 轴的电压、电流分量；Rs为定子各相绕组电阻；sd、sq分别为定子磁链 d 轴、q 轴分量；s为同步转速的电角速度。定子磁链 d 轴、q 轴分量的计算式为：sd=Lsisd+Lmird (3)sq=Lsisq+Lmirq (4)式中：Lm为励磁电感；Ls为定子漏感和励磁电感之和；ird、irq分别为转子 d 轴和 q 轴的电流分量。DFIG 转子侧数学模型为：urd=Rrird+drddt(sm)rq (5)urq=Rrirq+drqdt(sm)rd (6)式中：urd、urq分别为转子 d 轴和 q 轴的电压分量；Rr为转子各相绕组电阻；m为转子的电角速度；rd、rq分别为转子磁链d轴、q轴分量。转子磁链 d 轴、q 轴分量的计算式为：rd=Lmisd+Lrird (7)rq=Lmisq+Lrirq (8)式中：Lr为转子漏感和励磁电感之和。电磁转矩 Te及运动方程为：Te=32np(sdisqsqisd)(9)TeTL=Jdrdt=Jnpdmdt (10)式中：TL为拖动转矩；J 为转动惯量；np为磁极对数；r为转子机械角速度。目前 DFIG 转速控制方式一般采用基于定子磁链定向的矢量控制技术，将同步旋转坐标系的d 轴定位于定子磁链空间矢量 s，s与 d 轴重合，因此在 q 轴上的分量为 0，表达式为：sd=s=Lsisd+Lmird (11)sq=Lsisq+Lmirq (12)由于目前兆瓦级风电机组定子侧电阻较小，可忽略不计，取值为零，则其定子侧电压方程可简化为：usq=Vs=ss (13)式中：Vs为 usq的幅值。转子在 d 轴、q 轴上的电压方程为：urd=Rrird+LrdirddtLrrirq+LmLs ddts (14)urq=Rrirq+Lrdirqdt+rLmLss+Lrird (15)技 术 应 用2023-09杂志.indd 1002023-09杂志.indd 1002023/9/26 10:13:412023/9/26 10:13:41第 09 期101其中：=Lm2LsLr(1 )(16)电磁转矩方程：Te=-32npVss LmLs irq (17)定子侧有功、无功时的功率 Ps、Qs的表达式为方程分别为：Ps=-32VSLmLs irq (18)Qs=-32VsLmLsim32VsLmLs ird (19)式中：im为定子侧电流幅值。2 控制器参数优化设计由式(17)(19)可得出，在定子磁链定向的同步旋转坐标系下电磁转矩大小仅取决于转子侧q 轴的电流分量，定子侧无功功率取决于转子侧d 轴的电流分量。因此，本文通过调节转子电压的方式来控制转子侧电流，从而调节发电机转速和定子侧无功功率。从式(14)、式(15)可以发现：控制项 urd、urq和被控项 ird、irq分别存在耦合项(下文公式中的*代表其控制的参考量)，为消除耦合项的影响，采用 PI 前馈解耦控制，其控制方程为8：urd*=kp+kis(ird*ird)Lrrirq (20)urq*=(kp+kis)(ird*irq)+rLmLs s+Lrird (21)式中：kp为比例参数；ki为积分参数；s 为拉普拉斯算子。将式(19)、式(20)带入式(14)、式(15)，且在稳态的情况下 s的导数为零，可得：(kp+kis)(ird*ird)=Rrird+Lrdirddt (22)(kp+kis)(irq*irq)=Rrirq+Lrdirqdt (23)从式(22)、式(23)可以看出：通过引入电流反馈和耦合项的前馈控制，可实现对转子侧电流的无静差控制。在变流器控制中引入延迟环节 T=0.5Ts(其中，Ts为正弦脉宽调制(SPWM)开关时间)，则转子侧电流内环(d、q 轴一致)的控制框图如图2 所示。图中：i为 PI 控制器参数，id为 d 轴或r 轴转子侧电流。*diid1Tss+1kp(is+1)is10.5Tss+11/RrLrs+1Rr+图 2 转子侧电流内环的控制框图Fig.2 Loop control block diagram of rotor side current inner 将其中电流采样环节和延迟环节合并，并忽略电流闭环函数(S)的高次项后对控制框图简化如图 3 所示。idkp(is+1)i s10.5Tss+11/RrLrs+1Rr*di+图 3 转子侧电流内环的简化控制框图Fig.3 Simplified control block diagram of rotor side current inner loop其开环传递函数为：Goi=kp(is+1)i s11.5Tss+11Rr(LrRrs+1)-1 (24)一般电流控制环要求快速的跟随性，因此可以按照典型 型系统设计，令 i=LrRr，则系统的开环传递函数可进一步简化为：Goi=kpiRr 1s(1.5Tss+1)(25)按照“二阶最佳系统”进行参数整定，令阻尼系数=0.707、时间常数 KT=0.57，可得到：kp=0.51.5Ts Rri (26)ki=kpi=0.51.5Ts Rr (27)由 于 目 前 变 流 器 开 关 频 率 fsw足 够 高，SPWM 开关时间将很小，所以电流内环闭环函数可简化为一个小惯性环节，其具有较快的动态响应特性。电流内环闭环函数 Gci(S)可表示为：Gci(S)=13Tss+1 (28)3 仿真验证过程及结论目前大多数变速恒频风电机组在恒风能利用技 术 应 用张骏等：双馈异步风电机组机侧转速控制器的设计与仿真研究2023-09杂志.indd 1012023-09杂志.indd 1012023/9/26 10:13:422023/9/26 10:13:422023 年太阳能102系数运行过程中采用查表法，主控系统根据风电机组的转速将参考转矩 Tref、参考无功功率 Qref发送至变流器，由变流器通过调节机侧电压和频率来控制风电机组转速实现恒风能利用系数运行。本文主要针对这种控制模式，利用 Simulink仿真软件对当前常见的 1.5 MW DFIG 参数对变流器电流内环控制进行仿真验证。DFIG 的转子侧完整控制框图如图 4 所示，图中：m为电网的电角速，s为发电侧的电角速。1.5 MW 的 DFIG基本参数如表 1 所示。主控系统采用查表法，其转速和转矩的对应关系如表 2 所示。DFIGssurrusii?mDQ?PI?图 4 转子侧完整控制框图Fig.4 Control block diagram of rotor side表 1 1.5 MW DFIG 基本参数Table 1 Basic parameters of 1.5 MW DFIG参数数值参数数值额定功率/MW1.5 额定电压/V690 额定电流/A1255 磁极对数2定子电阻/2.610-3定子漏感/H8710-6 转差率范围-0.200.33转子电阻/2.910-3 转子漏感/H8710-6 定子匝数1转动惯量/(kgm2)146 转子匝数1开关频率/Hz4000kp11.4摩擦系数10-3ki193.33注：转子侧参数为折算后数值图 5 是 DFIG 转速仿真图，从图 5 可以看出：DFIG 从转速 0 r/min 到并网转速 1000 r/min 约为 0.5 s。为模拟 DFIG 在大风环境中风速突变的情况，人为设置在 6 s 时 DFIG 输入转矩由 0.3Te突变至 0.5Te，经过 5 s 后，DFIG 转速稳定在1650 r/min，DFIG 转矩仿真图如图 6 所示，图中：表 2 1.5 MW DFIG 采用查表法时的参数Table 2 Parameters of 1.5 MW DFIG using lookup table method发电机转速 N/(r/min)Tref/(Nm)104720011305071204194713092360141328081518329016504010172055001760730018008050注：风电机组转速达到 1800 r/min 后，其主要调速方法为控制桨距角Twin为 DFIG 风轮输入转矩。N/(r/min)?/s501800160014001200100080060040020001015图 5 DFIG 的转速仿真图Fig.5 Simulation diagram of speed of DFIGT/(104N m)420-6-4-2-8-10?/s501015TeTrefTwind图 6 DFIG 的转矩仿真图Fig.6 Simulation diagram of torque DFIG技 术 应 用2023-09杂志.indd 1022023-09杂志.indd 1022023/9/26 10:13:422023/9/26 10:13:42第 09 期103从图 5、图 6 可以看出：电磁转矩数值跟随主控系统下发给变流器的目标转矩数值实时变化；随着转速的上升，电磁转矩和主控系统下发给变流器的目标转矩都呈阶梯式变化，最后逐渐趋于稳定，稳定在风轮输入转矩的数值，从而转速达到稳定。图 7 是 DFIG 转子侧电流(d、q 轴)仿真图，由于人为设置定子侧无功功率为零，所以转子侧电流 d 轴分量的计算值为零，转子侧电流 q轴分量由主控系统下放的转矩通过式(17)计算得出。?/A10000-1000-2000-3000-4000-5000-6000-7000?/s501015Irq,refIrqIrd,refIrq图 7 DFIG 转子侧电流仿真图Fig.7 Simulation diagram of current of otor DFIG从图 7 可以看出：无论是转子侧电流 d 轴或q 轴电流，都可以快速跟踪主控系统给定值，即使由于输入转矩突变，控制器也能使系统重新达到平衡。4 结论本文研究了 DFIG 变流器机侧控制器设计方法及参数整定计算方法，通过坐标变换将转子侧电流从三相静止坐标系数学模型转换成 d、q 轴同步旋转坐标系数学模型，利用 PI 控制器实现风电机组的转矩控制，并利用 Simulink 仿真软件查表法进行仿真验证，得出以下结论：1)利用 PI 控制器可实现风电机组转速-转矩控制，该控制器具快速性和抗扰动性。其发电机转子侧电流理论上可实现无静差跟踪。2)控制器设计过程中需要将转子侧三相静止坐标系下的电流值转换为两相同步旋转坐标系下的电流值，在实际应用中对变流器数字处理芯片的性能要求较高。3)在定子磁链定向的矢量控制方法中，其磁链定向的准确性会直接影响控制器性能，本文仿真采用的是电网电压定向的磁链观测器，在理想电网的情况下该方法能准确反映磁链空间矢量情况，但在电网故障的情况下定子会感应出磁链的自由分量，从而影响磁链观测器的结果。4)由于采用查表法的控制方式，一方面，DFIG 转矩成阶梯状上升，导致 DFIG 转速无法实时跟踪风速的变化，从而影响 DFIG 能效；另一方面，在转矩变化的附近，由于风速小幅度变化，可能导致转速出现震荡情况。参考文献 1 张金平，周强，王定美，等.“双碳”目标下新型电力系统发展路径研究 J.华电技术，2021，43(12)：46-51.2 黎博，陈民铀，钟海旺，等.高比例可再生能源新型电力系统长期规划综述 J.中国电机工程学报，2023，43(2)：555-581.3 史晓鸣，朱长江，姜寅.DFIG异步模式控制策略研究J.机械工程与自动化，2020(3)：19-21.4 刘其辉，贺益康，张建华.交流励磁变速恒频风力发电机的运行控制及建模仿真 J.中国电机工程学报，2006，26(5)：43-50.5 李和明，张祥宇，王毅，等.基于功率跟踪优化的双馈风力发电机组虚拟惯性控制技术J.中国电机工程学报，2012，32(7)：32-39，188.6 赵英庆.风力发电机原理及风力发电技术J.科技资讯，2015，13(25)：25-26.7 阮毅，杨影，陈伯时.电力拖动自动控制系统：运动控制系统 M.北京：机械工业出版社，2016.8 刘其辉.变速恒频风力发电系统运行与控制研究 D.杭州：浙江大学，2005.技 术 应 用张骏等：双馈异步风电机组机侧转速控制器的设计与仿真研究2023-09杂志.indd 1032023-09杂志.indd 1032023/9/26 10:13:432023/9/26 10:13:432023 年太阳能104 STUDY ON DESIGN AND SIMULATION OF ENGINE SIDE SPEED CONTROLLER FOR DFIGZhang Jun，Ma Dong，Lu Chengzhi，Zhang Yinlong(Huadian Electric Power Research Institute Co.，Ltd.，Hangzhou 310030，China)Abstract：The engine side(namely rotor side)converter of doubly-fed induction generator is the core control component of its electric control system，which is mainly responsible for the speed control of doubly-fed induction motor and the reactive power regulation of the generator.It is difficult to design the converter controller because of its inherent nonlinear and strong coupling characteristics.In this paper，a control strategy design method and control parameter optimization method for the rotor side converter of DFIG are presented.By adjusting the rotor side current，the speed and reactive power of doubly-fed induction motor can be adjusted without static difference.At the same time，the control strategy is verified by Simulink based on the actual parameters of 1.5 MW DFIG.The research results show that DFIG speed torque control can be achieved using PI controllers，and theoretically，generator rotor side current can be tracked without static error.Keywords：wind turbine；DFIG；speed control；rotor side converter 技 术 应 用2023-09杂志.indd 1042023-09杂志.indd 1042023/9/26 10:13:432023/9/26 10:13:43