不平衡電網(wǎng)電壓下并網(wǎng)型雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)勵磁控制策略

1、第 42卷 第 1期 2009年 2月 武漢大學(xué)學(xué)報 (工學(xué)版 Engineering Journal of Wuhan University Vol. 42No. 1Feb. 2009收稿日期 :2008211220作者簡介 :趙 陽 (19752 , 女 , 博士 , 講師 , 主要從事電力電子與電力傳動等方面的研究 , E 2mail :zhaoyanghg. 基金項(xiàng)目 :國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (編號 :50507006 .文章編號 :167128844(2009 0120110204不平衡電網(wǎng)電壓下并網(wǎng)型雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)勵磁控制策略趙 陽 1, 鄒旭東 2, 丁穩(wěn)房 1(1. 湖北工

2、業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 , 湖北 武漢 430068; 2. 華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 , 湖北 武漢 430074摘要 :通過坐標(biāo)變換推導(dǎo)出雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)在正 、 負(fù)序坐標(biāo)系下的電壓方程和磁鏈方程 , 建立了正 、 負(fù)序坐標(biāo)系下基于定子正 、 負(fù)序磁鏈定向的并網(wǎng)型雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型 . 分別給出負(fù)序控制系統(tǒng) 4負(fù)序電流指令值 , 得到適應(yīng)于電網(wǎng)電壓不平衡的雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)在正 、 .關(guān)鍵詞 :雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī) ; 勵磁控制策略 ; 不平衡電壓 ; 中圖分類號 :TM 614 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 :A2connectingunbalanced grid voltageZHAO Yang 1,

3、ZOU Xudong 2, DIN G Wenfang 1(1. School of Electrical and Electronic Engineering , Hubei University of Technology , Wuhan 430068, China ; 2. College of Electrical and Electronic Engineering , HuazhongUniversity of Science and Technology , Wuhan 430074, China Abstract :The voltage and flux equations

4、of t he doubly fed induction generator (DFIG under t he po sitive and negative rotary coordinates are deduced by using t he coordinate conversion mat rixes. By orienting t he po sitive and negative component s of stator flux at t he same time , a mat hematical model of grid 2connecting DFIG under t

5、he po sitive and negative rotary coordinates is built. The cont rol target s of negative control system are classified into four kinds ; and a DFIG exctitation vector cont rol strategy suitable for t he condi 2tion of unbalanced grid voltage is p ut forward.K ey w ords :doubly fed induction generato

6、r (DFIG ; excitation co nt rol st rategy ; unbalanced grid voltage ; stator flux oriented 并網(wǎng)型雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)傳統(tǒng)控制策略 15是在 電網(wǎng)電壓理想的條件下得到的 . 但通常電網(wǎng)電壓或 多或少存在相位與幅值不平衡 , 由于建立在正序旋 轉(zhuǎn)坐標(biāo)上的傳統(tǒng)勵磁控制策略對轉(zhuǎn)子負(fù)序電流無法 進(jìn)行有效控制 , 因此不平衡電網(wǎng)電壓會對雙饋發(fā)電 系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生不良影響 69:三相繞組發(fā)熱不平衡 , 嚴(yán)重時還會引起過流 ; 有功功率 、 無功功率以及電磁 轉(zhuǎn)矩存在兩倍基頻脈動 . 脈動功率影響系統(tǒng)的穩(wěn)定 運(yùn)行 , 脈動電磁轉(zhuǎn)矩

7、產(chǎn)生噪音 , 損壞發(fā)電系統(tǒng)的機(jī)械部件等 .本文通過坐標(biāo)變換推導(dǎo)出雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)在 正 、 負(fù)序坐標(biāo)系下的電壓方程和磁鏈方程 , 建立了 正 、 負(fù)序坐標(biāo)系下的基于定子正 、 負(fù)序磁鏈定向的并 網(wǎng)型雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型 . 為解決電網(wǎng)電壓不 平衡引起的定 、 轉(zhuǎn)子電流不平衡和有功功率 、 無功功 率 、 電磁轉(zhuǎn)矩周期性脈動等問題 , 將控制目標(biāo)分成 4類 , 推導(dǎo)出不同控制目標(biāo)下轉(zhuǎn)子負(fù)序電流指令值 , 從 而得到并網(wǎng)型雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)在不平衡電網(wǎng)電壓條 第 1期 趙 陽 , 等 :不平衡電網(wǎng)電壓下并網(wǎng)型雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)勵磁控制策略件下的勵磁控制策略 .1 正 、 負(fù)序坐標(biāo)系下雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型

8、 圖 1示出雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)定子 A B C 坐標(biāo)系 、 轉(zhuǎn)子 abc 坐標(biāo)系 、 正序 (dq +坐標(biāo)系和負(fù)序 (dq -坐標(biāo) 系的關(guān)系 . abc 坐標(biāo)系以 r 電角速度逆時針旋轉(zhuǎn) , 正 序 (dq +坐標(biāo)系以 1轉(zhuǎn)速逆時針旋轉(zhuǎn) , 負(fù)序 (dq -坐標(biāo)系以 1轉(zhuǎn)速順時針旋轉(zhuǎn). 圖 1 對三相定, 分別得 、 負(fù)序坐標(biāo)系下的正 、 負(fù)序電 壓方程和磁鏈方程 .正序電壓方程為u +d s +u + q s +u+d r +u +q r +=-R s 0000-R s000R rR i + d s +i +q s +i+d r +i +q r +p+d s +q s +d r +q r +-1

9、+q s +1+d s +-2+q r +2+d r +(1式中 :u +d s +、 u +q s +、 u +d r +、 u +q r +, i +d s +、 i +q s +、 i +d r +、 i +q r +以及 +d s +、 +q s +、 +d r +和 +q r +分別為定子與轉(zhuǎn)子正序電壓 、 電流和磁鏈在正序坐標(biāo)系中的 d +、 q +軸分量 ; 2為 轉(zhuǎn)差角速度 , 2=1-r ; p 為微分算子 , p =d/d t ;R s 、 R r 為定、 轉(zhuǎn)子等效電阻 . 負(fù)序電壓方程為u - d s -u -q s -u -d r -u -q r -=-R s 0000

10、-R s 000R rR i -d s -i -q s -i -d r -i-q r -+p-d s -q s -d r -q r -+-1-q s -1-d s -2-q r -2-d r -(2式中 :u -d s -、 u -q s -、 u -d r -、 u -q r -, i -d s -、 i -q s -、 i -d r -、 i -q r -以及-d s -、 -q s -、 -d r -、 -q r -分別為定子與轉(zhuǎn)子負(fù)序電壓 、 電 流和磁鏈在負(fù)序坐標(biāo)系中的 d -、 q -軸分量 ; 1-=-1, 2-=-1+r .正序磁鏈方程為+d s +q s +d r +q r

11、+=-L s 0L 00-L sL 0-L 0L r0-L 0L ri +d s +i +q s +i +d r +i +q r +(3 負(fù)序磁鏈方程為 -d s -q s -d r -q r -=-L s 0L 0-L sL 0-L 0L 00L L ri -d s -i -q s -i-d r -i -q r -(4L r ; 、 轉(zhuǎn)子間等效. n pT m -T e=Jd t+Br (5式中 :T m 為機(jī)械轉(zhuǎn)矩 ; T e 為電磁轉(zhuǎn)矩 ; n p 為電機(jī)極對 數(shù) ; J 為電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量 , B 為與轉(zhuǎn)速成正比的轉(zhuǎn)矩 阻尼系數(shù) .式 (1 (5 構(gòu)成了雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)在正 、 負(fù)序坐標(biāo)系

12、下的九階數(shù)學(xué)模型 .2 基于定子正 、 負(fù)序磁鏈定向的并網(wǎng)型雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)勵磁控制策略2. 1 定子正 、 負(fù)序磁鏈定向假設(shè) :1 將 s +定義在 d +軸上 , 并忽略其暫態(tài) 過程 , 將 s -定義在 d -軸上 , 并忽略其暫態(tài)過程 ;2 忽略定子電阻 R s . 則有+d s +=s +q s +=0(6 u +d s + ps +=0u +q s + 1s +=U s +(7 -d s -=s -q s -=0(8u -d s - p s -=0u -q s - 1-s -=-1s -=-U s -(9式中 :s +和 s -分別為定子正 、 負(fù)序磁鏈?zhǔn)噶糠?;U s +和 U

13、s -分別為定子正 、 負(fù)序電壓矢量幅值 .2. 2 正 、 負(fù)序坐標(biāo)系下并網(wǎng)型雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型 轉(zhuǎn)子正序電壓與正序電流以及轉(zhuǎn)子負(fù)序電壓與111 武漢大學(xué)學(xué)報 (工學(xué)版 第 42卷負(fù)序電流之間的關(guān)系如下 :u +d r +=R r +L r i +d r +-2L r i +q r +u +q r +=R r +L r i+q r +2L r i +d r +L 0s +/L s (10u -d r -=R r +L r i -d r -2- L r i -q r -u -q r -=R r +L r i -q r -+2-L r i -d r -+L 0s -/L s (11式中 :為

14、漏抗因子 , =1-L 20/(L s L r .并網(wǎng)型雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的控制目標(biāo)有定子有功 功率 (或電磁轉(zhuǎn)矩 、 轉(zhuǎn)速 和定子無功功率 .定子輸出有功功率 P s 和無功功率 Q s 為P s =L s U s +i +q r +1-k u k iq +21L s-L sU s +i +d r +k u +k id sin 21t +0+L sU s +i +q r +k iq -k u co s 21t 0(Q s =21s2+U s +d r +k id L sU s +i +q r +k iq +k u sin 21t +0+L sU s +i +d r +k id -k u cos

15、21t +0(13式中 :k u =U s -/U s +; k id =i -d r -/i +d r +, k iq =i -q r -/i +q r +.發(fā)電機(jī)系統(tǒng)向電網(wǎng)輸出的有功功率 P e 為P e =1L sU s +i +q r +1+k u k iq +1L s U s +i +q r +k u +k iq sin 21t +0+1L sU s +i +d r +k u -k id cos 21t +0(14 電磁轉(zhuǎn)矩 T e 為T e =1L sU s +i +q r +1+k u k iq +1L s U s +i +q r +k u +k iq 21t +0+1sU s

16、+i d u -id 1t +0(152(a 、(b 所示 , 圖中 :T esc2為電磁轉(zhuǎn)矩的兩倍頻脈動 量 ; T e0為電磁轉(zhuǎn)矩中的直流量 ; i ms +、 i ms -為正、 負(fù)序勵磁電流 , i ms +=U s +/(1L 0 , i ms -=U s -/(1L 0 . 圖 2 并網(wǎng)型雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型2. 3 電壓不平衡條件下的勵磁控制策略在勵磁控制策略中正序控制部分應(yīng)使控制目標(biāo)的直流量追蹤指令值 ; 對負(fù)序控制部分 , 其輸入的控 制變量僅有 2個 , 而控制目標(biāo)卻多達(dá) 7種 , 如定 、 轉(zhuǎn) 子電流平衡 , 定子輸出的有功和無功功率無脈動 , 發(fā) 電機(jī)組向電網(wǎng)輸出的有

17、功功率無脈動 , 電磁轉(zhuǎn)矩和 轉(zhuǎn)速無脈動 , 同時滿足這些控制目標(biāo)是不可能的 . 表 1列出負(fù)序控制系統(tǒng)在不同控制目標(biāo)下 , 轉(zhuǎn)子負(fù)序 電流指令值 i -3d r -和 i -3q r -滿足的關(guān)系 .表 1說明 :1 實(shí)際控制目標(biāo)分為 4類 , 抑制定 子無功功率 、 發(fā)電機(jī)系統(tǒng)向電網(wǎng)輸出有功功率 、 電磁 轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速脈動可以同時滿足 ; 2 當(dāng)以抑制轉(zhuǎn)子 (定子 電流不平衡為控制目標(biāo)時 , 負(fù)序勵磁電流i ms -由定子 (轉(zhuǎn)子 側(cè)提供 , 即定子電流和轉(zhuǎn)子電流的不平衡不可能同時得到抑制 . 但是 , 由于負(fù)序勵磁 電流較小 , 抑制轉(zhuǎn)子 (定子 電流不平衡時 , 定子 (轉(zhuǎn) 子 電流的不

18、平衡程度也大大減輕 .表 1 不同控制目標(biāo)下定 、 轉(zhuǎn)子電流負(fù)序分量指令值 不同控制目標(biāo) i -3d r -i -3q r -抑制轉(zhuǎn)子電流不對稱 00抑制定子電流不對稱i ms -0抑制 P s 脈動 k id =1L 0i +d r +-k u k iq =k u 抑制 Q s 、 P e 、 T e 和 r 脈動k id =k uk iq =-k u 因此可以得到適用于電網(wǎng)電壓不平衡條件 , 建立在正 、 負(fù)序坐標(biāo)系下的基于定子正 、 負(fù)序磁鏈定向 的并網(wǎng)型雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)勵磁控制策略 , 如圖 3所示 . 211 第 1期 趙 陽 , 等 :不平衡電網(wǎng)電壓下并網(wǎng)型雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)勵磁控制策略

19、 圖 3 基于定子正 、 負(fù)序磁鏈定向的并網(wǎng)型雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)勵磁控制策略3 結(jié) 論本文推導(dǎo)出正 、 負(fù)序坐標(biāo)系下的雙饋感應(yīng)發(fā)電 機(jī)電壓方程和磁鏈方程 , 通過對正 、 負(fù)序定子勵磁進(jìn) 行定向 , 得到并網(wǎng)運(yùn)行雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的五階數(shù)學(xué) 模型 ; 為解決電網(wǎng)電壓不平衡所引起的系列問題 , 將 控制目標(biāo)分成 4類 , 并分別給出不同控制目標(biāo)下轉(zhuǎn) 子電流負(fù)序分量的指令值 , 得到并網(wǎng)型雙饋感應(yīng)發(fā) 電機(jī)在不平衡電網(wǎng)電壓條件下的勵磁控制策略 . 為 雙饋感應(yīng)發(fā)電系統(tǒng)在電網(wǎng)不平衡條件下實(shí)現(xiàn)不間斷 運(yùn)行能力打下良好的理論基礎(chǔ) . 參考文獻(xiàn) :1 Pena R , Clare J C , Asher G M.

20、Doubly fed inductiongenerator using back 2to 2back PWM converters and its application to variable 2speed wind 2energy generation J.IEE Proc. Electr. Power Appl. , 1996, 143(3 :2312241.2 Pena R , Cardenas R , Clare J. Control strategy of dou 2bly fed induction generators for a winddiesel energy system J.IECON ,2002,4:329723302.3 李 輝 , 楊順昌 , 廖 勇 . 變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)勵 磁控制策略綜述 J.電工技術(shù)雜志 , 2002,12:528.4 李 輝 , 楊順昌 , 廖 勇 . 并網(wǎng)雙饋發(fā)電機(jī)電網(wǎng)電壓定向勵磁控制的研究 J.中國電機(jī)工程學(xué)報 , 2003,23(8 :1592162.5 李 晶 , 方 勇 , 宋家驊 , 王偉勝 . 變速恒頻雙饋風(fēng)電機(jī)組分段分層控制策略的研究 J.電網(wǎng)技術(shù) , 2005,2