双馈电机变环宽多阶滞环电流控制方法的研究*

李 明，刘国荣，杨小亮

(1.湖南工程学院 应用技术学院，湘潭 411101；2.湖南工程学院 电气信息学院，湘潭 411104；3.湖南大学 电气与信息工程学院，长沙 410012)

双馈电机变环宽多阶滞环电流控制方法的研究*

李 明1，刘国荣2，杨小亮3

(1.湖南工程学院 应用技术学院，湘潭 411101；2.湖南工程学院 电气信息学院，湘潭 411104；3.湖南大学 电气与信息工程学院，长沙 410012)

为减少双馈异步风机并网谐波含量，提出了一种新型变环宽多阶滞环电流控制的方法.研究了环宽与频率之间的关系，在普通变环宽表达式的基础上考虑初相位的影响，对滞环环宽建立关于频率与初相位的精确建模.仿真结果表明，新型变环宽多阶滞环电流控制方法能实现电流的快速稳定跟踪，并大大降低电流中的谐波含量.

双馈异步电机；新型多阶滞环电流控制；初相位；谐波含量

0 引言

与传统定速感应发电机和同步发电机相比，双馈风力发电系统可以变速恒频且功率能够四象限流动，同时，双馈风力发电机定子侧直接连接到电网，转子侧与变流器相连，相对于笼式异步发电机及永磁同步发电机，其变流器功率远小于发电机额定功率，使变频器的体积、重量和成本降低.双馈风力发电系统结构如图1所示，其中转子侧变换器控制目标为控制双馈风力发电机定子侧的有功和无功功率.

图1 双馈风力发电系统结构图

传统双馈风力发电控制系统一般采用定子磁链定向或定子电压定向的矢量控制策略，该方法将转子电流解耦为有功和无功分量，进而将系统有功和无功功率转化为对应的电流控制.根据上述基本思路，给定功率转化为参考电流值，通过控制器产生所需转子电压，上述方法能够解耦系统有功和无功功率分量，实现解耦控制，但矢量控制需要复杂的坐标变换，同时系统动、静态性能很大程度上依赖于电流PI控制器参数的整定，对系统参数变化敏感.相较于矢量控制，滞环电流控制方法直接对交流电流进行控制，省去了复杂的坐标变换，响应速度快；同时对系统参数不敏感,鲁棒性好，因而被广泛用在需要控制电流的变换器上[1].

传统的滞环电流控制器直接对三相电流分别进行控制，但相互独立的三相滞环电流控制器不能协同动作，因此开关频率波动明显[2].在此基础上文献[3]提出一种基于空间矢量的定环宽滞环电流控制方法，该方法有效避免了三相电流的独立控制引起的开关冗余动作，但由于电流波动的不确定性，固定环宽的滞环电流控制方法导致开关频率的波动较大，增加滤波器的设计难度.该方法对控制的精确性与IGBT较小的开关频率不可兼得，需通过试凑法来得到合适的环宽，因此不适用在动态系统中[4].文献[5]对滞环电流控制的定频方法进行了研究，主要探究开关频率和环宽之间的关系.本文以双馈异步电机转子侧变流器为控制对象，结合空间矢量控制技术和变环宽滞环电流控制方法，提出一种新型变环宽多阶滞环电流控制策略，使IGBT动作频率基本稳定，转子电流谐波含量大大减少.仿真结果表明固定环宽的滞环电流控制器在参考指令变化时比矢量控制有更快的响应速度，但谐波含量较大；变环宽的多阶滞环电流控制器不仅在指令值变化时有更快的响应速度，谐波含量也大大减少.

1 DFIG建模

双馈异步电机在定子坐标下采用简化的Γ型等效电路，如图2所示.图2中Rs、Rr分别表示定转子绕组等效电阻，Lm、Lσ分别表示电机定转子之间的互感、漏感.Is、Ir分别为定转子绕组流过的电流.ω1、ωr分别表示同步角速度和转子电角速度.φs、φr分别表示定转子磁链.jω1φs表示同步旋转坐标系下，定子绕组等效电抗上的压降.j(ω1-ωr)φr表示在同步旋转坐标系下转子电流在转子绕组等效电抗上的压降.

图2 双馈异步电机Γ型等效电路图

由图2根据基尔霍夫电压定律(KVL)可得到定转子电压表达式(1)、(2)

(1)

(2)

定子转子磁链的表达式(3)、(4)

φs=(Is+Ir)Lm=ImLm

(3)

φr=IrLσ+(Is+Ir)Lm

(4)

联合公式(1)、(2)、(3)、(4)可得到转子电压与定子磁链之间的关系如下

(5)

公式(5)说明通过控制转子电压可间接控制定子磁链，从而控制定子发出的功率.在对电机的控制方法中，有定子电压定向[6]，定子磁链定向[7]，转子磁链定向[8]，虚拟电网磁链定向[9]等.转子磁链定向多用在直接转矩控制策略中；虚拟电网磁链定向在电网电压跌落，定子电流中有负分量对定子磁链观测造成干扰时运用；双馈异步电机多采用定子磁链定向的控制方法[10]，无论是定子磁链定向，转子磁链定向，还是虚拟电网磁链定向，控制效果都高度依赖磁链观测的准确性.而且在无故障情况下的功率控制，没必要进行虚拟电网磁链定向.因此本文选择定子电压定向，即Vs=Vsd.文献[6]给出了定子侧发出功率与转子电流之间的关系，见表达式(6)、(7).

(6)

(7)

由式(6)、(7)可以看出有功功率与d轴电流有关，无功功率与q轴电流有关，实现了有功无功的解耦控制.因此通过控制坐标变换后的dq轴转子电流即可控制定子的有功和无功功率.将本文所提出的新型滞环电流控制策略应用到双馈异步电机的并网运行中，结构框图如图3所示.图3中功率计算模块按照式(6)、(7)计算.

图3 双馈异步电机滞环电流控制结构图

若选择定环宽滞环控制方法，环宽δ需要仿真试凑，最后确定在满足控制精度的条件下，谐波含量相对较小的环宽δ.文献[16]用变化的环宽代替固定环宽，对三相变流器电路建模，得出环宽与开关频率的关系，使开关频率为固定值，求出此时的滞环大小，见式(8).

(8)

式(8)中，h0为当前环宽，U0为变流器输出电压有效值，f为期望的开关频率，L为转子绕组等效电感.文献[11]对于输出电压u0=U0sinωt的假设并不精确.环宽的大小不仅与转子电压的角频率有关，还与转子电压当前时刻的相位有关.设输出电压u0=U0sin(ωt+φ0)，将其代入式(8)中，得

(9)

化简：

(10)

式(10)中φ0为初始时刻转子电压相位，由软锁相环确定，ω为转子电流角频率Ud为直流母线电压.将各参数带入式(10)中，得h0的范围为0～73.2.

2 仿真结果分析

本文仿真所用双馈异步电机为绕线式.参数如下：额定功率11 kW，定子额定电压(线)转子漏感Llr=0.002 H，互感Lm=0.0315 H，转子电阻Rr=2.5 Ω，定子电阻Rs=1.0 Ω，极对数N=3.图4(a)～图8(a)为固定环宽的滞环电流控制仿真结果，图4(b)～图8(b)为变环宽滞环电流控制仿真结果.

图4 定环宽与变环宽的滞环电流控制方法电流误差的比较图

图5 定环宽与变环宽的滞环电流控制误差局部的比较图

图6 定环宽与变环宽的滞环电流跟踪曲线比较图

图7 定环宽与变环宽的滞环电流跟踪曲线局部比较图

图8 定环宽与变环宽的滞环电流控制方法谐波分析比较图

3 结论

新型变环宽滞环电流控制方法的仿真结果比定环宽滞环电流控制方法的效果好.从谐波含量以及参考值发生突变时的调整效果来说，变环宽滞环电流控制方法比固定环宽的滞环电流控制方法效果好.在参考值发生突变时，滞环电流控制器内在的限流特性能保证反馈电流值不会偏离参考值太多.变环宽滞环电流控制方法通过找到滞环宽度与频率之间的关系式，将固定频率代入公式中得到环宽与输出电压的2倍频分量之间的关系，在原来模型的基础上考虑电压初相位的影响，得到更为精确的环宽表达式.固定环宽的滞环电流控制的方法在双馈风电系统的控制中谐波含量较高，变环宽滞环电流控制方法能明显减少转子电流的谐波含量，且在参考值发生突变时响应迅速，对风电这种对稳定性要求极高的系统来说是十分必要的.

[1] 万蕴杰，周 林，张 海，等．基于数字信号处理器的有源电力滤波器，控制方案综述[J]．电网技术，2005，29(15)：51-55．

[2] 杨仁增，张光先，赵学良.空间矢量变环宽滞环电流控制方法[J].电网技术，2015,39(3)：843-849.

[3] 陈志华,曹以龙,张 海.基于空间矢量的滞环电流跟踪控制策略仿真研究[J]. 化工自动化及仪表, 2013, 40(3):338-341.

[4] Mohseni M，Islam S M．A New Vector-based Hysteresis Current Control Scheme for Three-phase PWM Voltage-source Inverters[J]． IEEE Transactions on Power Electronics，2010，25(9)：2299-2309．

[5] 曾 江，焦连伟，倪以信，等.有源滤波器定频滞环电流控制新方法[J].电网技术，2000,24(6)：1-8.

[6] 刘思佳,庄圣贤,舒鑫东.基于定子电压定向的双馈风力发电机功率控制[J]. 大电机技术, 2010(4):38-41.

[7] 高 扬,于会群,张 浩,等.基于定子磁链定向的双馈风力发电解耦控制研究[J].电气传动, 2014, 44(12):17-20.

[8] 张寅孩,陈 剑,张仲超.转子磁链定向的异步电机矢量控制实验研究[J]. 电力电子技术, 2004, 38(4):62-63.

[9] 侯兆然.基于虚拟磁链定向的PWM整流器控制方法研究[J].电力系统保护与控制,2014(21):105-109.

[10] 邹旭东,赵 阳,康 勇,等.并网型双馈发电机功率控制模式研究[J].大电机技术, 2007(2):57-60.

[11] 洪 峰,单任仲,王慧贞,等.一种变环宽准恒频电流滞环控制方法[J].电工技术学报, 2009, 24(1):115-119.

[12] 曾 江,刘 艳,叶小军,等.有源滤波器的低损耗滞环电流控制方法[J].电网技术,2010(1):73-78.

ResearchonControlStrategyofLowVoltageRideThroughBasedonDoublyFedInductionGenerator

LI Ming1, LIU Guo-rong2, YANG Xiao-liang3

(1. College of Applied Technology, Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411101, China; 2. College of Elect. and Information Engineering, Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411104, China; 3. College of Elect. and Information Engineering, Hunan University, Changsha 410012, China)

In order to reduce the total harmonic distortion(THD) of the double-fed wind generator which is connected to the grid, this paper puts forward a novel control method of variable multistage hysteresis current. The relationship between hysteresis and frequency has been studied in this papper.And accurate model of hysteresis about frequency and initial phase is set up. The simulation results show that the proposed current regulator has a superior tracking performance with low harmonic content of the current.

doubly fed induction generator (DFIG)； novel multistage hysteresis current control； initial phase； THD

2017-05-17

李 明(1990-)，女，硕士研究生，研究方向：风电系统控制技术.通信作者：刘国荣(1957-)，男，教授，博士生导师，研究方向：多变量系统模糊、神经网络自适应控制.

TM614

A

1671-119X(2017)04-0001-05