双馈风电机控制策略优化

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：故而可以参考异步电机的分析方法，如等效电路和时空相量图法，针对双馈发电机的特点作相应的修改，研究双馈发电机内部的电磁关系与控制策略。

1.网侧变换器的控制策略

双馈发电机运行状态的变化会引起直流侧电流的变化，从而引起直流侧电压的变化，而风速的变化也会引起直流侧电压的变化，直流侧电压的变化会引起整个风力发电系统的性能恶化。所以，网侧变换器的主要控制目标就是保持直流侧电压恒定和功率因数控制。从结构上看，双馈式风力发电系统中的网侧变换器实际上就是通常的三相电压型PWM变换器。一般来说，凡是满足上述控制目标的PWM变换器的控制策略均可用于网侧变换器的控制，通常网侧变换器的控制可以分为基于电网电压定向的矢量控制和直接功率控制以及基于虚拟磁链定向的矢量控制和直接功率控制四种。

电网电压定向的矢量控制将电网输入电压和电流转换到两相同步旋转坐标系下，然后使用双闭环PI调节器来实现对网侧变换器的控制，其中内环PI调节器控制d轴和q轴的电流，而外环PI调节器控制直流侧电压和无功功率。基于电网电压定向的直接功率控制通过检测直流侧电压、变换器工作状态以及电网侧电流来计算得到变换器需要从电网吸收的有功功率和无功功率，一般为保证其工作在单位功率因数而将无功功率置为零，然后根据功率的差值来选择功率开关管的工作状态，采用类似于直接转矩控制的Bang-Bang控制。比照感应电机的控制方法，可以将PWM变换器系统看成为一个虚拟电机，虚拟磁链定义为电网相电压的积分，滞后于电网电压90°，将电网输入电阻、电抗和电网相电压分别认为是虚拟电机的定子电阻、定子漏抗和反向电动势。这样就可以将PWM变换器视为一个感应电机来实施矢量控制或直接功率控制。

这四种控制方法各自有其优缺点，基于电网电压定向的矢量控制和直接功率控制具有固定的开关频率，可以使用各种先进的控制方法，但是它的算法比较复杂，对参数的依赖性比较强；而基于虚拟磁链定向的矢量控制和直接功率具有很好的动态响应，功率因数高，对参数的敏感性比较低，但是需要较高的开关频率，需要高档的处理器和A/D转换器。它们都可以实现有功功率和无功功率的解耦控制，理论上都可以应用于风力发电中的网侧变换器的控制。但是由于风电中的网侧变换器的功率一般来说都比较大，而直接功率控制所需要的高开关频率及其不固定的开关周期限制了它的使用，所以在实际的风力发电中，网侧变换器的控制主要还是使用基于电网电压定向的矢量控制。

由于风能是一种剧烈变化的、随机性很强的可再生能源，所以在变速恒频双馈风力发电系统中，转差功率处于不断变化的状态，对于网侧变换器来说，实际上就是其负载的变化非常剧烈，这就要求网侧变换器要在剧烈的负载变化过程中保持直流侧电压稳定。直流侧电压的静态稳定性和动态调节速度对风电系统的运行特性至关重要。为了使网侧变换器能达到优良的性能，控制器的设计是关键，从控制的观点出发，除常规的矢量控制方法外，又提出了多种其他控制方法。

西安交通大学的董晓鹏在传统的电压电流双闭环基础上增加了负载电流前馈控制，很大程度上提高了变换器的抗负载扰动能力。浙江大学的贺益康、赵仁德在完成了风电网侧变换器传统的电压电流双闭环控制实验的基础上，提出了一种改进的i_q^*≠0的动态变结构控制方案，仿真表明该方案可以较大程度上提高网侧变换器的抗负载扰动能力。合肥工业大学的张崇巍等针对采用T型滤波器的大功率风力发电网侧变换器提出了利用变换器输出电流闭环控制与电压电流双前馈补偿相结合的控制策略，并进行了仿真研究，表明系统不仅响应速度快，而且具有较好的抗干扰性和鲁棒性。

新的风电并网导则要求风力发电机在电网故障时能够不脱网运行，这也就是说，要求网侧变换器能够在三相电网不平衡的状态下正常工作，这就要求控制器具有大范围稳定及良好的跟踪性能。但是，由于PWM变换器本身的多输入、多输出、强耦合、非线性的系统特性，以上大多数的控制方法都是依赖于近似线性化的模型或者带补偿的线性控制器，这些方法在诸如具有大电容的特定条件下或者有限的工作范围内才能正常工作，所以依赖于近似线性化的模型，系统的全局稳定性以及跟踪特性的严格理论证明很难得到。

为了改进以上所提到的缺点，Komurcugil和Kukrer基于李亚普诺夫函数构建了一个具有全局稳定性并可以硬件实现的控制方法，具有良好的动态响应。但是控制器的实现需要稳态时的镇定点，而这个镇定点依赖于电路参数和负载电阻，从而在状态变量中会有轻微的稳态误差，而且其鲁棒性还需要进一步研究。Tzann-Shin Lee等将微分几何理论的非线性控制理论引入到PWM变换器的控制中，实现了变换器的输入输出精确线性化控制，实验表明利用精确解耦线性化的PWM变换器控制策略，加速了直流电压响应，直流电压的跟踪比常规的PI控制快，电流波动小，同时电容器的电容量大大减小，增加了系统的可靠性，并可减少设备的成本。但是这种状态反馈线性的方法将问题引入到“几何域”中进行研究，利用复杂抽象的微分几何的方法，运算复杂，控制方法在工程上较难实现。

2.转子侧变换器的控制策略

就本质而言，双馈发电机与普通异步电机的工作原理是一致的。二者的主要区别在于普通异步电机转子电流的频率取决于电机的转速，由转子短路条感应电动势的频率决定，与转差率有关，转子电流本身的频率不能自主地调整。而双馈发电机转子绕组的频率由外加交流励磁电源供电，其频率可以随之变化调节。因此，双馈发电机既具有异步电机的工作原理，又具有同步电机的工作特性，是一种特殊的同步化异步电机。故而可以参考异步电机的分析方法，如等效电路和时空相量图法，针对双馈发电机的特点作相应的修改，研究双馈发电机内部的电磁关系与控制策略。

双馈发电机可以被看做是具有旋转二次绕组的变压器，其中定子和转子绕组之间的耦合系数随转子位置的变化而连续变化，发电机模型可以通过具有时变电感的微分方程来描述，但是这种模型往往很复杂。20世纪20年代，Park R H提出了一种新的电机分析理论（即著名的Park变换），可将三相电机等效为两相电机来表示，巧妙地消除了由于电路的相对运动和电路磁阻的变化引起的全部时变电感；30年代，Stanley H C指出通过将转子变量变换成与假想的静止绕组关联的变量，异步电机的电压方程中由于电路做相对运动导致的时变电感也可被有效消除，转子变量被变换到一个固定在定子上的静止参考坐标系。后来，Kron G提出了一个将定子和转子共同变换到一个与旋转磁场一起运动的同步旋转参考坐标系的变换，这种变换非常重要。Krause和Thomas提出了通过将定子和转子变量归算到一个共同的以任意转速旋转的参考坐标系（任意参考坐标系）上，Bre-reton D S提出了一个将定子变量变换到固定在转子上的旋转参考坐标系上的变换，通过这些变换都可有效消除时变电感。Adkins B在总结前人工作的基础上并结合自己多年对电机的研究成果，撰写了闻名于世的《交流电机统一理论——在实际问题上的应用》一书。

1971年，Custman P C和Clark A A在美国联合申请了“异步电动机定子电压的坐标变换控制”专利，SIEMENS公司的Blaschke F和Flotor W提出了“异步电动机磁场定向控制理论”，即采用矢量变换的方法研究交流电动机的动态控制过程，实现了以转子磁链定向为基础的磁通和转矩的解耦控制，从而使得交流电动机传动控制系统的动态特性有了显著的改善，开辟了电气传动领域的新纪元，成为现代交流调速技术发展的开端，这在电气传动自动化发展史上具有划时代的意义。

尽管矢量控制具有很好的动态调速性能，但是由于矢量控制实现时需要进行复杂的坐标变换，并且对被控电机的参数精确性要求较高，从而使得系统的实际控制效果难以达到理论分析的结果。1985年，德国鲁尔大学的Depenbrock教授在电压矢量控制和磁通轨迹控制的基础上，首次提出了直接转矩控制（Direct Torque Control，DTC）的理论，随后又有学者将该理论推广到弱磁调速范围内。与矢量控制不同，为了避免矢量控制中复杂的坐标变换，直接转矩控制估计的磁通为定子磁通，而非矢量控制中的转子磁通。因为定子磁通仅与定子电阻有关系，从而大大减小了对电机参数的依赖性。该方法跳出了交流传动调速技术研究的传统思维框架，不去考虑各个物理量如何解耦，而将定子电流分解为转矩分量和励磁分量，取消坐标旋转变换，简单地通过检测到的定子电压和定子电流，并根据与给定值比较所得的差值，利用定子磁场定向和离散的两点式调节（Bang-Bang控制）产生PWM信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能，实现磁链和转矩的直接控制，从而使得直接转矩控制异步电动机调速系统更为简单。

在以上著名学者卓有成效的研究工作基础上，20世纪90年代以来，涌现出了很多双馈发电机励磁控制策略，并取得了一些有意义的研究成果。

并网型气隙磁链定向控制的双馈发电机数学模型，可实现定子端口有功和无功功率的解耦控制，但该励磁控制模型在推导中忽略了定子漏阻抗和转子漏感，同时近似地认为气隙磁链为常数，在很大程度上造成励磁控制模型精度的下降，且在实际控制系统中很难准确做到气隙磁场定向，工程实现较困难，现在已较少采用该方法来实现变速恒频双馈发电机的励磁控制。

双馈发电机与转子电流、定子磁链有关的多标量励磁控制策略，其优点是不需要在同步坐标轴系下进行转换计算，控制系统相对简单，但其数学模型实现的前提是定子磁链为常数，因而在实际控制中往往导致其有功、无功的近似解耦以及动态响应性能较差。目前，已很少采用该模型来实现双馈发电机的励磁控制。

并网型双馈发电机定子磁链定向控制方法，在基于电流内环和速度外环控制模式下，可获得最大风能追踪以及有功、无功功率解耦和转速的独立控制，应用较为广泛。

经过二十多年的发展，直接转矩控制的性能有了较大提高，理论比较成熟的是德国和日本，已进入实用化阶段。Mohammed O A等提出了一种新颖的保持转子功率因数为1的基于开关表的滞环直接转矩控制策略，实验证实了采用该控制策略的双馈发电机可运行于超同步和亚同步状态。由于采用直接转矩控制在双馈发电机起动和低速运行时系统性能恶化，在直接转矩控制的基础上，提出了直接功率控制（Direct Power Control，DPC），克服了转子电流采用PI控制器时系统性能高度依赖精确的电机参数的缺点，简化了系统设计，提高了系统稳态、暂态性能，是今后值得研究的一种控制策略。

也有的采用内模控制替代常规PI控制器，由于内模控制不过分依赖被控对象的准确数学模型，对模型精度要求低，系统跟踪调节性能好，抗干扰性强，且设计的控制器结构简单，参数单一，可减少试错的步骤，易于工程实现。对于低阶系统，内模控制的优点是可以使用PI或PID型控制器，并且在一定的系统参数和满意的闭环带宽中，内模控制的参数可以直接表示，本书也对该控制策略进行了较为深入的研究。

Rashed M提出了将滑模控制应用于变速恒频双馈发电机风力发电系统，标准的滑模控制是典型的非线性控制，可应用于系统模型不确定和参数变化的被控对象，为了提高鲁棒性和消除扰动，提出了定子电压滑模控制器，仿真结果显示所提控制方案取得了较好的效果。

由于变速恒频双馈发电机风力发电系统是一个非线性、多变量时变系统，较难建立精确的数学模型，而模糊控制适合用于不易获得精确数学模型的被控对象，所以在双馈发电机转子侧采用模糊PI控制器取代传统PI控制器，使得发电机运行中比例、积分参数可以自适应调整，系统动态响应更快、稳态误差更小、控制精度更高。

此外，还有将以上控制策略组合应用的复合控制方法，如将直接转矩控制和滑模控制进行整合，结合二者的优点，使系统具有更快的响应速度和鲁棒性；将模糊控制和滑模控制进行组合并进行相关的仿真和实验研究；还有的集多种控制策略于一体，使用滑模—模糊神经网络控制进行研究。以上研究成果经过一定改进可移植到双馈发电机转子励磁控制中，有可能成为今后双馈发电机转子励磁变换器控制新的发展方向。

双馈风电机控制策略优化

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