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电力电子技术，卷 24，2009 年 11 月号 11 汇刊 2456
在电网不平衡时基于双馈风力发电机的直接功率控制
周鹏 学生成员 IEEE 贺益康 高级成员 IEEE 孙丹 成员 IEEE
摘要：本文提出了一种改进的直接协调功率控制（DPC）策略，它是双馈感应发电机（DFIG）和风力发电的电网侧转换器（GSC）不平衡的网络条件下产生的系统。改进DPC方案同时呈现双馈电机和GSC。以DPC为基础的DFIG能消除扭矩和定子无功功率的脉动，而基于DPC的GSC能补偿定子有功功率的脉动。为了提供对于整个系统的更强的控制性能，应用基本和双电网频率调节谐振控制器在改进的DPC中以消除扭矩和功率在短暂的不平衡电网故障时产生的脉动，因此该DFIG和GSC的输出功率可以直接调节，而没有任何正和负序的分解必要。所提出的DPC策略的有效性由一个2兆瓦DFIG系统在电网电压不平衡的条件下的模拟结果验证。
关键词：直接功率控制，双馈感应发电机，电网不平衡，谐振控制器，风力发电机组。
命名表：
C 直流母线电容
GSC的输出电流矢量
定子，转子电流矢量
互感
定子，转子漏电感
定子，转子自感
电磁力
GSC输出有功功率和无功功率
定子有功和无功功率
线电阻，电感耦合
定子，转子电阻
电磁转矩
定子，转子电压矢量
GSC的输出电压，磁通矢量
电网电压，磁通矢量
直流母线电压
定子，转子磁通矢量
omega; 定子，转子，滑角速度
定子电压角，转角
收稿于2009年3月3日;修订后的于2009年7月10日，目前版本12月4日公布，2009年这项工作的一部分是由国家支持的在中国的发展高技术研究项目2007AA05Z419和浙江省中国自然科学基金根据批准Y1080287。由副出版编辑J. Kokernak推荐。
作者是电气工程系，浙江大学，杭州310027，中国（电子邮件：beatles851@163.com;
ykhe@zju.edu.cn; sundan@zju.edu.cn）。
该文有一种或多种的数字颜色版本可在线看于http://ieeexplore.ieee.org。
数字对象标识10.1109/ TPEL.2009.2032188
上标
* 参考
and; 共轭复数
， - 正，负的（d-q）的参考帧
下标
d，q 同步旋转d-q轴的
s，R 定子，转子
alpha;，beta; 静止alpha;-beta;轴
， - 正，负序分量
Ⅰ、引言
以双馈感应发电机（DFIG）为基础的风力发电机组已经变得越来越流行，由于它的优势在激发转换器的变速运行时只有25％-30％发电机额定功率。然而，由于DFIG的定子直接连接到电网和励磁变换器的额定功率是有限制的，导致双馈系统受电网的干扰非常敏感。由于从双馈风力发电机组功率渗透到电网中的进程正在稳步推进，在电网扰动条件下双馈电机的控制和操作已经成为在过去的几年中深入研究的主题[1] - [10]。
在所有的电网扰动中，不平衡的电网故障比平衡的发生更加频繁。由平衡电网故障下双馈电机最严重的的问题是定子输出功率和电磁转矩的振荡，这些有害于所连接的电网和稳定风力发电机的机械系统[1]。此外，DFIG和电网侧转换器（GSC）直流环节功率振荡产生的结果是电压波纹，其有害的是直流母线电容。
现已经提出了各种方法来控制不平衡衡电网条件下双馈风力发电系统，而不平衡电网条件下的双馈系统的也已得到充分认识在[2] - [7]中。基本上，目前可用的不平衡控制方法都是基于对称分量理论[3]，其中指出，一个不平衡的系统是一个正序和负序的网络组成。因此，分解不平衡三相量成正序和负序的量的方法的是必须使用的。然而，由于分解过程中可能引入对于原始信号稳定性相当大的动态时间延迟、幅度、相位的一些错误，使整个控制系统的响应受到严重影响[7]。最近，出现了一些新型转子电流控制器，如主，辅控制器[8]，比例和共振（PR）的控制器[10]，和比例积分和共振（PIR）控制器[10]，这个已经在载体中通过控制方案来调节正序和负序转子电流从而不涉及顺序分解。但实际上，当应用这些控制器时只有转子电流分解可以避免，定子电压，电流，和磁通量必须仍然被分解为正序和负序转子电流基准再参与计算。
本文研究了一种改进的直接功率控制（DPC）策略以提高在电网电压不平衡的条件下双馈电机的控制和操作。该DPC的双馈感应发电机在一些文献[13]，[14]中进行了研究，其证明在传统的矢量控制策略具有几个优点，如实现简便，动态响应快，和DFIG的鲁棒性参数变化[14]。该应用DPC的在电网电压不平衡条件下的双馈发电系统在[15]和[16]中也有表述，然而，其中顺序分解是必不可少的。在本文中，改进DPC的谐振控制器被采用来调节定子功率脉动，从而使有功和无功的定子功率可以充分调节，没有任何必要性去顺序分解。
除了改进DPC的双馈异步发电机，一个新的不平衡GSC的DPC也已在本文提出。 类似
于双馈电机，许多文献研究过根据不平衡供应控制的三相电压源转换器（VSC）[17] - [20]。一般这些方法可分为两种类型，为电压定向控制（VOC）和DPC[21]。当施加不平衡的VOC就必须要顺序分解，因此就会涉及一些固有缺陷，如动态响应慢和电流控制环低带宽[22]。对于不平衡VSC的DPC方法，其采用了一些预先存储的开关表生成单脉冲宽度调制（PWM）[21]，从而避免了顺序分解，但VSC的开关频率是变化的。因此，提出了DPC空间矢量调制（SVM）并且其可达到恒定的开关频率[23]。 然而，关于SVM DPC在失衡电网电压条件下进行的应用报告已经提出。继改进DPC的双馈电机的想法，在SVM-DPC的GSC的谐振控制器已为本文采用，使得GSC的有功和无功输出功率被完全控制。
基于改进DPC的DFIG和GSC，DFIG和GSC的协调控制策略已经被设计并提供在不平衡电网供应下的双馈风力发电机改进的控制和操作能力。其提出的控制方案是通过详细的仿真验证研究的，是在失衡电网条件下的2兆瓦双馈系统仿真的。
Ⅱ、改进的直接功率控制双馈感应发电机
图1展示出了在这项研究中使用的基于DFIG的风力发电机的示意图。双馈电机的定子连接
通过一个星 - 三角网格连接的变压器，而转子连接到一四象限PWM变换器。 一个反并联晶闸管的撬棍开关连接到转子绕组用于保护DFIG和转换器以免在恶劣的电网故障中损坏。
图1 双馈风力发电系统的示意图
图2 .双馈电机的等效电路
A.在平衡电网条件下DFIG的DPC
对平衡电网下DFIG的DPC的详细研究条件已在[13]提出，所以在本节中只给出一个简短的描述。图2描绘的DFIG在D-Q参考系的等效电路同步旋转转速为。与普通电机相同，DFIG的定子和转子电压和磁通矢量可以表示为：
（1）
和
（2）
其中。所有在（1）和（2）中提到的参数都是在DFIG的定子侧。
根据（2），定子瞬时有功功率和无功功率可以被计算为：
（3）
在平衡电网电压状态下，定子通量可以被视为在正同步坐标不变，这意味着它的微分等于零。 考虑（1）中，如果d轴的同步参考系是固定的，那么定子电压向量和整个定子电阻上的电压降被忽略，定子电压矢量可以简化为：
（4）
其中，是定子电压的幅度。
把（4）代入（3），定子有功和无功功率可由下式给出：
（5）
其中
根据（5），在的恒定时间段采样，转子磁通量的变化可被计算为：
(6)
其中和分别为定子有功和无功功率参考值。
将（5）和（6）代入（1）的结果中，将需要的d轴和q轴的定子电压矢量转子控制电压导向参照系：
（7）
其中，是比例控制器，这是有助于降低功率错误。
B、双馈发电机在电网不平衡的动态响应
在本节中，对DFIG的动态响应暂态不平衡电网故障进行了研究。如果电网电压不平衡，双馈电机的定子电压可以分离成正和负序分量作为：
（8）
在平衡电网电压供电条件下，定子磁链矢量有的同步角速度，这意味着由一个纯粹的积分组成。然而，如果定子电压因为突然故障对电网变成不平衡状态，定子磁通将产生负序和零序分量[1]。由（8），并假设该电网故障开始在t = 0，瞬时定子的磁通矢量可以表示为[16]：
（9）
在这里（0-）是原来的定子电压，而（0 ）和（0 ）是一旦发生故障正和负分量的定子电压。 是零序（直流）定子通量的分量，它是由恒定磁链定理所决定的且将随定子阻尼暂态时间常数衰减[1]。
因为定子和转子之间是磁耦合的，定子磁链的时序分量将影响相应的转子绕组中的连续磁通分量。将这些定子和转子磁通矢量相加成（2），由它可以推断，不需要的磁通分量会导致不同种类的元件有定子和转子电流，随后，在双馈电机的电磁转矩显示于图3 [ 16 ]。
不平衡定子电压和故障电流将进一步导致定子功率脉动，如（10）
（10）
然后定子有功和无功功率可以被给定为：
(11)
转矩脉动
恒转矩
转子电流频率
磁场矢量的旋转速度
定子电流频率
图3.定子，转子电流，磁通和电磁的各种组件在短暂的不平衡电网故障双馈电机的扭矩
当
根据（10）和（11），可以发现，在暂态不平衡电网供电条件下，定子功率不仅只包括平均部分，还有双馈网络频率（100 Hz）和基本的电网频率（50赫兹）的脉动。
根据图2，电磁功率等于等效电压源的和之和所产生的输出功率[ 8 ]，如式子[12].
（12）
因此，对双馈异步电机电磁转矩的计算通过：
（13）
根据（13），可知电磁转矩也有100和50赫兹的脉动，如图3所示。
当应用传统的非平衡控制方法[ 5 ] -[ 10 ]时，除了一般的定子功率和外，和也可作为控制目标，其能消除100 Hz有功或无功功率的脉动。但和无法同时消除，因为只有四个可控的转子电流分量[ 8 ]。此外，和被忽略，而不是作为控制指标，因此没有额外的控制变量予以规范。其结果是，定子功率在50Hz的脉动会衰减定子时间常数秒。然而，由于是相对兆瓦级双馈较大（约几秒），它的衰减速度相对50赫兹的脉动就是比较缓慢的。
C.改进不平衡条件下DPC的双馈发电机
为了克服在II-B部分的这一突出问题，我们开发了一种新的控制设计，其可以直接调节定子平均功率和脉冲，如图4所示。为了消除定子脉动功率，两谐振控制器被设计为在已知的脉动频率（50和100 Hz），应用于先前介绍的DPC。
基于（7），当施加谐振控制器时，转子控制电压可以计算为：
（14）
其中，是比例加谐振（PR）控制器的输出电压，而是相当于转子回转电磁力。由于转子电阻相对兆瓦级DFIG小，转子电阻的电压降忽略不计[13]。
PR控制器的传递函数是：
（15）
其中，和是谐振控制器的增益，同时，和是通过加宽谐振控制器的频率带宽，并使它们的截止频率相对于频率变化不太敏感[24]。
为了避免旋转参考系变换和顺序分解，定子有功和无功功率可以在静止参考坐标系来计算如：
（16）
基于所提出的DPC的描述（14），图5中展示的为其控制系统图。一种改进锁相环（PLL），如图6所示，它是设计用来跟踪正序定子的频率和相位角电压。双频率调谐的谐振控制器是采用补偿不平衡定子电压及其正分量分量相位角之间的误差，从而使负序分量对锁相环大大减少，然后对正序列分量的频率和相位角进行准确跟踪的不连续分解。在（15）中被检测到的改进的锁相环谐振频率为，使谐振控制器可以在可能的变化的暂态电网频率下的谐振。
以上提出的DPC的双馈电机的仿真研究是通过使用MATLAB / SIMULINK软件进行的，结果示于图7.，双馈异步发电机的额定功率为2兆瓦，其参数列于表I（见附录）。
如图7（A）所示、在暂态不平衡电网故障中会产生50和100赫兹的功率和转矩脉动。故障清除后，由所产生的50赫兹脉动仍将存在，因为他们不在控制之下。由图7（b），当改良DPC应用后，定子有功和无功功率脉动就可以同时消除，目前在现有文献中应用不平衡控制的方法还没有被发表。然而，尽管转矩脉动被降低，但不是消除，因为他们没有选择其作为控制目标。
该转矩脉动会造成持续的压力以震荡转子轴，这有害于风力发电机的机械系统。根据（12）和（13）中所示，为了消除转矩脉动，应选择电磁功率，而不是定子有功功率，在PR控制器作为控制目标（14）。然而，因为为定子和转子的电磁功率总和，上
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