高仕红，张昌华，耿东山，李绍武

（湖北民族学院信息工程学院，恩施445000）

双馈式风力发电机低电压穿越控制策略

高仕红，张昌华，耿东山，李绍武

（湖北民族学院信息工程学院，恩施445000）

为解决PI电流控制器作用下双馈式风力发电机低电压穿越能力弱的问题，提出基于改进三态滞环电流矢量控制VCBTLHC的复合电流控制策略。分析了VCBTLHC的原理，解决了VCBTLHC电压矢量选择的不确定现象，导出了VCBTLHC的开关表。在Matlab/Simulink中实施了复合电流控制中两个电流调节器之间的切换策略。仿真结果表明，所提出的低电压穿越控制策略提高了双馈式风力发电机的低电压穿越能力。

双馈式风力发电机；低电压穿越；复合电流控制；改进三态滞环电流矢量控制器；转子过电流；直流冲击电压

目前，变速恒频风力发电系统大多采用双馈感应发电机DFIG，但其对电网扰动非常敏感[1-2]。当电网故障引起DFIG机端电压跌落时，在其转子绕组中产生过电流，从而引起转子侧变换器RSC（rotor-side converter）的热损坏[2]。许多学者对双馈感应发电机低电压穿越问题进行了大量研究，主要成果可归纳为两类：①添加硬件法：在转子侧或直流侧添加active crowbar[3-4]、在DFIG系统中安装额外的变换器或动态电阻器等[5-6]，这些方法在一定程度上提高了DFIG的低电压穿越能力，但增加了DFIG系统的费用和复杂性；②改进的控制策略法：改进的传统PI控制策略、定子磁链去磁法等[7-8]，此类方法在电网故障期间使整个控制系统的瞬态响应性能变差，极大地限制了DFIG的低电压穿越能力。

针对PI电流调节器瞬态响应性能差和控制带宽窄的缺点，提出一种基于VCBTLHC的复合电流控制的DFIG低电压穿越策略。所提出的VCBTLHC具有非常快的瞬态响应速度和较宽的控制带宽，改善了电流调节器的瞬态响应性能。

1 DFIG的数学模型

依据电动机惯例，在任意参考坐标系下DFIG定、转子电压及磁链的动态矢量方程分别为[1，3，6]

式中：v、i、ψ分别为电压、电流、磁链矢量；R、L分别为电阻、电感；ω为任意参考坐标的电角速度；下标s、r、m分别为定子、转子和激磁参数；p为微分算子。

消除式（1）、（2）中的is及ψr可得转子电压vr的表达式[4]为

式中：vr0为转子开路电压（由定子磁链产生），是影响转子电流瞬态性能的扰动项；σ为转子漏磁系数

忽略定子电阻，DFIG采用定子磁链定向矢量控制，由式（1）、（2）可得DFIG的有功和无功功率

式中：Ss为DFIG发出的复功率；i^s为定子电流矢量的共轭；ird、irq为转子电流的d、q轴分量；ω1为同步电角速度。

由式（4）可看出，DFIG发出的有功和无功功率分别由转子电流的q、d轴分量独立控制。

2 复合电流控制的低电压穿越策略

PI电流调节器具有优良的稳态性能，但瞬态响应性能较差。而滞环电流矢量控制器具有快速的瞬态响应速度，但稳态性能不佳。在此集两者之优点，提出一种基于改进VCBTLHC的复合电流控制的DFIG低电压穿越策略，即正常运行时PI电流控制器作用，电网故障期间根据监控单元的指令，激活改进的VCBTLHC，待暂态稳定后再切换到PI电流控制器。电网故障清除期间复合电流控制的作用原理与电网故障期间相同。在此，PI电流控制器和改进的VCBTLHC在性能上是互补的，PI电流控制器应用于稳态过程的RSC控制，而改进的VCBTLHC应用于暂态过程的RSC控制。

2.1PI电流控制器

在式（3）中用ω1代替ω可得同步坐标系下的转子电压方程为

式中：ωslip为转差角速度，ωslip=ω1-ωr；上标dq表示同步参考坐标系下的参数。

在PI电流调节器作用下，式（5）可表示为

式中：kp、ki分别为PI电流调节器的比例和积分系数；下标ref表示参考值。

由式（6）可看出，在PI电流调节器作用下，转子电流跟踪参考电流是通过改变RSC的输出电压。因此，在DFIG等效电路中RSC可视为一个电流控制的电压源。

2.2 三态滞环电流矢量控制器

VCBTLHC以其快速的瞬态响应速度被广泛应用于有源电力滤波器[9-10]，以消除电网因非线性负载和开关操作引起的谐波污染。把VCBTLHC快速的瞬态响应速度性能，应用于RSC暂态过程控制，有望提高DFIG的低压穿越能力。

2.2.1RSC输出的离散电压矢量

由分析可知，RSC三相桥臂之间存在关联现象，即RSC输出的各相电压取决于其三相桥臂的总体状态Sa、Sb、Sc[10]。为消除相间影响，在静止正交α、β坐标下引入空间矢量，当α轴与a轴重合时可得RSC输出的8个离散电压矢量[10-12]为

2.2.2 三态滞环电流矢量控制器的原理及改进

在式（3）中用ωr代替ω可得转子坐标系下DFIG的转子电压方程为

式中，上标r表示转子坐标系下的参数。

忽略转子电阻，由式（9）可得简化后的DFIG转子电流误差矢量方程为

由图1可看出，三态滞环电流矢量控制器的开关状态选择如表1所示。

图1 三态滞环电流比较器的实施Fig.1Implementation of three-level hysteresis comparator

表1 三态滞环电流矢量控制器开关表Tab.1Switching table of VCBTLHC

由表1可看出，当Dα=1时，RSC输出电压矢量的选择不唯一，如Dβ=0，施加v5/v6都可减小转子电流的β分量irβ。为了使RSC输出电压矢量的选择唯一，下面就这种输出电压不确定情况进行讨论。

情况1DαDβ=11

为了最大限度降低RSC的开关频率，所施加的零电压矢量（v0/v7）遵循如下原则：如果RSC上面3个开关中的两个处于导通状态，就选择零电压矢量v7，由于仅需改变6个开关中两个开关的状态。否则，选择零电压矢量v0。v0/v7的选择逻辑为Sa·Sb+Sb·Sc+Sc·Sa。

情况2DαDβ=10

在这种情况下电流误差的β分量是负值，即Δirβ＜0，由此可导出关系

由式（11）看出，转子c相电流误差大于b相，根据Δirb和Δirc的符号和大小，可能出现3种情况，即

由式（12）可看出，|Δirb|＞|Δirc|表示b相电流误差的绝对值大于c相，则施加的电压矢量应提供一个较大的c轴分量，使b相电流误差的绝对值加速减小，根据此原则电压矢量v6被选择。否则|Δirb|＜|Δirc|时选择电压矢量v5，即

情况3DαDβ=12

在这种情况下电流误差的β分量是正值，即Δirβ＜0，按情况（2）分析，同理可得电压矢量v2/v3的选择原则，即

结合上述讨论，就可完全消除表1中电压矢量选择的不确定现象，RSC输出的电压矢量就能被精确地选择，改进三态滞环电流矢量控制器的开关状态选择如表2所示。

表2改进三态滞环电流矢量控制器的开关表

Tab.2Switching table of the improved VCBTLHC

Dα Dβ 0 1 2 0 v5v4v31 v5||Δirb|＜|Δirc| v6||Δirb|＞|Δirc| v0|v1，v3，v5v7|v2，v4，v6v2||Δirb|＜|Δirc| v3||Δirb|＞|Δirc| 2 v6v1v2

基于上述分析，所提出的VCBTLHC仅需测量转子电流的瞬态值，不需参考电压矢量空间位置侦测器，RSC门信号直接由两个三态比较器的输出状态值DαDβ查询得到，取消了传统矢量控制的调制单元，使其具有内在电流限制属性和非常快的瞬态响应速度。因为滞环电流矢量控制仅利用转子电流的瞬时值，不需调制单元，转子电流跟踪参考电流直接由开关表产生RSC所需的门信号。因此，在DFIG转子等效电路中RSC可视为一个可控电流源，其对系统参数的变化和电网电压的扰动具有很强的鲁棒性。VCBTLHC的原理框图如图2所示。

图2 改进三态滞环电流矢量控制器的原理框图Fig.2Principle of the improved VCBTLHC

3 低电压穿越策略仿真研究

3.1 复合电流控制中两个控制器之间的切换

所提出的DFIG低电压穿越策略由两个不同的开关策略组成。正常运行时PI电流调节器以最优的稳态性能调节转子电流；电网故障导致机端电压跌落瞬态期间，PI控制器的动态响应速度不足以维持转子瞬态电流的精确控制，电流跟踪误差将超过PI电流调节器的误差带宽，当触击到控制器的电流设计限值Ith_VCBHTLC时，故障监控单元激活VCBTLHC，设其作用时间为50 ms（目的在于观察VCBTLHC作用的动态过程及两个控制器之间切换的平稳性）；电网故障清除过程期间，开关控制策略与电网故障期间相同。开关控制策略的实施如图3所示。

图3 开关策略Fig.3Switch strategy

3.2 仿真研究

为了验证上述所提出的复合电流控制对提高DFIG低电压穿越能力的有效性，以2 MW双馈式风力发电机为例，在Matlab/Simulink中建立了仿真模型，DFIG主要参数见附录A表A。为达到在不同电流控制器之间的精确比较，仿真时RSC外部功率控制环的功率和转子速度保持为常数。所提出的低电压穿越策略实施框图如图4所示，其主要由3个部分组成：电压跌落监控单元、PI电流控制器以及改进的VCBTLHC。

图4 低电压穿越控制策略框图Fig.4Block diagram for low voltage ride-through control strategy

设电网故障前DFIG以转差-0.2且功率因数cos φ=0.9满载稳定运行。t=0.05 s时电网发生故障，t=0.15 s时故障清除。为了评估所提出的低电压穿越策略在电网不同故障类型时的穿越能力，在此对电网3种故障类型导致风电场母线电压跌落情况进行了仿真研究，转子电流irabc和DC-link电压Vdc的波形如图5所示。并与PI电流调节器作用下的低电压穿越能力进行了对比，其irabc和Vdc的波形见附录A图A。

一般情况下，在转子侧变换器过调制运行下DC-link的安全限值电压为额定电压的1.3倍，允许转子安全限值电流为额定电流的2倍[8]。由图5及附录中图A的分析比较可知，在所提复合电流控制下，风电场母线电压深度跌落时，DFIG能满足电网要求的低压穿越要求，仿真比较结果如表3所示。

图5 复合电流控制下的irabc和VdcFig.5irabcand Vdcwith hybrid current control

表3 仿真结果Tab.3Simulation results

4 结语

为提高双馈式风力发电机的低电压穿越能力，在此提出了基于改进三态滞环电流矢量控制器的复合电流控制的低电压穿越策略，详细分析了三态滞环电流矢量控制器的原理及改进措施，实施了两个控制器切换的开关策略。

为评估所提出的DFIG低电压穿越策略，对电网对称和不对称短路故障引起的风电场母线电压深度跌落进行了仿真研究，通过图5及图A的对比分析，所提出的基于改进三态滞环电流矢量控制器的复合电流控制的低电压穿越策略具有非常快的瞬态响应速度，有效地限制了转子过电流和DC-link的直流电压冲击值，使其保持在安全限度以下，提高了DFIG的低电压穿越能力。

附录A

（1）2MW双馈感应风力发电机主要参数

表A双馈感应风力发电机主要参数Tab.ADFIG main parameters

（2）PI控制器作用下的irabc和Vdc的波形

图API控制下的irabc和VdcFig.Airabcand Vdcwith PI control

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Control Strategy of Low Voltage Ride-through for Double-fed Wind Generator

GAO Shi-hong，ZHANG Chang-hua，GENG Dong-shan，LI Shao-wu
（School of Information Engineering，Hubei University for Nationalities，Enshi 445000，China）

In order to improve the low voltage ride-through capability under the action of PI current controller for DFIG，the hybrid current control strategy is proposed，and the method is on the basis of improved three-level hysteresis current vector controller（VCBTLHC）.For VCBTLHC the principle is analyzed，the uncertainty of voltage vector selection is solved，and the improved switch table is deduced.In Matlab/simulink，the switching strategy of the two current regulators in the hybrid current control is implemented.Simulation results show that the proposed low voltage ride-through control strategy improves the low voltage ride-through capability of DFIG.

double-fed wind generator（DFIG）；low voltage ride-through；hybrid current control；improved vector controller based three-level hysteresis current（VCBTLHC）；rotor overcurrent；impulse voltage of DC-link

TM614

A

1003-8930（2014）08-0034-06

高仕红（1971—），男，硕士，副教授，研究方向为新型电机及其控制。Email：gaosh0708@163.com

2013-06-24；

2013-08-13

湖北省自然科学基金项目（2011CDC016）

张昌华（1962—），男，硕士，副教授，研究方向为电力电子及其控制技术。Email：1228486979@qq.com

耿东山（1983—），男，硕士，讲师，研究方向为控制理论与控制工程。Email：269398492@qq.com