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直接转子电流模式控制改善了双馈感应的瞬态响应基于生成器 的风力发电机 米格尔卡斯蒂利亚，乌梅米雷特，IEEE，Jose麦塔斯，天使博雷利和路易斯GarcaVicu摘要：瞬态响应实际上是一个动态的关键双馈异步发电机的风力涡轮机的特点，特别是在快速的瞬态事件，例如，对于存在例如，故障在电力系统中。本文提出了一种直接转子电流模式控制（CMC）为转子侧变流器这些感应发电机，其目的是改善瞬态响应有关动态性能实现了与传统的（间接）的CMC。理论研究考虑两个电网故障情况下，有平衡和不平衡电压，并列出了每种情况下直接转子CMC方案。这些控制方案进行了比较在性能和成本方面与 间接管委会计划。这样做的理论贡献纸张被从一个选定的模拟结果验证装置9兆瓦并网型风力发电系统。 关键词：电流模式控制（CMC），双馈感应发电机（DFIG），电网故障，风能，风力发电 一代。 各部分名称 D，Q 表示下标同步的d-Q轴。 is, ir 定子，转子电流。KP，KI 比例，积分控制增益。 LM 互感。 LS，LR 定子，转子自感。 Pi 圆周上标表示的比例积分（PI)的条款。 RS， 居民代表定子，转子电阻。 S，R 标为定子，转子。 VS，VR 定子，转子电压。 *标表示控制的参考价值。 +， - 标为正，负分量。 泄漏的因素。 S，R定子，转子角频率。 s，r定子，转子磁链。 收稿2010年2月12日，经修订的2010年4月27日;接受 2010年5月28日。发布2010年6月28日的日期;当前版本日期 2010年8月20日。这项工作得到了科学的西班牙外交部支持技术根据批ENE2009-13998-C02-01。纸没有。 TEC-00066-2010M.卡斯蒂利亚，J.米雷特，J.麦塔斯，和L.GarcaVicu与电子工程加泰罗尼亚技术系，巴塞罗那，比拉诺瓦我Geltru08800，西班牙（电子邮箱：;; ; ）。A.博雷利与电气工程系，成都大学学报Escola的咏叹调Salesiana德Sarri巴塞罗那自治大学的一，巴塞罗那08017，西班牙（电子邮箱：aborrelleuss.es）。数字对象标识符10.1109/TEC.2010.2052105 图 1。电网连接的双馈型风力发电机组。 一. 引言 基于双馈感应发电机的风力涡轮机（DFIG）有下列优点相比与定速和（其他类）变速发电机。这些优点包括高功率生产，lowmechanical应力，高电能质量和科莉 - 成本低背面电力电子转换器1 - 5。一般图FIG的基于风力涡轮机的示于图 1。 双馈型风力发电机组的运行和控制稳态现在有据可查的6 - 8。传统上，一矢量控制方法是采用转子侧变流器，它执行的最佳操作点的跟踪，在高风速的情况下限制了功率，并控制风力涡轮发电机的无功功率交换和网格。另外，矢量控制方法是用于电网侧转换器，它负责两个调节直流链路电压和注入有功功率的网格7，8。 在电网故障的存在，然而，其性能双馈型风力涡轮机被明显地恶化9 - 13。在电力系统中，从该位置甚至远远故障涡轮机，可在该连接点引起的电压骤降风力涡轮机。电压跌落将会导致效率损失由于直流母线电容的两倍电网频率加热。此外，增加了在DFIG定子和转子电流的绕组将被注意到的，这可能导致破坏转子侧转换器，如果没有保护元件都包括在内。 来保护转子侧转换器的第一个解决方案是短路转子绕组的所谓撬棍9。同这种解决方案，但是，风力涡轮机应断开从电网9，10。作为改进，撬棍操作通过连续切换和控制修改直流母线电压。值得一提的是，这是主要的在目前市售的溶液。其他解决方案建议在引入额外的组件转子侧转换器中，以保持风输出涡轮在电压骤降连接到电网11，12。在这种情况下，涡轮机能够在恢复正常协作网格由供给装置运行有功和无功电源的频率和电压支持，类似于传统电厂运行。 不平衡的电网故障降低甚至更多的性能双馈型风力发电机组。事实上，如果电压不平衡没有考虑到，定子和转子电流会即使仅有少量不平衡定子电压极不平衡。不平衡电流将会对定子加热不均和转子绕组，以及转矩和功率的脉动中发电机的线频率的两倍。几种控制方法在文学的双馈发电机系统已经呈现不平衡电网故障运行 14 - 18 。一个显著性能改善悉与灵活的控制方法文献 17 提出。在这项研究中，转子侧的系统是分解为两个separatemodels ，该值表示用正性和负序分量。二并行控制器，它被表示在正和负同步参考坐标，也被提出。该正序控制器的目的是规范rotorside转换器中的正常工作条件的情况下，而脉动的两倍行频是显著减少与负序控制器17。 在一般情况下，转子侧转换器的电流调节器是基于间接电流模式控制（CMC）方法。假设一些切实可行的近似，这是监管机构通常的设计，因为它是一个直接的CMC方案7，11，17。但是确切的闭环动态模型揭示，这个传统的调节器直接控制转子磁通联动，因而，转子电流只间接控制。在稳态运行时没有明显受到此事实。然而，减小的跟踪能力劣化的在DFIG系统在电网故障期间的瞬态响应。这是值得一提的是，常规的电流调节器的电网侧转换器采用一个直接的CMC方法，使无改进是需要的，电网侧控制器。 本文提出了一种直接的转子电流调节器的一个双馈型风力发电机的转子侧变流器。与此 转子侧控制器的控制方法中，跟踪能力被显著改善。因此，电网故障的影响，如过电流和脉动以两倍于线路频率，可有效缓解。本文的结构如下。第二节显示两所采用的间接管委会方法转子侧的电流调节器。第三节制定的直接CMC的方法对这些转子侧稳压器。第四节比较间接和直接转子电流的瞬态响应监管机构。两个案例研究是基于电网故障考虑有平衡和非平衡电压。第五节给出了研究结论。 二 . 间接CMC 本节分析了双馈电机的闭环行为用间接的CMC方法体系。两个电流调节器转子侧转换器被认为是：在常规的调节器以及一个调节器用于不平衡的电网故障。该其次是在两种分析相同的步骤：开环模型双馈电机系统是首次制定，二是电流调节器被写入，以及，第三，通过组合开环模型和控制模式，闭环动态描述转子侧系统导出。 图2. 传统的（间接）电流调节器。 A：传统的电流调节器 在双馈系统的开环模型来表示，如通常，在D-q参考坐标系。一个同步旋转参考帧是使用直轴沿导向定子磁链的位置。在这种方式中，参考帧是旋转的以相同的速度与定子电压。因此，在定子和转子的电压可表示为7，11： vds = Rs ids + dds/dt sqs (1) vqs = Rs iqs + dqs/dt +sds (2) vdr = Rr idr + ddr/dt (s r )qr (3) vqr = Rr iqr + dqr/dt +(s r )dr (4)与 ds = Ls ids + Lmidr （5） qs = Ls iqs + Lmiqr （6） dr = Lr idr + Lmids （7） qr = Lr iqr + Lmiqs （8） 开环模型的输入是电压和角频率和输出电流。定子电压由电网电压给定的，而转子电压被提供由转子侧变换器。假定在本研究中，该转换器是足够快的，以便它们可以精确地跟踪 参考电压。在这种情况下，转子的电压由下式给出转子侧控制器12，13 vdr = vdr （9） vqr = vqr （10）图2示出了传统的电流调节器的rotorside转换器。调节器结合了比例积分（PI）控制器具有交叉耦合项7，11 vdr = Rr idr + vpidr (s r )qr (11)vqr = Rr iqr + vpiqr + (s r )dr (12)存在vpidr = kp (idr idr) + ki(idr idr )dt (13)vpiqr = kp (iqr iqr) + ki(iqr iqr )dt. （14） 交叉偶联条件通常用于去耦的d和q子系统动态。 转子侧系统的闭环动态模型可以（14）代入式（1） - - （8），从而可以通过插入（9）衍生的 ddr/dt= kp (idr idr) + ki(idr idr )dt (15) dqr/dt= kp (iqr iqr) + ki(iqr iqr )dt. (16) 需要注意的是PI控制器管辖转子的动力学磁链，并且作为结果，在转子电流仅间接控制。 B.电流调节器的不平衡电网故障 在这种情况下，开环DFIG系统被分解为两个独立的模型，这是代表正和负序分量。对于positivereference帧，直轴被固定在正定子 磁通旋转在定子角频率S，而对于负参考帧，直轴旋转时的角的-S频率17，18。因此，定子和转子电压的正序列模型可表示如下： v+ds = Rs i+ds + d+ds/dt s+qs （17） v+qs = Rs i+qs + d+qs/dt+ s+ds （18） v+dr = Rr i+dr + d+dr/dt (s r )+qr （19） v+qr = Rr i+qr +d+qr/dt+ (s r )+dr （20）与+ds = Ls i+ds + Lmi+dr （21）+qs = Ls i+qs + Lmi+qr （22）+dr = Lr i+dr + Lmi+ds （23）+qr = Lr i+qr + Lmi+qs. (24) 图. 3。间接电流调节器用于不平衡电网故障对于负序模型中，定子和转子电压是由1718给出， vds = Rs ids + dds/dt+ sqs （25）vqs = Rs iqs +dqs/dt sds （26）vdr = Rr idr + ddr/dt+ (s + r )qr （27）vqr = Rr iqr +dqr/dt (s + r )dr （28）与ds = Ls ids + Lmidr （29）qs = Ls iqs + Lmiqr （30）dr = Lr idr + Lmids (31)qr = Lr iqr + Lmiqs. （32） 图。图3示出一个电流调节器用于的图不平衡的电网故障。两个正序和负序组件是单独控制与常规的电流调节器（示于图2）。因而，参考电压可以是写为17：v+dr = Rr i+dr + v+pidr (s r )+qr （33）v+qr = Rr i+qr + v+piqr + (s r )+dr （34）vdr = Rr idr + vpidr + (s + r )qr （35）vqr = Rr iqr + vpiqr (s + r )-dr （36）与v+pidr = k+p (i+dr i+dr) + k+i(i+dr i+dr )dt （37）v+piqr = k+p (i+qr i+qr) + k+i(i+qr i+qr )dt （38）vpidr = kp (idr idr) + ki(idr idr )dt （39）vpiqr = kp (iqr iqr) + ki(iqr iqr )dt.（40） 图。4。直接转子电流调节器用于平衡电网故障。 在这种情况下，双馈系统的闭环模型可以（40）代入式（17） - - （32），从而导致被插入（33）导出d+dr/dt= k+p (i+dr i+dr) + k+i(i+dr i+dr )dt (41) d+qr/dt= k+p (i+qr i+qr) + k+i(i+qr i+qr )dt (42) ddr/dt= kp (idr idr) + ki(idr idr )dt (43)dqr/dt= kp (iqr iqr) + k ii(iqrqr )dt. (44) 再次PI控制器管辖转子的动力学交链磁通，因此，转子电流的动态特性是唯一的 间接控制。三。直接转子CMC 前面的分析表明，瞬态响应DFIG的系统可以用直接控制的改进转子电流（而不是转子磁链）。本节提出2直流电流调节器的转子侧变换器用于平衡和不平衡的电网故障。 A.直接转子电流调节器，用于平衡电网故障 图。图4示出了直接转子电流调节器的图用于平衡电网故障。该图结合了PI控制器与交叉耦合条款 vdr = Rr idr + Lr vpidr (s r )qr+ Lm/Ls(vds Rs ids + sqs) (45)vqr = Rr iqr + Lr vpiqr + (s r )dr+ Lm/Ls(vqs Rs iqs sds) (46) = 1 (L2mLsLr ).与间接比较在（11）调节表达和（12），所建议的调节引入了一些其他的交叉耦合项，以实现了直接控制转子电流。这些条款可与可感测变量实现，因为定子电压用于在电网侧变流器的控制7，11。因此，建议的调节器的成本在不增加就间接调节器的成本。 图。 5。直接转子电流调节器用于不平衡电网故障。在双馈系统的闭环模型可以通过以下方式衍生插入（45）和（46）代入式（1） - （10），产生（参见详细在附录I的推导步骤） didr/dt= kp (idr idr) + ki(idr idr )dt (47)diqrdt= kp (iqr iqr) + ki(iqr iqr )dt. (48) 需要注意的是PI控制器直接支配的转子电流。因此，一个优秀的跟踪能力预计为rotorside控制器。 B.直接转子电流调节器的不平衡电网故障 图。图5示出了直接转子电流调节器的图本文提出了不平衡电网故障。正和负序分量是分别控制与在图中所示的直接调节。 4。因此，参考电压可表示如下： v+dr = Rr i+dr + Lr v+pidr (s r )+qr+ Lm/Ls(v+ds Rs i+ds + s+qs) (49)v+qr = Rr i+qr + Lr v+piqr + (s r )+dr+ Lm/Ls(v+qs Rs i+qs s+ds) (50)vdr = Rr idr + Lr vpidr + (s + r )qr+ Lm/Ls(vds Rs ids sqs) (51)vqr = Rr iqr + Lr vpiqr (s + r )dr+ Lm/Ls(vqs Rs iqs + sds). (52) 注意，该稳压器的成本是类似的成本在（33）的间接调节表达 - （36），因为额外的交叉耦合条款与实施提供检测的变量（即，正和负序分量定子电压受雇于电网侧的控制转换器17）。 图。6。图并网双馈型风力发电机组。可以得出的DFIG系统的闭环模型通过将（49） - （52）代入式（17） - （32），从而导致di+dr/dt= k+p (i+dr i+dr) + k+i(i+dr i+dr )dt (53)di+qrdt= k+p (i+qr i+qr)+ k+i(i+qri+qr )dt (54)didr/dt= kp (idrdidr)+ki(idr idr )dt (55)diqrdt=kp (iqr iqr)+ki(iqr iqr )dt. (56) 正如预期的那样，PI控制器支配的动态转子电流直接。这是优秀的物业直接转子电流调节器出现在这一节。 四。测试用例和仿真结果 这部分验证了所提出的预期功能控制方案。分析与控制方案的比较 在第二节也有报道。A.系统说明 图。图6示出了风力发电系统的图 考虑了这项研究。该系统由一个9兆瓦的风涡轮，25千伏配电系统和120千伏电网。一0.9-MVA过滤器和一个0.5兆瓦的负荷在575 V的连接代总线。系统参数列inAppendix二。仿真分析进行了MATLAB-Simulink的软件包19，20。对于瞬态模型发电系统的开发，包括双馈机，功率转换器，配电系统，以及电网。该背到后端电源转换器派代表，像往常一样，由等效电压源与减少的意图计算时间15，16。对于一个完整的控制系统双馈机也被开发。四个转子侧电流本文研究了监管部门为了实施了比较其动态性能。完整的图直接转子电流调节器用于不平衡的电网故障如图所示。7。积极的参考电流该稳压器是由转矩和无功功率提供控制器4，7。风速是假设恒定为10m / s，因此，转矩控制器被用于提取通过保持转子速度1.09 PU最大功率在这种情况下，由DFIG系统所产生的有功功率为5兆瓦。无功功率控制器调节产无功功率为0 MVA在稳定状态。在电压蘸料，这种控制器支持电网电压与无功附加电源，根据需要通过电网连接码21，22。直流母线电压由电网侧调节至1200 V 控制器15。 两个电网故障情况下被认为是，与均衡和不平衡电网电压。远程故障在120千伏系统被编程在0.2秒与0.4秒的持续时间。图。 8显示了由此产生的电压在575 V的一代总线。图。图9示出由扭矩产生的基准电流和无功功率控制器。在不平衡的电网故障，则生成的引用实际上被用作电流参考对于正序调节器。在这种情况下，电流对于负序调节器的引用被设置为零（参见图7）。所有这些波形可以被看作是输入到电流调节器。 B.结果在平衡电网电压 图。图10示出了双馈系统的瞬时响应用在（11）的间接电流调节器和表达（12）。该参考电流的跟踪性较差，导致振荡转子电流高过冲。与此相反，转子磁通联动的展示了超调小了良好的瞬态响应。这个动态性能进行预测的闭环模型（15）表示，（16），其中指出，间接电流调节器相当于一个磁链控制（而不是电流控制的）。磁链控制为贫困 瞬态响应于所述定子的电流，如图所示。第10（c）。由风力涡轮机产生的有功功率和无功功率也在电网故障期间呈现较差的瞬态响应。高峰偏差和高恢复时间将记录在图10（d）所示。 直接转子电流调节器提出了在（45）和（46）提高DFIG系统的瞬态响应。图 11 图。7。直接转子电流控制用于非平衡电网故障的完成图。（一）内部控制回路和调制器。 （二）定子角频率估计。 （三）无功功率外部控制回路。 （四）转矩外部控制回路。转子角频率R是衡量一个速度编码器。 清楚地表明这一事实。参考电流的跟踪是几近完美，从而显著降低了转子电流过冲。这个属性是正确地（47）和预测（48）。另外，定子电流的瞬态响应和所生成的在电网故障期间功率的显著改善直接转子控制方法。的交链磁通，然而,表现出较高的过冲脉动行为比间接电流调节器。反正交链磁通的过冲有双馈系统的负面影响较小比转子电流过冲。事实上，在转子电流过大的峰值可破坏转子侧变流器，如果没有保护就业。 C.结果在不平衡电网电压 在双馈系统的失衡电网时的动作故障的特点是稳态oscillatingwaveforms外观如果没有具体的控制方案用于。图 12显示了这种典型的行为，当双馈电机系统控制由电流调节器用于均衡电网故障。注转子电流显著与直接改善转子电流调节器。然而，即使电流纹波被减小，操作还不能令人满意。 稳态振荡的波形可以通过被淘汰产生的负序分量的精确控制由不平衡的电网故障。间接电流调节器表示在（33） - （36）完成这个任务。图。图13（a）所示当双馈系统是由该稳压器控制转子电流。 需要注意的是，在稳定状态下，振荡一直消除。的瞬态响应，但是，也可以进一步提高由于转子电流只间接控制。这种动态特性进行了预测（41） - （44）。（52）报价 - 由（49）所表达的直接转子电流调节器优良的稳态和瞬态操作的双馈制度。转子电流的瞬态响应示 图。8电压在575 V的代总线。 （一）平衡电网故障。 （二）非平衡电网故障。 图。 9。参考电流的瞬态响应。 （一）平衡电网故障。 （二）非平衡电网故障。 图。 10。使用间接电流平衡电网故障期间的瞬态响应在（11）调节器和表达（12）。 （一）转子电流。 （二）转子磁通联动。 （三）定子电流。 （四）有功和无功功率。 图。图13（b）所示。优异的性能必须归因于的准确控制的正和负序的转子电流的元件。这个属性是正确的由（53）预测 - （56）。 图。11。采用直接转子平衡电网故障期间的瞬态响应在（45）的电流调节器和表达（46）。 （一）转子电流。 （二）转子磁通联动。 （三）定子电流。 （四）有功和无功功率。 图。 12。不平衡的电网故障期间转子电流的瞬态响应。（a）如（11）的间接电流调节器和表达（12）。 （b）直接转子电流在（45）调节和表达（46）。 图。 13。不平衡的电网故障期间转子电流的瞬态响应。（36） - （a）如（33）的间接电流调节表达。 （b）直接转子电流（52） - 在（49）调节表达。 表I 转子电流瞬态响应特性 转子电流控制显著降低了最大过冲和稳定时间与间接转子电流比较 控制平衡和不平衡的电网故障。 五，结论 本文的双馈型风动力性能中的故障在电力系统中的存在涡轮机已经检查。这项研究第一次表明，传统的电流调节器对于DFIG的转子侧转换器直接控制转子磁链，因此转子电流只间接控制。转子侧的控制器，因此具有差的基准电流跟踪能力和转子电流的动态响应快速瞬态事件是真穷。高过冲和高恢复时间清楚地指出的那样，必须减轻在转子侧转换器的保护元件（例如，电阻撬棍） 。其次，本文提出了一种方法，发展直接转子电流控制方案。闭环双馈电机系统的动态模型，以分析找出适当的交叉耦合项，其中改造磁链控制的电流控制。该方法是成功在两个不同的电网故障场景，平衡的应用和不平衡电压，从而提供控制系统的配置两个直接转子电流调节器。在比较动力性能和成本方面终于之间进行直接和间接转子电流调节器。分析表明，建议直接转子电流调节器显著提高DFIG系统的瞬态响应在电网故障期间，与对照实施的复杂性和成本类似于间接电流调节器。 附录一本附录给出了闭环的详细推导平衡电网故障下双馈系统的模型。在双馈系统的开环模型可以正确地通过在（2）将（5）在（1），（6）改写为控制分析，在（7）（3）和（8）（4） vds Rs ids + sqs = Lsdids/dt+ Lmdidr/dt (A1)vqs Rs iqs sds = Lsdiqs/dt+ Lmdiqr/dt (A2)vdr = Rr idr + Lrdidr/dt+ Lmdids/dt (s r )qr (A3)vqr = Rr iqr + Lrdiqr/dt+ Lmdiqs/dt+ (s r )dr . (A4)以同样的方式，建议直接转子电流控制可以也可以通过重写在（45）和（10）将（9）和（A1）和（A2）在（46）vdr = Rr idr + L2m/Lsdidr/dt+Lmdids/dt(s r )qr +L vpiDr (A5)vqr = Rr iqr + L2m/Lsdiqr/dt+Lmdiqs/dt+(s r )dr +Lr vpiqr . (A6) 最后，该闭环模型（47）和（48）可以通过以下方式衍生插入（A5）和（13）代入式（A3）和（A6）和（14）代入式（A4）。值得一提的是闭环的推导模型（53） - （56）根据非平衡电网的双馈系统 故障如下前面描述的相同的步骤，因此在这里就不详述了。 附录二 已经使用的机器和控制参数在模拟（除了那些在图6中示出）是 给定如下： 定子电阻Rs= 0.007 p.u. 定子自电感Ls=3.071p.u. 转子电阻Rr=0.005 p.u. 转子自感LR =3.056 p.u. 互电感Lm=2.9 p.u. 极数p=3 电流控制增益KP=0.3，KI=8 S估计收益KPE=0.1，祺=2.6 最佳提取功率系数kopt= T* E /R=0.55 无功功率控制增益KPQ=0.04，KIQ=4。 参考1 E. Muljadi ， CP巴特菲尔德， B.帕森斯，和A.埃利斯，“效果在弱电网“，硕士论文的稳定速度的风力涡轮发电机。转成能量，第一卷。 22 ，没有。 1 ，页29-36 ， 2007年3月。 2 SM Muyeen ， R. Takahaski ， MH阿里，T.村田，和J.田村， “瞬态电力系统的稳定性增强，包括风力发电场，采用精英“，硕士论文。电力系统自动化，第一卷。 23 ，没有。 3 ，页1179至1187年，2008年8月。 3 一，蒙泰亚努，八岔学，人工智能Bratcu ， J. Guiraud和D罗伊， “ Energyreliability风能转换系统的滑动优化模式控制“，硕士论文。转成能量，第一卷。 23 ，没有。 3期，第975 - 985 ， 2008年9月。 4 M. Shahabi ， MR Haghifam ，M. 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