(SMDVC), DFIG., SMDVC,,. 2 (Model analysis) 1 DFIG. DFIG, PWM, DFIG,. 1 DFIG Fig. 1 Wind Turbine Based on the DFIG DFIG,, DFIG d-q : u dqs d λ
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1 : (2012) Control Theory & Applications Vol. 29 No. 2 Feb , 1, 1, 2 (1., ; 2., ) : PI,, (SMDVC), (DFIG)., SMDVC PI,, DFIG. : ; ; : TM315 : A Sliding-mode-direct-voltage-control of wind turbines based on double-fed induction generators ZHANG Miao 1, LI Yun-de 1, CHEN Si-zhe 1, WU Jie 2 (1. Faculty of Automation, Guangdong University of Technology, Guangzhou Guangdong , China; 2. College of Electric Power, South China University of Technology, Guangzhou Guangdong , China) Abstract: To handle the slow dynamic response and the dependency on accurate machine parameters in PI vector control, we propose a sliding-mode direct-voltage-control (SMDVC) with constant switching frequency to realize the gridsynchronized control for the double-fed induction generators (DFIG). Experimental results show that the proposed SMDVC method is with better dynamic performance than the PI vector control; it can effectively control the stator voltages of DFIG to accurately track the grid voltages under imbalance conditions. Key words: wind power generation; doubly-fed induction generator; sliding-mode-direct-voltage-control 1 (Introduction),, 1. (double-fed induction generators, DFIG),,,,.,.,,. 2, d-q,,,. 3,,. PI DFIG,., 4 DFIG,,. 5 DFIG,,.,,, 6 7. PI,, : ; : : (2009A ); ( ); 211 ( 431).
2 (SMDVC), DFIG., SMDVC,,. 2 (Model analysis) 1 DFIG. DFIG, PWM, DFIG,. 1 DFIG Fig. 1 Wind Turbine Based on the DFIG DFIG,, DFIG d-q : u dqs d λ dqs dt + jω e λdqs, (1) u dqr R r i dqr + d λ dqr + j(ω e p n ω r ) dt λ dqr, (2) λdqs L m i dqr, (3) λdqr L r i dqr, (4) : R r, L m, L r, u dqs, λ dqs, u dqr, i dqr, λ dqr, ω e, ω r, p n. (1) (4), DFIG, dq., (RGA), d-q d-q d-q,. RGA. RGA, 8., d-q d-q. (3) (1),, : u ds u qs L m s ω e L m ω e L m L m s i dr i qr, (5) : u, i, s, d q d, q, s r. (5) RGA T 1 L m s ω e L m. L m s ω e L m ω e L m L m s ω e L m L m s 1 s 2 ωe 2, (6) s 2 + ωe 2 ωe 2 s 2.. RGA,, RGA, RGA 8., (6) : 1 s 2 ωe (7) s 2 + ωe 2 ωe 2 s (7) RGA, (5) : d q ; q d., d-q d-q. (4) (2),, : u dr u qr R r + L r s ω s L r ω s L r R r + L r s ω s (ω e p n ω r ). (8) RGA R r + L r s ω s L r ω s L r R r + L r s. T 1 R r + L r s ω s L r ω s L r R r + L r s 1 (R r + L r s) 2 + (ω s L r ) 2 i dr i qr, (8) (R r +L r s) 2 (ω s L r ) 2. (ω s L r ) 2 (R r +L r s) 2 (9) DFIG, ω s, (9) 1 (R r + L r s) 2 + (ω s L r ) 2 (R r + L r s) 2 (ω s L r ) 2 (ω s L r ) 2 (R r + L r s) (10) (10) RGA, (8) : d d ;
3 2 : 247 q q. DFIG ±30%, RGA., DFIG d-q d-q : d q, q d.,. (5) s, su ds L m s 2 sω e L m i dr. (11) su qs sω e L m L m s 2 i qr RGA, (11),. (8) (11), su ds su qs ω e L m u qr + L r u dr R r ω s ω e L m L r R i dr + L m s 2 i dr. (12) r ω i s qr i qr L r 3 (Design of SMDVC),,,, 9. DFIG, DFIG, q, d. DFIG d-q d-q,. d-q d-q : x d x q u ds u dg u qg u qs. (13) : s d x t d x d (z) 0 + c dz, s q x q x q (z) 0 : c, z. (14) (14) 0 x d (z) dz 1 x d0, (15) x q (z) c x q0 x d0 x q0 x d x q., t 0 0 (14) : s d (t 0 ) x d (t 0 ) x d0 0. (16) s q (t 0 ) x q (t 0 ) x q0 0 (16), (15),,. u qr u eq qr u u dr u eq + qr. (17) dr u dr DFIG,. (16),, ṡ d ṡ q 0. (18) u eq qr L r0 ω s R r0 i u eq dr + dr R r0 L r0 ω s i qr ( ) L r0 x d c + d u ds ω e L m0 x q dt u qs, (19) R r0, L r0, L m0..,,. u qr u dr K d1 x d sgn(s d x d ) + K d2 sgn s d K q1 x q sgn(s q x q ) + K q2 sgn s q, (20) K,, : s d ṡ d 0 <. (21) s q ṡ q 0 SMDVC 2. (19), u ds, u qs,,., 2 u ds, u qs,. (20)., 2,,., 9.
4 控 制 理 论 与 应 用 248 第 29 卷 图 2 SMDVC算法框图 Fig. 2 Block diagram of the proposed SMDVC 4 实 验结 果 (Experimental results) 在实验室中搭建了图3所示的基于DFIG的风 力发电实验平台. 采用直流电动机代替风力机 与DFIG同轴连接. DFIG的定 转子绕组均采用星 型联接方式, 定子绕组通过并网开关和三相自耦 调压器与电网连接, 转子绕组由基于智能功率模 块的PWM变换器进行励磁控制. 实验平台中的控制器采用型号dSpace DS1103. dspace以5 khz的频率采样电网电压 定子电压 转子电流和电机转速, 按设计的控制算法进行处 理, 并产生开关频率为10 khz的svpwm信号以驱 动转子变换器. 实验过程中的数据和波形可在安 装dSpace的计算机上显示和保存. 变化速度分别限定为±5000 V/s和±500 V/s, 滑动 面系数c的值设定为80. 为确定开关控制常数, 假 定DFIG参数误差范围为额定值±50%, 为满足式 (21)的滑模存在条件, 式(20)中开关常数应设定为 Kd1 0.04, Kd , Kq1 0.04, Kq 在相同的实验条件下对传统PI矢量控制方法 与提出的SMDVC方法进行比较. PI矢量控制采用 双闭环结构, 内环为转子电流控制环, 外环为定子 电压控制环, 通过设定PI控制器参数, 使内 外环 的闭环时间常数分别为2 ms和20 ms. 首先, 在正常情况下进行实验研究. 图4为PI矢 量控制下的电网q轴电压 定子q轴电压和定子d轴 电压波形(电网d轴电压为零, 图中未画出). PI矢量 控制有效地控制定子d-q轴电压分别跟踪电网d-q轴电压, 且具有良好的控制性能. 由于定子d-q轴 电压很好地实现了对电网d-q轴电压的跟踪, 图5中 的定子线电压在4个周期后即获得与电网电压相 同的幅值 频率和相位, 满足了并网条件. 图 3 基于DFIG的实验平台 在相同的条件下, SMDVC方法的实验结果如 图6 7所示. 图6为电网q轴电压 定子q轴电压和定 子d轴电压波形. 图7为电网 定子线电压波形. 可 见, SMDVC同样在4个周期内使定子电压与电网 电压具有相同的幅值 频率和相位. Fig. 3 Experimental platform based on DFIG 实验平台中DFIG的额定功率为1.8 kw, 额定频 率为50 Hz, 同步转速为1500 RPM, 定转子匝数比 为3.1667, 定 转子额定电压分别为380 V, 120 V, 定 转子额定电流分别为4.5 A, 10 A, 定转子间互 感为 H(折算到定子侧), 定 转子漏感均为 H(折算到定子侧), 转子电阻为 Ω(折 算到定子侧), 定子电阻为 Ω. 在SMDVC算法中, 定子q轴和d轴电压参考值 图 4 PI矢量控制的电网 定子d-q 轴电压 Fig. 4 Grid, stator d-q axis voltages with PI vector control
5 第2期 张淼等: 双馈感应风力发电机组的滑模直接电压控制 249 由图4 7可见, 在正常情况下, PI矢量控制与提 出的SMDVC都能很好地实现DFIG的电网同步控 制, 且都具有良好的控制性能. 大型风电场常处于长输电线末端, 即使在电网 正常运行的情况下, 也可能由于不平衡输电线阻 抗 三相不平衡负载或单相大功率负载等原因, 造 成风力发电机组接入点处的电网电压不平衡10. 不平衡电压矢量由正 负序分量组成. 在同步 旋转坐标系中, 正序分量为直流量, 负序分量为二 倍电网频率的交流量, 因此不平衡电网电压将体 现为直流分量与100 Hz交流分量的叠加. 在电网电压不平衡工况下, 同步旋转坐标系中 的电网d-q轴电压是周期性变化的, 这对DFIG电网 同步控制方法的动态性能提出了较高的要求. 图 5 PI矢量控制的电网 定子线电压 Fig. 5 Grid, stator line voltages with PI vector control 在实验平台中, 增加一台调压器单独降低C相 电压, 以模拟不平衡程度为10%的电网电压, 对PI 矢量控制方法和SMDVC方法进行实验对比. 图8 9为PI矢量控制的实验结果. 由于矢量控 制的动态响应速度慢, DFIG定子q轴电压无法实现 对周期变化的电网q轴电压的准确跟踪, 因此定子 线电压与电网线电压间存在较大的偏差, 将会引 起并网时刻的电流冲击. 图 6 SMDVC的电网 定子d-q 轴电压 图10 11为采用SMDVC方法的实验结果. 采用 SMDVC后, DFIG定子q轴电压迅速跟踪周期变化 的电网q轴电压, 两者基本不存在偏差, 因此定子 线电压很好地实现了对不平衡电网电压的跟踪. Fig. 6 Grid, stator d-q axis voltages with SMDVC 图 8 电网电压不平衡时PI矢量控制电网 定子d-q 轴电压 Fig. 8 Grid, stator d-q axis voltages with PI vector control under unbalanced grid voltage 图 7 SMDVC的电网 定子线电压 Fig. 7 Grid, stator line voltages with SMDVC
6 PI Fig. 9 Grid, stator line voltages with PI vector control under unbalanced grid voltage,., SMDVC, DFIG, PI., SMDVC PI,, DFIG. (References): 1,. J., 2004, 21(6): (WU Jie, YANG Junhua. Control on green energy source and ecologic environmentj. Control Theory & Applications, 2004, 21(6): ) 2 MOREL L, GODFROID H, A MIRZAIAN, et al. Double-fed induction machine: converter optimisation and field oriented control without position sensorj. IEE Proceedings on Electric Power Applications, 1998, 145(4): SMDVC d-q Fig. 10 Grid, stator d-q axis voltages with SMDVC under unbalanced grid voltage 3 WONG K C, HO S L, CHENG K W E. Direct voltage control for grid synchronization of doubly-fed induction generatorsj. Electric Power Components and Systems, 2008, 36(9): G MEZ S A, AMENEDO J L R. Grid synchronisation of doubly fed induction generators using direct torque controlc //Proceedings of the 28th IEEE Industrial Electronics Annual Conference. Piscatway: IEEE, 2002: ARBI J, GHORBAL M J B, SLAMA-BELKHODJA I, et al. Direct virtual torque control for doubly fed induction generator grid connectionj. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2009, 56(10): BUJA G S, KAZMIERKOWSKI M P. Direct torque control of PWM inverter-fed AC motors-a surveyj. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2004, 51(4): HOLTZ J. Pulsewidth modulation for electronic power conversionj. Proceedings of the IEEE, 1994, 82(8): ALBERTOS P, SALA A. Multivariable Control SystemsM. London: Springer-Verlag, 2004: UTKIN V I, GÜLDNER J, SHI J X. Sliding Mode Control in Electromechanical SystemsM. Florida: CRC, 1999: XU L, WANG Y. Dynamic modeling and control of DFIG-based wind turbines under unbalanced network conditionsj. IEEE Transactions on Power Systems, 2007, 22(1): SMDVC Fig. 11 Grid, stator line voltages with SMDVC under unbalanced grid voltage 8 11, SMDVC PI,, DFIG. 5 (Conclusion) RGA DFIG, : (1968 ),,,,, bezhangm@gdut.edu.cn; (1982 ),,,, liyund456@163.com; (1981 ),,,,, cszscut@126.com; (1937 ),,,, epjiewu@scut.edu.cn.
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