非理想電網條件下雙饋式風電機組的運行控制策略

胡書舉 孟巖峰 龔文明 王玲玲

（1. 中國科學院電工研究所 北京 100190 2. 中國科學院風能利用重點實驗室 北京 100190）

1 引言

隨著我國風力發電的快速發展，風電裝機容量在電網中的比例越來越大，風電在能源供應中的作用也日漸突出。在我國“三北”等風能資源豐富地區，大量風電機組/風電場從電網末梢接入，接入點電網相對較弱。伴隨著風電的大規模集中開發，風電分散接入也受到了廣泛關注，風電與光伏發電、海流能等其他新能源形式相結合構成微網實現就地消納及靈活并網等內容，也成為研究的熱點。在這些應用情況下，電網可能出現一些非理想條件，例如諧波、電壓跌落等，因此要求風電機組必須更好地適應這些非理想狀況，保持供能的穩定性并滿足電網規則要求 ，抑制輸出電流中的諧波含量且實現低電壓穿越功能。

針對雙饋式風電機組在電網電壓諧波條件下的研究，文獻[1]指出雙饋電機定子電流中的 5、7等奇數次諧波較為嚴重。文獻[4]提出將網側變流器通過注入諧波電流的方法改善發電機輸出電流THD，但是會引起發電機與變流器的端電壓畸變。文獻[5]提出由并聯的多個電流 PI控制器抑制特定的低次諧波，但由于使用了低通濾波器，導致其動態性能較低。文獻[6,7]研究了雙饋機組在電網電壓不平衡情況下，對電流正負序分量分別采用常規PI控制器進行調節的方法，計算量有所增加。文獻[8, 9]針對電網電壓三相不平衡的情況，利用諧振控制器控制負序分量，以達到平衡電流或減小功率波動的目的，這種方法避免了正負序分離計算。

關于雙饋式風電機組的低電壓穿越控制的研究，已有大量文獻。轉子Crowbar電阻值的選取和變流器控制策略的設計對于低電壓穿越實現的效果非常重要。Crowbar電阻值的大小必須適中，既要有效抑制轉子側暫態電流，也要避免轉子側變流器交流側出現過高的電壓[10,11]?？刂撇呗栽O計中Crowbar電阻的投切控制，既要在電壓跌落和恢復時加快暫態過程的過渡，又要避免頻繁投切[12,13]。

本文研究雙饋式風電機組在非理想電網條件下的運行控制策略，針對電網電壓中可能存在的低次諧波，推導5、7次諧波電流參考值，在常規電流環的基礎上增加6次諧波控制器，抑制定子輸出的低次諧波；針對低電壓穿越功能的實現，對 Crowbar電阻的影響進行分析并對電阻值進行校核，并對轉子Crowbar電路的投切控制進行優化。在接入某電力系統動模實驗室的40kW雙饋式風電模擬系統上對本文所提控制策略進行了實驗驗證。

2 電網電壓諧波條件下的運行控制策略

電網電壓存在諧波的情況下，會造成雙饋式風電機組輸出電流中存在諧波，而常規的變流器控制很難抑制電流中的低次諧波，特別是5、7次諧波。當電網電壓不平衡或存在諧波分量時，可以利用相序分解法在復合旋轉坐標系來進行研究[6]。在三相三線系統中，不存在零序分量，用F表示電壓、電流和磁鏈等矢量。則可以得到任意坐標系下的轉換關系為式中，上標“＋n”表示參考坐標系以nωs的角速度正序旋轉；上標“-m”表示參考坐標系以mωs的角速度負序旋轉。其示意圖如圖1所示。

圖1 復合旋轉坐標系示意圖Fig.1 Schematic of composite rotation coordinate system

由于-5、＋7次諧波分量在同步旋轉坐標系下同時表現為角速度為 6ωs的正弦波動分量，此時雙饋定子電壓，定、轉子電流可分別表示為

根據式（2）～式（4）可得雙饋電機定子功率表達式，可見有功、無功功率中存在6、12倍頻分量。

電網不平衡情況下雙饋電機轉子變流器有4個控制目標[6]，對于其中的控制目標 1（平衡定子電流，降低定子電流THD），通過推導可得

進而可得轉子電流給定值為

圖2 應用PIR控制器的轉子側變流器電流控制環Fig.2 Current control loop with PIR controller of rotor-side converter

由于增加的諧振控制器對特定頻率的信號具有無窮大增益，因此可以對交流信號進行無差控制[12,14]。本文采用的諧振控制器，其傳遞函數如下：

式中，θn為時間滯后補償角，可以對控制系統中存在的相角滯后進行補償。對于調諧6倍頻（300Hz,1 884rad/s）的諧振控制器，可得圖3所示的伯德圖。調整補償角能夠顯著改變控制器的相頻特性，對系統相角誤差進行補償，同時不會對控制器的幅頻特性造成太大影響。在諧振頻率處，控制器的增益無窮大。

圖3 PIR控制器補償角不同時的伯德圖Fig.3 Bode diagram of PIR controller with different angles

并聯6倍頻諧振控制器后，常規的PI控制器變為

電流調節器的閉環傳遞函數和擾動傳遞函數分別為

上述分析表明PI＋諧振控制器能夠對特定頻率的交流信號進行無差跟蹤，可滿足電網電壓存在畸變時，提高雙饋電機運行性能的控制要求，同時 R控制器對系統參數不敏感。

3 低電壓穿越運行控制策略

關于雙饋式風電機組低電壓穿越功能的實現，通常增加轉子側Crowbar及直流側卸荷電路等硬件保護電路[15]，通過轉子側變流器、Crowbar及直流側卸荷電阻的協調控制，實現可滿足電網并網導則要求的穿越功能。

3.1 電壓跌落時暫態過渡過程及Crowbar電阻影響的分析

電網電壓跌落后，磁鏈不能突變，因此將在定轉子中產生衰減的直流分量，并過渡到新的穩態。定轉子瞬態磁鏈中都將包含穩態分量和直流衰減分量，其近似解析解可表示為[11]

式中，ψs、ψr、ψsf、ψrf、ψsn和ψm分別為定轉子磁鏈、穩態分量及直流分量，其中定轉子時間常數分別為（Rc為Crowbar電阻值）

經過推導可得定轉子暫態電流的表達式為

式（15）中第一項是作為感應電機運行時的穩態分量，第二、三項分別對應定、轉子因短路而產生的直流衰減分量（相對于各自靜止坐標系）。

可見雙饋電機磁鏈暫態響應和過渡時間與電壓跌落時刻與深度、跌落前電機轉速以及電機參數等量密切相關。電壓跌落越嚴重，轉速越高，則短路電流越大。為了抑制暫態過程中的沖擊電流，保護變流器等敏感設備，需要及時投入轉子側Crowbar電路。

式（13）中近似解假設定轉子電阻很小[11]，這對于通常的雙饋電機是適用的。但是隨著 Crowbar電阻值的增大，式（15）的計算結果將會出現較大誤差。其中Crowbar電阻的影響主要表現為兩個方面[13]：

（1）改變暫態分量衰減時間常數。隨著Rc的增大，部分暫態電流加快衰減（主要對應轉子項），較大的Crowbar電阻意味著更快的消耗；另一部分暫態電流的衰減速度卻減慢（主要對應定子項），即Crowbar電阻的增大增加了轉子反電動勢，從而使定子暫態電流得以保持更長時間，其時間常數遠大于前者，從而主導了暫態過程。

（2）限制暫態電流幅值，定轉子暫態電流均隨著Crowbar電阻的增大而減小。以上分析可見轉子側Crowbar電阻值的選擇非常關鍵。

3.2 轉子側Crowbar電阻選擇的校核

為了抑制轉子過電流，通常希望加大 Crowbar電阻值。但同時轉子電壓也會隨著電阻而增大，為了防止過電壓，必須對Crowbar電阻值加以限制，并留有一定的安全裕度，因而有

式中，Ir,max為轉子最大電流（可由式（15）推導）；Vr,max為轉子最大電壓；Vr,lim為轉子限制電壓；λ為安全系數，可取為0.8～1.0。

在實際的電阻選型中，還必須注意電阻的功耗問題，需要復核計算電阻的發熱量，選擇合適的電阻型號。由于電壓跌落時間很短，而風力機慣性較大，因此可認為風速近似不變，即風力機輸入功率不變。因此Crowbar電阻上將承受轉差功率。

式中，Vrc為Crowbar電阻上的壓降，不大于直流母線電壓；ton為短時間內Crowbar電阻的投入時間。

通過設計計算及校核得到的轉子側Crowbar電阻值，還需要通過仿真等不同方式進行驗證，以便選擇最為合適的電阻值。

3.3 Crowbar電阻投切控制的改善

投入 Crowbar電阻后，DFIG需要從電網吸收大量感性無功功率，不利于電網電壓恢復，因此一般需要在過渡過程結束后及時退出，而設計良好的投切控制策略可以消除此時的過電流。

為防止Crowbar電阻切出時引起定轉子電流振蕩，造成二次暫態沖擊，通過計算三相定子電流瞬時值絕對值的和的最小值，選擇該最小值的時刻切出Crowbar電路，此時引起的過電流沖擊最小，實際中可以延時連續判斷幾拍后滿足條件再切出Crowbar電路。

4 非理想電網條件下的實驗驗證

在某電力系統動模實驗室中接入的雙饋式風電模擬系統上對本文所提控制策略進行了實驗驗證，該實驗室可模擬電網電壓諧波條件并可設定暫態跌落故障時電網電壓相位及故障類型。雙饋機組模擬系統參數為：雙饋電機額定功率 40kW，三對極，額定轉速 1 200r/min，定子三角形聯結，轉子星形聯結，定子阻抗0.085Ω，定子感抗為0.14Ω，磁化感抗為7Ω，轉子阻抗為0.093Ω，轉子感抗為0.21Ω；轉子 Crowbar電阻經過分析、計算和校核，選擇3.5Ω。

4.1 諧波抑制實驗驗證

由于雙饋機組電流輸出以定子側為主，因此將所提 PI＋諧振控制器的策略應用于轉子側變流器中，圖4所示為未采用PIR控制的波形，從圖中可以看出諧波含量較大，圖5為諧波抑制的實驗波形，實驗中使用電能質量分析儀進行了測試，波形具體數據見下表。從波形可見，在電網電壓存在畸變情況下（電壓THD＞5%），通過在轉子側變流器應用所提控制策略，定子電流諧波得到有效抑制。由于雙饋機組中定子電流遠大于電網側變流器輸出電流，因此機組輸出總電流的THD得到了較大改善。實驗過程中直流母線電壓始終保持穩定，同時加入諧振控制器后輸出電流幅值基本不變，也表明了諧振控制器只對特定諧波的交流信號具有跟蹤能力，而不影響基波分量的控制。

圖4 轉子側變流器未采用PIR控制的實驗波形（CH1：網側電流，CH2：電網電壓，CH3：定子電流，CH4：轉子電流）Fig.4 Experimental waveforms of rotor-side converter without PIR controller

圖5 轉子側變流器應用PIR控制后的實驗波形（CH1：網側電流，CH2：電網電壓，CH3：轉子電流，CH4：定子電流）Fig.5 Experimental waveforms of rotor-side converter using PIR controller

表 轉子側變流器應用PIR控制前后穩態波形數據Tab. The steady-state waveforms data of rotor-side converter before and after using PIR control

4.2 低電壓穿越實驗驗證

基于本文所提對轉子側Crowbar電阻的選擇及控制策略的改善，分別進行了風電機組遠端和近端跌落故障實驗。圖6為機組遠端跌落三相短路實驗波形。跌落時間為700ms，跌落至20%，跌落時刻相位相差超過90°。圖7為系統近端單相接地故障雙饋系統低電壓穿越波形。從波形可見，電壓跌落發生及恢復時的暫態沖擊電流較小，暫態過渡時間較短，轉子側Crowbar電路的投切次數較少，可以較好地幫助雙饋機組實現低電壓穿越功能，驗證了本文低電壓穿越分析和控制策略的有效性。

圖6 700ms遠端三相短路低電壓穿越實驗波形（CH1：電網電壓，CH2：網測電流，CH3：定子電流，CH4：轉子電流）Fig.6 LVRT experimental waveforms of 700ms remote three-phase short circuit

圖7 近端單相接地故障低電壓穿越實驗波形（CH1：電網電壓，CH2：Crowbar電壓，CH3：定子電流，CH4：轉子電流）Fig.7 LVRT experimental waveforms of near single-phase ground fault

5 結論

當雙饋式風電機組接入電網末梢或分布式電網時，可能會承受非理想的電網條件。本文通過在轉子側變流器電流環中應用PIR控制器，抑制定子輸出電流的低次諧波；同時對雙饋機組轉子 Crowbar電阻的選擇及投切控制策略進行改進優化，進一步提高低電壓穿越實現的效果；基于本文所提控制策略，提高雙饋式風電機組對電網非理想條件的適應能力，提高風電供能的穩定性與可靠性。關于電網的非理想條件，可能還有其他不同的狀況，例如頻率變化、不同負荷接入等，需要進一步開展研究。

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