電網(wǎng)諧波條件下雙饋感應(yīng)風(fēng)電系統(tǒng)改進控制

沈啟平，姚 駿

（重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室，重慶400044）

為應(yīng)對日益凸顯的環(huán)境危機以及能源危機，風(fēng)力發(fā)電得到了全球各國的高度重視。雙饋感應(yīng)發(fā)電機DFIG（doubly-fed induction generator）以其諸多優(yōu)越的運行性能在大型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，然而雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機組定子側(cè)與電網(wǎng)直接相連接的結(jié)構(gòu)決定了其對于電網(wǎng)的各種擾動特別敏感，易產(chǎn)生各種危害[1-15]。受長交流輸電線以及大量電力電子裝置應(yīng)用等因素影響，位于電網(wǎng)末端的風(fēng)電場母線公共接入點PCC（point of common coupling）處往往含有較重程度的低次諧波電壓（尤其是5、7 次諧波），這將導(dǎo)致DFIG 定、轉(zhuǎn)子電流出現(xiàn)較大程度畸變，同時引起DFIG 輸出功率和電磁轉(zhuǎn)矩脈動，嚴(yán)重影響發(fā)電機的安全穩(wěn)定運行及發(fā)電系統(tǒng)的輸出電能質(zhì)量。

目前，已有不少文獻對雙饋風(fēng)電系統(tǒng)在電網(wǎng)諧波條件下的運行與控制展開了研究。文獻[2]最早研究了雙饋感應(yīng)風(fēng)電系統(tǒng)在電網(wǎng)諧波條件下的運行與控制，提出在轉(zhuǎn)子的主電流控制器添加諧波電壓控制器來消除定子電流中的諧波分量，但是該文獻并未完全解釋畸變的定子電壓會對定、轉(zhuǎn)子電流所產(chǎn)生的影響。此外，該文獻的分析是建立在同步參考軸系下，將不可避免地導(dǎo)致控制變量存在6 倍電網(wǎng)頻率的波動。文獻[5]提出將網(wǎng)側(cè)變流器用做有源濾波器來補償定子輸出的諧波電流，使得輸送到電網(wǎng)的電流不存在畸變，但由于定子電流中的諧波分量依然存在，電磁轉(zhuǎn)矩仍然存在波動；文獻[16]首先從控制的角度分析了常規(guī)的大功率變流器矢量控制方法無法抑制定子諧波電流的原因，提出了一種基于定子諧波電流閉環(huán)控制的矢量控制策略，通過單獨添加各次定子諧波電流的控制回路來抑制各次定子諧波電流；文獻[14]提出通過設(shè)計一個轉(zhuǎn)子電流PI 調(diào)節(jié)器和正序參考坐標(biāo)軸系下諧振于6 倍電網(wǎng)頻率的諧波諧振補償器來提供不同的運行功能，例如，消除定、轉(zhuǎn)子諧波電流或消除定子輸出有功、無功功率的六倍頻波動。但是，由于轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制變量的限制，上述文獻所提出的方法均不能同時消除電網(wǎng)諧波條件下定、轉(zhuǎn)子諧波電流、DFIG 輸出功率以及電磁轉(zhuǎn)矩的波動。因此，定、轉(zhuǎn)子繞組諧波功率損耗或定子輸出功率以及電磁轉(zhuǎn)矩波動在DFIG 中仍然存在，這將影響繞組絕緣材料的使用壽命或惡化輸出電能質(zhì)量。此外，上述文獻也只討論了電網(wǎng)諧波條件下轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的運行與控制，并未涉及到轉(zhuǎn)子側(cè)變換器和網(wǎng)側(cè)變換器的協(xié)調(diào)控制來增強整個DFIG 系統(tǒng)的運行性能。

電網(wǎng)諧波條件下定子輸出功率以及電磁轉(zhuǎn)矩波動最根本的原因是定子諧波電壓的存在。為此，本文利用基于串聯(lián)網(wǎng)側(cè)變換器SGSC（series gridside converter）的DFIG 系統(tǒng)具有定子電壓靈活可控的特性[17-18]，確保了發(fā)電機的對稱穩(wěn)定運行，并通過并聯(lián)網(wǎng)側(cè)變換器PGSC（parallel grid-side converter）的協(xié)調(diào)控制實現(xiàn)系統(tǒng)總輸出有功和無功功率同時無6 倍頻波動或系統(tǒng)總輸出電流無畸變2種可選功能。最后，通過1 臺基于SGSC 的DFIG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的仿真研究，驗證了本文所提電網(wǎng)諧波條件下DFIG 風(fēng)電系統(tǒng)改進控制策略的有效性。

1 電壓諧波條件下串聯(lián)網(wǎng)側(cè)變換器控制策略

為實現(xiàn)電網(wǎng)諧波條件下發(fā)電機的對稱穩(wěn)定運行，SGSC 應(yīng)向定子回路注入一定的串聯(lián)補償電壓，以實現(xiàn)定子正序電壓矢量等于電網(wǎng)正序電壓矢量。因此在含有5、7 次諧波電網(wǎng)電壓下SGSC 的控制目標(biāo)為

在下文中，下標(biāo)g 為電網(wǎng)相關(guān)物理量；下標(biāo)s、r分別為DFIG 定、轉(zhuǎn)子相關(guān)物理量；上標(biāo)+/－為正向和反向同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸系，上標(biāo)中的5、7 分別為5、7 次同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸系；下標(biāo)中的+為基波正序矢量或分量，下標(biāo)中的5、7 分別為5、7 諧波矢量或分量；下標(biāo)d、q 分別為同步旋轉(zhuǎn)d、q 軸分量。

為滿足式（1）的要求，需首先對電網(wǎng)電壓以及定子電壓進行相序分離，以獲得電網(wǎng)電壓矢量以及定子電壓矢量的正序、5 次和7 次諧波分量。為準(zhǔn)確獲取該電網(wǎng)條件下電網(wǎng)正序電壓的相位和頻率，以完成精確的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換和控制定向，采用了改進鎖相環(huán)，即在傳統(tǒng)的鎖相環(huán)中嵌入截止頻率為300 Hz 陷波器，以濾出5、7 次諧波電壓的影響，如圖1 所示。

圖1 電網(wǎng)諧波條件下改進鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)原理Fig.1 Principle of improved PLL for distorted grid voltage conditions

SGSC 控制中采用多同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸系實現(xiàn)對定子電壓的諧波抑制控制。將定子電壓矢量通過正向同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換和截止頻率為6ω 的陷波器濾波后可得到定子電壓正序矢量；將定子電壓矢量分別通過5 倍同步速反向旋轉(zhuǎn)和7 倍同步速正向旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換和截頻率為6ω、12ω的陷波器濾波后可得到定子5 次、7 次諧波電壓矢量，再通過電壓閉環(huán)控制得到多同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸系下SGSC 的正序、5 次和7 次諧波電壓控制方程，即

式中：Kp1和Ki1、Kp2和Ki2、Kp3和Ki3分別為SGSC正序電壓、5 次和7 次諧波電壓PI 調(diào)節(jié)器的比例和積分系數(shù)；下標(biāo)series 為串聯(lián)網(wǎng)側(cè)變換器相關(guān)物理量。SGSC 的控制框圖如圖2 所示。當(dāng)通過SGSC 有效控制實現(xiàn)DFIG 機端電壓無畸變時，可采用傳統(tǒng)的矢量控制方式實現(xiàn)轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的控制，發(fā)電機的穩(wěn)定運行能力可得到顯著提高。

圖2 串聯(lián)網(wǎng)側(cè)變換器控制框圖Fig.2 Control diagram of SGSC

2 電網(wǎng)諧波條件下并聯(lián)網(wǎng)側(cè)變換器控制策略

2.1 系統(tǒng)運行行為分析

系統(tǒng)總輸出有功功率Ptotal和無功功率Qtotal可表示為

由式（3）不難看出，系統(tǒng)總輸出功率主要由3部分組成，通過SGSC 的有效控制可使得定子輸出功率無波動，因此系統(tǒng)饋入電網(wǎng)的功率波動只與流經(jīng)SGSC 以及PGSC 的功率有關(guān)。在多同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸系下，流經(jīng)SGSC 的功率可表示為

式中：下標(biāo)series_av、series_cos6、series_sin6 分別表示串聯(lián)網(wǎng)側(cè)變換器功率的平均值、6 倍頻余弦脈動分量以及6 倍頻正弦脈動分量。其中：

同理，流經(jīng)PGSC 功率可表示為

式中：下標(biāo)g_av、g_cosi、g_sini 分別為并聯(lián)網(wǎng)側(cè)變換器功率的平均值、i 倍頻的余弦脈動分量以及i倍頻的正弦脈動分量。其相應(yīng)波動分量的幅值為

由式（4）和式（6）可知，此時SGSC 輸出功率含有6 倍頻的波動分量，PGSC 輸出功率含有6 倍、12 倍頻波動分量，但由于12 倍頻的正余弦脈動分量幅值較小，對于DFIG 的影響往往可以忽略，因而整個系統(tǒng)輸出功率的脈動主要以6 倍頻為主。

2.2 并聯(lián)網(wǎng)側(cè)變換器控制目標(biāo)

在含5、7 次諧波電網(wǎng)電壓下網(wǎng)側(cè)電流中有6個可控變量，分別是因此，除平均有功功率Pg_av和平均無功功率Qg_av以外，還有4個功率波動分量是可控的，則PGSC 可設(shè)定如下可選擇的控制目標(biāo)。

目標(biāo)1：同時消除系統(tǒng)總輸出有功和無功功率的6 倍頻波動。

目標(biāo)2：保證系統(tǒng)輸出電流對稱無畸變。

（1）對于控制目標(biāo)1，應(yīng)有

式中，下標(biāo)g_cos6 和g_sin6 分別為并聯(lián)網(wǎng)側(cè)變換器功率的6 倍頻余弦脈動分量及6 倍頻正弦脈動分量。可得PGSC 所需正序和諧波電流給定指令為

其中：

式中，Pseries_cos6、Pseries_sin6、Qseries_cos6及Qseries_sin6可分別由式（5）求得。

（2）對于控制目標(biāo)2，由于系統(tǒng)輸出電流為發(fā)電機定子電流與PGSC 電流之和，由于定子電流保持無畸變，為保證系統(tǒng)輸出電流無畸變，應(yīng)有

2.3 并聯(lián)網(wǎng)側(cè)變換器控制方程

網(wǎng)側(cè)電流控制采用正序電網(wǎng)電壓定向的方式，則PGSC 在多同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸系下的正序、5次和7 次諧波控制電壓方程[19]可分別設(shè)計為

式中，Rg和Lg分別為網(wǎng)側(cè)變換器進線電抗器的電阻和電感。Kp4和Ki4、Kp5和Ki5、Kp6和Ki6分別為PGSC 正序、5 次和7 次諧波電壓PI 調(diào)節(jié)器的比例和積分系數(shù)。PGSC 控制框圖如圖3 所示。

圖3 并聯(lián)網(wǎng)側(cè)變換器控制框圖Fig.3 Block diagram of PGSC control

3 系統(tǒng)仿真研究

利用Matlab/Simulink 軟件對一臺基于SGSC的2 MW DFIG 風(fēng)電系統(tǒng)進行了仿真研究。仿真系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)如表1 所示。

表1 基于SGSC 的2MW DFIG 風(fēng)電系統(tǒng)Tab.1 Parametors of 2 MW DFIG wind turbine system based on SGSC

采用傳統(tǒng)控制策略及所提控制策略時系統(tǒng)運行參數(shù)對比分析結(jié)果如表2 所示。由表2 的分析結(jié)果不難看出，通過SGSC 的有效控制，定子5、7次諧波電壓含量由4.93%和3.12%降到了0.16%和0.07%，這使得定、轉(zhuǎn)子電流畸變程度和發(fā)電機輸出功率波動程度大大降低，顯著增強了發(fā)電機在電網(wǎng)電壓下的安全穩(wěn)定運行能力。對于所提控制目標(biāo)1，系統(tǒng)總輸出有功和無功功率的6 倍頻波動同時得到抑制；對于所提控制目標(biāo)2，有效降低了系統(tǒng)總輸出電流的諧波含量。對實際系統(tǒng)而言，可靈活選擇并聯(lián)網(wǎng)側(cè)變換器的控制目標(biāo)來滿足電網(wǎng)諧波條件下風(fēng)電場的不同需求，進而提高電網(wǎng)諧波條件下整個DFIG 系統(tǒng)的并網(wǎng)電能質(zhì)量及所并電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

仿真中設(shè)定DFIG 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為1 950 r/min（轉(zhuǎn)差率為-0.3），系統(tǒng)輸出總有功和無功功率分別為2 MW 和0 var，電網(wǎng)電壓5、7 次諧波含量分別為5%和3%。針對上述電網(wǎng)條件和發(fā)電機的運行狀態(tài)進行了傳統(tǒng)控制與本文所提的控制策略的對比仿真研究。在t=1.5～1.6 s 時段采用傳統(tǒng)控制方式控制，此時SGSC 和PGSC 控制中均未考慮電網(wǎng)電壓諧波分量；t = 1.6 s 后采用本文所提控制方式，PGSC 按不同控制目標(biāo)計算其所需電流指令，仿真結(jié)果如圖4 所示。從圖4 可以看出，在傳統(tǒng)控制時段，由于SGSC 和PGSC 分別在正向同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下采用單PI 調(diào)節(jié)器實現(xiàn)對定子電壓和網(wǎng)側(cè)電流的控制，受PI 調(diào)節(jié)器帶寬的限制無法實現(xiàn)對含諧波分量的定子電壓、網(wǎng)側(cè)電流的有效調(diào)節(jié)，定、轉(zhuǎn)子電流畸變嚴(yán)重，進而造成定子輸出功率、電磁轉(zhuǎn)矩及系統(tǒng)輸出功率的波動，嚴(yán)重影響了發(fā)電機的安全穩(wěn)定運行性能及并網(wǎng)電網(wǎng)電能質(zhì)量。t=1.6 s切換為所提控制方式，通過SGSC 的有效控制消除了定子電壓中的諧波分量，使得定、轉(zhuǎn)子電流保持對稱無畸變，定子輸出功率、電磁轉(zhuǎn)矩均無波動，有效增強了發(fā)電機安全穩(wěn)定運行能力。在1.6～1.7 s時段內(nèi)，系統(tǒng)總輸出有功和無功功率的6 倍頻波動同時得到抑制；在1.7～1.8 s 時段內(nèi)，系統(tǒng)總輸出電流中的諧波分量得到了抑制。

表2 不同控制策略下DFIG 系統(tǒng)運行參數(shù)對比Tab.2 Comparisons of operational parameters of DFIG system with different control strategies

圖4 電網(wǎng)諧波條件下基于SGSC 的DFIG 系統(tǒng)采用不同控制策略時仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results of DFIG system based on SGSC with different control strategies under distorted grid voltage conditions

5 結(jié)論

（1）為消除電網(wǎng)電壓諧波對DFIG 系統(tǒng)的不利影響，提出了該電網(wǎng)條件下串聯(lián)網(wǎng)側(cè)變換器的控制策略。通過串聯(lián)網(wǎng)側(cè)變換器的有效控制實現(xiàn)了發(fā)電機的對稱穩(wěn)定運行，為所提并聯(lián)網(wǎng)側(cè)變換器的控制目標(biāo)的實現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

（2）通過對該電網(wǎng)條件下基于串聯(lián)網(wǎng)側(cè)變換器的DFIG 系統(tǒng)總輸出功率波動的分析，并結(jié)合電網(wǎng)的實際運行需求，提出了該電網(wǎng)條件下并聯(lián)網(wǎng)側(cè)變換器的控制策略，即通過并聯(lián)網(wǎng)側(cè)變換器和串聯(lián)網(wǎng)側(cè)變換器的協(xié)調(diào)控制可實現(xiàn)系統(tǒng)總輸出有功和無功功率同時無6 倍頻波動，或系統(tǒng)總輸出電流保持對稱無畸變2 種不同運行功能。

[1]Yang Lihui，Xu Zhao，Ostergaard Jacob，et al. Advanced control strategy of DFIG wind turbines for power system fault ride through[J].IEEE Trans on Power Systems，2012，27（2）：713-722.

[2]Ramos C J，Martins A P，Carvalho A S.Rotor current controller with voltage harmonics compensation for a DFIG operating under unbalanced and distorted stator voltage[C]//IEEE 33rd Annual Conference of Industrial Electronics.Taipei，China，2007：5-8.

[3]Ibrahim A O，Thanh Hai Nguyen，Dong-Choon Lee，et al.A fault ride-through technique of DFIG wind turbine systems using dynamic voltage restorers[J]. IEEE Trans on Energy Conversion，2011，26（3）：871-882.

[4]Leon A E，F(xiàn)arias M F，Battaiotto P E，et al.Control strategy of a DVR to improve stability in wind farms using squirrelcage induction generators [J]. IEEE Trans on Power Systems，2011，26（3）：1609-1617.

[5]Gaillard A，Poure P，Saadate S. Active filtering capability of WECS with DFIG for grid power quality improvement[C]//IEEE International Symposium on Industrial Electronics.Cambridge，UK，2008：2365-2370.

[6]Wessels C，Gebhardt F，F(xiàn)uchs F W.Fault ride-through of a DFIG wind turbine using dynamic voltage restorer during symmetrical and asymmetrical grid faults[J].IEEE Trans on Power Electronics，2011，26（3）：807-815.

[7]Zhang Shao，Tseng King-Jet，Choi San Shing，et al. Advanced control of series voltage compensation to enhance wind turbine ride-through[J].IEEE Trans on Power Electronics，2012，27（2）：763-772.

[8]Geng Hua，Liu Cong，Yang Geng. LVRT capability of DFIG-based WECS under asymmetrical grid fault condition[J]. IEEE Trans on Industrial Electronics，2013，60（6）：2495-2509.

[9]畢天姝，劉素梅，薛安成，等（Bi Tianshu，Liu Sumei，Xue Ancheng，et al）. 具有低電壓穿越能力的雙饋風(fēng)電機組故障暫態(tài)特性分析（Fault analysis of doubly fed induction generator wind turbines with low-voltage ride-through capability）[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制（Power System Protection and Control），2013，41（2）：26-31.

[10]孟巖峰，胡書舉，王玲玲，等（Meng Yanfeng，Hu Shuju，Wang Lingling，et al）. 電網(wǎng)故障條件下雙饋機組運行特性分析及其協(xié)調(diào)控制（Characteristics analysis and coordinated control of the doubly-fed wind power system under grid transient fault）[J]. 電 力 系 統(tǒng) 保 護 與 控 制（Power System Protection and Control），2013，41（8）：106-113.

[11]胡家兵，賀益康，王宏勝（Hu Jiabing，He Yikang，Wang Hongsheng）. 不平衡電網(wǎng)電壓下雙饋感應(yīng)發(fā)電機轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的比例-諧振電流控制策略（Proportional-resonant current control scheme for rotor-side converter of doubly-fed induction generators under unbalanced network voltage conditions）[J]. 中 國 電 機 工 程 學(xué) 報（Proceedings of the CSEE），2010，30（6）：48-56.

[12]胡勝，林新春，康 勇，等（Hu Sheng，Lin Xinchun，Kang Yong，et al）. 一種雙饋風(fēng)力發(fā)電機在電網(wǎng)電壓不平衡條件下的改進控制策略（An improved control strategy of doubly-fed induction generator under grid voltage unbalance）[J]. 電工技術(shù)學(xué)報（Transactions of China Electrotechnical Society），2011，26（7）：21-29.

[13]Xu Hailiang，Hu Jiabing，He Yikang. Operation of windturbine-driven DFIG systems under distorted grid voltage conditions：analysis and experimental validations[J]. IEEE Trans on Power Electronics，2012，27（5）：2354-2366.

[14]馬越，陳星鶯，余昆，等（Ma Yue，Chen Xingying，Yu Kun，et al）. 不同類型短路故障下雙饋風(fēng)機短路電流分析（Analysis for short circuit current of DFIG-based wind generation system under different types of short circuit）[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報（Proceedings of the CSU-EPSA），2014，26（2）：60-65.

[15]周羽生，鄭劍武，向軍，等（Zhou Yusheng，Zheng Jianwu，Xiang Jun，et al）. 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)變流器聯(lián)合控制策略（Combination control strategy for grid convert in doubly-fed wind power generation systems）[J]. 電 力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報（Proceedings of the CSU-EPSA），2014，26（4）：25-29.

[16]徐君，陳文杰，徐德鴻，等（Xu Jun，Chen Wenjie，Xu Dehong，et al）. 電網(wǎng)低次諧波電壓下雙饋風(fēng)電系統(tǒng)定子諧波電流抑制（Stator harmonic current suppression strategy for doubly-fed wind power generation system influenced by low-order harmonic voltage of grid）[J]. 電 力系 統(tǒng) 自 動 化（Automation of Electric Power Systems），2011，35 （8）：87-92.

[17]Flannery P S，Venkataramanan G.Unbalanced voltage sag ride-through of a doubly fed induction generator wind turbine with series grid-side converter[J].IEEE Trans on Industry Applications，2009，45（5）：1879-1887.

[18]姚駿，廖勇，李輝，等（Yao Jun，Liao Yong，Li Hui，et al）.電網(wǎng)電壓不平衡下采用串聯(lián)網(wǎng)側(cè)變換器的雙饋感應(yīng)風(fēng)電系統(tǒng)改進控制 （Improved control of a doubly fed induction generator wind turbines with a series grid -side converter under unbalanced grid voltage conditions）[J]. 中國電機工程學(xué)報（Proceedings of the CSEE），2012，32（6）：121-130.

[19]張崇巍，張興.PWM 整流器及其控制[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2003.