不平衡電網(wǎng)下基于降階諧振器的雙饋風電系統(tǒng)網(wǎng)側變換器輔助控制策略

王建良 張奕黃 程 鵬年 珩

（1.北京交通大學電氣工程學院 北京 100044 2.中國南車株洲電機有限公司 株洲 412001 3.浙江大學電氣工程學院 杭州 310027）

1 引言

隨著電力電子技術的不斷成熟與發(fā)展，可再生能源發(fā)電技術，特別是風力發(fā)電技術得到了長足的發(fā)展，其中基于雙饋感應電機（Doubly Fed Induction Generator,DFIG）的風力發(fā)電系統(tǒng)由于其變速恒頻運行、變換器容量小及功率調節(jié)靈活等優(yōu)勢，而得到了大量而廣泛的應用[1-3]。

現(xiàn)階段，很多風電場處于電網(wǎng)末端，并通過長距離傳輸線與主干電網(wǎng)相連接，因而在并網(wǎng)點（Point of the Common Coupling,PCC）產(chǎn)生負序電壓擾動，影響雙饋發(fā)電系統(tǒng)的運行特性，甚至會惡化并網(wǎng)點電能質量[4]。因此，我國于2012年6 月正式實施《風電場接入電力系統(tǒng)技術規(guī)定》（GB/T 19963—2011）國家標準，要求風電機組能夠承受一定的負序電壓擾動而不脫網(wǎng)。故而，有必要增強電網(wǎng)電壓不平衡條件下雙饋發(fā)電系統(tǒng)的運行能力。

文獻[5-8]對電網(wǎng)電壓不平衡條件下雙饋感應電機以及PWM 變換器進行了研究，系統(tǒng)地給出包括雙饋發(fā)電機、機側變換器以及網(wǎng)側變換器在內(nèi)的雙dq 數(shù)學模型，并提供一系列可供選擇的控制方案。然而，考慮到雙饋風電系統(tǒng)采用雙PWM 交流勵磁變換器的實際以及單一變換器控制能力有限的局限，為向不平衡電網(wǎng)提供更好的輸出特性，以期最大限度改善整個雙饋發(fā)電系統(tǒng)的輸出特性，因此有必要綜合研究分析網(wǎng)側變換器的輔助控制功能。在雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)雙dq 數(shù)學模型的基礎上，文獻[9-11]以穩(wěn)定整個雙饋系統(tǒng)輸出有功功率作為網(wǎng)側PWM 變換器的輔助控制目標，分別設計了主-輔電流調節(jié)器[9]、比例-諧振（Proportional Resonant,PR）電流調節(jié)器[10]和比例-積分-諧振（Proportional Integral Plus Resonant,PI+R）電流調節(jié)器[11]，實現(xiàn)對網(wǎng)側變換器輸出正、負序電流的統(tǒng)一調節(jié)與控制。然而，這些輔助控制方案仍涉及電壓的正、負序分離和提取，并以此為基礎計算相應的正、負序電流指令，增加了控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)的復雜性。因此，有必要研究一種設計簡單、實現(xiàn)方便的網(wǎng)側變流器正、負序電流控制方案。

文獻[12,13]指出，由于降階諧振器（Reduced-Order Resonant Controller,RORC）只具有單一極點，因而其具有常規(guī)二階諧振器[11]（Second-Order Resonant Controller,SORC）所不具備的典型極性選擇能力。采用只對有負序分量具有典型調節(jié)能力的RORC，可有效避免引入3 次電流諧波畸變，確保高正弦度電流輸出。在文獻[13]中，提出了一種比例-積分-降階諧振器電流調節(jié)器，并給出了消除有功功率、無功功率脈動的電流指令計算方案。然而，該電流指令計算方案復雜，計算負擔繁重。

因此，考慮到RORC 同時具有典型的頻率、極性選擇能力，本文采用RORC 對雙饋發(fā)電系統(tǒng)輸出的有功、無功功率進行閉環(huán)諧振調節(jié)，消去了負序電流指令計算，并完全取消電壓、電流的正負序分離與提取過程。最后，通過2.0 MW 雙饋風電系統(tǒng)仿真研究和1.0 kW 雙饋電機實驗研究，驗證了所提出的采用降階諧振器的電流控制方案在實現(xiàn)網(wǎng)側變換器輔助控制功能的有效性與可行性。

2 網(wǎng)側變換器模型

圖1 給出了DFIG 交流勵磁用網(wǎng)側變換器主電路，其中uga、ugb、ugc為電網(wǎng)電壓，iga、igb、igc為網(wǎng)側變換器輸入電流，vga、vgb、vgc為網(wǎng)側變換器輸出電壓，Vdc為網(wǎng)側變換器直流側電壓，Rg、Lg為濾波電抗的等效電阻、電感，C為直流側電容。

圖1 DFIG 網(wǎng)側變換器主電路Fig.1 Main circuit of DFIG’s grid-side converter

在正轉同步旋轉坐標系中，同時含有正、負序分量的網(wǎng)側變換器電壓方程可表示為

在電網(wǎng)電壓不平衡條件下，整個雙饋發(fā)電系統(tǒng)輸出到電網(wǎng)的瞬時有功、無功功率表達式為

式中，上標“+、-”分別表示正、反轉同步旋轉坐標系；下標“+、-”分別表示正、負序分量。

Pts2、Ptc2和Qts2、Qtc2的存在說明，在電網(wǎng)電壓不平衡條件下，整個系統(tǒng)輸出功率中除平均有功、無功功率外，還存在2 倍電網(wǎng)頻率的有功、無功波動。在雙饋風電系統(tǒng)中，其總電流由DFIG 定子電流和網(wǎng)側變換器電流共同構成。因此，在改善電網(wǎng)電壓不平衡條件下雙饋發(fā)電系統(tǒng)對外表現(xiàn)特性時，應充分考慮網(wǎng)側變換器的電流調節(jié)的輔助控制功能，也可有效提升整個雙饋系統(tǒng)的對外特性。

3 控制系統(tǒng)

在電網(wǎng)電壓不平衡條件下，DFIG 交流勵磁用機側變流器的4 個可選控制目標均可在一定范圍內(nèi)改善DFIG 電機自身的運行特性，然而機側變換器只能控制轉子正、負序電流，故只能實現(xiàn)雙饋發(fā)電機的優(yōu)化控制。因此，在進行雙饋發(fā)電系統(tǒng)綜合設計時，應綜合考慮DFIG 雙PWM 變換器中網(wǎng)側變換器的輔助控制功能，以最大限度改善雙饋風電系統(tǒng)對外輸出特性。

分析式（3）可發(fā)現(xiàn)，電網(wǎng)電壓不平衡條件下雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)輸出的有功、無功功率瞬時值存在2 倍電網(wǎng)頻率波動。網(wǎng)側變換器能在維持直流電壓穩(wěn)定（有功功率平均值）、無功功率平均值解耦控制外，也可以完成以下目標：①恒定的DFIG 系統(tǒng)輸出有功功率，即消除整個系統(tǒng)總有功功率的2 倍頻波動分量；②恒定的DFIG 系統(tǒng)輸出無功功率，即消除整個系統(tǒng)總無功功率的2 倍頻波動分量。

圖2 給出了在電網(wǎng)電壓不平衡條件下采用RORC 電流控制方案的網(wǎng)側變換器原理框圖，其包含電流PI 調節(jié)器、功率RORC 兩個調節(jié)器。通過對直流側電壓、無功功率誤差進行比例-積分調節(jié)，可獲得相應的正序電流指令。在正轉同步旋轉坐標系中，輸出電流的正序基頻分量轉換為直流量形式，采用PI 調節(jié)器即可實現(xiàn)平均有功、無功電流的固有解耦控制，以確保網(wǎng)側PWM 變換器的平均單位功率運行；而DFIG 發(fā)電系統(tǒng)輸出功率含有2 倍電網(wǎng)頻率（2ω1）的波動分量，可采用諧振頻率為2 倍電網(wǎng)頻率（2ω1）的RORC 實現(xiàn)對波動分量的直接控制。因此，帶有截止頻率ωc的RORC 調節(jié)器，可表達為

式中，ωc=10～20rad/s為截止頻率，kr為諧振系數(shù)。

圖2 采用RORC 電流控制方案的網(wǎng)側變換器控制原理框圖Fig.2 Schematic diagram of the grid-side converter using a RORC-based current scheme

圖3 給出了二階諧振器和降階諧振器的頻率響應特性，其中ωc=15rad/s，負頻段代表諧振器對反轉矢量的頻率響應，正頻段代表諧振器對正轉矢量的頻率響應。可見RORC 與SORC 同時具有頻率選擇能力，即僅為指定頻率分量提供無窮大增益；RORC能夠提供對正、反轉矢量的良好區(qū)分度，而SORC則不具備這一功能。因此，本文采用同時具有頻率、極性選擇能力的RORC 作為輔助功率調節(jié)器。

圖3 二階諧振器與降階諧振器幅頻響應對比Fig.3 Magnitude-frequency responses of SORC and RORC

針對目標1，恒定的DFIG 系統(tǒng)輸出有功功率，即Pts2=Ptc2=0，則有

針對目標2，恒定的DFIG 系統(tǒng)輸出無功功率，即Qts2=Qtc2=0，則有

此時，網(wǎng)側PWM 變換器交流側輸出電壓指令由電流PI 調節(jié)器、功率RORC 調節(jié)器和解耦項共同構成，可表達為

在正轉同步旋轉坐標系中，網(wǎng)側變換器交流輸出電壓指令，如式（7）所示。結合電網(wǎng)電壓矢量相位角θ1，進行反Park 變換后，可得在兩相靜止坐標系中網(wǎng)側變換器交流側電壓輸出指令為

最后，根據(jù)式（8）中所獲得的網(wǎng)側變換器交流輸出側電壓指令，采用空間矢量調制技術（Space Vector Modulation,SVM）即可獲得控制網(wǎng)側變換器所需的開關信號。

綜上，采用降階諧振調節(jié)器的電流控制方案，可以完全消去正、負序相序分離，并無需計算負序電流指令，可有效降低系統(tǒng)設計復雜度以及計算負擔。然而，為了實現(xiàn)網(wǎng)側變換器的輔助控制目標，并兼顧機側、網(wǎng)側變換器的模塊化設計要求，網(wǎng)側變換器需要對雙饋發(fā)電系統(tǒng)總輸出電流進行采樣。

4 仿真研究

為驗證電網(wǎng)電壓不平衡條件下，采用降階諧振調節(jié)器電流控制方案在實現(xiàn)網(wǎng)側變換器輔助控制功能的有效性，采用圖4 所示雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)及其電機參數(shù)（見表1）進行仿真研究。在仿真研究中，機側、網(wǎng)側變換器開關頻率均為2.5kHz，額定直流側電壓為1 150V，直流側電容為3mF，網(wǎng)側變換器交流側輸入電感為 0.25mH，DFIG 機組轉速為1.2(pu)（1.0(pu)表示同步速），DFIG 定子輸出平均有功、無功功率指令分別為0.83(pu)、0.0(pu)，網(wǎng)側變換器維持平均單位功率因數(shù)運行（平均無功功率指令為0.0(pu)）。其中，機側變換器控制策略采用文獻[14]的方法消除電機轉矩脈動，為縮短文章篇幅，這里不做深入的分析。

圖4 雙饋風電仿真系統(tǒng)結構示意圖Fig.4 Schematic diagram of the simulated DFIG system

表1 DFIG 仿真系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 Simulated DFIG parameters

為驗證網(wǎng)側變換器輔助控制功能的有效性，對采用RORC 電流控制方案進行了仿真驗證：網(wǎng)側變換器選取兩個不同的輔助控制目標，即 0.0～0.4s（目標1），0.4～0.8s（目標2）；機側變換器在整個運行過程中控制目標固定為消除電機轉矩脈動，仿真結果如圖5 所示。

圖5 網(wǎng)側變換器不同控制目標時穩(wěn)態(tài)仿真結果Fig.5 Simulated results of the grid-side converter with different control targets

可見，在電網(wǎng)電壓不平衡（不平衡度為10%）條件下，采用RORC 電流控制方案可以有效實現(xiàn)網(wǎng)側變換器正、負序電流的統(tǒng)一、準確控制，以實現(xiàn)不同的輔助控制目標：即0～0.4s 內(nèi)，消除整個DFIG系統(tǒng)向電網(wǎng)輸送有功功率的2 倍頻脈動；在0.4～0.8s 內(nèi)，消除整個DFIG 向電網(wǎng)輸送無功功率的2倍頻脈動。在0.0～0.4s（目標1）內(nèi)，消除了DFIG系統(tǒng)向電網(wǎng)輸送有功功率的2 倍頻脈動，DFIG 系統(tǒng)輸出電流THD為1.73%，同時直流側電壓波動也被限制為±1.5%，但向電網(wǎng)輸送的無功功率脈動上升為±16.5%；在0.4～0.8s（目標2）內(nèi)，消除了DFIG系統(tǒng)向電網(wǎng)輸送無功功率的2 倍頻脈動，DFIG 系統(tǒng)輸出電流THD為2.01%，但向電網(wǎng)輸送的有功功率脈動為±17.6%，同時直流側電壓波動上升為±7.3%。因此，可見在確保DFIG 系統(tǒng)電流高正弦度輸出的條件下，采用目標1 可以達到降低直流側電容電壓波動的目的。此外，消除向電網(wǎng)輸送有功功率2 倍頻脈動（目標1）、無功功率2 倍頻脈動（目標2）是相互對立，不能同時實現(xiàn)。

圖6 電網(wǎng)電壓瞬態(tài)不平衡時DFIG 系統(tǒng)運行對比結果Fig.6 Simulated results of the DFIG system with a transient voltage unbalance

為比較所提出的 RORC 電流控制方案與采用PI+R 電流控制方案[11]的動態(tài)性能差異，在不平衡度10%的瞬態(tài)電網(wǎng)不平衡故障下，對DFIG 系統(tǒng)進行仿真研究。仿真采用與圖5 相同的工作狀況，其中在0.2～0.6s 內(nèi)發(fā)生不平衡故障，機側、網(wǎng)側變換器控制目標分別DFIG 轉矩平穩(wěn)、向電網(wǎng)輸出有功功率平穩(wěn)，仿真結果如圖6 所示。可以看出，在電網(wǎng)瞬態(tài)不平衡發(fā)生和切除時刻，采用PI+R 電流控制方案時DFIG 系統(tǒng)輸出功率在70ms 內(nèi)恢復平穩(wěn)。這主要是由于在瞬態(tài)故障過程中，需要利用二階陷波器提取電壓、電流的正負序分量以計算電流負序指令，這不僅會引入一定的延遲，還存在對正負序分量提取不夠精確，惡化動態(tài)響應。然而，在電網(wǎng)故障發(fā)生與切除瞬間，采用RORC 電流控制方案，功率跟蹤效果理想、響應平滑，DFIG 系統(tǒng)輸出功率在35ms 內(nèi)恢復平穩(wěn)。這正是由于對功率進行直接諧振閉環(huán)調節(jié)，而避免了根據(jù)電壓、電流正負序分量計算網(wǎng)側電流負序指令環(huán)節(jié)，提高了DFIG 系統(tǒng)在不平衡故障下的動態(tài)控制性能。

5 實驗驗證

為驗證所提出的采用PI+RORC 的電流控制方案在實驗網(wǎng)側變換器輔助控制功能方面的有效性和可行性，以所構建的小容量DFIG 實驗室模擬發(fā)電系統(tǒng)為測試平臺對其進行實驗研究。其中，該實驗系統(tǒng)采用兩塊TMS320F28335 DSP 分別控制機側、網(wǎng)側變換器，利用與雙饋電機同軸相連的籠型電機模擬原動機，不平衡電網(wǎng)故障由三相可編程電壓源型逆變器產(chǎn)生[15]。在實驗研究中，機側變換器采用文獻[14]的方法消除DFIG 電機轉矩脈動，而不在本研究中做深入的討論分析。圖7、表2 分別給出了小容量實驗系統(tǒng)構建框圖以及電機參數(shù)。在實驗運行中，雙饋發(fā)電機轉速設置為800r/min。

圖7 DFIG 實驗模擬系統(tǒng)框圖Fig.7 Tested setup of the DFIG system

表2 實驗電機參數(shù)Tab.2 The experimental system parameters

圖8 給出了在理想電網(wǎng)條件下雙饋電機運行實驗結果，此時電網(wǎng)電壓中5 次、7 次諧波含量分別為0.97%、0.52%，雙饋電機定子輸出有功、無功功率分別為1.0kW、0.0var，電機轉矩為12N·m。可見，DFIG 定子輸出功率以及電機轉矩基本穩(wěn)定，網(wǎng)側變換器在單位功率因數(shù)工作條件下維持穩(wěn)定的直流側電壓，DFIG 定、轉子電流以及網(wǎng)側變換器輸出電流基本保持正弦。實驗驗證中，由于雙饋電機轉速為800r/min（0.8（pu）,40Hz），則轉子電流表現(xiàn)為 10Hz（40～50Hz）交流正弦信號。考慮到實際電機含有齒諧波、部分磁飽和等因素，將會導致非正弦的電機氣隙磁場，并在DFIG 定、轉子繞組中感應產(chǎn)生相應的諧波分量。此時，定、轉子電流THD分別為2.9%、2.1%。

圖8 理想電網(wǎng)條件下雙饋發(fā)電系統(tǒng)運行實驗結果Fig.8 The experimental results of the DFIG tested system under ideal grid voltage conditions

圖9 電壓不平衡條件下雙饋發(fā)電系統(tǒng)運行實驗結果Fig.9 The experimental results of the DFIG tested system under unbalanced grid voltage conditions

圖9 給出了電網(wǎng)電壓不平衡條件下雙饋電機運行實驗結果，其中電網(wǎng)電壓不平衡度為5.5%。由于PI 調節(jié)器對100Hz 頻率分量幾乎沒有調節(jié)作用，故無法實現(xiàn)對電流負序分量的有效調節(jié)，雙饋發(fā)電系統(tǒng)總輸出有功、無功功率含有明顯脈動，其幅值分別為±8.3%、±10.4%，影響并網(wǎng)點高品質電能輸出。同時，雙饋電機轉矩脈動為±9.6%，極大地增加雙饋發(fā)電系統(tǒng)機械部分壓力，對機組轉軸、齒輪箱等機械部件造成不可逆損傷，不利于雙饋機組的長期高性能穩(wěn)定運行。

圖10 給出了在電網(wǎng)電壓不平衡條件下，考慮網(wǎng)側變換器輔助控制功能的實驗結果，其中電網(wǎng)電壓不平衡度為5.5%。在圖10a 和圖10b 中，機側變換器以消除電機轉矩脈動為控制目標，將電機轉矩脈動限制為±1.0%，有效地穩(wěn)定了電機轉矩，保證了電機自身的安全穩(wěn)定運行。在圖10a 中，網(wǎng)側變換器以消除整個雙饋系統(tǒng)輸出總有功功率脈動作為輔助控制目標，即目標1，此時雙饋發(fā)電系統(tǒng)向電網(wǎng)輸送的有功功率波動為±1.1%，而整個系統(tǒng)輸出的無功功率波動也下降為±7.2%，直流側電壓保持相對穩(wěn)定。在圖10b 中，網(wǎng)側變換器以消除整個雙饋系統(tǒng)輸出無功功率脈動作為輔助控制目標，即目標2，此時雙饋發(fā)電系統(tǒng)向電網(wǎng)輸送的無功功率波動被限制為±1.2%，而有功功率波動則為±7.8%。此時，直流側電壓出現(xiàn)波動，其波動為±5V。根據(jù)文獻[13]分析可知，當機側變換器以消除電機轉矩脈動為目標、網(wǎng)側變換器以消除整個雙饋系統(tǒng)輸出有功功率脈動為目標時，直流側電壓波動也會得到一定的抑制，與圖10 中實驗結果保持良好的一致性。

圖10 電網(wǎng)電壓不平衡條件下網(wǎng)側變換器輔助控制策略實驗結果Fig.10 The experimental results of the grid-side converter under unbalanced grid voltage conditions

為了更好地說明采用網(wǎng)側變換器輔助控制策略的有效性，圖11 給出了考慮網(wǎng)側變換器輔助控制策略的實驗對比結果。可以明顯看出，利用網(wǎng)側變換器輔助控制功能，可以有效地降低整個雙饋系統(tǒng)輸出的有功功率或無功功率波動，使整個雙饋發(fā)電系統(tǒng)在不平衡電網(wǎng)電壓條件下運行能力得到明顯的提升。

圖11 DFIG 實驗結果對比Fig.11 Comparison of the experimental results

為了進一步說明采用PI+RORC 綜合控制方案的瞬態(tài)特性，固定目標1，即消除整個雙饋系統(tǒng)有功功率脈動作為網(wǎng)側 PWM 變換器的輔助控制目標，圖12 給出在電網(wǎng)電壓瞬態(tài)不平衡條件下實驗波形，其中電網(wǎng)電壓不平衡度為5.5%。在電網(wǎng)電壓發(fā)生瞬態(tài)不平衡時，采用PI+RORC 綜合控制方案可以短時有效穩(wěn)定整個雙饋系統(tǒng)的輸出功率，使整個雙饋系統(tǒng)表現(xiàn)更好的輸出特性。

圖12 瞬態(tài)電網(wǎng)電壓不平衡時網(wǎng)側變換器實驗結果Fig.12 Experimental results of the grid-side converter during a transient voltage imbalance

6 結論

本文在考慮網(wǎng)側 PWM 輔助控制功能的基礎上，提出PI+RORC 綜合控制方案，以消除整個DFIG系統(tǒng)輸出的有功功率、無功功率脈動，最大限度地提高了雙饋風電系統(tǒng)運行能力，并通過仿真和實驗研究驗證了所提出的PI+RORC 控制策略的有效性，可得如下結論：

（1）RORC 調節(jié)器既具有頻率選擇能力，又具有極性選擇能力，可為指定頻率和極性的矢量，提供足夠的幅值增益，并大幅衰減同極性的其他頻率矢量、反極性的所有矢量的幅值，可有效避免引入其他頻率信號，產(chǎn)生諧波畸變現(xiàn)象。

（2）采用PI+RORC 綜合調節(jié)器，可有效抑制有功功率或無功功率脈動，避免3 次諧波電流的產(chǎn)生，最大限度地改善雙饋發(fā)電系統(tǒng)對外特性，然而這兩個控制目標是獨立而不能同時實現(xiàn)的。

（3）采用PI+RORC 綜合調節(jié)器，可移除以正、負序電壓分量為基礎的網(wǎng)側PWM 變換器負序電流指令計算環(huán)節(jié)，簡化了控制系統(tǒng)設計，并完全無需對電壓進行正負序分解。

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