不平衡電網(wǎng)下基于降階諧振器的雙饋風(fēng)電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)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(xué)電氣工程學(xué)院 北京 100044 2.中國(guó)南車株洲電機(jī)有限公司 株洲 412001 3.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院 杭州 310027）

1 引言

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

現(xiàn)階段，很多風(fēng)電場(chǎng)處于電網(wǎng)末端，并通過(guò)長(zhǎng)距離傳輸線與主干電網(wǎng)相連接，因而在并網(wǎng)點(diǎn)（Point of the Common Coupling,PCC）產(chǎn)生負(fù)序電壓擾動(dòng)，影響雙饋發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行特性，甚至?xí)夯⒕W(wǎng)點(diǎn)電能質(zhì)量[4]。因此，我國(guó)于2012年6 月正式實(shí)施《風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》（GB/T 19963—2011）國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，要求風(fēng)電機(jī)組能夠承受一定的負(fù)序電壓擾動(dòng)而不脫網(wǎng)。故而，有必要增強(qiáng)電網(wǎng)電壓不平衡條件下雙饋發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行能力。

文獻(xiàn)[5-8]對(duì)電網(wǎng)電壓不平衡條件下雙饋感應(yīng)電機(jī)以及PWM 變換器進(jìn)行了研究，系統(tǒng)地給出包括雙饋發(fā)電機(jī)、機(jī)側(cè)變換器以及網(wǎng)側(cè)變換器在內(nèi)的雙dq 數(shù)學(xué)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(fēng)電系統(tǒng)采用雙PWM 交流勵(lì)磁變換器的實(shí)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(gè)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(cè)變換器的輔助控制功能。在雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)雙dq 數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[9-11]以穩(wěn)定整個(gè)雙饋系統(tǒng)輸出有功功率作為網(wǎng)側(cè)PWM 變換器的輔助控制目標(biāo)，分別設(shè)計(jì)了主-輔電流調(diào)節(jié)器[9]、比例-諧振（Proportional Resonant,PR）電流調(diào)節(jié)器[10]和比例-積分-諧振（Proportional Integral Plus Resonant,PI+R）電流調(diào)節(jié)器[11]，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)側(cè)變換器輸出正、負(fù)序電流的統(tǒng)一調(diào)節(jié)與控制。然而，這些輔助控制方案仍涉及電壓的正、負(fù)序分離和提取，并以此為基礎(chǔ)計(jì)算相應(yīng)的正、負(fù)序電流指令，增加了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性。因此，有必要研究一種設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)方便的網(wǎng)側(cè)變流器正、負(fù)序電流控制方案。

文獻(xiàn)[12,13]指出，由于降階諧振器（Reduced-Order Resonant Controller,RORC）只具有單一極點(diǎn)，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(duì)有負(fù)序分量具有典型調(diào)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(xiàn)[13]中，提出了一種比例-積分-降階諧振器電流調(diào)節(jié)器，并給出了消除有功功率、無(wú)功功率脈動(dòng)的電流指令計(jì)算方案。然而，該電流指令計(jì)算方案復(fù)雜，計(jì)算負(fù)擔(dān)繁重。

因此，考慮到RORC 同時(shí)具有典型的頻率、極性選擇能力，本文采用RORC 對(duì)雙饋發(fā)電系統(tǒng)輸出的有功、無(wú)功功率進(jìn)行閉環(huán)諧振調(diào)節(jié)，消去了負(fù)序電流指令計(jì)算，并完全取消電壓、電流的正負(fù)序分離與提取過(guò)程。最后，通過(guò)2.0 MW 雙饋風(fēng)電系統(tǒng)仿真研究和1.0 kW 雙饋電機(jī)實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了所提出的采用降階諧振器的電流控制方案在實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)變換器輔助控制功能的有效性與可行性。

2 網(wǎng)側(cè)變換器模型

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

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

在正轉(zhuǎn)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，同時(shí)含有正、負(fù)序分量的網(wǎng)側(cè)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(gè)雙饋發(fā)電系統(tǒng)輸出到電網(wǎng)的瞬時(shí)有功、無(wú)功功率表達(dá)式為

式中，上標(biāo)“+、-”分別表示正、反轉(zhuǎn)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系；下標(biāo)“+、-”分別表示正、負(fù)序分量。

Pts2、Ptc2和Qts2、Qtc2的存在說(shuō)明，在電網(wǎng)電壓不平衡條件下，整個(gè)系統(tǒng)輸出功率中除平均有功、無(wú)功功率外，還存在2 倍電網(wǎng)頻率的有功、無(wú)功波動(dòng)。在雙饋風(fēng)電系統(tǒng)中，其總電流由DFIG 定子電流和網(wǎng)側(cè)變換器電流共同構(gòu)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(duì)外表現(xiàn)特性時(shí)，應(yīng)充分考慮網(wǎng)側(cè)變換器的電流調(diào)節(jié)的輔助控制功能，也可有效提升整個(gè)雙饋系統(tǒng)的對(duì)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(lì)磁用機(jī)側(cè)變流器的4 個(gè)可選控制目標(biāo)均可在一定范圍內(nèi)改善DFIG 電機(jī)自身的運(yùn)行特性，然而機(jī)側(cè)變換器只能控制轉(zhuǎn)子正、負(fù)序電流，故只能實(shí)現(xiàn)雙饋發(fā)電機(jī)的優(yōu)化控制。因此，在進(jìn)行雙饋發(fā)電系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合考慮DFIG 雙PWM 變換器中網(wǎng)側(cè)變換器的輔助控制功能，以最大限度改善雙饋風(fēng)電系統(tǒng)對(duì)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(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出的有功、無(wú)功功率瞬時(shí)值存在2 倍電網(wǎng)頻率波動(dòng)。網(wǎng)側(cè)變換器能在維持直流電壓穩(wěn)定（有功功率平均值）、無(wú)功功率平均值解耦控制外，也可以完成以下目標(biāo)：①恒定的DFIG 系統(tǒng)輸出有功功率，即消除整個(gè)系統(tǒng)總有功功率的2 倍頻波動(dòng)分量；②恒定的DFIG 系統(tǒng)輸出無(wú)功功率，即消除整個(gè)系統(tǒng)總無(wú)功功率的2 倍頻波動(dòng)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(cè)變換器原理框圖，其包含電流PI 調(diào)節(jié)器、功率RORC 兩個(gè)調(diào)節(jié)器。通過(guò)對(duì)直流側(cè)電壓、無(wú)功功率誤差進(jìn)行比例-積分調(diào)節(jié)，可獲得相應(yīng)的正序電流指令。在正轉(zhuǎn)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，輸出電流的正序基頻分量轉(zhuǎn)換為直流量形式，采用PI 調(diào)節(jié)器即可實(shí)現(xiàn)平均有功、無(wú)功電流的固有解耦控制，以確保網(wǎng)側(cè)PWM 變換器的平均單位功率運(yùn)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(dòng)分量，可采用諧振頻率為2 倍電網(wǎng)頻率（2ω1）的RORC 實(shí)現(xiàn)對(duì)波動(dòng)分量的直接控制。因此，帶有截止頻率ωc的RORC 調(diào)節(jié)器，可表達(dá)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(cè)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(yīng)特性，其中ωc=15rad/s，負(fù)頻段代表諧振器對(duì)反轉(zhuǎn)矢量的頻率響應(yīng)，正頻段代表諧振器對(duì)正轉(zhuǎn)矢量的頻率響應(yīng)?？梢奟ORC 與SORC 同時(shí)具有頻率選擇能力，即僅為指定頻率分量提供無(wú)窮大增益；RORC能夠提供對(duì)正、反轉(zhuǎn)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(shí)具有頻率、極性選擇能力的RORC 作為輔助功率調(diào)節(jié)器。

圖3 二階諧振器與降階諧振器幅頻響應(yīng)對(duì)比Fig.3 Magnitude-frequency responses of SORC and RORC

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

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

此時(shí)，網(wǎng)側(cè)PWM 變換器交流側(cè)輸出電壓指令由電流PI 調(diào)節(jié)器、功率RORC 調(diào)節(jié)器和解耦項(xiàng)共同構(gòu)成，可表達(dá)為

在正轉(zhuǎn)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，網(wǎng)側(cè)變換器交流輸出電壓指令，如式（7）所示。結(jié)合電網(wǎng)電壓矢量相位角θ1，進(jìn)行反Park 變換后，可得在兩相靜止坐標(biāo)系中網(wǎng)側(cè)變換器交流側(cè)電壓輸出指令為

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

綜上，采用降階諧振調(diào)節(jié)器的電流控制方案，可以完全消去正、負(fù)序相序分離，并無(wú)需計(jì)算負(fù)序電流指令，可有效降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜度以及計(jì)算負(fù)擔(dān)。然而，為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)變換器的輔助控制目標(biāo)，并兼顧機(jī)側(cè)、網(wǎng)側(cè)變換器的模塊化設(shè)計(jì)要求，網(wǎng)側(cè)變換器需要對(duì)雙饋發(fā)電系統(tǒng)總輸出電流進(jìn)行采樣。

4 仿真研究

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

圖4 雙饋風(fēng)電仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(yàn)證網(wǎng)側(cè)變換器輔助控制功能的有效性，對(duì)采用RORC 電流控制方案進(jìn)行了仿真驗(yàn)證：網(wǎng)側(cè)變換器選取兩個(gè)不同的輔助控制目標(biāo)，即 0.0～0.4s（目標(biāo)1），0.4～0.8s（目標(biāo)2）；機(jī)側(cè)變換器在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中控制目標(biāo)固定為消除電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，仿真結(jié)果如圖5 所示。

圖5 網(wǎng)側(cè)變換器不同控制目標(biāo)時(shí)穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)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(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)變換器正、負(fù)序電流的統(tǒng)一、準(zhǔn)確控制，以實(shí)現(xiàn)不同的輔助控制目標(biāo)：即0～0.4s 內(nèi)，消除整個(gè)DFIG系統(tǒng)向電網(wǎng)輸送有功功率的2 倍頻脈動(dòng)；在0.4～0.8s 內(nèi)，消除整個(gè)DFIG 向電網(wǎng)輸送無(wú)功功率的2倍頻脈動(dòng)。在0.0～0.4s（目標(biāo)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(dòng)，DFIG 系統(tǒng)輸出電流THD為1.73%，同時(shí)直流側(cè)電壓波動(dòng)也被限制為±1.5%，但向電網(wǎng)輸送的無(wú)功功率脈動(dòng)上升為±16.5%；在0.4～0.8s（目標(biāo)2）內(nèi)，消除了DFIG系統(tǒng)向電網(wǎng)輸送無(wú)功功率的2 倍頻脈動(dòng)，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(dòng)為±17.6%，同時(shí)直流側(cè)電壓波動(dòng)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(biāo)1 可以達(dá)到降低直流側(cè)電容電壓波動(dòng)的目的。此外，消除向電網(wǎng)輸送有功功率2 倍頻脈動(dòng)（目標(biāo)1）、無(wú)功功率2 倍頻脈動(dòng)（目標(biāo)2）是相互對(duì)立，不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)。

圖6 電網(wǎng)電壓瞬態(tài)不平衡時(shí)DFIG 系統(tǒng)運(yùn)行對(duì)比結(jié)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(dòng)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(duì)DFIG 系統(tǒng)進(jìn)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(jī)側(cè)、網(wǎng)側(cè)變換器控制目標(biāo)分別DFIG 轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)、向電網(wǎng)輸出有功功率平穩(wěn)，仿真結(jié)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(shí)刻，采用PI+R 電流控制方案時(shí)DFIG 系統(tǒng)輸出功率在70ms 內(nèi)恢復(fù)平穩(wěn)。這主要是由于在瞬態(tài)故障過(guò)程中，需要利用二階陷波器提取電壓、電流的正負(fù)序分量以計(jì)算電流負(fù)序指令，這不僅會(huì)引入一定的延遲，還存在對(duì)正負(fù)序分量提取不夠精確，惡化動(dòng)態(tài)響應(yīng)。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(yīng)平滑，DFIG 系統(tǒng)輸出功率在35ms 內(nèi)恢復(fù)平穩(wěn)。這正是由于對(duì)功率進(jìn)行直接諧振閉環(huán)調(diào)節(jié)，而避免了根據(jù)電壓、電流正負(fù)序分量計(jì)算網(wǎng)側(cè)電流負(fù)序指令環(huán)節(jié)，提高了DFIG 系統(tǒng)在不平衡故障下的動(dòng)態(tài)控制性能。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證所提出的采用PI+RORC 的電流控制方案在實(shí)驗(yàn)網(wǎng)側(cè)變換器輔助控制功能方面的有效性和可行性，以所構(gòu)建的小容量DFIG 實(shí)驗(yàn)室模擬發(fā)電系統(tǒng)為測(cè)試平臺(tái)對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。其中，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用兩塊TMS320F28335 DSP 分別控制機(jī)側(cè)、網(wǎng)側(cè)變換器，利用與雙饋電機(jī)同軸相連的籠型電機(jī)模擬原動(dòng)機(jī)，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(shí)驗(yàn)研究中，機(jī)側(cè)變換器采用文獻(xiàn)[14]的方法消除DFIG 電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建框圖以及電機(jī)參數(shù)。在實(shí)驗(yàn)運(yùn)行中，雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為800r/min。

圖7 DFIG 實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)框圖Fig.7 Tested setup of the DFIG system

表2 實(shí)驗(yàn)電機(jī)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(jī)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果，此時(shí)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(jī)定子輸出有功、無(wú)功功率分別為1.0kW、0.0var，電機(jī)轉(zhuǎn)矩為12N·m?？梢?，DFIG 定子輸出功率以及電機(jī)轉(zhuǎn)矩基本穩(wěn)定，網(wǎng)側(cè)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(cè)電壓，DFIG 定、轉(zhuǎn)子電流以及網(wǎng)側(cè)變換器輸出電流基本保持正弦。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中，由于雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)速為800r/min（0.8（pu）,40Hz），則轉(zhuǎn)子電流表現(xiàn)為 10Hz（40～50Hz）交流正弦信號(hào)。考慮到實(shí)際電機(jī)含有齒諧波、部分磁飽和等因素，將會(huì)導(dǎo)致非正弦的電機(jī)氣隙磁場(chǎng)，并在DFIG 定、轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)產(chǎn)生相應(yīng)的諧波分量。此時(shí)，定、轉(zhuǎn)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(yùn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)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(yùn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jī)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中電網(wǎng)電壓不平衡度為5.5%。由于PI 調(diào)節(jié)器對(duì)100Hz 頻率分量幾乎沒(méi)有調(diào)節(jié)作用，故無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)電流負(fù)序分量的有效調(diào)節(jié)，雙饋發(fā)電系統(tǒng)總輸出有功、無(wú)功功率含有明顯脈動(dòng)，其幅值分別為±8.3%、±10.4%，影響并網(wǎng)點(diǎn)高品質(zhì)電能輸出。同時(shí)，雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為±9.6%，極大地增加雙饋發(fā)電系統(tǒng)機(jī)械部分壓力，對(duì)機(jī)組轉(zhuǎn)軸、齒輪箱等機(jī)械部件造成不可逆損傷，不利于雙饋機(jī)組的長(zhǎng)期高性能穩(wěn)定運(yùn)行。

圖10 給出了在電網(wǎng)電壓不平衡條件下，考慮網(wǎng)側(cè)變換器輔助控制功能的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中電網(wǎng)電壓不平衡度為5.5%。在圖10a 和圖10b 中，機(jī)側(cè)變換器以消除電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為控制目標(biāo)，將電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)限制為±1.0%，有效地穩(wěn)定了電機(jī)轉(zhuǎn)矩，保證了電機(jī)自身的安全穩(wěn)定運(yùn)行。在圖10a 中，網(wǎng)側(cè)變換器以消除整個(gè)雙饋系統(tǒng)輸出總有功功率脈動(dòng)作為輔助控制目標(biāo)，即目標(biāo)1，此時(shí)雙饋發(fā)電系統(tǒng)向電網(wǎng)輸送的有功功率波動(dòng)為±1.1%，而整個(gè)系統(tǒng)輸出的無(wú)功功率波動(dòng)也下降為±7.2%，直流側(cè)電壓保持相對(duì)穩(wěn)定。在圖10b 中，網(wǎng)側(cè)變換器以消除整個(gè)雙饋系統(tǒng)輸出無(wú)功功率脈動(dòng)作為輔助控制目標(biāo)，即目標(biāo)2，此時(shí)雙饋發(fā)電系統(tǒng)向電網(wǎng)輸送的無(wú)功功率波動(dòng)被限制為±1.2%，而有功功率波動(dòng)則為±7.8%。此時(shí)，直流側(cè)電壓出現(xiàn)波動(dòng)，其波動(dòng)為±5V。根據(jù)文獻(xiàn)[13]分析可知，當(dāng)機(jī)側(cè)變換器以消除電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為目標(biāo)、網(wǎng)側(cè)變換器以消除整個(gè)雙饋系統(tǒng)輸出有功功率脈動(dòng)為目標(biāo)時(shí)，直流側(cè)電壓波動(dòng)也會(huì)得到一定的抑制，與圖10 中實(shí)驗(yàn)結(jié)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(cè)變換器輔助控制策略實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.10 The experimental results of the grid-side converter under unbalanced grid voltage conditions

為了更好地說(shuō)明采用網(wǎng)側(cè)變換器輔助控制策略的有效性，圖11 給出了考慮網(wǎng)側(cè)變換器輔助控制策略的實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果?？梢悦黠@看出，利用網(wǎng)側(cè)變換器輔助控制功能，可以有效地降低整個(gè)雙饋系統(tǒng)輸出的有功功率或無(wú)功功率波動(dòng)，使整個(gè)雙饋發(fā)電系統(tǒng)在不平衡電網(wǎng)電壓條件下運(yùn)行能力得到明顯的提升。

圖11 DFIG 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.11 Comparison of the experimental results

為了進(jìn)一步說(shuō)明采用PI+RORC 綜合控制方案的瞬態(tài)特性，固定目標(biāo)1，即消除整個(gè)雙饋系統(tǒng)有功功率脈動(dòng)作為網(wǎng)側(cè) PWM 變換器的輔助控制目標(biāo)，圖12 給出在電網(wǎng)電壓瞬態(tài)不平衡條件下實(shí)驗(yàn)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(shí)，采用PI+RORC 綜合控制方案可以短時(shí)有效穩(wěn)定整個(gè)雙饋系統(tǒng)的輸出功率，使整個(gè)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(shí)網(wǎng)側(cè)變換器實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.12 Experimental results of the grid-side converter during a transient voltage imbalance

6 結(jié)論

本文在考慮網(wǎng)側(cè) PWM 輔助控制功能的基礎(chǔ)上，提出PI+RORC 綜合控制方案，以消除整個(gè)DFIG系統(tǒng)輸出的有功功率、無(wú)功功率脈動(dòng)，最大限度地提高了雙饋風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行能力，并通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證了所提出的PI+RORC 控制策略的有效性，可得如下結(jié)論：

（1）RORC 調(diào)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(hào)，產(chǎn)生諧波畸變現(xiàn)象。

（2）采用PI+RORC 綜合調(diào)節(jié)器，可有效抑制有功功率或無(wú)功功率脈動(dòng)，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(duì)外特性，然而這兩個(gè)控制目標(biāo)是獨(dú)立而不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)的。

（3）采用PI+RORC 綜合調(diào)節(jié)器，可移除以正、負(fù)序電壓分量為基礎(chǔ)的網(wǎng)側(cè)PWM 變換器負(fù)序電流指令計(jì)算環(huán)節(jié)，簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并完全無(wú)需對(duì)電壓進(jìn)行正負(fù)序分解。

[1]苑國(guó)鋒,李永東,柴建云,等.1.5MW 變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁控制系統(tǒng)試驗(yàn)研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2009,24(2)：42-47.Yuan Guofeng,Li Yongdong,Chai Jianyun,et al.Experimental investigation on excitation control system of 1.5mw variable speed constant frequency DFIG wind generator system[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2009,24(2)：42-47.

[2]關(guān)宏亮,趙海翔,王偉勝,等.風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越功能及其應(yīng)用[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2007,22(10)：173-177.Guan Hongliang,Zhao Haixiang,Wang Weisheng,et al.LVRT capability of wind turbine generator and its application[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2007,22(10)：173-177.

[3]劉其輝,賀益康,張建華.交流勵(lì)磁變速恒頻雙饋型異步發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)功率關(guān)系[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2006,21(2)：39-44,62.Liu Qihui,He Yikang,Zhang Jianhua.Steady-state power relation of AC-excited variable-speed constant frequency doubly fed induction generator[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2006,21(2)：39-44,62.

[4]賀益康,胡家兵.雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行中的幾個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2012,32(27)：1-15.He Yikang,Hu Jiabing.Several hot-spot issues associated with the grid-connected operations of windturbine driven doubly fed induction generators[J].Proceeding of the CSEE,2012,32(27)：1-15.

[5]Junyent-Ferre A,Gomis-Bellmunt O,Green T C,et al.Current control reference calculation issues for the operation of renewable source grid interface VSCs under unbalanced voltage sags[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2011,26(12)：3744-3753.

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

[7]Geng H,Liu C,Yang G.LVRT capability of DFIGbased WECS under asymmetrical grid fault condition[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2013,60(6)：2495-2509.

[8]龔文明,孟巖峰,胡書舉,等.一種應(yīng)用PIR 控制器的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電流諧波控制方法[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2013,28(9)：95-103.Gong Wenming,Meng Yanfeng,Hu Shuju,et al.a method with PIR controller for the elimination of harmonic currents in a DFIG based wind power system[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2013,28(9)：95-103.

[9]Xu L.Coordinated control of DFIG's rotor and grid side converters during network unbalance[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2008,23(3)：1041-1049.

[10]胡家兵,賀益康,王宏勝,等.不平衡電網(wǎng)電壓下雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)網(wǎng)側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的協(xié)同控制[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2010,30(9)：97-104.Hu Jiabing,He Yikang,Wang Hongsheng,et al.Coordinated control of grid-and rotor-side converters of doubly fed induction generator under unbalanced network voltage conditions[J].Proceeding of the CSEE,2010,30(9)：97-104.

[11]Hu J B,He Y K,Xu L,et al.Improved control of DFIG systems during network unbalance using PI-R current regulators[J].IEEE Transactions on Industry Electronics,2009,56(2)：439-451.

[12]Busada C A,Jorge S G,Leon A E,et al.Current controller based on reduced order generalized integrators for distributed generation systems[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2012,59(7)：2898-2909.

[13]趙新,金新民,周飛,等.基于比例積分-降階諧振調(diào)節(jié)器的并網(wǎng)逆變器不平衡控制[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2013,33(19)：84-92,16.Zhao Xin,Jin Xinmin,Zhou Fei,et al.Unbalanced control of grid-connected inverters based on proportion integral and reduced order resonant controllers[J].Proceeding of the CSEE,2013,33(19)：84-92,16.

[14]Cheng P,Nian H.Enhanced operation for DFIG-basedWECS using resonant feedback compensators under grid unbalance[C].Energy Conversion Congress and Exposition(ECCE),Denver,USA,2013：2283-2288.

[15]年珩,宋亦鵬.諧波電網(wǎng)下基于矢量比例積分電流調(diào)節(jié)器的雙饋異步發(fā)電機(jī)運(yùn)行控制技術(shù)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2013,33(6)：101-111.Nian Heng,Song Yipeng.DFIG operation control strategy under distorted grid conditions based on VPI current regulators[J].Proceeding of the CSEE,2013,33(6)：101-111.