雙饋風(fēng)電機(jī)組電網(wǎng)背景諧波運(yùn)行與諧波抑制策略研究

高 駿，王 磊，周 文，郭 捷，孟 良

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雙饋風(fēng)電機(jī)組電網(wǎng)背景諧波運(yùn)行與諧波抑制策略研究

高 駿，王 磊，周 文，郭 捷，孟 良

(國(guó)網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，河北 石家莊 050021)

針對(duì)電網(wǎng)背景低次諧波引起的雙饋風(fēng)電機(jī)組定子電流畸變、功率及電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，建立了能夠反映電網(wǎng)5、7次諧波電壓下雙饋發(fā)電機(jī)的特征諧波模型，揭示了電網(wǎng)背景諧波電壓對(duì)雙饋發(fā)電機(jī)功率與電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的影響機(jī)理。通過(guò)雙饋發(fā)電機(jī)控制目標(biāo)分析，提出了基于比例-積分-諧振(PIR)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流內(nèi)環(huán)的雙饋發(fā)電機(jī)雙閉環(huán)控制策略，有效地消除了雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子輸出電流中的5、7次諧波和電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。在Matlab/Simulink中建立了1.5 MW雙饋風(fēng)電機(jī)組仿真模型，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電機(jī)組諧波運(yùn)行與抑制的全過(guò)程仿真。利用電網(wǎng)諧波發(fā)生模擬裝置，進(jìn)行了雙饋機(jī)組諧波運(yùn)行與抑制現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，仿真與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明了理論分析的正確性與諧波抑制策略的有效性。

雙饋發(fā)電機(jī)；電網(wǎng)諧波；轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)；PIR調(diào)節(jié)器；諧波抑制

0 引言

我國(guó)風(fēng)電發(fā)展迅猛，大規(guī)模風(fēng)電接入給電網(wǎng)帶來(lái)了一些負(fù)面影響。其中，風(fēng)電的諧波與諧振穩(wěn)定性問題就受到了越來(lái)越多的關(guān)注，風(fēng)電機(jī)組/風(fēng)電場(chǎng)因無(wú)法耐受電網(wǎng)諧波電壓而導(dǎo)致的脫網(wǎng)事故時(shí)有發(fā)生，特別是高電網(wǎng)背景諧波情況下的風(fēng)電諧波放大與諧振問題。例如2014年6月，新疆哈密某風(fēng)電場(chǎng)出現(xiàn)了5次諧波諧振，區(qū)域內(nèi)大量風(fēng)電機(jī)組跳閘停機(jī)。2015年1月，河北張家口某風(fēng)電場(chǎng)因諧波問題長(zhǎng)期無(wú)法正常運(yùn)行，經(jīng)過(guò)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)風(fēng)電運(yùn)行7次諧波含量嚴(yán)重超標(biāo)。類似由于電網(wǎng)背景問題所引起的風(fēng)電機(jī)組無(wú)法正常運(yùn)行的事件在我國(guó)多個(gè)地區(qū)均有發(fā)生，嚴(yán)重阻礙了風(fēng)電的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

風(fēng)電在實(shí)際運(yùn)行中，由于電網(wǎng)電壓中含有一定的低次背景諧波分量，以5次、7次等低頻諧波分量[1-2]為主。在傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)矢量控制作用下，這些諧波分量會(huì)在系統(tǒng)的并網(wǎng)點(diǎn)產(chǎn)生諧波電流，與電網(wǎng)阻抗交互作用，可能導(dǎo)致電網(wǎng)諧波放大，甚至影響局部電網(wǎng)運(yùn)行，造成發(fā)電與用電設(shè)備損毀。雙饋風(fēng)電機(jī)組作為兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組的主流風(fēng)機(jī)之一，其發(fā)電機(jī)定子直接與電網(wǎng)相連，通過(guò)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和并網(wǎng)功率因數(shù)，其諧波運(yùn)行特性與抑制更加復(fù)雜。因此，提高雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)在電網(wǎng)電壓低次背景諧波下的運(yùn)行性能，更好地抑制機(jī)組輸出電流諧波非常重要[3-4]。目前，大量文獻(xiàn)對(duì)雙饋風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行、諧波諧振及抑制進(jìn)行了報(bào)道[5-12]。文獻(xiàn)[5]研究了電網(wǎng)諧波對(duì)雙饋風(fēng)電機(jī)組輸出特性的影響，提出了一種非理想電網(wǎng)條件下的PR控制策略，對(duì)于電網(wǎng)諧波引起的風(fēng)電系統(tǒng)輸出功率及轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)具有一定的抑制作用。文獻(xiàn)[6]提出了一種虛擬變阻尼控制策略以抑制由于變流器與電網(wǎng)阻抗形成的高次諧波與諧振，未涉及電網(wǎng)特征次低次諧波運(yùn)行與抑制。本文針對(duì)大容量雙饋風(fēng)電機(jī)組電網(wǎng)背景特征次諧波運(yùn)行與抑制技術(shù)進(jìn)行研究，以期解決中國(guó)風(fēng)電發(fā)展中遇到的低次諧波放大與諧振問題。

為此，本文建立了電網(wǎng)5次、7次諧波電壓下雙饋發(fā)電機(jī)的特征諧波模型，研究了電網(wǎng)背景諧波電壓對(duì)雙饋發(fā)電機(jī)定子電流畸變和電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的影響；在此基礎(chǔ)上，提出并設(shè)計(jì)了比例-積分-諧振(PIR)控制器，抑制了雙饋風(fēng)電機(jī)組定子電流諧波放大，消除了電網(wǎng)背景低次諧波產(chǎn)生的風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)；通過(guò)仿真與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明了理論分析的準(zhǔn)確性與諧波抑制策略的有效性。

1 電網(wǎng)背景諧波雙饋發(fā)電機(jī)建模與分析

實(shí)際電網(wǎng)的背景諧波通常是各種整流負(fù)荷造成的，以5、7、11、13次諧波為主[13]。相對(duì)而言，電網(wǎng)電壓中11、13次諧波成分較小，同時(shí)受大容量變流器開關(guān)頻率限值及控制特性所限，為突出重點(diǎn)，忽略較高頻率的11、13次諧波，本文主要針對(duì)5、7次諧波進(jìn)行研究。當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變時(shí)，電網(wǎng)電壓主要由工頻分量、5次和7次諧波分量組成，對(duì)于雙饋電機(jī)變流器來(lái)說(shuō)，靜止坐標(biāo)系中的電網(wǎng)電壓和電流都同時(shí)存在著3種分量，即以同步旋轉(zhuǎn)角速度1正向旋轉(zhuǎn)的基頻分量、以51負(fù)向旋轉(zhuǎn)的5次諧波分量和以71正向旋轉(zhuǎn)的7次諧波分量，各矢量關(guān)系圖如圖1所示。

圖1 5、7次諧波同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系矢量圖

正轉(zhuǎn)同步坐標(biāo)系下雙饋發(fā)電機(jī)等效電路如圖2所示，考慮5、7次諧波的雙饋發(fā)電機(jī)在正轉(zhuǎn)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的電壓、磁鏈、轉(zhuǎn)矩方程可表示如式(1)~式(3)。

圖2正轉(zhuǎn)同步坐標(biāo)系定子電壓定向的DFIG等效電路

其中

雙饋發(fā)電機(jī)輸出電磁功率如式(4)所示。

由式(1)—式(4)可得電網(wǎng)電壓5、7次諧波下電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式如式(5)所示。

由上式可以看出電磁轉(zhuǎn)矩直流分量是由基波與諧波共同作用引起的；6倍頻脈動(dòng)分量是由基波與5次分量，基波與7次分量作用引起的；12倍頻分量是由5次和7次分量作用引起的。電網(wǎng)電壓背景諧波將加重電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)分量，尤其是電磁轉(zhuǎn)矩中的6倍頻分量，而電磁轉(zhuǎn)矩的12倍頻分量是由5次諧波與7次諧波引起的，考慮到電網(wǎng)電壓諧波含量較小，故電磁轉(zhuǎn)矩12倍頻分量可以忽略。

2 電網(wǎng)背景低次諧波抑制策略

2.1 電網(wǎng)背景諧波下雙饋風(fēng)電機(jī)組控制目標(biāo)

本文以消除DFIG定子諧波電流為控制目標(biāo)。當(dāng)電網(wǎng)電壓含有5次、7次諧波時(shí)，忽略定子電阻影響，穩(wěn)態(tài)情況下定子電壓方程可表示為

式(6)可進(jìn)一步分解為

基于定子電壓定向，則有：

將式(7)—式(9)代入式(10)求解可得轉(zhuǎn)子電流控制指令：

2.2 基于PIR調(diào)節(jié)器的諧波抑制策略

如前所述，當(dāng)電網(wǎng)中含有5次、7次諧波時(shí)，在正向旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的雙饋電機(jī)的機(jī)側(cè)與網(wǎng)側(cè)在除了基頻分量之外還存在6倍頻脈動(dòng)，因此，控制策略中的電流參考值由直流分量和6倍頻交流分量組成，分別可通過(guò)傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器和R(諧振)調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確無(wú)差跟蹤控制。

PIR調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為

其中：p為比例系數(shù)；i為積分時(shí)間常數(shù)；r為諧振增益；c為R調(diào)節(jié)器帶寬系數(shù)，1為電網(wǎng)基頻分量頻率，則6c為諧振部分的諧振點(diǎn)頻率。

圖3給出了PIR調(diào)節(jié)器與傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器的幅頻和相頻特性。

其中：PIR調(diào)節(jié)器中，p=1，i=1，r=1000，c=5 rad/s；PI調(diào)節(jié)器中，p=1，i=1?？梢钥闯?，PIR調(diào)節(jié)器具有PI調(diào)節(jié)器中PI部分的功能，即對(duì)直流有較大的增益，這樣就確保了PIR對(duì)直流量的良好調(diào)節(jié)能力。而同時(shí)，PIR調(diào)節(jié)器中的諧振部分在諧振頻率點(diǎn)處的增益為60 dB左右，對(duì)6倍頻交流信號(hào)有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

圖3 PIR和PI調(diào)節(jié)器波特圖

圖4是不同帶寬系數(shù)時(shí)的PIR調(diào)節(jié)器波特圖，從圖中可以看出，帶寬系數(shù)c越大，諧振調(diào)節(jié)器帶寬越大。c越小，對(duì)諧振頻率的動(dòng)態(tài)響應(yīng)越好，但對(duì)頻率的自適應(yīng)效果越差。因此在實(shí)際應(yīng)用中，合理選取帶寬系數(shù)既能獲得良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，也能滿足一定范圍內(nèi)的電網(wǎng)頻率波動(dòng)的自適應(yīng)響應(yīng)。

圖4不同帶寬系數(shù)時(shí)的PIR調(diào)節(jié)器波特圖

基于上述分析，可得采用基于PIR調(diào)節(jié)器的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子諧波電流閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

圖 5基于定子諧波電流閉環(huán)的DFIG控制框圖

3 仿真結(jié)果與分析

為驗(yàn)證理論分析及PIR諧波抑制的正確性、有效性，在Matlab/Simulink中建立了1.5 MW雙饋風(fēng)電機(jī)組電磁暫態(tài)仿真模型，仿真研究風(fēng)電機(jī)組電網(wǎng)諧波運(yùn)行特性及諧波抑制情況。仿真模型主要由風(fēng)速模型、風(fēng)力機(jī)模型、傳動(dòng)鏈模型、發(fā)電機(jī)變流器模型、主控系統(tǒng)模型、電網(wǎng)模型六大部分組成，系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖如圖6所示，仿真用雙饋風(fēng)電機(jī)組參數(shù)如表1所示。

表1 仿真分析用某1.5 MW風(fēng)電機(jī)組參數(shù)

圖6雙饋風(fēng)電機(jī)組諧波運(yùn)行仿真結(jié)構(gòu)圖

圖7為雙饋風(fēng)電機(jī)組諧波運(yùn)行及諧波抑制的全過(guò)程仿真波形圖，圖7(a)~7(c)分別為雙饋發(fā)電機(jī)定子三相電流、有功無(wú)功功率及電磁轉(zhuǎn)矩仿真波形圖。 為突出重點(diǎn)，仿真采用風(fēng)速為8.5 m/s恒定風(fēng)速，設(shè)定電網(wǎng)電壓中始終存在的5次諧波電壓含有率為5%，7次諧波電壓含有率為3%。為方便對(duì)比研究，起初風(fēng)電機(jī)組在電網(wǎng)諧波電壓情況下穩(wěn)定運(yùn)行，PIR諧波抑制未使能，由圖7可以看出：雙饋發(fā)電機(jī)定子電流畸變嚴(yán)重，輸出功率與電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)明顯，雙饋電機(jī)定子電流畸變明顯，5次諧波電流含有率為3.63%，7次諧波電流含有率為1.82%；定子輸出有功功率脈動(dòng)約為0.1 p.u.，無(wú)功功率脈動(dòng)約為0.05 p.u.；發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩嚴(yán)重脈動(dòng)。在0.05 s時(shí)，PIR諧波抑制使能，雙饋發(fā)電機(jī)定子電流畸變、功率與電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)明顯好轉(zhuǎn)，5次諧波電流含有率降為0.2%，7次諧波電流含有率降為0.12%；定子輸出有功功率脈動(dòng)降為0.03 p.u.，無(wú)功功率脈動(dòng)降為0.014 p.u.；發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)基本消除。顯然，基于PIR調(diào)節(jié)器的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子諧波電流閉環(huán)控制策略可有效抑制電網(wǎng)背景諧波所引起的雙饋風(fēng)電機(jī)組功率與轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，對(duì)于風(fēng)電機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行、疲勞壽命及電網(wǎng)安全意義重大。

圖7雙饋風(fēng)電機(jī)組諧波運(yùn)行與抑制仿真波形

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

風(fēng)電機(jī)組諧波運(yùn)行與抑制現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)原理圖如圖8所示，將電網(wǎng)諧波電壓發(fā)生裝置串聯(lián)于風(fēng)電機(jī)組升壓變壓器高壓側(cè)與中壓電網(wǎng)之間，利用諧波電壓發(fā)生裝置在風(fēng)電機(jī)組升壓變壓器高壓側(cè)模擬產(chǎn)生電網(wǎng)背景諧波，從而模擬復(fù)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組諧波運(yùn)行與諧波抑制的全過(guò)程，驗(yàn)證理論分析與諧波抑制策略的準(zhǔn)確性與有效性，試驗(yàn)用風(fēng)電機(jī)組參數(shù)見表1。其中試驗(yàn)用諧波電壓發(fā)生裝置基于雙向交－直－交全功率變流原理，通過(guò)修改網(wǎng)側(cè)變流器調(diào)制波指令，即可輸出試驗(yàn)所需的特征次諧波電壓，諧波發(fā)生裝置輸出阻抗由變流系統(tǒng)控制與硬件參數(shù)共同決定[14]。

圖 8風(fēng)電機(jī)組諧波測(cè)試原理圖

風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，通過(guò)諧波電壓發(fā)生裝置在風(fēng)電機(jī)組升壓變壓器高壓側(cè)施加5次和7次諧波電壓，諧波電壓含有率分別設(shè)為5%和3%。試驗(yàn)過(guò)程中，雙饋?zhàn)兞髌鞑捎秒A躍控制方式，即風(fēng)電機(jī)組起初在傳統(tǒng)PI控制下運(yùn)行，在預(yù)定時(shí)刻，使能PIR諧波抑制控制，切入前后雙饋風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行情況如圖9所示，圖9(a)為試驗(yàn)過(guò)程中雙饋發(fā)電機(jī)輸出有功無(wú)功功率，圖9(b)為雙饋發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，可以看出采用PI控制時(shí)，雙饋輸出功率及電磁轉(zhuǎn)矩嚴(yán)重脈動(dòng)，當(dāng)切換至PIR控制時(shí)，有功功率、無(wú)功功率及電磁轉(zhuǎn)矩的6倍頻脈動(dòng)基本得到抑制。

試驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用傳統(tǒng)PI控制定、轉(zhuǎn)子電流明顯畸變、有功、無(wú)功功率及電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大，影響了雙饋電機(jī)的正常運(yùn)行。本文采用基于PIR調(diào)節(jié)的定子諧波電流閉環(huán)控制可以有效地抑制定、轉(zhuǎn)子電流諧波、有功、無(wú)功功率和電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

5 結(jié)論

(1)?電網(wǎng)特征低次諧波會(huì)引起雙饋風(fēng)電機(jī)組定子電流畸變、功率及電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，傳統(tǒng)基于PI控制的雙饋電機(jī)雙閉環(huán)控制無(wú)法抑制定子電流諧波和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，對(duì)風(fēng)電機(jī)組的疲勞壽命及并網(wǎng)電能質(zhì)量影響重大。

(2)?基于PIR調(diào)節(jié)的定子諧波電流閉環(huán)控制可以有效地抑制定、轉(zhuǎn)子電流諧波、有功、無(wú)功功率和電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，且魯棒性強(qiáng)和控制簡(jiǎn)單，對(duì)雙饋風(fēng)電機(jī)組低次諧波振蕩問題的解決具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。

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(編輯 葛艷娜)

Study on operating behavior and suppression strategy of doubly-fed induction generators wind turbine under harmonic grid voltage conditions

GAO Jun, WANG Lei, ZHOU Wen, GUO Jie, MENG Liang

(State Grid Hebei Electric Power Research Institute, Shijiazhuang 050021, China)

As the stator current will distort and electromagnetic torque of the doubly-fed induction generator wind turbine (DFIG-WT) will pulse due to low order grid harmonics voltage, the mathematical model of DFIG under the 5th and 7th order harmonics grid voltage is built, and the stator current and electromagnetic torque pulsation problems caused by the harmonics distortion is analyzed. The dual-loop closed control strategy based on rotor current PIR regulator is designed to suppress stator current harmonics and electromagnetic torque pulsation by the control target analysis. A 1.5 MW DFIG-WT is modeled in Matlab/Simulink, and the harmonic operating and suppressing process of DFIG-WT is simulated. And the field test is carried out on the 1.5MW DFIG-WT by grid harmonic generation equipment. The simulation and experimental results support the theoretical analysis and verify the proposed control strategy.

doubly-fed induction generator (DFIG); grid harmonic; torque pulsation; PIR controller; harmonic suppression

10.7667/PSPC152180

2015-12-16；

2016-03-28

高 駿(1965-)，男，博士，高級(jí)工程師，從事高電壓技術(shù)研究工作等；

王 磊(1985-)，男，碩士，工程師，主要從事新能源檢測(cè)及電能質(zhì)量工作等；

周 文(1978-)，男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事電能質(zhì)量研究工作等。