接入直流配電網(wǎng)的DFIG機組功率波動抑制策略研究

王 洲，楊昌海，賈春蓉，彭 婧

（國網(wǎng)甘肅省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，蘭州 730050）

隨著直流電源和直流負荷的發(fā)展，直流配電網(wǎng)技術(shù)被廣泛關(guān)注。直流配電網(wǎng)由于其具備的無需考慮系統(tǒng)頻率、無功功率等特性，為風(fēng)電、光伏等新能源的合理利用提供了有效通道[1-2]。

雙饋風(fēng)力發(fā)電機組DFIG由于運行性能穩(wěn)定，占有較大市場份額[3]，DFIG機組以集中式交流并網(wǎng)運行為主，分布式DFIG機組接入直流配電網(wǎng)相關(guān)技術(shù)研究相對較少。傳統(tǒng)的DFIG機組轉(zhuǎn)子側(cè)變流器背靠背拓撲結(jié)構(gòu)接入直流配電網(wǎng)時，需要配置整流和直流升壓環(huán)節(jié)，相應(yīng)增加了電能損耗。文獻[4]提出了DFIG機組的直流并網(wǎng)型拓撲結(jié)構(gòu)，研究表明機組定子側(cè)三相不平衡電壓造成機組轉(zhuǎn)矩和功率存在二次脈動和畸變，嚴重影響機組向電網(wǎng)側(cè)的功率輸送。國內(nèi)外已有相關(guān)文獻對以上問題進行了研究分析，文獻[5]提出了基于矢量比例積分調(diào)節(jié)器的功率諧波抑制方法，文獻[6]采用了基于矢量比例積分環(huán)節(jié)的直接功率控制方法，文獻[7]建立了通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子磁鏈幅值抑制機組定子電流奇次諧波分量的控制方法，文獻[8]分析了電流畸變與轉(zhuǎn)子電流的關(guān)系，提出了一種通過注入轉(zhuǎn)子負序電流來補償定子電流畸變控制方法，以消除定子電流奇次諧波分量。

上述研究均針對直流并網(wǎng)型DFIG機組接入直流電網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)，提出的控制方法均涉及復(fù)雜的建模和計算，機組參數(shù)影響建立模型的準確性和控制方法的有效性。此外在分析機組定子側(cè)三相不平衡電壓時，提取電壓電流正負序分量引起控制時延和誤差，因此文獻[9]提出了基于降階諧振控制器RORC（reduced order resonant controller）的電流輔助控制方法，文獻[10]提出了基于比例積分諧振控制器 PI-RC（proportion integral-resonant controller）的磁場定向控制方法，以抑制機組功率和轉(zhuǎn)矩波動。

以上研究在機組功率和轉(zhuǎn)矩波動抑制策略中引入諧振控制器，均針對傳統(tǒng)交流并網(wǎng)型拓撲結(jié)構(gòu)，且僅改進轉(zhuǎn)子側(cè)變流控制方法，方法單一。本文針對接入直流配電網(wǎng)的DFIG機組直流并網(wǎng)型拓撲結(jié)構(gòu)，提出在定轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制策略分別應(yīng)用諧振控制器的方法，建立定子電流和功率控制傳遞函數(shù)，通過Matlab/Simulink平臺的仿真，驗證了本文提出方法對改善機組的輸出功率特性的有效性，提升了直流并網(wǎng)型DFIG機組接入直流配電網(wǎng)的適應(yīng)性。

1 接入直流配電網(wǎng)的DFIG機組并網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)分析

1.1 DFIG機組接入直流配電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)

圖1為典型的分布式電源接入直流配電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)，以分布式DFIG機組為例，各機組通過直流并網(wǎng)點以公用直流母線DB（direct-current bus）的形式接入直流配電網(wǎng)，再通過逐級直流變換接入公用直流配電網(wǎng)。

1.2 DFIG機組交流型和直流型并網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)對比

DFIG機組并入直流配電網(wǎng)通常采用交流型和直流型兩種拓撲結(jié)構(gòu)，如圖2所示。相比較而言，直流型結(jié)構(gòu)更為簡單，電能傳遞級數(shù)較少，相應(yīng)電能損耗較小，本文針對直流型拓撲結(jié)構(gòu)進行研究。

圖1 直流配電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)Fig.1 Topology structure for DC distribution network

圖2 DFIG機組接入直流母線拓撲結(jié)構(gòu)Fig.2 Topology structure for DFIG connected to DC bus

1.3 計及負序分量的DFIG數(shù)學(xué)模型

基于正、負序分量的空間兩相旋轉(zhuǎn)dq+坐標系，若以正序分量為參考軸，則負序分量以二倍基準角頻率旋轉(zhuǎn)。DFIG機組定子側(cè)電壓含有負序分量時，DFIG定子電壓表達式如下：

式中：上標+、-分別表示正、反轉(zhuǎn)同步速坐標系；下標+、-表示正、負序分量；ω1為正序分量基準角頻率；j為復(fù)數(shù)因子。

相應(yīng)的機組定子電流與磁鏈有以下關(guān)系：

若忽略機組鐵芯損耗、銅耗等，由式（2）可以寫出機組定子有功和無功功率表達式：

式中：Ps0、Qs0分別為機組有功和無功功率的恒定分量；Ps2、Qs2分別為機組有功和無功功率波動分量；ωr為轉(zhuǎn)子角頻率。

由式（3）可知，定子磁鏈負序分量和電流負序分量是引起了機組功率波動的原因。本文通過改進接入直流配電網(wǎng)拓撲中直流并網(wǎng)型DFIG機組SSC和RSC的控制策略，即在控制策略中引入均引入RORC，以抑制機組的功率波動分量，減小機組傳動軸系疲勞度，提升機組運行穩(wěn)定性和并網(wǎng)適應(yīng)性。

2 基于RORC的SSC和RSC控制

2.1 DFIG機組功率波動抑制策略

本文采用的機組功率波動抑制基于對RSC和SSC控制策略的改進來實現(xiàn)，RORC作用于RSC控制電流反饋環(huán)，通過抑制定子電流的波動分量，間接抑制機組功率的波動分量，同時RORC作用于SSC控制功率反饋環(huán)，可直接對機組的功率波動分量起到抑制作用。

RORC是抑制轉(zhuǎn)矩波動的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，文獻[12]對諧振控制器進行了詳細的討論，常用諧振控制器主要有降階和二階兩類，由于二階諧振控制器會引入三次諧波分量，故本文采用RORC，其傳遞函數(shù)表達式為

式中：kr為系數(shù)；ωc為截止角頻率。

RORC的主要作用是能夠有效減小諧振頻率點處二倍頻信號幅值；隨著ωc的取值變化，在諧振頻率左右的帶寬增加，能夠增強RORC對機組定子電壓頻率偏移的適應(yīng)性。

2.2 基于RORC的RSC控制

在兩相旋轉(zhuǎn)dq+坐標系下，RSC采用定子磁鏈定向控制方法，轉(zhuǎn)子電壓方程如式（5）所示：

其中：

在定子電流反饋控制環(huán)中引入RORC，用GR（s）表示，結(jié)合式（4）、式（5）及定子電流控制原理框圖，經(jīng)拉氏變換后機組定子電流控制等效框圖，如圖3所示。

若定子電流表達式寫為

化簡圖3等效方框圖可得式（7）中各傳遞函數(shù)表達式：

綜上，RSC控制策略中引入RORC后，傳遞函數(shù) GA（s）、GB（s）及 GC（s）的幅頻特性體現(xiàn)了改進控制策略對定子電流波動分量的抑制作用。

2.3 基于RORC的SSC控制

在兩相旋轉(zhuǎn)dq+坐標系下，SSC采用氣隙電勢定向控制方法[4]，定子電壓方程如式（11）所示：

其中：

又DFIG氣隙功率方程為

在功率反饋控制環(huán)中引入RORC，用GS（s）表示，結(jié)合式（11）、式（13）及機組功率控制原理框圖，經(jīng)拉氏變換后功率控制等效框圖，如圖4所示。

圖4 采用RORC的DFIG功率控制等效框圖Fig.4 Block diagram of power control of DFIG using RORC

若有功和無功功率表達式為

化簡圖4等效方框圖可得式（14）中各傳遞函數(shù)表達式：

式中：

綜上，SSC控制策略中引入RORC后，傳遞函數(shù)GD（s）、GE（s）與 GF（s）的幅頻特性體現(xiàn)了改進控制策略對機組有功功率波動分量的抑制作用，傳遞函數(shù)的幅頻特性體現(xiàn)了改進控制策略對機組無功功率波動分量的抑制作用。

3 基于RORC的控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

在定子電流和功率控制環(huán)中引入RORC，相應(yīng)使得控制系統(tǒng)階數(shù)增加，參數(shù)變化對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響較大。從圖3和圖4可以看出，定子電流和功率控制為多輸入單輸出系統(tǒng)，分析系統(tǒng)局部穩(wěn)定性顯得尤為必要。本文采用根軌跡分析方法對上文各傳遞函數(shù)穩(wěn)定性進行討論。

傳遞函數(shù) GA（s）、GB（s）、GC（s）、GD（s）、GE（s）、的根軌跡如圖5所示。

圖5 傳遞函數(shù)根軌跡圖Fig.5 Root locus of the transfer functions

從根軌跡圖中可以看出，在復(fù)數(shù)平面內(nèi)GA（s）～零極點坐標實部均小于零，即零極點均分布在復(fù)平面左半平面，由根軌跡零極點穩(wěn)定判據(jù)可知，在機組定子電流和功率控制環(huán)中引入RORC，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性滿足系統(tǒng)運行要求。

4 仿真分析

本文在Matlab/Simulink下搭建仿真模型，驗證本文所提控制策略的正確性和有效性。仿真以A相電壓跌落至額定電壓的80%為例，給定有功和無功功率分別為1 kW、100 VA。如圖6所示，在0 s～0.1 s內(nèi)，機組定子三相電壓對稱平衡，0.1 s～0.2 s內(nèi)，定子A相電壓出現(xiàn)跌落，出現(xiàn)三相電壓不平衡的情況。

圖6 定子三相電壓波形Fig.6 Waveform of stator three-phase voltage

圖7 定子側(cè)電壓不平衡時DFIG機組運行仿真結(jié)果Fig.7 Simulink results of DFIG operation under unbalanced stator voltage

如圖7（a）所示，在 0～0.2 s內(nèi)，機組定轉(zhuǎn)子變流器采用傳統(tǒng)的控制方法，在0.1 s～0.2 s A相電壓發(fā)生跌落期間，機組定子輸出功率波動程度加大，相比與有功功率輸出額定1 kW，實際輸出功率波動誤差約為［-5.26，16.45］，相比與無功功率輸出額定1 kW，實際輸出功率波動誤差約為［-13.55，18.37］，由上文理論分析可知，機組定子三相電壓不對稱引起的定子電流和定子磁鏈二倍頻波動分量，是機組功率波動的重要原因。如圖7（b）所示，在0～0.2 s內(nèi)，機組定轉(zhuǎn)子變流器采用基于RORC的改進控制方法，在0.1 s A相電壓發(fā)生跌落后，實際輸出有功和無功功率波動誤差分別約為 ［-3.34，9.85］、［-10.12，10.56］，且功率諧波分量明顯減少。通過圖7（a）與 7（b）的對比，可以看出基于RORC的機組定轉(zhuǎn)子變流改進控制方法，能夠有效抑制機組功率的二倍頻波動分量。

5 結(jié)語

本文針對接入直流配電網(wǎng)的直流并網(wǎng)型DFIG機組拓撲結(jié)構(gòu)，提出了基于RORC的RSC和SSC控制策略，通過Matlab/Simulink環(huán)境下的仿真驗證，表明在機組定在三相電壓不對稱情況下，在確保控制系統(tǒng)穩(wěn)定的前提同事，能夠有效地抑制機組的功率，改善了機組的運行能力，提升了機組接入直流配電網(wǎng)的適應(yīng)性。