電壓源型雙饋風電變流器控制策略研究

賀 西，楊 韜，張少云，戴茜茜，彭 赟，易韻嵐

（1. 株洲中車時代電氣股份有限公司， 湖南 株洲 412001；2. 中核匯能河北新能源有限公司，河北 石家莊 050051；3. 重慶中車時代電氣技術有限公司， 重慶 401120）

0 引言

隨著我國新能源戰(zhàn)略需求及碳中和目標的提出，以風力發(fā)電為代表的新能源發(fā)電呈現出爆發(fā)式的增長趨勢。在風力發(fā)電中，雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)又以其經濟、穩(wěn)定的運行特性占據著主要市場份額，所以研究雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的并網發(fā)電控制對于我國新能源戰(zhàn)略具有重要意義。

新能源發(fā)電設備電網滲透率的逐步擴大，使得電網逐步表現出高阻抗、低慣量、弱阻尼及低短路比的弱電網特征［1‐3］。傳統(tǒng)雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)采用電流源型變流器控制方式，不具備對電網主動提供頻率及電壓支撐的能力，因而會嚴重影響電網及變流器自身的穩(wěn)定運行［4］。實際運行過程中，國內外新能源發(fā)電占比高的電網多次暴露出由于次同步振蕩導致的變流器脫網問題。

為解決并網逆變器的穩(wěn)定性問題，近年來，虛擬同步技術及電壓源型并網逆變器技術被許多學者所研究［5‐7］。虛擬同步發(fā)電機技術是指通過模擬實際同步發(fā)電機的電氣特性，使得并網逆變器具備主動調頻調壓的能力［8‐10］。電壓源型并網逆變器技術是指在并網逆變控制中取消鎖相環(huán)，而采取自同步的方式，同時模擬同步電機的特性，主動提供頻率及電壓支撐［11‐13］。由于電壓源型逆變器控制方式去除了鎖相環(huán)，因此能很好地適應弱電網需求，具備很好的發(fā)展前景。

本文在現有研究的基礎上，提出了一種改進型的電壓源型雙饋風電變流器控制方式，將其與電流源型變流器控制方式的性能差異進行對比；同時，針對電網高電壓穿越、低電壓穿越工況下電壓源控制的過流問題，設計了電壓源型與電流源型變流器控制方式的切換方法。仿真結果顯示，本文提出的控制方案具備良好的穩(wěn)態(tài)及動態(tài)性能，能很好地適應新能源并網的需求。

1 雙饋風電變流器及其電流源型控制策略

圖1為雙饋風力發(fā)電機的拓撲，其基于背靠背的變流器，完成轉差功率在轉子側的饋入/饋出。當雙饋發(fā)電機處于超同步狀態(tài)時，發(fā)電機軸上的功率通過定子側與轉子側同時饋入電網；當雙饋發(fā)電機處于次同步狀態(tài)時，發(fā)電機軸上的功率與轉差功率通過定子繞組饋入電網。

圖1 雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)拓撲圖Fig. 1 Topology of doubly‐fed wind power system

圖2為雙饋電機的等效電路。圖中，Rs為定子電阻，is為定子電流，Xσs為定子漏抗，Rr為歸算后轉子繞組的電阻，Xσr為歸算后轉子繞組的漏抗，Xm表示與主磁通相對應的鐵心電路的勵磁電抗，Rm為與定子鐵心損耗相對應的等效電阻，us為定子電壓，ur為轉子電壓，s為轉差。

圖2 雙饋電機的等效電路Fig. 2 Equivalent circuit of doubly‐fed motor

雙饋風力發(fā)電機發(fā)電通常采用基于定子電壓定向的矢量控制策略。在定子電壓定向工況下，雙饋電機電壓矢量方程為

式中：urd，urq——轉子電壓d軸，q軸分量；isd，isq——定子電流d軸，q軸分量；ird，irq——轉子電流d軸，q軸分量；ωs——同步角頻率；ωs1——轉差角頻率；ψsd，ψsq——定子磁鏈d軸，q軸分量；ψrd，ψrq——轉子磁鏈d軸，q軸分量；p——微分算子。

磁鏈方程為

式中：Lm——定轉子互感；Lr——轉子自感；Ls——定子自感。

圖3示出基于定子電壓定向的矢量控制原理。圖中，ird*為轉子d軸參考電流，irq*為轉子q軸參考電流，θs為電網鎖相角度。定子電壓定向控制采用鎖相環(huán)，將同步旋轉坐標系與定子的電壓矢量重合，并且坐標系與電壓矢量以相同的旋轉速度沿順時針方向旋轉。該控制策略為電流源型變流器控制方式，其基于鎖相環(huán)與電網保持同步，當電網出現擾動時，會通過鎖相環(huán)影響定子電壓/電流的輸出，從而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2 電壓源型雙饋風電變流器控制策略

電壓源型雙饋風電變流器去除了傳統(tǒng)的鎖相環(huán)，通過模擬同步發(fā)電機的功角特性方程，得到輸出電壓的同步角度與幅值，以實現并網發(fā)電。由于其采用自同步方式，所以不受鎖相環(huán)的影響，同時能夠主動地提供頻率和電壓支撐。

隱極式同步發(fā)電機的功角特性方程為

式中：P——有功功率；Q——無功功率；m——相數；Xd——同步電抗；δ——功角；E——電機電動勢；U——機端電壓。

當原動機僅增加輸入功率時，發(fā)電機的機端電壓不變，由式（3）可以看出，只有功角變大，才能使發(fā)電機輸出更多的功率。從物理學角度可以這樣理解：增加原動力時，轉子加速，但由于同步運行的作用，轉子的轉速仍維持同步轉速運行；但此時電樞主磁通和轉子磁極中心線將增加一個角度Δδ，等效功角變大。同理，當原動機僅增加勵磁時，其無功變大，功角不變，由式（3）可知，此時發(fā)電機的機端電壓將上升。

對于同步電機來說，其等效電勢的大小和相位都不突變，輸出功率由外部電路決定，因而具有電壓源特性。為模擬同步電機特性，本文構建了雙饋風電變流器電壓源型控制策略框圖（圖4），其中外環(huán)采用虛擬同步控制，從而得到輸出電流幅值及同步信號參考；內環(huán)則采用電流閉環(huán)控制。圖中，Pe為有功反饋，Qe為無功反饋。

圖4 電壓源型變流器控制策略框圖Fig.4 Block diagram of the voltage source converter control strategy

電壓源型變流器控制策略的核心在于虛擬同步控制，其主要模擬同步電機轉動慣性及勵磁特性，以及頻率及電壓下垂控制，其結構如圖5所示。其中，Pref為有功參考，Qref為無功參考，u0為電壓基準值參數，J為虛擬轉動慣量，D為虛擬阻尼系數（用來模擬同步機的機械特性），無功PI 和虛擬阻抗用來模擬同步機的勵磁特性。實際應用過程中，需要權衡虛擬轉動慣量及虛擬阻尼系數的選取，以兼顧響應速度和系統(tǒng)慣量。

圖5 虛擬同步控制框圖Fig. 5 Block diagram of virtual synchronization control

上述電壓源型變流器控制方式能夠滿足系統(tǒng)的穩(wěn)定運行要求，但是當電網高電壓穿越、低電壓穿越時，其并不具備故障電流的抑制能力。因此，在高電壓穿越、低電壓穿越狀態(tài)下，上述電壓源型變流器控制方式將不再合適。為解決此問題，本文設計了一種電壓源型與電流源型變流器控制方式的切換機制，其控制原理如圖6 所示。如圖所示，控制系統(tǒng)實時監(jiān)測網壓狀態(tài)：網壓正常時，采用電壓源型變流器控制方式；一旦監(jiān)測到高、低電壓穿越工況，則切換到電流源型變流器控制方式；網壓恢復后，再切回電壓源型變流器控制方式。

圖6 高電壓穿越、低電壓穿越切換控制框圖Fig. 6 Switching control for high voltage ride‐trough and low voltage ride‐through

此外，在雙饋風電變流器啟機并網時，為減少電網電流沖擊，采用帶鎖相環(huán)的電流源型變流器控制方式更佳。綜上，設計全工況范圍內的雙饋風電變流器控制策略如圖7所示。

圖7 全工況范圍內的雙饋風電變流器控制策略Fig. 7 Doubly‐fed wind converter control strategy within the full working range

3 仿真分析

為驗證以上研究分析的合理性以及本文所提控制方式的有效性，結合理論分析搭建仿真模型。對電壓源型與電流源型變流器控制方式下，雙饋風電變流器的并網過程、有功無功響應及高電壓穿越和低電壓穿越過程進行了仿真分析，其仿真參數如表1所示。

表1 雙饋風電變流器仿真參數Tab. 1 Simulation parameters of doubly‐fed wind power converter

雙饋風電變流器啟動時采用電流源型控制方式，啟機完成后，電流源型變流器控制方式將切換為電壓源變流器控制方式。

圖8為雙饋風電變流器啟機并網波形圖。其中，ir為轉子電流，uL為網壓?？梢钥闯?，電流源型控制方式下，電網同步過程良好，并網沖擊電流很?。粏C完成后，電流源型變流器控制方式將被切換為電壓源變流器控制方式，切換時刻定子電流有一定的沖擊，而后沖擊電流逐漸減小。

圖8 并網及切換波形Fig. 8 Grid‐connecting and switching waveforms

雙饋風電變流器輸出功率從0 增加到100%額定功率時，仿真得到電壓源型控制方式下定子、轉子的電流及網壓情況（圖9）。可以看出，在電壓源型變流器控制方式下，系統(tǒng)動態(tài)響應過程良好。

圖9 功率變化時定轉子電流及網壓波形Fig. 9 Stator and rotor current and grid voltage waveforms in the case of power change

正常運行時，設定網壓存在±0.1 Hz 的頻率擾動，可得到在網壓頻率波動的情況下采用電壓源型控制方式時電流、網壓及輸出功率的情況，如圖10~圖11 所示。可以看出，在網壓頻率波動的情況下，采用電壓源型控制的雙饋變流器仍能穩(wěn)定運行，且在網壓頻率出現波動時能夠主動調節(jié)輸出功率，為電網提供頻率支撐。

圖10 網壓頻率波動情況下轉子電流及網壓波形Fig. 10 Rotor current and grid voltage waveforms in the case of frequency fluctuation

圖11 網壓頻率波動情況下功率波形Fig. 11 Power waveform during frequency fluctuation

高電壓穿越和低電壓穿越工況下，控制系統(tǒng)會從電壓源型變流器控制方式切換到電流源型變流器控制方式，其定子、轉子電流及網壓情況如圖12、圖13 所示?？梢钥闯?，整個切換過程平穩(wěn)，保證了高電壓穿越和低電壓穿越工況下電網的穩(wěn)定運行。

圖12 低電壓穿越工況下轉子電流及網壓波形Fig. 12 Rotor current and grid voltage waveforms in the case of low voltage ride‐through

圖13 高電壓穿越工況下轉子電流及網壓波形Fig. 13 Rotor current and grid voltage waveforms in the case of high voltage ride‐through

4 結語

為優(yōu)化弱電網情況下雙饋風電變流器的控制性能，本文研究了一種改進的電壓源型雙饋變流器控制策略。文章首先對比分析了其與電流源型變流器控制方式的性能差異，指出其能很好地適應高阻抗、低慣量、弱阻尼及低短路比的弱電網需求；其次，提出了一種電壓源型變流器控制方式下的啟機及電網高電壓穿越和低電壓穿越工況下的控制切換邏輯，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行；最后通過仿真分析，驗證了該電壓源型變流器控制策略在風電變流器各種運行工況下都能取得很好的控制效果。本文僅對電壓源型控制策略的穩(wěn)態(tài)特性進行了研究，為了兼顧電壓源型變流器控方式的響應速度與慣量特性，下一步將對其暫態(tài)特性及穩(wěn)定性進行研究。