雙饋風電機組電壓源電流源雙模式運行平滑切換控制策略

李臻博，代林旺，李少林 ，張學廣

（1.哈爾濱工業(yè)大學電氣工程及自動化學院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.中國電力科學研究院有限公司，北京 100192）

雙饋發(fā)電機是目前使用最為廣泛的風力發(fā)電機型[1-2]。雙饋風電機組中技術成熟且廣泛應用的控制方式是電流源型矢量控制方式[3-5]，其具有有功無功解耦控制等優(yōu)點，但不具備自主的頻率、電壓支撐能力。隨著虛擬同步機（virtual synchronous generator，VSG）技術的發(fā)展，電壓源型虛擬同步式雙饋風電機組的研究受到廣泛關注和重視[6-10]。采用該控制方式下的雙饋風電機組可以為電網提供慣量與阻尼，具有對電網電壓與頻率的支撐能力。帶有電流內環(huán)的間接式虛擬同步機控制方式更便于工程上的應用。為了滿足不同場景下電網工作要求，充分利用電力電子裝置控制靈活性的優(yōu)點，雙饋風電機組應能根據實際工況需求切換控制策略，但其切換時會產生較大電流沖擊與輸出功率波動，影響輸出電能質量的問題。

國內外對控制模式切換問題已經展開了研究，但目前的研究主要集中于變流器。文獻[11]提出一種將下垂控制與V/f控制相結合的混合控制策略，并利用狀態(tài)跟隨器的設計以實現(xiàn)變流器的平滑切換。文獻[12]提出一種基于自適應功率補償的無功-電壓和有功-頻率穩(wěn)定控制策略，有效地抑制了負載對系統(tǒng)電壓和頻率的擾動，有利于平滑切換的實現(xiàn)。文獻[13]提出了一種VSG的PQ模式，使并網狀態(tài)下VSG能夠實現(xiàn)恒功率運行，同時在動態(tài)過程中可以為系統(tǒng)提供慣量支撐，其穩(wěn)態(tài)性能優(yōu)于頻率下垂模式，動態(tài)性能差于頻率下垂模式。文獻[14]提出了一種適用于并網工況的儲能變流器虛擬同步機PQ模式控制策略，并提出了VSG的下垂模式與VSG的PQ模式的平滑切換方法，不過其控制本質仍然是電壓源控制方式。文獻[15-16]提出了一種基于控制器狀態(tài)跟隨的PQ控制與VSG控制的切換方法，但切換時間較長。文獻[17]針對儲能變流器在狀態(tài)跟隨切換的基礎上提出將電流內環(huán)控制器改成線性自抗擾控制器，并設計一個狀態(tài)觀測器LESO實時在線觀測擾動以補償控制器，抑制切換過程中的電壓電流波動，但增加了算法復雜度，不利于工程應用。文獻[18]提出了一種通過相位與幅值預同步和電流環(huán)參考值跟蹤的方法降低光伏逆變器模式切換時的電流沖擊。文獻[19]通過改進有功控制模塊與無功控制模塊提出一種VSG控制與PQ控制的切換方法，并通過小信號模型分析參數穩(wěn)定性。文獻[20]提出了一種雙饋風力發(fā)電機電流源控制模式與混合型控制模式的切換方法。目前，控制模式切換策略的研究多是基于變流器，對于雙饋風電機組的控制模式平滑切換策略研究較少，且雙饋風電機組控制模式切換時需要考慮的因素較變流器更為復雜。

為此，本文首先分析了雙饋風電機組的結構與控制策略，在此基礎上提出了一種雙饋風電機組電壓源控制模式與電流源控制模式平滑切換的控制策略。首先保證兩種控制模式的電流內環(huán)結構與參數相同，同時通過控制器狀態(tài)跟隨與數值緩啟器的共同作用使相位與電流環(huán)給定值在切換時平滑過渡。實現(xiàn)依據調度指令快速完成風電機組控制模式切換功能，并消除控制模式切換過程中的功率波動。最后，通過仿真分析驗證了所提方法的有效性。

1 雙饋風電機組結構與控制策略

1.1 雙饋風電機組結構

圖1為雙饋風電機組拓撲連接圖，風力機通過變速箱拖動雙饋電機轉子旋轉，雙饋電機定子直接接電網，轉子通過背靠背變流器接入電網，雙饋風電機組的控制策略都可以通過改變轉子側變流器的控制方法來實現(xiàn)。

雙饋風電機組網側變換器始終采用矢量控制策略，通過改變轉子側變換器的控制策略即可讓雙饋風電機組運行在電壓源控制模式或電流源控制模式下。

1.2 雙饋風電機組矢量控制策略

雙饋風電機組矢量控制策略通過功率外環(huán)與電流內環(huán)控制轉子電壓。功率外環(huán)控制方程為

式中：Ps_ref，Qs_ref，Ps，Qs分別為 DFIG 輸出有功、無功功率的給定值和實際值；kp0，ki0為功率環(huán)PI系數；Lm為電機定子與轉子之間的互感；usd為定子電壓d軸分量；ωs為定子電流角頻率；ird_ref，irq_ref分別為功率環(huán)輸出的轉子電流給定值的d，q軸分量。電流內環(huán)的控制方程為

通過功率外環(huán)控制轉子電流，再利用轉子電流控制轉子電壓。功率外環(huán)輸出轉子電流參考值，通過轉子電流內環(huán)輸出轉子勵磁電壓。圖2為雙饋風電機組轉子側變換器矢量控制策略框圖。

1.3 雙饋風電機組虛擬同步機控制策略

本文采用的是帶定子電壓轉子電流級聯(lián)內環(huán)控制的電壓源型間接式虛擬同步機控制方式。虛擬同步外環(huán)控制方程為

式中：Tj，D分別為慣性和阻尼時間常數；ω1為轉子轉速；ω為虛擬角速度；ωb為電網角頻率基準值；us_ref為定子電壓給定參考幅值；θs為定子控制電壓的相角；us為定子控制電壓的幅值。

虛擬同步機外環(huán)控制是通過有功功率偏差產生虛擬同步角頻率、無功功率偏差產生定子電壓幅值，然后將該幅值和頻率按照矢量合成的方法直接產生定子電壓us。虛擬同步機控制模式的電壓內環(huán)控制方程為

電壓電流內環(huán)控制是通過定子電壓轉子電流雙閉環(huán)來控制轉子電壓，電壓電流內環(huán)中定子電壓環(huán)的輸出是轉子電流參考值，轉子電流環(huán)的輸出是轉子勵磁電壓，從而構建虛擬同步機控制到轉子控制電壓之間的橋梁。此外，矢量合成也是中間重要的環(huán)節(jié)，電壓環(huán)輸入信號中的定子電壓d，q軸參考電壓，可以通過信號合成及Park變換完成中間信號的轉換。圖3為雙饋風電機組轉子側變換器虛擬同步機控制策略框圖。

2 雙饋風電機組結構與控制策略

本節(jié)將分析雙饋風電機組在電壓源型虛擬同步機控制模式與電流源型矢量控制模式間的平滑切換方法。在實際切換中發(fā)現(xiàn)，接收到運行模式切換指令后，若直接切換轉子側變流器輸入，則風機會失穩(wěn)崩潰。由第1節(jié)可知，雙饋風電機組無論工作在電壓源控制模式下還是在電流源控制模式下，其電流內環(huán)都沒有改變。因此本文在電流內環(huán)控制器前進行雙模式切換，避免了上述問題。在雙饋風電機組運行時，令電流內環(huán)、矢量控制下的功率外環(huán)與虛擬同步機控制下的電壓外環(huán)、虛擬同步外環(huán)同時運行，根據系統(tǒng)指令決定雙饋風電機組運行在何種控制模式下。因此保證雙饋風電機組控制模式能穩(wěn)定切換的關鍵在于使矢量控制的相位θs和電流環(huán)給定分別與電壓源型虛擬同步機控制的相位θg和電流環(huán)給定i*rd_r e f_V S G和i*rq_ref_VSG在切換時刻的平滑過渡。圖4為雙模式運行平滑切換方法整體示意圖。

2.1 電壓源/電流源控制模式切換

雙饋風電機組矢量控制中功率外環(huán)切換控制框圖、虛擬同步機控制中虛擬同步機外環(huán)切換控制框圖和虛擬同步機控制中電壓內環(huán)切換控制框圖如圖5～圖7所示。

雙饋風電機組控制模式切換的邏輯開關對應表如表1所示。

表1 邏輯開關對應表Tab.1 Table of logical switch mappings

雙饋風電機組由電壓源運行模式切換至電流源控制模式控制時序如圖8所示。

雙饋風電機組以電壓源控制模式運行時各開關狀態(tài)為

雙饋風電機組以VSG控制模式運行時，矢量控制中功率外環(huán)的邏輯開關K5，K6處于狀態(tài)2，使矢量控制下有功功率環(huán)、無功功率環(huán)的控制器輸出分別與VSG控制中電壓環(huán)q軸控制器輸出的電流內環(huán)d軸給定值、電壓環(huán)d軸控制器輸出的電流內環(huán)q軸給定值相等，即邏輯開關K1，K2處的狀態(tài)1等于狀態(tài)2，目的是為了消除虛擬同步機控制切換為矢量控制時電流內環(huán)d軸、q軸給定值的波動。

t1時刻，接收到運行模式切換指令信號，此時，令K1=K2=K3=K4=K5=K6=1。雖然已保證了功率外環(huán)控制器與電壓環(huán)控制器在切換時刻輸出狀態(tài)一致，但矢量控制中有功環(huán)的邏輯開關K5，K6處狀態(tài)1與狀態(tài)2在切換時存在差值，此差值依然會造成雙饋風電機組在切換時存在功率波動。為了完全消除控制模式切換時的功率波動，在接收到系統(tǒng)切換指令后，邏輯開關K5，K6前的數值緩啟器分別獲取邏輯開關K5，K6處數值Ki_（xi=5，6；x=1，2；下標i代表位置編號，下標x代表狀態(tài)編號）作為數值緩啟器的輸入，經過數值緩啟器的調節(jié)，如下式：

其中

式中：ΔKi為數值緩啟器的設定步長；T為動作時間。使邏輯開關K5，K6處由節(jié)點2平滑過渡到節(jié)點1，消除邏輯開關K5，K6處的切換波動。

需要說明的是，雙饋風電機組以VSG控制并網運行時，其虛擬同步環(huán)輸出相位θs被鉗位為電網相位θg，即θs=θg。在VSG切換成矢量控制時，相位的切換是無縫平滑的。

t2時刻，完成控制模式切換過程，此時雙饋風電機組以電流源模式運行。為使本文的切換方法能進行電壓源與電流源的往復切換能力，在電壓源控制模式切換為電流源控制模式后，還需將邏輯開關K8，K9，K10均選為狀態(tài) 2，保證矢量控制下的有功功率環(huán)輸出與VSG電壓環(huán)q軸輸出相等、無功環(huán)功率輸出與VSG電壓環(huán)d軸輸出相等，且將同步開關K7選為狀態(tài)2，使虛擬同步環(huán)的相位輸出θs等于電網相位θg，為下一次的控制模式切換做準備。

2.2 電流源/電壓源控制模式切換

雙饋風電機組由電流源運行模式切換至電壓源控制模式的控制時序如圖9所示。

雙饋風電機組以電流源控制模式運行時各開關狀態(tài)為

當雙饋風電機組以電流源控制模式運行時，VSG外環(huán)實際處于離網運行狀態(tài)，其輸出的電壓與電網電壓之間可能存在相位偏差，導致控制模式切換時存在大的瞬時偏差，產生過大的沖擊電流與功率波動，因此需要相位預同步單元將VSG外環(huán)輸出的相位鉗位為電網相位，即雙饋風電機組以電流源模式運行時同步開關K7處于狀態(tài)2，虛擬同步環(huán)輸出相位θs等于電網相位θg。在矢量控制切換為VSG控制時，將同步開關K7置于狀態(tài)1即可，從而保證相位的切換是無縫平滑的。

當雙饋風電機組以矢量控制模式運行時，VSG控制中電壓環(huán)的邏輯開關K9，K10處于狀態(tài)2，使VSG控制下電壓環(huán)q軸、d軸的控制器輸出分別與矢量控制中有功功率環(huán)控制器輸出的電流內環(huán)d軸給定值、無功功率環(huán)控制器輸出的電流內環(huán)q軸給定值相等，即邏輯開關K1，K2處的狀態(tài)1等于狀態(tài)2，消除矢量控制切換為VSG控制時電流內環(huán)d軸、q軸給定值的波動。

t1時刻，接收到運行模式切換指令信號，此時，令K7=K8=K9=K10=1，K1=K2=K3=K4=2。雖然已保證了電壓環(huán)控制器與功率外環(huán)控制器在切換時刻輸出狀態(tài)一致，但VSG控制中電壓環(huán)q軸、d軸與VSG外環(huán)的無功環(huán)的邏輯開關K8，K9，K10處狀態(tài)1與狀態(tài)2在切換時存在差值，此差值依然會造成雙饋風電機組在切換時存在功率波動。為了完全消除控制模式切換時的功率波動，在接收到系統(tǒng)切換指令后，邏輯開關K8，K9，K10前的數值緩啟器獲取邏輯開關K8，K9，K10處數值Ki_x（i=8，9，10；x=1，2，下標i代表位置編號，下標x代表狀態(tài)編號）作為數值緩啟器的輸入，經過數值緩啟器的調節(jié)，如下式：

使邏輯開關K8，K9，K10處由節(jié)點2平滑過渡到節(jié)點1，消除邏輯開關K8，K9，K10處的切換波動。

t2時刻，完成控制模式切換過程，此時雙饋風電機組以電壓源模式運行。為使本文的切換方法能進行電流源與電壓源的往復切換能力，在電流源控制模式切換為電壓源控制模式后，還需將邏輯開關K5，K6選為狀態(tài)2，保證VSG控制下的電壓環(huán)q軸與有功功率環(huán)輸出相等、電壓環(huán)d軸與無功功率環(huán)輸出相等，為下一次的控制模式切換做準備。

3 仿真驗證與分析

為了驗證本文所提的電壓源電流源雙模式運行切換控制策略的有效性，利用仿真軟件以2.1 MW風電機為例進行仿真分析。電機與電網主要電氣參數為：DFIG額定電壓V=690 V，DFIG基準容量S=2.1 MV·A，額定頻率f=50 Hz，轉子漏感Llr=0.515 2（標幺值），定子漏感Lls=0.293 8（標幺值），轉子電阻Rr=0.019 4（標幺值），定子電阻Rs=0.023 8（標幺值），勵磁電感LM=14.841 1（標幺值），直流母線電壓Vdc=1 080 V，電網電感Lg=7.216 5e-4 H，電網電阻Rg=0.011 35 Ω。。

3.1 電壓源/電流源控制模式切換仿真結果與分析

圖10給出了雙饋風電機組由電壓源控制模式切換為電流源控制模式的仿真波形。

仿真功率給定為：雙饋風電機組輸出的有功功率設為0.64（標幺值），輸出無功功率為0。因控制模式切換時若直接切換轉子側變換器的開關給定則風機會完全失穩(wěn)，所以從圖10a、圖10c可以看出，未采用切換方法時雙饋風電機組先以電壓源控制模式運行，在2.5 s時切換為電流源控制模式，切換時功率波動極大，會對設備產生不利影響；從圖10b、圖10d可以看出，t=3 s時接收到控制模式切換指令，令K1=K2=K3=K4=K5=K6=1，t=3.3 s時完成模式切換，由于在切換前保證了功率外環(huán)控制器與電壓環(huán)控制器在切換時刻輸出狀態(tài)一致，在切換時又采用數值緩啟器消除波動，兩者共同作用極大地消除了切換時的功率波動，實現(xiàn)了控制模式切換時電流與功率的平滑切換。

3.2 電流源/電壓源控制模式切換仿真結果與分析

圖11給出了雙饋風電機組由電流源控制模式切換為電壓源控制模式的仿真波形。

仿真功率給定為：雙饋風電機組輸出的有功功率設為0.64（標幺值），輸出無功功率設為0。因控制模式切換時若直接切換轉子側變換器的開關給定則風機會完全失穩(wěn)，所以從圖11a、圖11c可以看出，未采用切換方法時，雙饋風電機組先以電流源控制模式運行，在2 s時切換為電壓源控制模式，切換時功率波動極大，會對設備產生不利影響；從圖11b、圖11d可以看出，t=3 s時接收到控制模式切換指令，令K7=K8=K9=K10=1，K1=K2=K3=K4=2，t=3.3 s時完成模式切換，可見，由于在切換前保證了相位一致及電壓環(huán)控制器與功率外環(huán)控制器在輸出狀態(tài)一致，在切換時又采用數值緩啟器消除波動，兩者共同作用極大地消除了切換時的功率波動，實現(xiàn)了控制模式切換時電流與功率的平滑切換。

4 結論

本文針對雙饋風電機組控制模式切換時產生較大電流沖擊與輸出功率波動問題，提出了雙饋風電機組電壓源電流源雙模式運行平滑切換控制策略。在對矢量控制策略與虛擬同步機控制策略分析的基礎上，提出了通過保證電流內環(huán)不變，使控制模式切換問題轉變?yōu)楸ＷC電流內環(huán)輸入與相位平滑切換問題。通過分析兩種控制模式切換時的波動根源，提出控制器狀態(tài)跟隨與數值緩啟器的共同作用使得控制模式切換時相位與電流指令平滑切換方法。通過搭建仿真模型，驗證了所提方法極大地減小了切換時的功率波動，實現(xiàn)了雙饋風電機組的雙模式運行平滑切換功能。