雙饋虛擬同步機(jī)快速勵(lì)磁控制和功角補(bǔ)償策略

摘要：針對以激磁電勢為目標(biāo)控制電壓的雙饋虛擬同步發(fā)電機(jī)策略下運(yùn)行功角大而帶來的功率耦合問題，提出采用快速勵(lì)磁控制消除功角擾動(dòng)對無功控制的影響，采用功角補(bǔ)償消除激磁電勢擾動(dòng)對功角有功控制的影響的功率解耦方案。在分析雙饋電機(jī)數(shù)學(xué)模型及雙饋虛擬同步機(jī)整體控制策略的基礎(chǔ)上，構(gòu)建計(jì)及無功控制環(huán)節(jié)的雙饋虛擬同步機(jī)小信號模型。通過分析無功環(huán)節(jié)PI控制器參數(shù)對功角穩(wěn)定性的影響，設(shè)計(jì)快速勵(lì)磁控制策略。通過分析無功擾動(dòng)與功角變化的關(guān)系，確定功角補(bǔ)償傳遞函數(shù)。設(shè)定風(fēng)速擾動(dòng)、電網(wǎng)頻率擾動(dòng)和電網(wǎng)電壓擾動(dòng)3種不同工況進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明：所提控制策略可有效避免雙饋虛擬同步機(jī)大功角運(yùn)行時(shí)有功功率控制和無功功率控制間的相互影響，實(shí)現(xiàn)功率解耦。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力機(jī)；電機(jī)控制；感應(yīng)電機(jī)；虛擬同步發(fā)電機(jī)；功率解耦；小信號模型

中圖分類號：TM614文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

在構(gòu)建更清潔、低碳的能源體系趨勢下，可再生能源將逐步成為面向未來的主要能源形式[1-2]。相較傳統(tǒng)電源，以電力電子變換器為電網(wǎng)接口的可再生能源缺乏頻率慣性，日益提高的可再生電源穿透率將進(jìn)一步惡化電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定控制3-5]。

雙饋風(fēng)電機(jī)組有較大裝機(jī)容量，增強(qiáng)其頻率慣性和調(diào)頻能力將對電網(wǎng)頻率安全有重要意義。文獻(xiàn)[6]在雙饋機(jī)組傳統(tǒng)控制策略中引入頻率下垂控制以體現(xiàn)調(diào)頻特性，但該方法無法實(shí)現(xiàn)頻率慣性支撐。文獻(xiàn)[7-8]介紹虛擬慣量控制策略，通過提取電網(wǎng)頻率偏差及其變化率來計(jì)算有功功率參考值，體現(xiàn)頻率慣性和調(diào)頻特性。此類方法通常采用功率閉環(huán)控制，雙饋機(jī)組以電流源形式出力。文獻(xiàn)[9-10]介紹雙饋虛擬同步機(jī)控制策略，通過引入轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程使雙饋發(fā)電機(jī)定子模擬同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行。此時(shí)雙饋電機(jī)定子以電壓源形式并網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的自同步，具備靈活的并離網(wǎng)運(yùn)行方式11]。

電壓源型虛擬同步機(jī)控制策略普遍采用以電壓相位控制有功潮流、以電壓幅值控制無功潮流的功率控制方式[12]，適用于被控電源與并網(wǎng)點(diǎn)間線路呈感性且兩側(cè)電壓相位差較小的場景[13]。風(fēng)電場往往接入電網(wǎng)末端，短路容量相對較小；在就地接入負(fù)荷中心的分散式場景中，接入電網(wǎng)電壓等級較低，線路阻抗呈阻感型[14]，不適用上述功率控制方式，易造成功率耦合，危害電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行[15]。

文獻(xiàn)[16]介紹一種以定子電壓為目標(biāo)控制電壓的雙饋虛擬同步機(jī)策略，該策略以定子電壓經(jīng)線路阻抗連接并網(wǎng)點(diǎn)構(gòu)建功率傳輸模型。該傳輸模型下的功率解耦方法有：設(shè)置虛擬電阻以抵消線路電阻17]和增加線路虛擬電抗使線路體現(xiàn)感性[18]，受限于線路電阻難以準(zhǔn)確測量且隨電網(wǎng)最大最下運(yùn)行方式切換而改變，難以配置合適的虛擬阻抗。文獻(xiàn)[19]提出自適應(yīng)虛擬阻抗控制，通過小信號模型進(jìn)行線性化以實(shí)現(xiàn)不同穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)的虛擬阻抗自適應(yīng)配置。以上方法通過在電流內(nèi)環(huán)引入虛擬阻抗，使傳輸模型盡可能等效為感性而實(shí)現(xiàn)功率解耦，準(zhǔn)確的線路參數(shù)檢測是解耦的關(guān)鍵。文獻(xiàn)[20]提出以激磁電勢為目標(biāo)控制電壓的雙饋虛擬同步機(jī)策略，該策略以激磁電勢經(jīng)定子電抗連接電網(wǎng)構(gòu)建功率傳輸模型，具有傳輸阻抗確定且呈感性的優(yōu)勢?？紤]實(shí)際并網(wǎng)電壓等級和定子電抗，該功率傳輸模型下，激磁電勢與定子電壓相位差往往較大，造成新的功率耦合。目前，關(guān)于以激磁電勢為目標(biāo)控制電壓的雙饋虛擬同步機(jī)在大功角運(yùn)行狀態(tài)下的功率解耦研究較少。制策略。通過搭建控制系統(tǒng)的小信號模型并分析無功控制器參數(shù)對功角穩(wěn)定性的影響，提出快速勵(lì)磁控制策略以實(shí)現(xiàn)無功功率控制對功角的解耦。通過分析小信號模型下無功功率與功角的關(guān)系，提出功角補(bǔ)償策略以實(shí)現(xiàn)有功功率控制對激磁電勢的解耦。通過分析、對比所提策略在風(fēng)速擾動(dòng)、電網(wǎng)頻率擾動(dòng)和電網(wǎng)電壓擾動(dòng)3種工況下的運(yùn)行特性，驗(yàn)證了所提策略的可行性和有效性。

1雙饋虛擬同步機(jī)數(shù)學(xué)模型

雙饋電機(jī)作為一種旋轉(zhuǎn)式機(jī)電設(shè)備，其穩(wěn)定運(yùn)行需滿足頻率約束，即：

式中：n.——極對數(shù)；w?！D(zhuǎn)子機(jī)械角頻率；w？——轉(zhuǎn)子勵(lì)磁角頻率；w，——定子旋轉(zhuǎn)磁場角頻率。

可知，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場與定子旋轉(zhuǎn)磁場角頻率相同，具有與同步發(fā)電機(jī)相似的特性。因此，引入同步發(fā)電機(jī)控制中廣泛使用的激磁電勢變量構(gòu)建雙饋電機(jī)模型，將更利于雙饋虛擬同步機(jī)控制策略的設(shè)計(jì)。

雙饋電機(jī)定、轉(zhuǎn)子依照電動(dòng)機(jī)慣例，在dq坐標(biāo)系下等效電路如圖1a所示。磁鏈方程為：

式中：業(yè)、業(yè)，——定、轉(zhuǎn)子磁鏈；L、L、Lm——定、轉(zhuǎn)子漏電感和互感；I，、I——定、轉(zhuǎn)子電流。電壓方程為：

式中：U，、U，——定、轉(zhuǎn)子電壓；p——微分算子；r，、r.—定、轉(zhuǎn)子電阻。引入激磁電勢E：

激磁電勢E與定子電壓U，的關(guān)系為：

式中：L=L+L.，為定子自感。將d軸方向定位于激磁電勢E矢量方向得：

依據(jù)dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，穩(wěn)態(tài)時(shí)各變量為常數(shù)，微分項(xiàng)為零；雙饋電機(jī)定子電阻遠(yuǎn)小于定子電抗，對式（5）、式（6）化簡得：

式中：X，=w.L，為定子電抗，對應(yīng)電壓矢量關(guān)系如圖1b所示，圖中：w——虛擬同步機(jī)控制策略下虛擬同步角頻率；0，——d軸相位角；θ，——定子電壓相位角；σ——功角。

結(jié)合圖1b中電壓向量關(guān)系得定子功率方程為：

電磁轉(zhuǎn)矩T。方程13為：

轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程為：

式中：T？——輸入機(jī)械轉(zhuǎn)矩；D，——虛擬阻尼系數(shù)；k ——調(diào)頻系數(shù)；w?！ゎl角頻率；J，——虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

2雙饋虛擬同步機(jī)控制策略

由式（9）可知，有功功率一定時(shí)，定子電壓U，越高，定子電抗值X越小，則功角σ越小。當(dāng)功角σ足夠小時(shí)，可將sino近似為σ，coso近似為1。此時(shí)有功功率P，近似與功角σ成正比，無功功率Q，近似與激磁電勢E成線性關(guān)系，二者之間近似解耦。

依據(jù)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程（11）設(shè)計(jì)有功功率控制。

設(shè)計(jì)無功功率控制表達(dá)式為：

式中：Q，——定子無功功率參考值，包含無功給定值Q和電壓調(diào)差無功；k——調(diào)壓系數(shù)；U？——電網(wǎng)電壓基準(zhǔn)值；E——激磁電勢參考值；k、k;——無功控制PI參數(shù)。

由式（8）可依E計(jì)算轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流參考值I：

由式（2）、式（3）設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子電流內(nèi)環(huán)PI控制器，可得轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電壓參考值U*：

轉(zhuǎn)子電壓矢量到d軸相位角θ，為：

網(wǎng)側(cè)變換器功率P。與轉(zhuǎn)子功率相同，并與定子功率P，按轉(zhuǎn)差率s。分配：

因此，雙饋電機(jī)定子虛擬同步機(jī)控制策略也使網(wǎng)側(cè)變換器功率體現(xiàn)頻率慣性，進(jìn)而雙饋機(jī)組整體具備頻率慣性支撐能力。網(wǎng)側(cè)變換器控制策略采用常用的功率外環(huán)電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制。系統(tǒng)整體控制框圖如圖2所示。

3雙饋虛擬同步機(jī)功率解耦策略研究

上述控制策略適用于功角σ較小的情況。實(shí)際應(yīng)用場景中，雙饋電機(jī)接入電網(wǎng)電壓等級相對較低，在較普遍的額定功率及定子電抗參數(shù)下，功角σ往往較大。此時(shí)，功角改變造成的無功變化量和激磁電勢改變造成的有功變化量將不可忽略，功率耦合現(xiàn)象明顯。為研究有功功率與激磁電勢E的耦合強(qiáng)度，定義單位功角和單位激磁電勢式有功功率調(diào)節(jié)量為：

式中：E？、σ？——額定工況下的激磁電勢和功角。功角σ。較小時(shí)，單位功角有功調(diào)節(jié)量遠(yuǎn)大于單位激磁電勢有功調(diào)節(jié)量，滿足解耦條件；隨功角σ。增加，單位功角有功調(diào)節(jié)量減小，單位激磁電勢有功調(diào)節(jié)量增加，直至σ？=57.5°時(shí)，二者相等。功角σ。繼續(xù)增加時(shí)，調(diào)節(jié)關(guān)系發(fā)生反轉(zhuǎn)。單位功角和單位激磁電勢無功功率調(diào)節(jié)量隨功角σ。變化特點(diǎn)與此類似。在額定功角較大時(shí)，功率耦合明顯，甚至出現(xiàn)控制關(guān)系反轉(zhuǎn)，影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

3.1小信號模型下功角穩(wěn)定性分析

針對非線性、強(qiáng)耦合系統(tǒng)不易求解傳遞函數(shù)的問題，可在額定工作點(diǎn)建立小信號模型以實(shí)現(xiàn)線性化[2]。在工作點(diǎn)（E。，σ。）處，定子有功、無功功率小信號表達(dá)式為：

式中：K=U，/X，k？？=sin。，k？=coso。。

無功控制環(huán)節(jié)小信號模型如圖3所示。激磁電勢△E對功角擾動(dòng)△σ的傳遞函數(shù)為：

式中：A=k，/k;，B=（1+Kk？k）Kk？ah;。

可知kp越小，G？（s）越體現(xiàn)滯后特性；隨kp增大，G？（S）逐漸體現(xiàn)為比例特性。

將無功環(huán)節(jié)激磁電勢對功角傳遞函數(shù)Go（s）代入式（18）得定子有功功率△P，對功角△o關(guān)系為：

定子有功功率△P，與電磁轉(zhuǎn)矩△T。關(guān)系為：

計(jì)及無功環(huán)節(jié)的功角系統(tǒng)小信號模型如圖4所示。功角△σ對電網(wǎng)頻率擾動(dòng)△w，的傳遞函數(shù)為：

其中，

繪制功角對電網(wǎng)頻率擾動(dòng)傳遞函數(shù)G（）隨參數(shù)k。、k變化的根軌跡，如圖5所示。

k，=0時(shí)，G？（S）為比例環(huán)節(jié)，此時(shí)功角系統(tǒng)為2階系統(tǒng)，傳遞函數(shù)Gu（S）有共軛極點(diǎn)A、A'，其位置由轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J、阻尼系數(shù)D。和k決定。隨kp增加，極點(diǎn)A，A'將沿k;=0軌跡向B、B'移動(dòng)，并收斂于B、B'。

k≠0時(shí)，G？（s）為滯后環(huán)節(jié)，此時(shí)功角系統(tǒng)為3階系統(tǒng)，增加了一個(gè)負(fù)實(shí)軸極點(diǎn)C。在k，保持不變、k：增加時(shí)，共軛極點(diǎn)位置垂直于圖中軌跡線變化。圖中符號×表示kp=0時(shí)，隨k，增加的極點(diǎn)位置，存在正實(shí)軸平面極點(diǎn)可能，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定；在k保持不變、k增加時(shí)，共軛極點(diǎn)位置沿圖中軌跡線變化，趨近于B、B';負(fù)實(shí)軸極點(diǎn)C隨k，增加靠近虛軸，隨k，增加遠(yuǎn)離虛軸。

綜上，選擇kgt;Kk？使共軛極點(diǎn)趨于B、B'，可獲得更快的響應(yīng)速度，同時(shí)避免k;參數(shù)選擇不當(dāng)可能造成的不穩(wěn)定狀態(tài)。選擇一定的k參數(shù)，使其滿足負(fù)實(shí)軸極點(diǎn)C對應(yīng)環(huán)節(jié)在時(shí)域的收斂速度要求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)無功功率靜態(tài)無差控制。

3.2快速勵(lì)磁控制策略下的功角特性

按上述PI參數(shù)優(yōu)化，此時(shí)G？（s）≈E？ki？/k？。，可近似為比例環(huán)節(jié)。功角擾動(dòng)時(shí)，激磁電勢可按比例快速響應(yīng)功角變化。將△E=G？（s）△σ代入式（18）得△Q，=0。當(dāng)電網(wǎng)頻率擾動(dòng)造成功角波動(dòng)時(shí)，快速勵(lì)磁控制策略通過快速調(diào)節(jié)激磁電勢以抵消功角擾動(dòng)所造成的無功偏差，實(shí)現(xiàn)無功功率Qs對功角σ的解耦。在此條件下，激磁電勢隨功角變化關(guān)系為：

式中：Q?！~定無功功率。

將式（25）代入式（11）得快速勵(lì)磁控制策略下有功表達(dá)式為：

相較傳統(tǒng)雙饋虛擬同步機(jī)正弦功角特性，相同功角變化量時(shí)，快速勵(lì)磁控制策略下的正切功角特性對應(yīng)更大的有功功率調(diào)節(jié)量。進(jìn)而，在相同的電網(wǎng)頻率擾動(dòng)下，具有更快的有功響應(yīng)速度和更小的功角擾動(dòng)，暫態(tài)性能更優(yōu)。

3.3功角補(bǔ)償策略

當(dāng)無功給定值Q改變或電網(wǎng)電壓U，改變造成無功偏差時(shí)，快速勵(lì)磁控制將使激磁電勢快速變化，導(dǎo)致有功功率出現(xiàn)擾動(dòng)，直至功角過渡到新的穩(wěn)態(tài)。功角補(bǔ)償策略以消除上述有功擾動(dòng)為目標(biāo)，依據(jù)無功擾動(dòng)與功角變化量的小信號關(guān)系，構(gòu)建功角補(bǔ)償環(huán)節(jié)，對應(yīng)圖2中Q補(bǔ)償模塊。

設(shè)計(jì)微分-積分運(yùn)算提取無功給定值Q和電網(wǎng)電壓U？改變所造成的定子無功功率參考值變化量：

令式（18）中△P？=0，解得無功擾動(dòng)下的功角補(bǔ)償關(guān)系為：

補(bǔ)償策略如圖6所示。式（27）中微分運(yùn)算通過一階微分環(huán)節(jié)G？（S）實(shí)現(xiàn)，積分運(yùn)算通過運(yùn)動(dòng)方程中虛擬同步頻率到虛擬相位角的積分過程G？（S）實(shí)現(xiàn)；式（28）對應(yīng)比例環(huán)節(jié)G？（S），可置于微分-積分運(yùn)算之間。Q”穩(wěn)定時(shí)，補(bǔ)償量為零，不影響雙饋虛擬同步機(jī)的功角慣性；Q*改變時(shí)，依其變化量線性調(diào)節(jié)功角以消除激磁電勢擾動(dòng)所造成的有功功率擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)有功功率P，對激磁電勢E的解耦。

4仿真分析

為驗(yàn)證所提控制策略的有效性，在Matlab/Simulink中搭建并網(wǎng)型雙饋虛擬同步風(fēng)電機(jī)系統(tǒng)模型。設(shè)置風(fēng)速擾動(dòng)、電網(wǎng)頻率擾動(dòng)兩種類型的有功擾動(dòng)和電網(wǎng)電壓擾動(dòng)引起的無功功率擾動(dòng)工況進(jìn)行驗(yàn)證，系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

4.1風(fēng)速擾動(dòng)工況下雙饋虛擬同步機(jī)運(yùn)行特性

設(shè)定雙饋風(fēng)電系統(tǒng)初始在7.8 m/s風(fēng)速下達(dá)到穩(wěn)態(tài)，采用快速勵(lì)磁控制策略；在3s時(shí)，風(fēng)速V躍升至11.3 m/s，雙饋風(fēng)電系統(tǒng)各變量變化如圖7所示。

由圖7可知，隨風(fēng)速增加，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速r從1339 r/min開始加速，在7.1 s時(shí)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速1782 r/min，控制模式由最大功率追蹤切換為定轉(zhuǎn)速控制，此時(shí)轉(zhuǎn)差率為-0.19。隨捕獲風(fēng)功率增加，機(jī)械轉(zhuǎn)矩增加，正差額轉(zhuǎn)矩加速虛擬同步頻率f，并使之對電網(wǎng)頻率f出現(xiàn)正差值；正差額頻率使功角σ增加，進(jìn)而電磁轉(zhuǎn)矩T。增加；當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩與增加的機(jī)械轉(zhuǎn)矩恢復(fù)平衡后，虛擬同步頻率f與電網(wǎng)頻率f.恢復(fù)同步；此時(shí)，功角σ達(dá)到新穩(wěn)態(tài)66.3°。

快速勵(lì)磁控制策略調(diào)節(jié)激磁電勢E，消除功角變化對定子無功功率的影響，使定子無功功率Q。穩(wěn)定于0 Mvar，轉(zhuǎn)子電流i的變化與激磁電勢相關(guān)。定子電流i，隨功率增長增加，由于q軸隨σ增加逐漸靠近定子電流矢量方向，因此i增加明顯。網(wǎng)側(cè)變換器電流i以電網(wǎng)電壓相位角進(jìn)行dq變換，is對應(yīng)網(wǎng)側(cè)變換器無功功率Q，保持為0;is對應(yīng)網(wǎng)側(cè)變換器有功功率P。，隨轉(zhuǎn)速增加由正轉(zhuǎn)負(fù)，對應(yīng)風(fēng)力機(jī)由亞同步轉(zhuǎn)為超同步運(yùn)行。在風(fēng)速階躍擾動(dòng)下，風(fēng)力機(jī)直流側(cè)電壓U維持在1600 V。額定運(yùn)行狀態(tài)下，定子有功功率P為-2.8 MW，網(wǎng)側(cè)變換器有功功率P為-0.54 MW，機(jī)組整體有功功率P為-3.4 MW，與當(dāng)前轉(zhuǎn)差率下功率分配一致。定子有功功率與功角正切的比值Kpa。在不同功角下保持恒定，此時(shí)功角特性為正切函數(shù)特性，與式（26）一致。

后續(xù)不同工況的運(yùn)行驗(yàn)證中，與本工況相似的變化特性將不再重復(fù)展示。

4.2電網(wǎng)頻率擾動(dòng)工況下雙饋虛擬同步機(jī)運(yùn)行特性

設(shè)定雙饋風(fēng)電系統(tǒng)初始為額定狀態(tài)，采用快速勵(lì)磁控制策略；在1s時(shí)，電網(wǎng)頻率f跌落0.5 Hz，并于3s時(shí)恢復(fù)；在5s時(shí)f升高0.5 Hz，并于7s時(shí)恢復(fù)。雙饋風(fēng)電系統(tǒng)各變量變化如圖8所示。為進(jìn)一步驗(yàn)證快速勵(lì)磁控制策略的有效性，在功角σ、激磁電勢E、定子有功功率P，和定子無功功率Q，的波形中設(shè)置對照，其中波形p？對應(yīng)快速勵(lì)磁控制策略的優(yōu)化PI參數(shù)，波形p？對應(yīng)未優(yōu)化的PI參數(shù)。

由圖8可知，在1s電網(wǎng)頻率f跌落時(shí)，虛擬同步頻率f慣性跟蹤電網(wǎng)頻率f;暫態(tài)正頻率差的累積使功角σ增加，定子有功功率P，增加。電網(wǎng)頻率f對工頻的偏差產(chǎn)生調(diào)頻有功指令，在虛擬同步頻率f與電網(wǎng)頻率f恢復(fù)同步后，功角σ大于額定值并輸出暫態(tài)超額有功功率以支撐電網(wǎng)頻率。風(fēng)輪角動(dòng)能為調(diào)頻提供功率儲(chǔ)備，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速r。隨調(diào)頻出力降低。在當(dāng)前擾動(dòng)下，定子功率P，峰值為-3.5 MW，雙饋機(jī)組功率P峰值為-4.3 MW，均為額定值的1.25倍。3、5和7s時(shí)動(dòng)態(tài)變化機(jī)理于此相同。

對比快速勵(lì)磁控制策略下各p？波形和非此策略的各p？波形可知：快速勵(lì)磁控制策略下，無功功率擾動(dòng)由0.33 Mvar降至0 Mvar;有功功率響應(yīng)時(shí)間由0.5 s降至0.1 s;功角波動(dòng)由8.5°降至4°?？焖賱?lì)磁控制策略下，激磁電勢E快速響應(yīng)功角σ變化，維持定子無功功率Q，保持穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)無功功率對功角的解耦。正切功角特性比傳統(tǒng)正弦功角特性有更快的有功響應(yīng)速度，因此定子有功功率P?？筛焖夙憫?yīng)電網(wǎng)頻率擾動(dòng)；同時(shí)，功角暫態(tài)變化量更小，有利于雙饋虛擬同步機(jī)系統(tǒng)功角穩(wěn)定。

電網(wǎng)/同步頻率波形f，If.中A區(qū)域的細(xì)節(jié)如圖9所示。在電網(wǎng)頻率跌落后，經(jīng)過0.1s虛擬同步頻率f追蹤到電網(wǎng)頻率f，該時(shí)間與虛擬慣量、虛擬阻尼和無功控制PI參數(shù)有關(guān)。

4.3電網(wǎng)電壓擾動(dòng)工況下雙饋虛擬同步機(jī)運(yùn)行特性

設(shè)定雙饋風(fēng)電系統(tǒng)初始為額定狀態(tài)，采用快速勵(lì)磁控制策略和功角補(bǔ)償策略。在1s時(shí)，電網(wǎng)電壓U，驟升至1 kV，并于3s時(shí)恢復(fù)；在5s時(shí)U.跌落至900 V，并于7s時(shí)恢復(fù)。雙饋風(fēng)電系統(tǒng)各變量變化如圖10所示。為進(jìn)一步驗(yàn)證功角補(bǔ)償策略的有效性，在功角σ、激磁電勢E、定子有功功率P和定子無功功率Q，的波形中設(shè)置對照，其中波形c對應(yīng)啟用該策略，波形c。對應(yīng)停用該策略。

由圖可知，在1s電網(wǎng)電壓驟升時(shí)，無功參考值Q*隨無功調(diào)壓指令升至0.8 Mvar。此時(shí)功角補(bǔ)償策略中間量頻率補(bǔ)償值△w，出現(xiàn)沖擊性變化，經(jīng)過運(yùn)算得功角補(bǔ)償量△σ。功角補(bǔ)償使得功角σ和激磁電勢E迅速達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)。暫態(tài)過程中，定子有功功率P，、網(wǎng)側(cè)變換器有功功率P保持穩(wěn)定；利用自身過載能力，定子吸收無功功率0.8 Mvar以支撐電網(wǎng)電壓。3、5和7s時(shí)動(dòng)態(tài)變化機(jī)理與此相同。

對比啟用功角補(bǔ)償策略下各c。波形和停用此策略的各c。波形可知：功角補(bǔ)償策略下，有功功率擾動(dòng)由1.4 MW降至0 MW。依據(jù)無功參考值與功角的小信號模型關(guān)系所設(shè)計(jì)的功角補(bǔ)償策略可對運(yùn)動(dòng)方程下的慣性功角控制進(jìn)行補(bǔ)充，使功角快速達(dá)到穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)。進(jìn)而，避免激磁電勢的超調(diào)，并維持定子有功功率P、保持穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)有功功率對激磁電勢的解耦。功角補(bǔ)償可消除快速勵(lì)磁控制所造成的有功功率波動(dòng)，提升雙饋虛擬同步機(jī)在電網(wǎng)電壓擾動(dòng)下的運(yùn)行穩(wěn)定性。

5結(jié)論

本文以提升雙饋虛擬同步機(jī)控制策略在大功角運(yùn)行狀態(tài)下的功率解耦效果為目標(biāo)，提出快速勵(lì)磁控制和功角補(bǔ)償策略。通過理論分析及風(fēng)速擾動(dòng)、電網(wǎng)頻率擾動(dòng)和電網(wǎng)電壓擾動(dòng)3種工況下的仿真驗(yàn)證，證明了所提策略的有效性。

1）快速勵(lì)磁控制策略可在電網(wǎng)頻率擾動(dòng)時(shí)，通過快速調(diào)節(jié)激磁電勢以抵消功角改變所造成的無功功率波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)雙饋虛擬同步機(jī)無功功率對有功功率控制的解耦?？焖賱?lì)磁控制策略下，雙饋虛擬同步機(jī)功角特性為正切函數(shù)關(guān)系。相較傳統(tǒng)正弦函數(shù)關(guān)系的功角特性，該策略在大功角工況下有更強(qiáng)的有功調(diào)節(jié)能力，有功功率對功角改變的響應(yīng)速度更快，功角暫態(tài)擾動(dòng)更小。

2）功角補(bǔ)償策略可在無功擾動(dòng)時(shí)，通過功角補(bǔ)償通道調(diào)節(jié)功角以抵消激磁電勢改變所造成的有功功率波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)雙饋虛擬同步機(jī)策略下有功功率對無功控制的解耦。正常運(yùn)行時(shí)，功角補(bǔ)償不參與功角調(diào)節(jié)，不影響雙饋虛擬同步機(jī)慣性特性。

3）快速勵(lì)磁控制策略與功角補(bǔ)償策略協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)了雙饋虛擬同步機(jī)大功角運(yùn)行狀態(tài)下的功率解耦控制，提升了雙饋虛擬同步機(jī)在電網(wǎng)頻率、電壓擾動(dòng)工況下的運(yùn)行特性。

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RAPID EXCITATION CONTROLAND POWER ANGLE COMPENSATIONSTRATEGY FOR DOUBLE-FED VIRTUALSYNCHRONOUS GENERATOR

Hu Zhishuai1，Ren Yongfeng1，Meng Qingtian1，2，Han Junfei1，Chen Jian1，He Bin1

（1.College of Energy and Power Engineering，Inner Mongolia University of Technology，Hohhot 010051，China;

2.Inner Mongolia Electric Power Research Institute ，Hohhot 010020，China）

Abstract：Under the strategy of the doubly-fed virtual synchronous generator with the excitation voltage as the target control voltage，the power angle of the system is large，whichwillcause the power coupling problem.The rapid reactive power control strategy and powerangle compensation synergy are proposed to eliminate power coupling.The rapid excitation control strategy can eliminate the influence ofthe power angle disturbance on the reactive power，and the power angle compensation strategy can eliminate the influence of the excitingvoltage disturbance on the active power.On the basis of analyzing the mathematical model of the doubly-fed machine and designing theoverll control strategy of the doubly fed virtual synchronous generator，a small signal model including reactive power control link isconstructed.The rapid excitation control is designed by analyzing the influence of the reactive power PI contrller parameters on thepower angle stability.The angle compensation strategy is designed based on the analysis of the relationship between reactive powerdisturbance and power angle variation.The simulation is conducted under three different working conditions：wind speed disturbance，grid frequency disturbance and grid voltage disturbance.The results reveal that the proposed control strategy can effectively avoid theinteraction influence between active power control and reactive power control when the doubly-fed virtual synchronous generator isrunning under high power angle condition.

Keywords：windturbines;electric machine control;inductionmachine;virtual synchronous generator;powerdecoupling;smallsignal model