基于轉(zhuǎn)子暫態(tài)電流的雙饋風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子電壓動(dòng)態(tài)補(bǔ)償控制

DOI：10.3969/j.issn.10001565.2025.01.003

摘" 要：雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)（doubly-fed induction generator，DFIG）在電網(wǎng)發(fā)生對(duì)稱故障后，因其定子側(cè)直接與電網(wǎng)相連，且轉(zhuǎn)子電阻阻值通常較小，電網(wǎng)電壓對(duì)稱故障將導(dǎo)致DFIG轉(zhuǎn)子電流快速抬升，嚴(yán)重影響風(fēng)電機(jī)組的并網(wǎng)穩(wěn)定性.對(duì)于當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障后變流器無(wú)法直接快速準(zhǔn)確獲取暫態(tài)量來(lái)補(bǔ)償轉(zhuǎn)子電壓以達(dá)到抑制轉(zhuǎn)子過(guò)電流的問(wèn)題，提出了一種基于轉(zhuǎn)子暫態(tài)電流的轉(zhuǎn)子電壓動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方案，并分析了該補(bǔ)償方案對(duì)定子暫態(tài)磁鏈衰減的影響.首先對(duì)DFIG進(jìn)行故障電路分析，得到轉(zhuǎn)子繞組等效電路以及轉(zhuǎn)子電流在電網(wǎng)電壓對(duì)稱跌落時(shí)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，并基于轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的電流內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)得到在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子電流表達(dá)式.然后通過(guò)坐標(biāo)變換與轉(zhuǎn)子繞組等效電路參數(shù)，得到轉(zhuǎn)子暫態(tài)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，將其通過(guò)前饋控制補(bǔ)償轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的輸出電壓，以此削弱轉(zhuǎn)子過(guò)電流.仿真結(jié)果表明，基于轉(zhuǎn)子暫態(tài)電流的轉(zhuǎn)子電壓動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方案對(duì)轉(zhuǎn)子過(guò)電流抑制有良好效果，所提的控制方案提高了DFIG在故障狀態(tài)下的并網(wǎng)能力.

關(guān)鍵詞：雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)；電網(wǎng)電壓對(duì)稱跌落；轉(zhuǎn)子過(guò)電流；轉(zhuǎn)子電壓補(bǔ)償；定子磁鏈衰減

中圖分類號(hào)：TM315""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A""" 文章編號(hào)：10001565（2025）01002014

Dynamic compensation control of rotor voltage of doubly-fed wind turbine based on rotor transient current

BAI Wangwang1， ZHANG Zhongdan1， ZHANG Yaozhong1， ZHAO Weiyang1， FU Yuan2

1. Institute of Economic Technology， State Grid Gansu Electric Power Company， Lanzhou 730050， China; 2. Hebei Key Laboratory of Distributed Energy Storage and Micro-Grid， North China Electric Power University， Baoding 071003， China）

Abstract： Since the stator side of the doubly-fed induction generator （DFIG） is directly connected to the power grid and the rotor resistance value is usually small， the grid voltage symmetry fault leads to the rapid rise of DFIG rotor current， seriously affecting the grid-connected stability of wind turbines. Hence， this paper proposes a dynamic compensation scheme of rotor voltage based on the rotor transient current and analyzes the influence of the compensation scheme on the stator transient flux attenuation to address the problem that the converter cannot obtain the transient value directly and accurately compensate the rotor voltage for suppressing the rotor overcurrent when the power grid fails. The proposed method involves

收稿日期：20240531;修回日期：20241111

基金項(xiàng)目：

國(guó)網(wǎng)甘肅省電力科技項(xiàng)目（522730230006）

第一作者：白望望（1991—），男，國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院工程師，主要從事輸電網(wǎng)規(guī)劃技術(shù)及新能源消納方向研究.E-mail：1241509352@qq.com

通信作者：付媛（1982—），女，華北電力大學(xué)副教授，博士，主要從事新能源發(fā)電控制技術(shù)方面的研究.E-mail：1172766364@qq.com

analyzing the fault circuit of the DFIG to derive the equivalent circuit of rotor winding and study the dynamic process of rotor current when the grid voltage drops symmetrically. Subsequently， the rotor overcurrent expression in the synchronous rotating coordinate system is obtained based on the current inner loop adjustment of the rotor side converter. Then， the rotor transient electromotive force （EMF） is obtained using coordinate transformation and equivalent circuit parameters of the rotor winding. This EMF is used by feedforward control to compensate the output voltage of the rotor-side converter， aiming to weaken the rotor overcurrent. Simulation results demonstrate that the dynamic compensation scheme based on transient rotor current for rotor voltage effectively suppresses rotor overcurrent， and the proposed control scheme enhances the grid connection capability of DFIG during power grid fault conditions.

Key words： doubly-fed induction generator; grid voltage symmetrical drop; rotor overcurrent; rotor voltage compensation; stator flux attenuation

雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)（doubly-fed induction generator，DFIG）通過(guò)交流勵(lì)磁的方式實(shí)現(xiàn)變速恒頻運(yùn)行，達(dá)到有功和無(wú)功的解耦控制，是目前風(fēng)電并網(wǎng)中常用機(jī)型［1］，其定子側(cè)與交流電網(wǎng)直接相連，交流電網(wǎng)的電壓變化即定子側(cè)的電壓變化會(huì)直接影響到DFIG本身的定子磁鏈，因定轉(zhuǎn)子之間存在磁鏈耦合，暫態(tài)定子磁鏈將在轉(zhuǎn)子側(cè)產(chǎn)生極大的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，進(jìn)而產(chǎn)生極大的轉(zhuǎn)子暫態(tài)電流和功率波動(dòng)，導(dǎo)致故障期間脫網(wǎng)［2-4］，機(jī)組的大規(guī)模脫網(wǎng)會(huì)嚴(yán)重威脅電網(wǎng)電壓和頻率的穩(wěn)定，直接威脅到電網(wǎng)的安全運(yùn)行［5］.因此DFIG必須具有一定范圍的不脫網(wǎng)能力，除本身控制外，還需要附加額外的控制實(shí)現(xiàn)DFIG低電壓穿越（low voltage ride through，LVRT）.

對(duì)于LVRT主要分為硬件和軟件2種控制方法.文獻(xiàn)［6］提出了一種轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸上外掛飛輪和電壓補(bǔ)償組合的方法來(lái)應(yīng)對(duì)電壓跌落.文獻(xiàn)［7］在雙饋風(fēng)機(jī)變流器直流母線處并聯(lián)超級(jí)電容器和蓄電池組合模塊，在電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，混合儲(chǔ)能模塊吸收直流母線上多余的能量，能夠維持直流母線電壓穩(wěn)定.文獻(xiàn)［8］針對(duì)傳統(tǒng)虛擬阻抗法基于固定的虛擬阻抗值不能靈活調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，提出了一種基于顯式模型預(yù)測(cè)控制的改進(jìn)虛擬阻抗控制方法來(lái)提高雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的低電壓穿越能力.文獻(xiàn)［9］綜合考慮了電壓與頻率變化量2個(gè)指標(biāo)，通過(guò)比較二者大小切換控制策略以實(shí)現(xiàn)低電壓故障穿越自適應(yīng)控制.文獻(xiàn)［10］提出了一種基于模型預(yù)測(cè)控制的暫態(tài)磁鏈及無(wú)功補(bǔ)償控制策略，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，通過(guò)向轉(zhuǎn)子側(cè)換流器（rotor side converter，RSC）注入轉(zhuǎn)子暫態(tài)補(bǔ)償電流和定子磁鏈前饋補(bǔ)償，來(lái)降低轉(zhuǎn)子沖擊電壓和回路電流.文獻(xiàn)［11］在轉(zhuǎn)子側(cè)加入撬棒電路，在換流器直流母線側(cè)并入了蓄電池，當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落后，2個(gè)拓?fù)鋮f(xié)同控制，提高了風(fēng)電機(jī)組電壓穿越能力.文獻(xiàn)［12］在傳統(tǒng)矢量控制的基礎(chǔ)上，基于并網(wǎng)點(diǎn)短路容量、電壓跌落程度以及風(fēng)電機(jī)組的功率限制，提出了一種查表法來(lái)控制暫態(tài)電壓.

應(yīng)對(duì)低電壓穿越在工程上的實(shí)際應(yīng)用多采取額外的硬件措施，應(yīng)用較廣的有基于撬棒的保護(hù)裝置［13-15］、串聯(lián)網(wǎng)側(cè)變換器［16-17］、直流側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)［18-20］等，上述3類措施都有成本高、系統(tǒng)復(fù)雜度大、適配參數(shù)困難等缺點(diǎn)，與DFIG的靈活性不相符，因此通過(guò)附加控制措施提高故障穿越范圍是當(dāng)前研究的熱點(diǎn).

許多研究對(duì)DFIG在電網(wǎng)電壓對(duì)稱跌落后的轉(zhuǎn)子電流和磁鏈的暫態(tài)特性進(jìn)行了分析.文獻(xiàn)［21］分析了DFIG在電網(wǎng)電壓對(duì)稱故障下的瞬態(tài)特性，給出了精確的轉(zhuǎn)子電流解析式.文獻(xiàn)［22］建立了不同程度電壓跌落時(shí)的DFIG故障后電磁暫態(tài)等值模型.

電網(wǎng)電壓跌落時(shí)DFIG的軟件控制措施有2大類：一種為對(duì)定子磁鏈進(jìn)行滅磁以加速定子磁鏈衰減，使系統(tǒng)更快達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài).文獻(xiàn)［23］提出了一種基于虛擬電感暫態(tài)自滅磁算法的低電壓穿越控制策略，通過(guò)在轉(zhuǎn)子暫態(tài)等效回路施加虛擬電感來(lái)加速暫態(tài)磁鏈衰減速度.文獻(xiàn)［24］提出了一種加速定子直流磁鏈衰減的去磁控制策略，通過(guò)在轉(zhuǎn)子電路中直接加入成比例的反向定子電流達(dá)到滅磁效果.文獻(xiàn)［25］提出了磁鏈衰減的改進(jìn)控制策略，通過(guò)磁鏈觀測(cè)裝置得到暫態(tài)電流分量，再進(jìn)行比例縮放得到新的轉(zhuǎn)子電流參考值.文獻(xiàn)［23-25］本質(zhì)都是在系統(tǒng)中注入與轉(zhuǎn)子暫態(tài)電流反向的電流來(lái)加速磁鏈衰減，但提高了故障期間對(duì)內(nèi)環(huán)電流控制帶寬要求，同時(shí)暫態(tài)過(guò)程中還會(huì)加大轉(zhuǎn)子電流的沖擊值，若轉(zhuǎn)子電流過(guò)大會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)，此類控制對(duì)于嚴(yán)重故障不適用.文獻(xiàn)［26-27］提出了針對(duì)DFIG的電壓源型虛擬同步控制策略，取消了鎖相環(huán)節(jié)，避免了DFIG在暫態(tài)過(guò)程中因鎖相不準(zhǔn)而導(dǎo)致系統(tǒng)不可控的問(wèn)題，但其控制中對(duì)DFIG的電磁暫態(tài)過(guò)程參數(shù)變化無(wú)法做出響應(yīng).文獻(xiàn)［28］通過(guò)控制RSC和槳距角改變風(fēng)機(jī)向電網(wǎng)輸送的有功、無(wú)功功率從而提高DFIG暫態(tài)穩(wěn)定性，但存在控制效果不足以及暫態(tài)過(guò)程延長(zhǎng)等缺點(diǎn).另一種方法是對(duì)RSC進(jìn)行控制，通過(guò)增加RSC輸出的轉(zhuǎn)子電壓達(dá)到降低轉(zhuǎn)子電流的目的，從而改善DFIG的故障穿越性能.文獻(xiàn)［29］提出了改進(jìn)的基于轉(zhuǎn)子參考電壓的RSC控制方案，通過(guò)在轉(zhuǎn)子參考電壓中加入附加電壓項(xiàng)，緩解暫態(tài)轉(zhuǎn)子過(guò)流和直流母線電壓的變化，從而改善DFIG控制系統(tǒng)的暫態(tài)特性，提高其低電壓穿越能力.文獻(xiàn)［30］通過(guò)轉(zhuǎn)子電流自由分量調(diào)節(jié)器在轉(zhuǎn)子d-q軸電壓參考值上施加暫態(tài)分量，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子暫態(tài)電流，但其引入了2個(gè)比例積分（proportiona integral，PI）環(huán)節(jié)，存在整定困難、系統(tǒng)穩(wěn)定性降低等問(wèn)題.文獻(xiàn)［31］通過(guò)磁鏈計(jì)算得到補(bǔ)償感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，控制轉(zhuǎn)子暫態(tài)電流，但其中涉及到復(fù)雜的磁鏈觀測(cè)和分離技術(shù)，存在物理實(shí)現(xiàn)繁瑣、適應(yīng)性差等問(wèn)題.文獻(xiàn)［32］通過(guò)對(duì)定子暫態(tài)電流進(jìn)行微分，然后乘以合適系數(shù)得到補(bǔ)償感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，但其求導(dǎo)環(huán)節(jié)會(huì)引入多余的噪聲，不利于系統(tǒng)過(guò)渡.

為解決電網(wǎng)電壓對(duì)稱跌落時(shí)DFIG轉(zhuǎn)子過(guò)電流問(wèn)題，本文在分析同步坐標(biāo)系下DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合DFIG中RSC鎖相環(huán)矢量控制，通過(guò)轉(zhuǎn)子等效回路參數(shù)得到轉(zhuǎn)子暫態(tài)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)補(bǔ)償RSC的輸出電壓，此控制無(wú)須額外的磁鏈觀測(cè)裝置，并分析該補(bǔ)償方案對(duì)定子暫態(tài)磁鏈衰減時(shí)間的影響，最后通過(guò)搭建仿真驗(yàn)證控制策略的有效性.

1" 故障前后DFIG電磁特性分析

1.1" 故障前DFIG電磁特性

將DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)參數(shù)歸算到定子側(cè)，且采用電動(dòng)機(jī)慣例，其數(shù)學(xué)模型矢量復(fù)數(shù)形式為［21］

uas=Rsias+dψasdt+jωeψas，

uar=Rriar+dψardt+jωslipψar，

ψas=Lsias+Lmiar，

ψar=Lriar+Lmias，（1）

其中：uas、uar分別表示定子、轉(zhuǎn)子電壓；ψas、ψar分別表示定子、轉(zhuǎn)子磁鏈；ias、iar分別表示定子、轉(zhuǎn)子電流；Rs、Ls分別表示定子電阻與電感；Rr、Lr分別表示轉(zhuǎn)子電阻與電感；滑差角速度ωslip=ωe-ωr；ωe、ωr分別表示同步轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；Lm表示定子和轉(zhuǎn)子之間的互感.

整理式（1）可得轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子電壓方程

urr=LmLsdψrsdt+（Rr+σLrddt）irr=err+（Rr+σLrddt）irr，（2）

其中：漏磁系數(shù)σ=1-L2m/（LsLr）；err、urr、irr分別為轉(zhuǎn)子開路電壓、轉(zhuǎn)子端口電壓和轉(zhuǎn)子電流.由式（2）可得在轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系下的DFIG轉(zhuǎn)子繞組等效回路，如圖1所示.

1.2" 故障后DFIG電磁特性

電壓跌落是因?yàn)殡娋W(wǎng)意外事故或故障而導(dǎo)致的電網(wǎng)電壓突然下降.設(shè)在tgt;0+時(shí)刻發(fā)生電壓對(duì)稱跌落，假設(shè)跌落在瞬間完成，且電網(wǎng)電壓相位角不發(fā)生突變.電網(wǎng)電壓表達(dá)式為

us=Us，t≤0-，

（1-D）Us，t＞0+.（3）

其中：Us為電網(wǎng)電壓幅值；D為電壓跌落深度.

當(dāng)雙饋感應(yīng)電機(jī)定子側(cè)發(fā)生電壓跌落時(shí)，定子磁鏈表達(dá)式為

ψss=ψssf+ψssn=（1-D）Usjωeejωet+ψn0e-t/τs.（4）

由于磁鏈不能突變，因此定子磁鏈由穩(wěn)態(tài)分量（ψsn）和暫態(tài)分量（ψsf）組成，ψn0為定子磁鏈暫態(tài)分量初始值.定子磁鏈的2個(gè)分量都會(huì)在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，表達(dá)式為

err=errf+erm=LmLsUs（s（1-D）ejωslipt-（1-s）De-t/τse-jωmt，（5）

其中：errf由故障后電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)電壓產(chǎn)生的，其幅值很小，與轉(zhuǎn)差率成正比.erm是定子磁鏈暫態(tài)分量引起的暫態(tài)電壓，其幅值與電壓跌落深度成正比，其頻率則是轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速ωm，衰減時(shí)間常數(shù)τs=Ls/Rs.

根據(jù)式（2）、（5）可得故障后轉(zhuǎn)子等效電路如圖2所示.

轉(zhuǎn)子電流動(dòng)態(tài)方程可進(jìn)一步表示為

σLrdirrdt=-Rrirr-errf-erm+urr，（6）

該方程的解為

irr=i′r+i″r=irrf+rrm+irru+i″r，（7）

其中：i′r為交流分量；i″r為直流分量；交流分量由rrrf、rrm、rrru 3個(gè)分量組成，可考慮為分別由3個(gè)獨(dú)立的電源errf、erm、urr產(chǎn)生.

將方程的解中頻率相同的分量合并，整理得

irr=irrf1+irrf2+i″r，（8）

其中：irrf1是轉(zhuǎn)子電壓與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的周期分量共同決定的頻率，為sωe的交流穩(wěn)態(tài)分量；irrf2是與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)暫態(tài)分量有關(guān)的頻率，為-ωr的交流分量，其成分很大，是造成故障后轉(zhuǎn)子過(guò)電流的主要原因；i″r是電網(wǎng)電壓瞬時(shí)跌落發(fā)生后，轉(zhuǎn)子回路的電流因轉(zhuǎn)子電感的存在不能突變而產(chǎn)生的直流分量.

假設(shè)故障后RSC輸出的電壓為

urr=Urpejsωet，（9）

則轉(zhuǎn)子電流中的交流分量為

i′r=-errf+urrRr+jsωeσLr+

-ermRr-jωrσLre-t/τr=

Urp-kss（1-D）UsRr+jsωeσLrejsωet+

kss（1-s）DUsRr-jωrσLre-jωmte-t/τ，

（10）

其中：τ=τsτr/（τs+τr）.

轉(zhuǎn)子電流中的直流分量可通過(guò)式（11）求出，

i″r=（irr（0+）-i′r（0+））e-t/τr=

Ur-Urp-kssDUsRr+jsωeσLr-

ks（1-s）DUsRr-jωrσLre-t/τr，

（11）

其中：Ur是故障前RSC電壓幅值；ks=Lm/Ls.

上文對(duì)電網(wǎng)發(fā)生對(duì)稱故障后轉(zhuǎn)子回路電流的成分進(jìn)行了分析和計(jì)算，為了防止故障后轉(zhuǎn)子過(guò)電流，將式（8）中的irrf2提取出來(lái)，進(jìn)一步得到補(bǔ)償電壓對(duì)erm進(jìn)行補(bǔ)償.

2" 故障后DFIG電流內(nèi)環(huán)特性分析

轉(zhuǎn)子側(cè)電壓由轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制，本文DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)換流器采用基于定子電壓定向的矢量控制，控制框圖如圖3所示.Δurd、Δurq表達(dá)式如下：

Δurd=-ωslip-LmωeLsUs+σLrirq，

Δurd=ωslipσLrird.（12）

Psref由MPPT控制給出，無(wú)特殊情況要求DFIG發(fā)出無(wú)功時(shí)，Qsref設(shè)為0，即DFIG以單位功率因數(shù)運(yùn)行.irdref和irqref分別為d-q軸轉(zhuǎn)子電流參考值，urdref和urqref分別為d-q軸轉(zhuǎn)子電壓的參考值.由圖3的控制框圖可得

urdref=kpΔird+ki∫Δirddt-ωslipL*rirq+ωslipLmωeLsusd，

urqref=kpΔirq+ki∫Δirqdt+ωslipL*rird， （13）

其中：kp為比例系數(shù)；ki為積分時(shí)間常數(shù)；Δird=irdref-ird；Δirq=irqref-irq；L*r=σLr.

將式（13）與式（2）聯(lián)立可得

L*rd2irddt+（Rr+kp）dirddt+kiird=kiirdref+τsernd，

L*rd2irqdt+（Rr+kp）dirqdt+kiirq=kiirqref+τsernq.（14）

式（14）是電網(wǎng)對(duì)稱跌落時(shí)轉(zhuǎn)子二階動(dòng)態(tài)電路方程，求解該微分方程可得轉(zhuǎn)子回路中電流構(gòu)成，如式（15）所示.

ird=i*rdf1+i*rdf2+i*rdn，

irq=i*rqf1+i*rqf2+i*rqn，（15）

其中：i*rdf1和i*rqf1為轉(zhuǎn)子電流對(duì)kiirdref和kiirqef的強(qiáng)制響應(yīng)，其值大小為idref和iqref，即轉(zhuǎn)子電流參考值；i*rdf2和i*rqf2與以時(shí)間常數(shù)τs衰減的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)暫態(tài)分量有關(guān)，是以時(shí)間常數(shù)τ衰減的頻率為-ωe的交流分量；i*rdn和i*rqn為轉(zhuǎn)子電流的自然響應(yīng)，與故障前后瞬間的電流有關(guān)，是以時(shí)間常數(shù)τr衰減的直流電流分量.

由式（8）、（11）、（15）得

i*rdf2=ird-irdref-i″rd，

i*rqf2=irq-irqref-i″rq.

（16）

通過(guò)式（16）可分離出暫態(tài)電流分量i*rdf2和i*rqf2，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子電壓動(dòng)態(tài)補(bǔ)償.

3" 轉(zhuǎn)子電壓動(dòng)態(tài)補(bǔ)償控制策略

3.1" 前饋補(bǔ)償機(jī)理

DFIG風(fēng)電機(jī)組中的RSC采用同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的雙PI閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制器在系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化之后動(dòng)作.對(duì)于DFIG風(fēng)電機(jī)組的RSC閉環(huán)控制，當(dāng)發(fā)生電網(wǎng)電壓跌落后的瞬間，轉(zhuǎn)子回路已經(jīng)產(chǎn)生了極大的轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，由于DFIG各部分之間控制系統(tǒng)復(fù)雜，進(jìn)一步加大了延遲，致使閉環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)中的PI調(diào)節(jié)器響應(yīng)滯后，無(wú)法對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行快速直接地調(diào)節(jié)，從而無(wú)法產(chǎn)生足夠的轉(zhuǎn)子電壓來(lái)抵消轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，進(jìn)而轉(zhuǎn)子電流急劇增大，功率波動(dòng)加大，最終導(dǎo)致DFIG失去并網(wǎng)能力.

與雙PI的閉環(huán)反饋控制不同，前饋控制的輸入量為擾動(dòng)量本身，系統(tǒng)發(fā)生擾動(dòng)后控制系統(tǒng)直接檢測(cè)到擾動(dòng)量的存在，通過(guò)前饋控制器對(duì)擾動(dòng)量進(jìn)行矢量變換，調(diào)整其大小和方向，由于沒(méi)有反饋控制器中的積分環(huán)節(jié)，系統(tǒng)響應(yīng)速度更快.

在雙PI的閉環(huán)反饋控制動(dòng)作前對(duì)被控量進(jìn)行補(bǔ)償，減小擾動(dòng)量對(duì)被控量的影響，若將轉(zhuǎn)子暫態(tài)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)作為前饋補(bǔ)償量進(jìn)行補(bǔ)償，則前饋系統(tǒng)控制框圖如圖4所示.

3.2" 轉(zhuǎn)子電壓動(dòng)態(tài)補(bǔ)償控制

通過(guò)3.1節(jié)分析可知前饋控制可以提高響應(yīng)速度，由此提出一種基于轉(zhuǎn)子暫態(tài)電流前饋控制的轉(zhuǎn)子電壓動(dòng)態(tài)補(bǔ)償控制策略.

在獲取暫態(tài)轉(zhuǎn)子電流的過(guò)程中，將轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系下的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)子電流與暫態(tài)轉(zhuǎn)子電流分離，將暫態(tài)轉(zhuǎn)子電流與轉(zhuǎn)子繞組回路結(jié)合后，得到轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子電壓補(bǔ)償值，如式（17）所示.

Δurm=（Rr-jωrσLr）CΔirm，（17）

其中：Δirm為轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子暫態(tài)電流；C是轉(zhuǎn)子電壓動(dòng)態(tài)補(bǔ)償控制的補(bǔ)償系數(shù).

引入轉(zhuǎn)子電壓動(dòng)態(tài)補(bǔ)償控制后，DFIG控制框圖如圖5所示，其中Δurd、Δurq分別為同步坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子電壓d-q軸的補(bǔ)償值.該控制通過(guò)提取同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子暫態(tài)電流，進(jìn)行坐標(biāo)變換，得到轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子暫態(tài)電流Δirm，再根據(jù)轉(zhuǎn)子電壓補(bǔ)償系數(shù)和轉(zhuǎn)子繞組等效回路參數(shù)，計(jì)算得到需要補(bǔ)償?shù)霓D(zhuǎn)子電壓

Δurm，最后通過(guò)派克變化得到轉(zhuǎn)子電壓d-q軸的補(bǔ)償值Δurd、Δurq，通過(guò)前饋控制將其附加到RSC輸出電壓參考值側(cè).轉(zhuǎn)子電壓動(dòng)態(tài)補(bǔ)償控制流程如圖6所示.當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生對(duì)稱跌落故障后，控制系統(tǒng)首先從故障電流中提取暫態(tài)電流分量i*rdf2和i*rqf2，然后通過(guò)坐標(biāo)變換得到轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子電流，再通過(guò)式（17）計(jì)算轉(zhuǎn)子電壓動(dòng)態(tài)補(bǔ)償值，最后通過(guò)坐標(biāo)變換得到同步坐標(biāo)系下的電壓補(bǔ)償值進(jìn)行控制.

3.3" 補(bǔ)償電壓對(duì)定子磁鏈衰減的影響

當(dāng)采用電動(dòng)機(jī)慣例，忽略機(jī)端電壓相位跳變，且電網(wǎng)電壓瞬間跌落到穩(wěn)態(tài)值，由式（1）可得

dψ=Aψ，I=L-1ψ.（18）

其中：系統(tǒng)矩陣A由A=-（RL-1+Ω）表示，其中輸出矩陣L-1和系統(tǒng)矩陣A分別為

L-1=1σLrLsLr0-Lm0

0Lr0-Lm

-Lm0Ls0

0-Lm0Ls，（19）

A=-RsLrσLrLsωsRsLmσLrLs0

-ωs-RsLrσLrLs0RsLmσLrLs

RsLmσLrLs0RrσLrωslip

0RsLmσLrLsωslipRrσLr

.（20）

故障發(fā)生后，僅考慮轉(zhuǎn)子電流中對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子暫態(tài)電流對(duì)定子暫態(tài)磁鏈的影響，忽略定子電阻情況下，

dψsndψsnq=-σsωe-ωe-σsψsndψsnq+σrs00σrsImdImq. （21）

當(dāng)只考慮暫態(tài)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)時(shí)，式（2）的頻域形式如下：

Ur=Em+RrIm-jXrIm，（22）

其中：Ur為轉(zhuǎn)子端電壓，Em是轉(zhuǎn)子開路電壓，Im是轉(zhuǎn)子電流，Xr是轉(zhuǎn)子回路電抗.

設(shè)轉(zhuǎn)子補(bǔ)償電壓urrn為

urrn=Cerm，（23）

其中：C為補(bǔ)償系數(shù)，當(dāng)C近似為1時(shí)，irnd、irnq約等于0，定子磁鏈暫態(tài)方程為

dψsndψsnq=-σsωe-ωe-σsψsndψsnq.

（24）

定子暫態(tài)磁鏈特征根為λ1，2=-σs±jωe，定子磁鏈衰減系數(shù)約為σs=Rs/Ls.

當(dāng)C＜1時(shí)，僅考慮暫態(tài)分量d-q坐標(biāo)系矢量圖（圖7a），Δurm=urm-erm=（C-1）erm.當(dāng)C＞1時(shí)d-q坐標(biāo)系矢量圖如圖7b所示.其中，irv為轉(zhuǎn)子暫態(tài)電流irn在磁鏈ψsn上的投影，irvd、irvq分別為irv在d-q軸上的投影.當(dāng)C≠1時(shí)，結(jié)合式（2）、（22）和（23）可得

|irv|=Xr（R2r+X2r）|irm|=（C-1）LmωrXrLs（R2r+X2r）|ψsn|， （25）

其中：令|ψsn|的系數(shù)為|K|；定子暫態(tài)磁鏈特征根為λ1，2=-（1-K）σs±jωe；定子磁鏈衰減系數(shù)約為σst=（1-K）Rs/Ls.當(dāng)C設(shè)置不當(dāng)使σstlt;0時(shí)，此時(shí)定子磁鏈不再衰減，反而以指數(shù)規(guī)律發(fā)散，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定.根據(jù)K的正負(fù)以及大小可以判定不同的補(bǔ)償方法對(duì)于定子磁鏈衰減時(shí)間的影響.由分析可知，此控制方法下定子磁鏈衰減時(shí)間會(huì)相應(yīng)延長(zhǎng).

a.Clt;1；b.Cgt;1

當(dāng)C＜1時(shí)，K＜0，irv與ψsn反向，σstgt;0，定子磁鏈加速衰減，系統(tǒng)穩(wěn)定，但轉(zhuǎn)子電流中仍有直流分量;當(dāng)C＞1時(shí)，Kgt;0，irv與ψsn同向，為了避免磁鏈發(fā)散，保證系統(tǒng)穩(wěn)定，必須滿足σstgt;0.

綜上所述，可得

0＜C＜1+Ls（R2r+X2r）LmωrXr，（26）

將C設(shè)置在此范圍內(nèi)，不僅能夠快速補(bǔ)償暫態(tài)電壓分量，抑制轉(zhuǎn)子過(guò)電流，而且還能維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性，進(jìn)一步提高雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)對(duì)電壓跌落故障的能力.

當(dāng)轉(zhuǎn)子漏感標(biāo)幺值取0.110 0，轉(zhuǎn)子電阻標(biāo)幺值取0.010 2，定子漏感標(biāo)幺值取0.102 0，定轉(zhuǎn)子互感標(biāo)幺值取3.362 0，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差率為-0.2，電網(wǎng)頻率為50 Hz時(shí)，0＜C＜1.088 00.

4" 仿真分析

為驗(yàn)證本文所提出的控制策略，搭建了圖8所示的風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)配置，風(fēng)電機(jī)組由100臺(tái)2 MW/690 V雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成.雙饋風(fēng)機(jī)定子直接與交流電網(wǎng)相連，轉(zhuǎn)子通過(guò)RSC、GSC與交流電網(wǎng)相連，仿真結(jié)果中風(fēng)機(jī)輸出功率以流向交流電網(wǎng)方向?yàn)檎?系統(tǒng)參數(shù)如表1所示.基準(zhǔn)電壓為690 V，基準(zhǔn)功率為200 MW.對(duì)傳統(tǒng)矢量控制和附加控制進(jìn)行對(duì)比分析.

4.1" 電網(wǎng)輕度故障

設(shè)置t=4 s時(shí)發(fā)生故障，電網(wǎng)跌落至0.7 p.u.故障持續(xù)時(shí)間為0.625 s，有功功率輸出標(biāo)幺值為1 p.u.，DFIG可根據(jù)系統(tǒng)要求提供一定的無(wú)功功率支撐，采用矢量控制方法與基于轉(zhuǎn)子暫態(tài)電流的暫態(tài)電壓動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方法如圖9所示.在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下，C設(shè)為1.

由于跌落程度較低，轉(zhuǎn)子側(cè)換流器基本可以完成對(duì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的補(bǔ)償，考慮鎖相環(huán)在故障穿越過(guò)程中的誤差與轉(zhuǎn)子電壓PWM波調(diào)制過(guò)程中的延遲，轉(zhuǎn)子電流會(huì)存在較小的波動(dòng)，在傳統(tǒng)矢量控制下的風(fēng)電機(jī)組故障穿越過(guò)程中，轉(zhuǎn)子電流峰值為1.3 p.u.，轉(zhuǎn)子電流在基于轉(zhuǎn)子暫態(tài)電流的暫態(tài)電壓動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方法控制下峰值由1.3 p.u.減小為0.76 p.u.，有功功率波動(dòng)值從-0.24～0.97 p.u.變?yōu)?.12～0.88 p.u.，無(wú)功功率波動(dòng)值從-0.68～0.48 p.u.變?yōu)?0.42～0.12 p.u.，波動(dòng)程度分別減小17%與53%，在轉(zhuǎn)子電壓動(dòng)態(tài)補(bǔ)償控制下有效降低了功率波動(dòng)以及轉(zhuǎn)子電流抬升，同時(shí)相比傳統(tǒng)矢量控制定子磁鏈衰減時(shí)間由0.2 s變?yōu)?.3 s，延長(zhǎng)了0.1 s.

4.2" 電網(wǎng)重度故障

設(shè)置t=4 s時(shí)發(fā)生故障，電網(wǎng)跌落至0.2 p.u.，故障持續(xù)0.625 s，雙饋風(fēng)機(jī)采取適當(dāng)?shù)慕倒β蔬\(yùn)行，采用矢量控制方法與基于轉(zhuǎn)子暫態(tài)電流的暫態(tài)電壓動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方法如圖10所示.

轉(zhuǎn)子側(cè)換流器輸出的轉(zhuǎn)子電壓受其容量的限制，有一定的限制，導(dǎo)致無(wú)法對(duì)轉(zhuǎn)子暫態(tài)電流完全補(bǔ)償，轉(zhuǎn)子電壓在整個(gè)故障過(guò)程中處于1 p.u.內(nèi)，基于轉(zhuǎn)子暫態(tài)電流的暫態(tài)電壓補(bǔ)償方法可以將轉(zhuǎn)子電流限制在2 p.u.以內(nèi)，圖10發(fā)現(xiàn)，在傳統(tǒng)矢量控制下的風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越過(guò)程中，轉(zhuǎn)子電流最大達(dá)到2.66 p.u.，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了轉(zhuǎn)子電流的安全閾值，且風(fēng)機(jī)輸出功率波動(dòng)很大，不利于系統(tǒng)的恢復(fù)與安全運(yùn)行，轉(zhuǎn)子電流在基于轉(zhuǎn)子暫態(tài)電流的暫態(tài)電壓補(bǔ)償方法控制下有功功率波動(dòng)值從-0.45～1.03 p.u.變?yōu)?0.35～0.84 p.u.，無(wú)功功率波動(dòng)值從-0.43～0.87 p.u.變?yōu)榱?-0.38～0.55 p.u.，分別減小20%與40%，轉(zhuǎn)子電流被限制在安全閾值2以內(nèi)，轉(zhuǎn)子電流峰值減小了約1 p.u.，風(fēng)電機(jī)組輸出有功、無(wú)功功率波動(dòng)也有效地減小，有利于提高電網(wǎng)電壓對(duì)稱跌落過(guò)程中風(fēng)電并網(wǎng)穩(wěn)定性以及系統(tǒng)的恢復(fù)與安全運(yùn)行.

4.3" 撬棒保護(hù)電路控制

為了驗(yàn)證本文所提控制策略的優(yōu)越性，與工程上常用的撬棒電路控制對(duì)比，撬棒電路與轉(zhuǎn)子換流器并聯(lián)，撬棒保護(hù)電路中電阻設(shè)置為0.02 p.u.，電網(wǎng)電壓故障發(fā)生期間，轉(zhuǎn)子側(cè)換流器閉鎖，撬棒電路投入運(yùn)行，設(shè)置t=4 s時(shí)發(fā)生故障，電網(wǎng)電壓跌落至0.2 p.u.，故障持續(xù)0.625 s，采用基于轉(zhuǎn)子暫態(tài)電流的暫態(tài)電壓動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方法與撬棒電路保護(hù)的方法如圖11所示.

在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下，C設(shè)為1.結(jié)合圖10、圖11可知采用撬棒保護(hù)電路控制也可以減小故障期間轉(zhuǎn)子電流.傳統(tǒng)矢量控制下，故障期間轉(zhuǎn)子電流峰值可達(dá)2.66 p.u.，在基于轉(zhuǎn)子暫態(tài)電流的暫態(tài)電壓動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方法控制下，故障期間轉(zhuǎn)子電流峰值為1.58 p.u.，相比傳統(tǒng)矢量控制，故障電流峰值下降了1.08 p.u.，而在撬棒保護(hù)電路控制方法下，故障電流峰值為1.84 p.u.，相比于傳統(tǒng)矢量控制策略，故障電流峰值下降了0.82 p.u.，雖也能減小轉(zhuǎn)子電流，但效果不如本文所提控制策略抑制轉(zhuǎn)子電流的效果好.撬棒保護(hù)電路的缺點(diǎn)為阻值大小嚴(yán)重影響撬棒電路的有效性以及在電網(wǎng)電壓大幅跌落時(shí)，雙饋電機(jī)撬棒保護(hù)電路中電阻的取值范圍和投切時(shí)機(jī)的整定較為復(fù)雜.相比硬件控制，軟件控制方法成本低，反應(yīng)時(shí)間快，控制更加靈活.

4.4" 三相短路故障

設(shè)置t=4 s時(shí)，并網(wǎng)點(diǎn)電壓發(fā)生三相短路故障，故障持續(xù)0.1 s，雙饋風(fēng)機(jī)采取適當(dāng)?shù)慕倒β蔬\(yùn)行，采用傳統(tǒng)矢量控制方法與基于轉(zhuǎn)子暫態(tài)電流的暫態(tài)電壓動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方法如圖12所示.

當(dāng)C設(shè)為1時(shí)，由圖12可知，在傳統(tǒng)矢量控制下的風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越過(guò)程中，轉(zhuǎn)子電流峰值最大達(dá)到3.15 p.u.，且風(fēng)機(jī)輸出功率波動(dòng)很大，不利于系統(tǒng)的恢復(fù)與安全運(yùn)行.相較于傳統(tǒng)矢量控制，在基于轉(zhuǎn)子暫態(tài)電流的暫態(tài)電壓補(bǔ)償方法下，暫態(tài)過(guò)程中轉(zhuǎn)子電流最大為2.14 p.u.，降低了1.01 p.u.，無(wú)功功率波動(dòng)稍有增大，有功功率波動(dòng)值從-0.42～0.91 p.u.變?yōu)榱?0.3～0.88 p.u.，減小了11%.在故障切除后，可以看出傳統(tǒng)矢量控制的恢復(fù)速度較慢，電磁物理量振蕩嚴(yán)重，本文所提控制策略下，恢復(fù)速度較快且振蕩現(xiàn)象不明顯，有利于提高電網(wǎng)電壓對(duì)稱跌落過(guò)程中風(fēng)電并網(wǎng)穩(wěn)定性以及系統(tǒng)的恢復(fù)，保障系統(tǒng)安全運(yùn)行.

5" 結(jié)論

建立了雙饋風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系和d-q坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上分析了雙饋風(fēng)電機(jī)組的故障電流特性，并提出了電壓補(bǔ)償控制策略，結(jié)論如下：

1）提出了雙饋風(fēng)電機(jī)組故障下的轉(zhuǎn)子電流暫態(tài)分量的提取方法.分析了雙饋風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子故障電流特性，并在換流器交流側(cè)電壓無(wú)差地跟蹤參考值的前提下，提取出了轉(zhuǎn)子電流暫態(tài)分量，為電壓補(bǔ)償方案奠定了基礎(chǔ).

2）提出了一種雙饋風(fēng)電機(jī)組基于轉(zhuǎn)子暫態(tài)電流的轉(zhuǎn)子電壓動(dòng)態(tài)補(bǔ)償控制方案.根據(jù)提取到的故障下的轉(zhuǎn)子暫態(tài)電流計(jì)算出轉(zhuǎn)子暫態(tài)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，再通過(guò)前饋控制，修正轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的輸出電壓，進(jìn)而削弱故障下的轉(zhuǎn)子過(guò)電流.

3）得到了所提轉(zhuǎn)子電壓動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方案對(duì)定子暫態(tài)磁鏈衰減的影響結(jié)果.通過(guò)設(shè)定不同的補(bǔ)償系數(shù)發(fā)現(xiàn)，系數(shù)增大，轉(zhuǎn)子電壓補(bǔ)償過(guò)量，定子暫態(tài)磁鏈發(fā)散.據(jù)此限定補(bǔ)償系數(shù)的參數(shù)選取范圍，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行.

參nbsp; 考" 文" 獻(xiàn)：

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（責(zé)任編輯：王蘭英）