摘要：目前，采用双馈异步发电机（DFIG）的风电机组由于具有有功无功独立调节、变流器容量小、成本较低等优势，在风电场中得到了广泛的应用。但由于DFIG 定子直接与电网相连，当电网电压出现跌落、不平衡、畸变时，造成DFIG出现输出功率波动、电流谐波、转矩波动等现象，不仅严重恶化并网点电能质量，而且危害机组的运行安全与可靠性。
关键词：电网电压不平衡；双馈异步发电机；直接谐振控制
研究文献表明，转矩波动引起的传动系统故障是引起DFIG 风电机组故障的主要原因之一，风电机组机械传动系统故障占所有故障的11.63%。因此，研究不平衡电网下DFIG 转矩波动的抑制技术，对于提高风电机组运行可靠性和寿命具有重要的意义。目前，在电网电压不平衡时DFIG 转矩波动抑制的控制技术研究中，一般采用对称分量法分离正、负序电压和电流分量，分别对其进行控制以实现DFIG 转矩的稳定输出。由于该控制策略需采用滤波器对电压、电流进行正负序分离，不仅会引入控制时延和误差，也会影响系统的稳态控制精度和动态响应特性。
一、概述
许多风电机组被安装在比较偏远的地区，这些地区往往处于电网的末梢，距离骨干电网较远，而且周边的用电设备情况复杂，在风电场接入点经常会发生三相电压不平衡的情况。相对于其他类型的风力发电机组，双馈异步风力发电机组因其技术成熟、性价比高等优点，已成为当前风力发电市场兆瓦级变速恒频风电机组的主流机型。传统的双馈发电系统矢量控制策略都假定电压和电流的波形是正弦而且三相对称的，这一假设虽然简化了控制策略的设计，但当电网出现三相不对称时，即使很小的不平衡电压都可能引起双馈发电机电磁转矩和变流器直流母线电压的剧烈脉动，从而危及主传动齿轮箱和直流母线电容等设备的寿命，为此需要研究合适的控制策略来抑制电网电压不平衡对双馈发电系统的影响。国内外学者对于双馈发电机和网侧变流器在不平衡电压下的运行控制做了大量的研究。提出了一种扩展矢量控制策略，在双旋转坐标系下对双馈发电机转子电流的正、负序分量分别进行控制，取得了较好的控制效果，同样的方法也用于不平衡电压下网侧变流器的控制。该方法矢量控制算法组成，需要设计高性能的滤波器来检测电压、电流中的负序分量，系统复杂，不适于实际应用。另外一种控制策略采用前馈补偿的方式，将观测出的有功和无功脉动的补偿值与转子电流正序分量调节器的输出叠加，从而得到所需要的转子电压指令。该方法结构简单，但是控制效果取决于前馈量观测环节的误差，而且由于反馈中的有用信号幅值较小，其扰动抑制控制器需要精心设计。
二、电网电压不平衡下双馈异步发电机的直接谐振控制
1.谐波电网下传统控制技术。谐波电网下DFIG 的传统控制技术需要将电网电压中的基频、谐波分量进行分解提取，进而通过对转子电流基频及谐波分量的有效调节，达到预定的谐波控制目标。然而，在传统控制技术中，存在以下两点必不可少的计算步骤。采取的矢量控制中由于控制器所调节的对象为转子电流，因此为实现不同的谐波控制目标，需首先对电网电压谐波分量进行提取。输入信号为电网电压在两相静坐标系下的分量，经由坐标旋转、陷波器及低通然而，谐波分量提取环节在实际中有如下缺陷：坐标旋转依赖于准确电网电压锁相环的输出信号，因此在实际运行中易受电网谐波、负序、相位突变等影响。谐波器运算复杂，且其输出包含高频干扰信号，从而降低了谐波分量的检测精度。低通滤波器的引入在滤除高频干扰信号的同时还将对谐波分量造成一定的幅值衰减及相位延迟，难以实现谐波分量的快速准确检测。根据不同控制目标的转子电流参考值计算，与电网电压中的谐波分量，电机参数等等有关，且计算过程复杂耗时，不利于快速准确控制。此外，值得注意的是，转子电流参考值计算与电机参数有关，若在运行过程中受到诸如温度、磁场、绝缘等条件的影响而发生电机参数偏移时，则相应的转子电流参考值计算中将会引入不可避免的误差，从而降低谐波控制目标达成的精度，不利于DFIG 在谐波电网下的稳定可靠运行。为避免谐波分量提取环节所引入的控制误差，以及转子电流参考值计算所引入的参考值误差及计算延时，消除不利于谐波电网下DFIG 系统快速稳定运行的因素，改进的DFIG 谐波控制策略，在传统矢量控制策略中转子电流PI 闭环控制的基础上，加入了针对定子电流或者定子功率的矢量谐振调节环节，以达到谐波电压下DFIG 定子电流正弦或输出功率无波动的控制目标。为满足最大风能追踪要求，得到转子电流在基波旋转坐标下的指令信号直流量，通过对实际三相转子电流采样并变换至基波同步速坐标系下，使用PI 控制器以确保DFIG在正常电网条件下的稳定可靠运行和最大风能追量为实际转子电流在同步坐标系下分量，该分量包含转子电流基频分量及谐波分量，其在同步旋转坐标系中表现为300Hz 分量。由于PI调节器在300Hz 频率点处缺乏足够大的增益，导致PI 控制器难以实现300Hz 交流分量误差信号的控制，因此所提控制策略无需对转子电流进行基频或者谐波分量的提取，而仅针对其中的基频直流分量进行调节，有利于DFIG 平均输出有功、无功功率的快速调节。控 制策略通过集成定子电流与定子功率的闭环控制，并使用矢量谐振控制器以达到消除定子电流谐波分量或者定子功率波动分量的谐波控制目标。集成的矢量谐振闭环控制器反馈值为实际采样定子电流实际定子有功、无功功率。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆由于控制目标为消除定子电流中的谐波分量（在同步速旋转坐标系下表现为300Hz 交流分量），或消除定子功率中的300Hz 波动量，因此闭环控制器考虑到矢量谐振控制器的输入误差信号中均包含直流误差分量及300Hz 交流误差分量，由于矢量谐振控制器仅对300Hz 交流分量有调节能力，而对直流分量不具有调节能力，因此定子电流或者定子功率误差信号中的直流分量不会对300Hz 分量的调节造成影响。这一特性使得所提控制策略不需要对定子电流或者定子功率中的300Hz 交流分量进行提取，从而有利于谐波控制目标的快速实现。相比于传统控制策略，本文所提出的集成控制策略有以下优势：（1）无需转子电流参考值计算，节省计算时间，有利于控制系统的快速响应。（2）无需电网电压基频及谐波分量提取，大量的坐标旋转，陷波器及低通滤波器都可被移除，软件算法复杂程度得以降低。（3）由于直接对定子电流或者定子功率进行谐振调节，系统鲁棒性强，对电机参数偏移和电网谐波状态变化不敏感。以调节定子电流谐波或者定子功率中波动分量，确保谐波电网条件下的DFIG 谐波控制目标的准确实现。
2.矢量谐振控制器及稳定性分析。针对谐波电网下DFIG 不同控制目标，本文采用矢量谐振控制器以实现定子电流谐波分量和定子功率波动分量的有效消除。定子电流闭环输入误差信号包含定子电流基频及谐波分量，在坐标系下表现为直流量及300Hz交流量，而定子功率闭环输入误差信号包含直流量及300Hz 波动分量。因此，不论矢量谐振闭环所控制的对象为定子电流或定子功率，其输入的误差信号均为直流量及300Hz交流量。矢量谐振器能在谐振频率处产生较高的幅值增益，从而达到对电流和功率谐波分量进行有效控制。矢量谐振器对于直流信号的幅值增益，对直流分量不具有调节能力，因此矢量谐振控制器输出信号中不包含直流信号。故而，由于矢量谐振闭环仅对闭环控制系统中的谐波分量具有良好的调节能力，定子电流闭环或者定子功率闭环的控制误差中的直流分量不会影响谐波控制目标的实现，从而确保谐波控制目标的快速准确实现。考虑到DFIG 作为惯性环节会对控制闭环造成一定的相位延迟，为了确保整个闭环系统的稳定工作，需要分析谐波控制下的DFIG系统开环传递函数。当采用不同的谐振控制器时，其开环传递函数在谐振频率300Hz 处的幅值增益均约为30dB 及29.5dB，表明两者在谐振频率点均具有较强的调节能力。但两个谐振控制器在谐振频率点处表现出不同的相位响应，采用普通谐振器的开环传递函数在谐振频率300Hz 处的相位响应为85.1°，且在谐振频率点附近，最大相位延迟已接近于闭环系统稳定工作的相位极限，系统易发生不稳定工作。而采取矢量谐振控制器的开环传递函数在谐振频率点处的相位响应为0°，在谐振频率附近处最大相位响应在90°左右，闭环控制响应具有接近90°的相位裕度，可确保DFIG 闭环系统的稳定性。
3.控制策略的稳态控制精度分析。为确保DFIG 闭环控制的响应精度，需分析谐波控制下DFIG 闭环系统传递函数在谐振频率点处的幅值与相位响应。采用普通和矢量谐振控制器的闭环系统波特图，当采用两种不同谐振控制器时，闭环传递函数在谐振频率可确保实际信号与给定信号在幅值上保持一致。但两者表现出不同的相位响应，当采用矢量谐振控制器时，闭环传递函数在谐振频率300Hz 点处的相位响应为0°，可确保实际的待调节定子电流谐波分量或者定子功率脉动分量能与给定值不仅在幅值上保持相等，同时也能实现相位的准确同步。但是若采用普通谐振控制器时，在谐振频率点处的相位响为-1.8°，无法实现相位上的一致性，从而降低谐波控制目标的实现精度。还需要指出的是，当电网频率发生偏移时，矢量谐振器可保持恒定的闭环幅值响应，表明电网频率偏移发生时系统的闭环控制响应保持不变。而采用普通谐振控制器时，进而不利于DFIG在实际电网条件下达到平稳的稳态控制精度。在实际工程应用过程中，由于电机气隙磁场饱和，温升及绝缘等条件的影响，参数将在一定程度内发生偏移，因此需要进一步研究参数偏移对所提控制策略的影响。采用矢量谐振控制器的控制系统开环传递函数及闭环传递函数对于参数偏移具有较强的鲁棒性，确保了控制系统在参数偏移的实际条件下的可靠稳定运行。由上述讨论可知，相比于普通谐振控制器而言，采用矢量谐振控制器的闭环调节能够确保在300Hz谐振频率点处的幅值响应以及相位响应，因此具有更为优秀的闭环控制精度。且采用矢量谐振控制器的闭环控制能够确保在谐振频率点附近的频率范围内的相位裕度均接近于90°，从而确保了闭环控制系统的工作稳定性。此外，由于谐振带宽参数的引入使得矢量谐振器的幅值响应能在谐振频率附近基本保持不变，从而在电网频率发生偏移时仍然确保良好的谐波控制能力，实现在实际谐波电网条件下的稳定可靠运行。且当参数发生变化时，采用矢量谐振控制器的闭环传递函数能够使得在谐振频率点处的幅值与相位响应保持不变，表现出较强的鲁棒性。
为实现DFIG 在谐波电网下的高性能运行，本文提出了以DFIG 定子电流正弦或定子输出有功/无功功率平稳为谐波控制目标，在转子电流PI调节基础上采用基于矢量谐振的定子电流或定子功率的闭环控制，以消除定子电流中的谐波或者定子输出功率的波动，改善DFIG 在谐波电网下的运行性能。所提的谐波控制策略可有效抑制定子电流中的谐波或定子功率波动，验证了本文所提谐波控制策略的正确性。
参考文献：
[1] 刘其辉，贺益康，卞松江．变速恒频风力发电机空载并网控制[J]．中国电机工程学报，2018，24（3）：6-11．
[2]郎永强，徐殿国，HADIANMREI S R 等．交流励磁双馈电机分段并网控制策略[J]．中国电机工程学报，2018，26（19）：133-138．
[3]赵宇，仇乐兵，等．基于变结构控制的变速恒频双馈风力发电并网控制[J]．电力自动化设备，2018，30（9）：77-81．
[4]苑国锋，柴建云，李永东．变速恒频风力发电机组励磁变频器的研究[J]．中国电机工程学报，2018，25（8）：90-94．
论文作者:周俊百
论文发表刊物:《电力设备》2019年第13期
论文发表时间:2019/11/22
标签：谐波论文; 谐振论文; 定子论文; 分量论文; 闭环论文; 电流论文; 电网论文; 《电力设备》2019年第13期论文;