姚 駿 郭利莎 陳知前2 周 特

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電網(wǎng)電壓不平衡下雙饋型風電場可控運行區(qū)域及其控制策略

姚 駿1郭利莎1陳知前2 周 特1

（1. 輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室（重慶大學(xué)） 重慶 400044;2. 國家電網(wǎng)四川電力公司達州供電公司 達州 635000）

電網(wǎng)電壓不平衡條件下，雙饋感應(yīng)發(fā)電機（DFIG）風電機組實現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩無脈動等不同傳統(tǒng)控制目標時所需要的負序電流幅值不同。結(jié)合電網(wǎng)電壓不平衡條件下電網(wǎng)側(cè)變換器（GSC）與轉(zhuǎn)子側(cè)變換器（RSC）實現(xiàn)各傳統(tǒng)控制目標時所需的負序電流幅值，通過詳細分析等值DFIG風電場GSC與RSC的輸出負序電流能力，得到基于不同電網(wǎng)電壓不平衡度和系統(tǒng)有功出力的DFIG風電場可控運行區(qū)域。以該可控運行區(qū)域為基礎(chǔ)，提出電網(wǎng)電壓不平衡條件下DFIG風電場的多目標協(xié)調(diào)控制策略，即根據(jù)電網(wǎng)電壓不平衡度及系統(tǒng)有功出力選擇或切換系統(tǒng)最優(yōu)控制目標，進而改善不平衡電壓下DFIG風電場的運行能力及所并電網(wǎng)的電能質(zhì)量。仿真與實驗結(jié)果驗證了所提方案的可行性。

電網(wǎng)電壓不平衡 風力發(fā)電 雙饋感應(yīng)發(fā)電機 風電場 可控運行區(qū)域

0 引言

隨著能源危機與環(huán)境問題的日益突出，可再生能源的開發(fā)及其利用技術(shù)得到迅猛發(fā)展，風能因其巨大的儲量及較低的發(fā)電成本等優(yōu)勢，正受到世界各國越來越多的關(guān)注。由于雙饋感應(yīng)發(fā)電機（Doubly-Fed Induction Generator, DFIG）風電機組具有交流勵磁容量小且功率解耦控制等優(yōu)點，使其在大容量風電場中得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。然而，我國風電場的接入點通常為電網(wǎng)結(jié)構(gòu)較為薄弱的電力系統(tǒng)末端，負荷的不平衡及線路阻抗的不對稱等因素都將使得風電場的并網(wǎng)端電壓出現(xiàn)不平衡現(xiàn)象[4,5]。不平衡電網(wǎng)電壓會導(dǎo)致與電網(wǎng)直接相連的DFIG定子側(cè)輸出較大的負序電流，進一步引起發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩及風電場輸出功率的二倍頻脈動，嚴重威脅風電場的安全穩(wěn)定及所并電網(wǎng)的電能質(zhì)量[6]。

目前，已有大量文獻對電網(wǎng)電壓不平衡條件下DFIG風電機組的運行方式及其控制策略進行了研究[5-13]。文獻[6-8]提出電網(wǎng)電壓不平衡故障期間通過控制DFIG風電機組電壓、電流分量以實現(xiàn)抑制發(fā)電機定子側(cè)功率波動或電磁轉(zhuǎn)矩波動的控制策略，保證了DFIG風電機組的穩(wěn)定運行，但上述方案忽略了直流母線電壓波動和并網(wǎng)電流負序分量對所并電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響。在此基礎(chǔ)上，文獻[9]通過增加串聯(lián)網(wǎng)側(cè)變換器，提出電網(wǎng)電壓不平衡下串、并聯(lián)網(wǎng)側(cè)變換器的協(xié)同控制策略，在實現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩無波動及定、轉(zhuǎn)子電流平衡等多個控制目標的同時，可進一步抑制DFIG系統(tǒng)總輸出有功或無功功率波動，增強了電網(wǎng)電壓不平衡下系統(tǒng)所并電網(wǎng)的穩(wěn)定性，但該方案增加了DFIG風電機組的硬件成本。文獻[10-12]將靜止坐標系下的比例-諧振或同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的比例-積分-諧振控制器引入DFIG系統(tǒng)控制中，實現(xiàn)了對多個優(yōu)化目標的選擇控制，增強了DFIG風電機組對電網(wǎng)電壓不平衡條件下的整體適應(yīng)能力。文獻[13]提出當電網(wǎng)電壓不平衡達到一定程度時，風電場各機組轉(zhuǎn)子側(cè)電流幅值可能超過變流器的設(shè)計容量，此時各機組必須降載甚至脫網(wǎng)運行。由此可見，在電網(wǎng)電壓不平衡條件下，大規(guī)模的DFIG風電場對各控制目標的實現(xiàn)能力受電網(wǎng)電壓不平衡度及風電場有功出力影響。當DFIG運行不同工況時，根據(jù)DFIG風電場對各控制目標的實現(xiàn)能力合理選擇或切換各控制目標，將可能在一定程度上改善風電場各機組的運行性能并提高風電場所并電網(wǎng)的運行穩(wěn)定性。

因此，為研究電網(wǎng)電壓不平衡條件下DFIG風電場對各傳統(tǒng)控制目標的實現(xiàn)能力及各傳統(tǒng)控制目標的選擇與切換原則，本文進一步對等值DFIG風電場中電網(wǎng)側(cè)變壓器（Grid-Side Converter, GSC）與轉(zhuǎn)子側(cè)變壓器（Rotor-Side Converter, RSC）的輸出負序電流能力進行分析，在確定不平衡電壓條件下各控制目標可控運行區(qū)域的基礎(chǔ)上，提出一種改進的DFIG風電場多目標協(xié)調(diào)控制策略。最后，通過仿真和實驗驗證了電網(wǎng)電壓不平衡條件下各控制目標可控運行區(qū)域的正確性及所提改進控制策略的有效性。

1 不平衡電壓下等值DFIG風電場傳統(tǒng)控制目標

有關(guān)DFIG系統(tǒng)在電網(wǎng)電壓不平衡條件下的建模及其分析、實現(xiàn)功率二倍頻波動抑制等多目標切換的傳統(tǒng)控制策略在文獻[14,15]中進行了詳細研究，本節(jié)將直接給出采用傳統(tǒng)控制策略的等值DFIG風電場GSC與RSC在正反轉(zhuǎn)雙同步旋轉(zhuǎn)坐標軸系下實現(xiàn)各傳統(tǒng)控制目標時的負序電流指令。

1.1 不平衡電壓下GSC傳統(tǒng)控制目標

（1）目標1。消除DFIG風電場總輸出電流負序分量，此時GSC負序電流指令為

（2）目標2。消除DFIG風電場輸出總有功功率的二倍頻脈動，此時GSC負序電流指令為

式中，scos2、ssin2分別為定子有功功率余弦和正弦

（3）目標3。消除直流母線電壓的二倍頻波動，當RSC實現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩二倍頻波動抑制時，GSC負序電流指令為

式中，Xcos2、Xsin2分別為GSC并網(wǎng)電抗器中消耗的有功功率余弦與正弦二倍頻波動分量幅值。

（4）目標4。消除DFIG風電場輸出總無功功率的二倍頻脈動，當RSC選擇實現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩二倍頻波動抑制時，GSC負序電流指令為

對于安裝相同機組型號并采用相同控制策略的DFIG風電場，當各機組出力相同時，可建立如圖1所示的等值DFIG風電場[16-18]模型。不失一般性，文中選取30 MW等值DFIG風電場作為研究對象。

圖1 等值DFIG風電場模型

在采用最大風能跟蹤控制的DFIG風電場中，其轉(zhuǎn)速與風電場有功出力成正相關(guān)，當發(fā)電機運行于次同步狀態(tài)時，其有功出力較小，實現(xiàn)各控制目標所需要的負序電流幅值較小。同時，考慮到GSC實現(xiàn)各控制目標所需要的負序電流幅值受DFIG電磁轉(zhuǎn)矩的影響較大，故本文僅給出超同步狀態(tài)下DFIG風電場RSC抑制電磁轉(zhuǎn)矩二倍頻波動時，GSC實現(xiàn)各控制目標所需負序電流幅值（以標幺值表示），見表1。仿真系統(tǒng)參數(shù)見附錄。

表1 GSC實現(xiàn)各控制目標所需負序電流

Tab.1 Required negative-sequence current for different control targets achieved by GSC

由表1可以得出以下結(jié)論：

（1）DFIG風電場GSC實現(xiàn)各控制目標所需要的負序電流幅值均隨電網(wǎng)電壓不平衡度及發(fā)電機轉(zhuǎn)速的增大而增大。

（2）當DFIG風電場運行于相同工況（相同的電網(wǎng)電壓不平衡度及發(fā)電機轉(zhuǎn)速）時，GSC實現(xiàn)各控制目標所要的負序電流幅值不同，其中控制目標1與4所需的負序電流幅值較小，而控制目標2與3所需要的負序電流幅值較大。

1.2 不平衡電壓下RSC傳統(tǒng)控制目標

由電網(wǎng)電壓不平衡下DFIG風電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可知，RSC也有四個電流分量、、、可供控制，其中，正序電流分量、用以實現(xiàn)DFIG定子側(cè)輸出有功與無功功率的解耦控制，負序電流分量、共有4個目標可供選擇，當采用d軸正序定子電壓定向時，RSC實現(xiàn)各控制目標

的負序電流指令如下。

（1）目標1。消除DFIG定子側(cè)輸出有功功率的二倍頻脈動，此時RSC負序電流指令為

式中，1為發(fā)電機同步轉(zhuǎn)速。

（2）目標2。平衡DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)電流，此時RSC負序電流指令為

（3）目標3。平衡DFIG定子側(cè)電流，此時RSC負序電流指令為

（4）目標4。消除DFIG電磁轉(zhuǎn)矩的二倍頻脈動，此時RSC負序電流指令為

由式（6）與式（7）可知，電網(wǎng)電壓不平衡下，RSC實現(xiàn)控制目標2與3時所需負序電流大小與正序電流指令無關(guān)，即與風電機組的有功出力無關(guān)。在電網(wǎng)電壓不平衡度小于10%時，其值一般較小，滿足變流器電流裕量限制。而控制目標1與4所需負序電流幅值與風電機組有功出力以及電網(wǎng)電壓不平衡度均有關(guān)，且根據(jù)式（5）與式（8）可知，該幅值與GSC所選控制目標無關(guān)，故本文僅給出當GSC抑制直流母線電壓波動時，不同不平衡度下RSC實現(xiàn)控制目標1與4所需負序電流的幅值，見表2。

表2 RSC實現(xiàn)各控制目標1與4所需負序電流幅值

Tab.2 Required negative-sequence current for control targets 1 and 4 achieved by RSC

由表2同樣得出：①DFIG風電場RSC實現(xiàn)各控制目標所需的負序電流幅值均隨電網(wǎng)電壓不平衡度及發(fā)電機轉(zhuǎn)速的增大而增大；②當DFIG風電場運行于相同工況下時，RSC實現(xiàn)各控制目標所需要的負序電流幅值不同，其中，實現(xiàn)控制目標4所需的負序電流幅值小于控制目標1。

2 不平衡電壓下DFIG風電場可控區(qū)域及其控制策略

電網(wǎng)電壓不平衡條件下，DFIG風電場的可控運行區(qū)域由GSC與RSC負序電流能力共同決定，由于二者輸出負序電流能力影響因素各不相同，本節(jié)將分別對二者的可控運行區(qū)域進行詳細分析，并在此基礎(chǔ)上提出電網(wǎng)電壓不平衡條件下DFIG風電場的多目標協(xié)調(diào)控制策略。

2.1 GSC輸出負序電流能力及其可控區(qū)域

GSC輸出負序電流能力主要受其電流容量與直流母線電壓限制。為避免損壞變流器，流經(jīng)GSC的瞬時電流幅值g必須小于最大允許電流gmax，即

無功功率有關(guān)。由于GSC通常工作于單位功率因數(shù)狀態(tài)，故其有功功率與DFIG系統(tǒng)的轉(zhuǎn)差功率有關(guān)。

當直流母線電壓一定時，GSC輸出的最大交流

電壓有限，其峰值為mdc，故還應(yīng)滿足

式中，m為調(diào)制系數(shù)，當采用SPWM時m=1/2，當采用SVPWM時m=；、分別為GSC

輸出電壓的正序分量幅值與定子端電壓的負序分量幅值；c為進線電抗器電感。

結(jié)合式（10）與式（11）可知，GSC輸出負序電流能力主要受正序電流分量幅值和負序電壓分量幅值影響。在電網(wǎng)電壓不平衡時，對工作于單位功率因數(shù)下的GSC而言，其輸出負序電流能力主要受轉(zhuǎn)差功率和電網(wǎng)電壓不平衡度影響。令不平衡度為

根據(jù)式（10）～式（12）可得DFIG風電場GSC輸出負序電流能力如圖2所示。圖2中，r為發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

（a）轉(zhuǎn)速影響 （b）不平衡度影響

圖2 GSC輸出負序電流能力

Fig.2 Capability of the negative-sequence current provided by GSC

由圖2a可看出，在同步轉(zhuǎn)速時，流經(jīng)GSC的轉(zhuǎn)差功率最小，此時正序電流分量對輸出負序電流能力的影響最小。由圖2b可知，在直流母線電壓限制下，其輸出負序電流能力隨電網(wǎng)電壓不平衡度的增大而迅速減小，當電網(wǎng)電壓不平衡度升至7.7%時，GSC將無法輸出負序電流。

根據(jù)GSC輸出負序電流的能力以及實現(xiàn)各控制目標所需的負序電流幅值，在風電場有功出力DFIG和電網(wǎng)電壓不平衡度變化的情況下，可分別計算電網(wǎng)電壓不平衡條件下DFIG風電場RSC抑制電磁轉(zhuǎn)矩無波動時，GSC實現(xiàn)各控制目標的可控運行區(qū)域，如圖3所示。

（a）目標1 （b）目標2

（c）目標3 （d）目標4

圖3 GSC實現(xiàn)各控制目標的可控運行區(qū)域

Fig.3 Controllable operation area of GSC to achieve different control targets

結(jié)合表1與圖3可看出，對于運行于相同工況下的風電場，GSC實現(xiàn)各控制目標所需的負序電流幅值不等，各控制目標的可控運行區(qū)域也不同。在選擇GSC的控制目標時，應(yīng)考慮其可以輸出足夠的負序電流，即當風電場有功出力與電網(wǎng)電壓不平衡度滿足圖3中陰影部分時，所選控制目標可完全實現(xiàn)。

2.2 RSC輸出負序電流能力及其可控區(qū)域

由于DFIG的定子繞組過電流能力較強，其短時間內(nèi)所能承受的電流容量遠大于由電力電子器件構(gòu)成的RSC，在不考慮定子繞組電流容量限制的情況下，RSC輸出負序電流能力主要受其電流容量與直流母線電壓限制。同理可得，RSC能夠輸出的電

式中，rmax為RSC最大允許電流幅值；為RSC瞬時電流正序分量幅值；sr為定、轉(zhuǎn)子匝比。

為方便分析，可考慮定子側(cè)輸出無功功率為零的情況，則RSC電流正序分量幅值只與定子有功功率有關(guān)。若采用標幺值系統(tǒng)表示，則定子電流正序

當風電場風速在額定風速以下時，為提高風能利用率，DFIG風電場將采用最大風能跟蹤控制，忽略機械損耗，式（14）中s-pu可表示為

式中，為轉(zhuǎn)差率；opt為折算比例系數(shù)；opt-pu為最大風能跟蹤時風力機捕獲的有功功率。此時可表示為

根據(jù)DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)電流表達式可得電網(wǎng)電壓定向時轉(zhuǎn)子電流的正、負序分量幅值分別為

故式（13）可進一步表示為

同理，當直流母線電壓一定時，RSC輸出負序電流最大值還應(yīng)滿足

式中，為漏感系數(shù)。結(jié)合式（13）與式（19）可知，RSC輸出負序電流能力主要受正序電流分量、轉(zhuǎn)差率及負序電壓的影響。而由式（16）可知，在最大風能跟蹤時，RSC輸出正序電流分量及轉(zhuǎn)差率由風速決定。故RSC輸出負序電流能力受風電場有功出力變化以及電網(wǎng)電壓不平衡度的影響。根據(jù)式（16）～式（19）可得，DFIG風電場RSC輸出負序電流能力，如圖4所示。

（a）電流容量限制 （b）直流母線電壓限制

圖4 RSC輸出負序電流能力

Fig.4 Capability of the negative-sequence current provided by RSC

由圖4a可看出，在采用最大風能跟蹤控制的DFIG風電場中，隨著電機轉(zhuǎn)速的增大，風電場有功出力增大，導(dǎo)致RSC輸出負序電流的能力因電流正序分量的增大而減小。而如圖4b所示，由于受直流母線電壓限制，RSC輸出負序電流能力在同步轉(zhuǎn)速時最強。

對于RSC，當選擇控制目標2與3時，RSC對負序電流的抑制能力只受直流母線電壓輸出交流能力限制，故其可控運行區(qū)域為如圖4b中各曲線下方陰影區(qū)域。而由式（5）與式（8）可以看出RSC實現(xiàn)控制目標1與4時的負序電流給定值和風電場的有功出力有關(guān)，由此需進一步計算得到電網(wǎng)電壓不平衡下風電場GSC實現(xiàn)直流母線電壓無波動時，RSC實現(xiàn)控制目標1與4時的可控運行區(qū)域，如圖5 所示。

（a）目標1 （b）目標4

圖5 RSC實現(xiàn)控制目標1與4的可控運行區(qū)域

Fig.5 Controllable operation area of RSC to achieve control targets 1 and 4

不考慮電網(wǎng)電壓不平衡度為10%以上區(qū)域，結(jié)合表2、圖4b與圖5可看出，當風電場各機組有功出力為額定有功功率及以下時，控制目標2與3均能完全實現(xiàn)，而實現(xiàn)目標1與4時RSC的可控運行區(qū)域卻不同。與GSC一樣，在選擇RSC的控制目標時，其所需負序電流幅值必須滿足其輸出負序電流能力，即需在其可控運行區(qū)域內(nèi)，否則所選控制目標將無法實現(xiàn)。

2.3 不平衡電壓下DFIG風電場控制策略

由以上分析可知，當電網(wǎng)電壓不平衡達到一定程度時，DFIG風電場實現(xiàn)各傳統(tǒng)控制目標時所需的負序電流幅值可能超過其GSC與RSC所能提供的最大負序電流能力，導(dǎo)致這些控制目標無法完全實現(xiàn)甚至不能實現(xiàn)。本節(jié)將根據(jù)DFIG風電場的可控運行區(qū)域，提出一種電網(wǎng)電壓不平衡下DFIG風電場的多目標協(xié)調(diào)控制策略。

在風電場各機組間無互聯(lián)通信線條件下，為最大限度優(yōu)化DFIG風電場的運行性能及其輸出電能的質(zhì)量，綜合考慮風電場有功出力及機端電壓不平衡度，結(jié)合圖3與圖5所示的各控制目標可控運行區(qū)域，提出以下多目標協(xié)調(diào)控制策略。

（1）當電網(wǎng)電壓不平衡度較低（≤3%）時，由圖3和圖5可知，此時各控制目標的可控運行區(qū)域較寬，即DFIG風電場對各控制目標的實現(xiàn)能力較強，DFIG風電場可根據(jù)以下原則對各控制目標進行最優(yōu)選擇：①若風電場有功出力較?。―FIG≤0.8(pu)），GSC可選擇實現(xiàn)抑制母線電壓二倍頻波動以保護直流鏈電容，RSC可選擇實現(xiàn)抑制DFIG電磁轉(zhuǎn)矩二倍頻脈動以保護系統(tǒng)中的升速齒輪箱；②若風電場有功出力較大（DFIG＞0.8(pu)），考慮風電場并網(wǎng)電能質(zhì)量及其穩(wěn)定性，GSC選擇實現(xiàn)消除風電場總輸出有功功率脈動，轉(zhuǎn)子側(cè)仍選擇實現(xiàn)消除電磁轉(zhuǎn)矩脈動。

（2）當電網(wǎng)電壓不平衡度較大（＞3%）時，DFIG風電場對各控制目標的實現(xiàn)能力受限，此時需根據(jù)風電場各控制目標的可控運行區(qū)域確定最優(yōu)控制目標：①若風電場有功出力較小（DFIG≤0.8(pu)），此時各目標的可控運行區(qū)域仍較大，GSC與RSC所選控制目標可與控制策略（1）中的①一致；②若風電場有功出力較大（DFIG＞0.8(pu)），此時GSC應(yīng)選擇可控運行區(qū)域最大的控制目標（最優(yōu)控制目標），即抑制系統(tǒng)總輸出負序電流（平衡總輸出電流）以最大程度改善DFIG風電場的運行性能，同理RSC也選擇最優(yōu)控制目標，即實現(xiàn)消除電磁轉(zhuǎn)矩二倍頻脈動。

3 仿真

為進一步證明DFIG風電場實現(xiàn)各控制目標的可控運行區(qū)域及所提多目標協(xié)調(diào)控制策略的有效性，在Matlab/Simulink軟件中，對不同風電場有功出力與電網(wǎng)電壓不平衡度情況下實現(xiàn)各控制目標的等值DFIG風電場進行仿真研究。設(shè)定DFIG風電場額定功率為1.0(pu)，變換器容量為0.3(pu)，轉(zhuǎn)速為1.3(pu)時輸出總有功功率為1.0(pu)。GSC電流裕度取1.1倍額定電流，仿真系統(tǒng)具體參數(shù)見附錄。

當DFIG風電場有功出力為0.5(pu)、無功功率為0、電網(wǎng)電壓不平衡度為3%時（即風電場有功出力與電網(wǎng)電壓不平衡度均較低），GSC與RSC實現(xiàn)各控制目標的仿真結(jié)果如圖6所示。圖6中，1.0s～1.4s為RSC抑制電磁轉(zhuǎn)矩二倍頻波動時，GSC實現(xiàn)控制目標1～4的仿真波形；1.4s～1.8s為GSC抑制直流母線電壓二倍頻波動時，RSC實現(xiàn)控制目標1～4的仿真波形；1.8s～1.9s為GSC選擇實現(xiàn)直流母線電壓無脈動且RSC選擇實現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩無脈動時的仿真波形。由圖6可見，該工況下的DFIG風電場GSC與RSC輸出負序電流能力較強，系統(tǒng)工作于可控運行區(qū)內(nèi)，各控制目標均能完全實現(xiàn)，此時風電場GSC與RSC在1.8s～1.9s可根據(jù)本文所提多目標協(xié)調(diào)控制策略（1）選擇實現(xiàn)最優(yōu)控制目標。

圖6 電壓不平衡度為3%時DFIG風電場仿真結(jié)果

圖7給出了DFIG風電場輸出有功功率為1.0(pu)、無功功率為0、電網(wǎng)電壓不平衡度為6%時（即風電場有功出力與電網(wǎng)電壓不平衡度均較高），GSC與RSC實現(xiàn)各控制目標的仿真結(jié)果。仿真各時間段（=1.0s～1.8s）實現(xiàn)的控制目標與圖6中一一對應(yīng)。由圖7可以看出，由于DFIG風電場的GSC與RSC輸出負序電流能力減弱，同時各控制目標所需負序電流較大，使得GSC的控制目標1基本可實現(xiàn)，而控制目標2、3與4無法實現(xiàn)。同時，由圖7和圖l可以看出，RSC無法實現(xiàn)控制目標1，但控制目標2、3與4因可控運行區(qū)域較大，故基本可實現(xiàn)。此時，風電場應(yīng)優(yōu)先選擇具有最大可控制運行區(qū)的控制目標，即本文所提協(xié)同控制策略（2），GSC選擇抑制DFIG風電場總電流負序分量，RSC選擇實現(xiàn)抑制電磁轉(zhuǎn)矩二倍頻波動，如圖7中1.8s～1.9s的仿真波形。

圖7 電壓不平衡度為6%時DFIG風電場仿真結(jié)果

4 實驗

為進一步驗證DFIG風電場對各傳統(tǒng)控制目標可控運行區(qū)域研究的正確性及所提DFIG風電場多目標協(xié)調(diào)控制策略的可行性，搭建了2kW小功率DFIG風電系統(tǒng)實驗平臺，系統(tǒng)參數(shù)見附錄。

圖8給出了電網(wǎng)電壓不平衡度為3%、有功出力在=0.7s由0.3(pu)增至0.9(pu)時，DFIG風電系統(tǒng)的實驗波形。需要說明的是，實驗中電網(wǎng)電壓、系統(tǒng)總電流、轉(zhuǎn)子電流及直流母線電壓波形均為示波器記錄的實際波形，其余波形為經(jīng)DSP控制芯片采樣存儲得到；有功功率為負，表示系統(tǒng)向電網(wǎng)輸出正有功功率。

（a）電網(wǎng)電壓 （b）電網(wǎng)電流（0～0.20s）

（c）電網(wǎng)電流（2.50s～2.70s） （d）電網(wǎng)電壓不平衡度

（e）DFIG總有功輸出 （f）DFIG總無功輸出

（g）直流母線電壓交流分量 （h）DFIG電磁轉(zhuǎn)矩

（i）DFIG定子有功輸出 （j）DFIG轉(zhuǎn)子電流

圖8 電網(wǎng)電壓不平衡度為3%時DFIG風電系統(tǒng)實驗結(jié)果

Fig.8 Experiment results of DFIG wind power system with 3% grid voltage unbalance

根據(jù)2.3節(jié)所提多目標協(xié)調(diào)控制策略（1），在電網(wǎng)電壓不平衡度較低的情況下，DFIG對各控制目標的實現(xiàn)能力較強，此時RSC應(yīng)選擇實現(xiàn)DFIG電磁轉(zhuǎn)矩無二倍頻波動；但當DFIG風電系統(tǒng)有功出力為0.3(pu)（=0.7s前）時，為保護直流鏈電容，GSC應(yīng)選擇抑制直流母線電壓二倍頻脈動。由圖8g及圖8h可看出，在0.7s以前，發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩和系統(tǒng)直流母線電壓的二倍頻波動得到有效抑制。當系統(tǒng)有功出力逐漸增至0.9(pu)時，為提高DFIG系統(tǒng)所并電網(wǎng)電能的質(zhì)量，GSC應(yīng)選擇抑制系統(tǒng)總有功功率波動。由圖8e及圖8h可看出，當根據(jù)系統(tǒng)運行狀態(tài)實時切換控制目標后，發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩及系統(tǒng)總有功功率仍保持無二倍頻脈動，而由于GSC所選控制目標的改變，使得直流母線電壓的交流分量未得到抑制，如圖8b所示，這進一步驗證了理論分析的正確性。

圖9給出了電網(wǎng)電壓不平衡度為6%，有功出力在=0.7s由0.3(pu)增至0.9(pu)時，DFIG系統(tǒng)的實驗波形。根據(jù)2.3節(jié)所提多目標協(xié)調(diào)控制策略（2），在電網(wǎng)電壓不平衡度較高的情況下，DFIG對各控制目標的實現(xiàn)能力受限，當DFIG系統(tǒng)有功出力為0.3(pu)（=0.7s前）時，RSC應(yīng)選擇實現(xiàn)DFIG電磁轉(zhuǎn)矩無二倍頻波動，GSC應(yīng)選擇抑制直流母線電壓二倍頻脈動，由圖9g及圖9h可看出，此時發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩、系統(tǒng)直流母線電壓的二倍頻波動基本得到抑制；而當系統(tǒng)有功出力逐漸增至0.9(pu)時，GSC與RSC均需選擇可控區(qū)域最大的控制目標，即GSC應(yīng)選擇抑制系統(tǒng)總輸出負序電流，RSC應(yīng)選擇抑制發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩二倍頻波動。由圖9b、圖9c及圖9h可知，通過實時切換控制目標后的發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩可基本實現(xiàn)無二倍頻波動，系統(tǒng)總輸出電流可保持對稱。

（a）電網(wǎng)電壓 （b）電網(wǎng)電流（0～0.20s）

（c）電網(wǎng)電流（2.50s～2.70s） （d）電網(wǎng)電壓不平衡度

（e）DFIG總有功輸出 （f）DFIG總無功輸出

（g）直流母線電壓交流分量 （h）DFIG電磁轉(zhuǎn)矩

（i）DFIG定子有功輸出 （j）DFIG轉(zhuǎn)子電流

圖9 電網(wǎng)電壓不平衡度為6%時DFIG風電系統(tǒng)實驗結(jié)果

Fig.9 Experiment results of DFIG wind power system with 6% grid voltage unbalance

由上述實驗結(jié)果可知，DFIG系統(tǒng)可根據(jù)系統(tǒng)的實時運行狀態(tài)（有功出力和機端電壓不平衡度）靈活切換系統(tǒng)控制目標，有效提高了不平衡電壓下DFIG風電系統(tǒng)的運行性能。

5 結(jié)論

通過分析電網(wǎng)電壓不平衡條件下，DFIG風電場實現(xiàn)各傳統(tǒng)控制目標的負序電流參考指令大小及其影響因素，結(jié)合DFIG風電場GSC與RSC的輸出負序電流能力，得到基于DFIG風電場可控運行區(qū)域的多目標協(xié)調(diào)控制策略。通過仿真與實驗進一步驗證得出如下結(jié)論：

1）通過分析電網(wǎng)電壓不平衡條件下，DFIG風電場GSC與RSC實現(xiàn)各自控制目標時所需負序電流值，結(jié)合GSC與RSC輸出負序電流能力，確定了DFIG風電場對各控制目標的可控運行區(qū)域。

2）根據(jù)各控制目標的可控運行區(qū)域，當電網(wǎng)電壓不平衡度較低（≤3%）時，DFIG風電場對各控制目標實現(xiàn)能力均較強；當電網(wǎng)電壓不平衡度較高（＞3%）時，DFIG風電場對各控制目標的實現(xiàn)能力受風電場有功出力限制。

3）所提多目標協(xié)調(diào)控制策略綜合考慮DFIG風電場有功出力及電網(wǎng)電壓不平衡度，進一步改善了DFIG風電場對不平衡電網(wǎng)電壓條件的適應(yīng)能力及其所并電網(wǎng)電能的質(zhì)量。

附錄 仿真與實驗系統(tǒng)參數(shù)

1. 仿真系統(tǒng)

（1）等值DFIG風電場參數(shù)額定容量15×2MW，定子額定電壓690V/50Hz，直流側(cè)電容15×38mF，進線電抗器0.6/15mH，定、轉(zhuǎn)子互感m=3.952 7(pu)，定、轉(zhuǎn)子繞組電阻與漏感：s=0.004 88(pu)、r=0.005 49(pu)、ss=0.138 6(pu)、sr=0.149 3(pu)。

（2）電網(wǎng)：220kV/50Hz。

（3）輸電聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)：變壓器T1電壓比220kV/110kV，變壓器T2電壓比110kV/35kV，變壓器T3電壓比35kV/690V，線路阻抗1=0.06+j0.436W/km、2=0.105+j0.383W/km、3=0.17+j0.38W/km。

2. 實驗系統(tǒng)

（1）DFIG參數(shù)：額定功率2kW，額定頻率50Hz，極對數(shù)2，同步轉(zhuǎn)速1 500r/min，聯(lián)結(jié)方式Y(jié)/Y，額定電流5.4A，實驗中線電壓220V，定子電阻0.39W，定子漏抗6.53W，轉(zhuǎn)子電阻2.72W，轉(zhuǎn)子漏抗8.39W，勵磁電抗296.99W，定、轉(zhuǎn)子匝比0.517。

（2）GSC參數(shù)：進線電抗器電感5mH，進線電抗器電阻0.1W，直流側(cè)電容=1.1mF，直流側(cè)電壓400V，開關(guān)頻率10kHz。

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Control Strategy of Doubly-Fed Type Based Wind Farm and Its Controllable Operation Area under Unbalanced Grid Voltage Condition

1121

（1. State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology Chongqing University Chongqing 400044 China2. State Grid Sichuan Electric Power Company Dazhou Electric Power Supply CompanyDazhou 635000 China）

Under unbalanced grid voltage conditions, doubly-fed induction generator (DFIG) based wind power generation system requires different amplitude negative-sequence current to achieve different control targets, such as zero pulsation of the electromagnetic torque. Combined with the required negative-sequence current of traditional control objectives during network unbalance, this paper analyzed the output capabilities of the negative-sequence current by the grid-side converter (GSC) of DFIG and rotor-side converter (RSC). Then the controllable operation area of DFIG-based wind farm was achieved, based on the degree of grid voltage unbalance and the active power output. Thereafter, this paper proposed a multi-objective coordinated control strategy of DFIG-based wind farm under unbalanced grid voltage conditions. That is, the optimal control target could be selected according to the degree of grid voltage unbalance and active power output, which further improves the operation performance of DFIG wind farm and the grid-tied power quality. The simulation and experimental results verify the proposed scheme.

Unbalanced grid voltage, wind power generation, doubly-fed induction generator, wind farm, controllable operation area

TM614

姚 駿 男，1979年生，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為電機及其控制、電力電子與電力傳動、風電技術(shù)以及新能源電能變換技術(shù)。

E-mail: topyj@163.com（通信作者）

郭利莎 女，1992年生，碩士研究生，研究方向為電機及其控制、風電技術(shù)以及新能源電能變換技術(shù)。

E-mail: guolisha1008@sina.com

2015-10-23 改稿日期 2016-02-23

國家自然科學(xué)基金（51477016）和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費重點項目（106112015CDJR155516）資助。