賀 西，楊 韜，張少云，戴茜茜，彭 赟，易韻嵐

（1. 株洲中車時代電氣股份有限公司， 湖南 株洲 412001；2. 中核匯能河北新能源有限公司，河北 石家莊 050051；3. 重慶中車時代電氣技術(shù)有限公司， 重慶 401120）

0 引言

隨著我國新能源戰(zhàn)略需求及碳中和目標(biāo)的提出，以風(fēng)力發(fā)電為代表的新能源發(fā)電呈現(xiàn)出爆發(fā)式的增長趨勢。在風(fēng)力發(fā)電中，雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)又以其經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定的運(yùn)行特性占據(jù)著主要市場份額，所以研究雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)發(fā)電控制對于我國新能源戰(zhàn)略具有重要意義。

新能源發(fā)電設(shè)備電網(wǎng)滲透率的逐步擴(kuò)大，使得電網(wǎng)逐步表現(xiàn)出高阻抗、低慣量、弱阻尼及低短路比的弱電網(wǎng)特征［1‐3］。傳統(tǒng)雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用電流源型變流器控制方式，不具備對電網(wǎng)主動提供頻率及電壓支撐的能力，因而會嚴(yán)重影響電網(wǎng)及變流器自身的穩(wěn)定運(yùn)行［4］。實(shí)際運(yùn)行過程中，國內(nèi)外新能源發(fā)電占比高的電網(wǎng)多次暴露出由于次同步振蕩導(dǎo)致的變流器脫網(wǎng)問題。

為解決并網(wǎng)逆變器的穩(wěn)定性問題，近年來，虛擬同步技術(shù)及電壓源型并網(wǎng)逆變器技術(shù)被許多學(xué)者所研究［5‐7］。虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)是指通過模擬實(shí)際同步發(fā)電機(jī)的電氣特性，使得并網(wǎng)逆變器具備主動調(diào)頻調(diào)壓的能力［8‐10］。電壓源型并網(wǎng)逆變器技術(shù)是指在并網(wǎng)逆變控制中取消鎖相環(huán)，而采取自同步的方式，同時模擬同步電機(jī)的特性，主動提供頻率及電壓支撐［11‐13］。由于電壓源型逆變器控制方式去除了鎖相環(huán)，因此能很好地適應(yīng)弱電網(wǎng)需求，具備很好的發(fā)展前景。

本文在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)型的電壓源型雙饋風(fēng)電變流器控制方式，將其與電流源型變流器控制方式的性能差異進(jìn)行對比；同時，針對電網(wǎng)高電壓穿越、低電壓穿越工況下電壓源控制的過流問題，設(shè)計(jì)了電壓源型與電流源型變流器控制方式的切換方法。仿真結(jié)果顯示，本文提出的控制方案具備良好的穩(wěn)態(tài)及動態(tài)性能，能很好地適應(yīng)新能源并網(wǎng)的需求。

1 雙饋風(fēng)電變流器及其電流源型控制策略

圖1為雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的拓?fù)?，其基于背靠背的變流器，完成轉(zhuǎn)差功率在轉(zhuǎn)子側(cè)的饋入/饋出。當(dāng)雙饋發(fā)電機(jī)處于超同步狀態(tài)時，發(fā)電機(jī)軸上的功率通過定子側(cè)與轉(zhuǎn)子側(cè)同時饋入電網(wǎng)；當(dāng)雙饋發(fā)電機(jī)處于次同步狀態(tài)時，發(fā)電機(jī)軸上的功率與轉(zhuǎn)差功率通過定子繞組饋入電網(wǎng)。

圖1 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)鋱DFig. 1 Topology of doubly‐fed wind power system

圖2為雙饋電機(jī)的等效電路。圖中，Rs為定子電阻，is為定子電流，Xσs為定子漏抗，Rr為歸算后轉(zhuǎn)子繞組的電阻，Xσr為歸算后轉(zhuǎn)子繞組的漏抗，Xm表示與主磁通相對應(yīng)的鐵心電路的勵磁電抗，Rm為與定子鐵心損耗相對應(yīng)的等效電阻，us為定子電壓，ur為轉(zhuǎn)子電壓，s為轉(zhuǎn)差。

圖2 雙饋電機(jī)的等效電路Fig. 2 Equivalent circuit of doubly‐fed motor

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電通常采用基于定子電壓定向的矢量控制策略。在定子電壓定向工況下，雙饋電機(jī)電壓矢量方程為

式中：urd，urq——轉(zhuǎn)子電壓d軸，q軸分量；isd，isq——定子電流d軸，q軸分量；ird，irq——轉(zhuǎn)子電流d軸，q軸分量；ωs——同步角頻率；ωs1——轉(zhuǎn)差角頻率；ψsd，ψsq——定子磁鏈d軸，q軸分量；ψrd，ψrq——轉(zhuǎn)子磁鏈d軸，q軸分量；p——微分算子。

磁鏈方程為

式中：Lm——定轉(zhuǎn)子互感；Lr——轉(zhuǎn)子自感；Ls——定子自感。

圖3示出基于定子電壓定向的矢量控制原理。圖中，ird*為轉(zhuǎn)子d軸參考電流，irq*為轉(zhuǎn)子q軸參考電流，θs為電網(wǎng)鎖相角度。定子電壓定向控制采用鎖相環(huán)，將同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系與定子的電壓矢量重合，并且坐標(biāo)系與電壓矢量以相同的旋轉(zhuǎn)速度沿順時針方向旋轉(zhuǎn)。該控制策略為電流源型變流器控制方式，其基于鎖相環(huán)與電網(wǎng)保持同步，當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)擾動時，會通過鎖相環(huán)影響定子電壓/電流的輸出，從而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2 電壓源型雙饋風(fēng)電變流器控制策略

電壓源型雙饋風(fēng)電變流器去除了傳統(tǒng)的鎖相環(huán)，通過模擬同步發(fā)電機(jī)的功角特性方程，得到輸出電壓的同步角度與幅值，以實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。由于其采用自同步方式，所以不受鎖相環(huán)的影響，同時能夠主動地提供頻率和電壓支撐。

隱極式同步發(fā)電機(jī)的功角特性方程為

式中：P——有功功率；Q——無功功率；m——相數(shù)；Xd——同步電抗；δ——功角；E——電機(jī)電動勢；U——機(jī)端電壓。

當(dāng)原動機(jī)僅增加輸入功率時，發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓不變，由式（3）可以看出，只有功角變大，才能使發(fā)電機(jī)輸出更多的功率。從物理學(xué)角度可以這樣理解：增加原動力時，轉(zhuǎn)子加速，但由于同步運(yùn)行的作用，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速仍維持同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行；但此時電樞主磁通和轉(zhuǎn)子磁極中心線將增加一個角度Δδ，等效功角變大。同理，當(dāng)原動機(jī)僅增加勵磁時，其無功變大，功角不變，由式（3）可知，此時發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓將上升。

對于同步電機(jī)來說，其等效電勢的大小和相位都不突變，輸出功率由外部電路決定，因而具有電壓源特性。為模擬同步電機(jī)特性，本文構(gòu)建了雙饋風(fēng)電變流器電壓源型控制策略框圖（圖4），其中外環(huán)采用虛擬同步控制，從而得到輸出電流幅值及同步信號參考；內(nèi)環(huán)則采用電流閉環(huán)控制。圖中，Pe為有功反饋，Qe為無功反饋。

圖4 電壓源型變流器控制策略框圖Fig.4 Block diagram of the voltage source converter control strategy

電壓源型變流器控制策略的核心在于虛擬同步控制，其主要模擬同步電機(jī)轉(zhuǎn)動慣性及勵磁特性，以及頻率及電壓下垂控制，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。其中，Pref為有功參考，Qref為無功參考，u0為電壓基準(zhǔn)值參數(shù)，J為虛擬轉(zhuǎn)動慣量，D為虛擬阻尼系數(shù)（用來模擬同步機(jī)的機(jī)械特性），無功PI 和虛擬阻抗用來模擬同步機(jī)的勵磁特性。實(shí)際應(yīng)用過程中，需要權(quán)衡虛擬轉(zhuǎn)動慣量及虛擬阻尼系數(shù)的選取，以兼顧響應(yīng)速度和系統(tǒng)慣量。

圖5 虛擬同步控制框圖Fig. 5 Block diagram of virtual synchronization control

上述電壓源型變流器控制方式能夠滿足系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行要求，但是當(dāng)電網(wǎng)高電壓穿越、低電壓穿越時，其并不具備故障電流的抑制能力。因此，在高電壓穿越、低電壓穿越狀態(tài)下，上述電壓源型變流器控制方式將不再合適。為解決此問題，本文設(shè)計(jì)了一種電壓源型與電流源型變流器控制方式的切換機(jī)制，其控制原理如圖6 所示。如圖所示，控制系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測網(wǎng)壓狀態(tài)：網(wǎng)壓正常時，采用電壓源型變流器控制方式；一旦監(jiān)測到高、低電壓穿越工況，則切換到電流源型變流器控制方式；網(wǎng)壓恢復(fù)后，再切回電壓源型變流器控制方式。

圖6 高電壓穿越、低電壓穿越切換控制框圖Fig. 6 Switching control for high voltage ride‐trough and low voltage ride‐through

此外，在雙饋風(fēng)電變流器啟機(jī)并網(wǎng)時，為減少電網(wǎng)電流沖擊，采用帶鎖相環(huán)的電流源型變流器控制方式更佳。綜上，設(shè)計(jì)全工況范圍內(nèi)的雙饋風(fēng)電變流器控制策略如圖7所示。

圖7 全工況范圍內(nèi)的雙饋風(fēng)電變流器控制策略Fig. 7 Doubly‐fed wind converter control strategy within the full working range

3 仿真分析

為驗(yàn)證以上研究分析的合理性以及本文所提控制方式的有效性，結(jié)合理論分析搭建仿真模型。對電壓源型與電流源型變流器控制方式下，雙饋風(fēng)電變流器的并網(wǎng)過程、有功無功響應(yīng)及高電壓穿越和低電壓穿越過程進(jìn)行了仿真分析，其仿真參數(shù)如表1所示。

表1 雙饋風(fēng)電變流器仿真參數(shù)Tab. 1 Simulation parameters of doubly‐fed wind power converter

雙饋風(fēng)電變流器啟動時采用電流源型控制方式，啟機(jī)完成后，電流源型變流器控制方式將切換為電壓源變流器控制方式。

圖8為雙饋風(fēng)電變流器啟機(jī)并網(wǎng)波形圖。其中，ir為轉(zhuǎn)子電流，uL為網(wǎng)壓?？梢钥闯?，電流源型控制方式下，電網(wǎng)同步過程良好，并網(wǎng)沖擊電流很?。粏C(jī)完成后，電流源型變流器控制方式將被切換為電壓源變流器控制方式，切換時刻定子電流有一定的沖擊，而后沖擊電流逐漸減小。

圖8 并網(wǎng)及切換波形Fig. 8 Grid‐connecting and switching waveforms

雙饋風(fēng)電變流器輸出功率從0 增加到100%額定功率時，仿真得到電壓源型控制方式下定子、轉(zhuǎn)子的電流及網(wǎng)壓情況（圖9）。可以看出，在電壓源型變流器控制方式下，系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)過程良好。

圖9 功率變化時定轉(zhuǎn)子電流及網(wǎng)壓波形Fig. 9 Stator and rotor current and grid voltage waveforms in the case of power change

正常運(yùn)行時，設(shè)定網(wǎng)壓存在±0.1 Hz 的頻率擾動，可得到在網(wǎng)壓頻率波動的情況下采用電壓源型控制方式時電流、網(wǎng)壓及輸出功率的情況，如圖10~圖11 所示?？梢钥闯觯诰W(wǎng)壓頻率波動的情況下，采用電壓源型控制的雙饋?zhàn)兞髌魅阅芊€(wěn)定運(yùn)行，且在網(wǎng)壓頻率出現(xiàn)波動時能夠主動調(diào)節(jié)輸出功率，為電網(wǎng)提供頻率支撐。

圖10 網(wǎng)壓頻率波動情況下轉(zhuǎn)子電流及網(wǎng)壓波形Fig. 10 Rotor current and grid voltage waveforms in the case of frequency fluctuation

圖11 網(wǎng)壓頻率波動情況下功率波形Fig. 11 Power waveform during frequency fluctuation

高電壓穿越和低電壓穿越工況下，控制系統(tǒng)會從電壓源型變流器控制方式切換到電流源型變流器控制方式，其定子、轉(zhuǎn)子電流及網(wǎng)壓情況如圖12、圖13 所示?？梢钥闯?，整個切換過程平穩(wěn)，保證了高電壓穿越和低電壓穿越工況下電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖12 低電壓穿越工況下轉(zhuǎn)子電流及網(wǎng)壓波形Fig. 12 Rotor current and grid voltage waveforms in the case of low voltage ride‐through

圖13 高電壓穿越工況下轉(zhuǎn)子電流及網(wǎng)壓波形Fig. 13 Rotor current and grid voltage waveforms in the case of high voltage ride‐through

4 結(jié)語

為優(yōu)化弱電網(wǎng)情況下雙饋風(fēng)電變流器的控制性能，本文研究了一種改進(jìn)的電壓源型雙饋?zhàn)兞髌骺刂撇呗?。文章首先對比分析了其與電流源型變流器控制方式的性能差異，指出其能很好地適應(yīng)高阻抗、低慣量、弱阻尼及低短路比的弱電網(wǎng)需求；其次，提出了一種電壓源型變流器控制方式下的啟機(jī)及電網(wǎng)高電壓穿越和低電壓穿越工況下的控制切換邏輯，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行；最后通過仿真分析，驗(yàn)證了該電壓源型變流器控制策略在風(fēng)電變流器各種運(yùn)行工況下都能取得很好的控制效果。本文僅對電壓源型控制策略的穩(wěn)態(tài)特性進(jìn)行了研究，為了兼顧電壓源型變流器控方式的響應(yīng)速度與慣量特性，下一步將對其暫態(tài)特性及穩(wěn)定性進(jìn)行研究。