林鑫，高翔，謝震，許可寶，張興

（合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

隨著我國風(fēng)電技術(shù)水平和風(fēng)電裝機(jī)總量不斷提高，風(fēng)力發(fā)電已成為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)中不可或缺的一環(huán)。但風(fēng)電滲透率的增加，使得風(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)呈現(xiàn)弱電網(wǎng)的特性逐漸明顯，如何在弱電網(wǎng)下穩(wěn)定運(yùn)行成為目前研究風(fēng)力發(fā)電的一個重點(diǎn)。雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)（doubly-fed induction generators，DFIG）因具有良好的控制性、經(jīng)濟(jì)性而受到廣泛應(yīng)用。DFIG較多采用經(jīng)鎖相環(huán)（phase-locked loop，PLL）同步的傳統(tǒng)電流控制型策略（current-controlled DFIG，CC-DFIG），通過鎖相環(huán)并網(wǎng)之后的并網(wǎng)點(diǎn)電壓得到控制所需的角度信息。在電網(wǎng)強(qiáng)度較強(qiáng)時，并網(wǎng)點(diǎn)電壓能夠保持在相對穩(wěn)定的狀態(tài)，此時DFIG具有良好的運(yùn)行性能；當(dāng)機(jī)組處于弱電網(wǎng)環(huán)境時，并網(wǎng)點(diǎn)電壓存在擾動，該擾動將通過鎖相環(huán)控制的角度影響變流器的控制輸出，對系統(tǒng)穩(wěn)定性帶來惡劣的影響，使得電流控制型的雙饋風(fēng)電機(jī)組難以在弱電網(wǎng)下保持穩(wěn)定[1]。

對于CC-DFIG的穩(wěn)定性分析問題目前已有較多文獻(xiàn)進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[2]通過建立鎖相環(huán)的動態(tài)方程，指出鎖相環(huán)是影響DFIG功角及其穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。文獻(xiàn)[3]針對風(fēng)電遠(yuǎn)距離線路傳輸時存在的低頻功率振蕩問題，通過建立鎖相環(huán)和DFIG的動態(tài)模型，研究機(jī)組在不同電網(wǎng)強(qiáng)度下的振蕩規(guī)律，認(rèn)為鎖相環(huán)環(huán)節(jié)的存在直接導(dǎo)致雙饋風(fēng)電系統(tǒng)在弱電網(wǎng)下無法穩(wěn)定運(yùn)行。文獻(xiàn)[4]針對DFIG鎖相環(huán)同步在弱電網(wǎng)下容易失穩(wěn)的問題，建立簡化的小信號模型，發(fā)現(xiàn)弱電網(wǎng)下有功功率與端電壓之間存在的耦合等效于在鎖相環(huán)中增加正反饋，將進(jìn)一步對系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成影響。上述文獻(xiàn)分析表明，電流控制型中鎖相環(huán)的結(jié)構(gòu)使得雙饋風(fēng)電機(jī)組無法在弱電網(wǎng)下穩(wěn)定運(yùn)行。雖然可以通過調(diào)節(jié)控制器參數(shù)提高穩(wěn)定性[5-6]，但會給系統(tǒng)的動態(tài)性能帶來負(fù)面的影響，并且作用有限，調(diào)節(jié)范圍、調(diào)節(jié)方向等問題有待進(jìn)一步研究。

近年來電壓控制型DFIG（voltage-controlled DFIG，VC-DFIG）由于不需要經(jīng)過鎖相環(huán)進(jìn)行同步，在弱電網(wǎng)下具有一定的優(yōu)勢，受到廣泛關(guān)注。VC-DFIG在其控制策略中運(yùn)用虛擬同步發(fā)電機(jī)（virtual synchronous generator，VSG）的數(shù)學(xué)模型，通過虛擬同步控制模擬同步電機(jī)的機(jī)械運(yùn)動特性，得到輸出相位信息，并用該角度代替鎖相環(huán)的作用，從而減小弱電網(wǎng)下鎖相環(huán)引入的擾動影響[7-8]。文獻(xiàn)[9]分析了傳統(tǒng)矢量控制與虛擬同步控制在DFIG控制上的差異，結(jié)果表明：在弱電網(wǎng)下傳統(tǒng)矢量控制存在最大輸出功率受限問題；而采用虛擬同步控制的輸出功率不受限制，且能夠提供系統(tǒng)所需的慣性，從而提高電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[10-11]模擬了基于虛擬同步控制的DFIG在弱電網(wǎng)下的運(yùn)行狀況，發(fā)現(xiàn)并網(wǎng)點(diǎn)電壓在受到負(fù)荷沖擊時能夠維持電壓的恒定，同時還具備在電網(wǎng)頻率變化時提供暫態(tài)支撐的能力。文獻(xiàn)[12]分析研究了虛擬同步控制策略的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)，解釋了采用虛擬同步控制的轉(zhuǎn)子與電機(jī)轉(zhuǎn)子之間的能量平衡關(guān)系。文獻(xiàn)[13]提出在同步中加入輔助阻尼控制，可以提高同步穩(wěn)定性和小信號穩(wěn)定性。

從文獻(xiàn)[9-13]分析可知，弱電網(wǎng)下采用功率同步的控制方式相較于基于鎖相環(huán)同步控制的穩(wěn)定性更好，但其在并網(wǎng)時存在一些問題仍需要改進(jìn)[14-18]。文獻(xiàn)[14]針對并網(wǎng)時并網(wǎng)點(diǎn)電壓可能存在相位和幅值與電網(wǎng)不一致現(xiàn)象，提出不需要采用鎖相環(huán)的預(yù)同步控制策略。文獻(xiàn)[15]采用一種自適應(yīng)虛擬阻抗控制策略，解決了弱電網(wǎng)下系統(tǒng)存在的功率耦合問題。文獻(xiàn)[16-17]針對電網(wǎng)電壓不平衡時二倍頻波動影響穩(wěn)定性的問題，提出二階廣義積分器對二倍頻進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)電子電流平衡以及輸出功率的恒定。文獻(xiàn)[18]提出在對稱電網(wǎng)故障下虛擬同步控制雙饋風(fēng)電機(jī)組的故障穿越策略，提高了機(jī)組在對稱電網(wǎng)故障下的運(yùn)行性能和容錯能力。

在目前的研究中，針對電壓控制型策略及研究缺少較為系統(tǒng)的總結(jié)分析。本文將基于不同的同步方式策略介紹目前較為常用的電壓控制型結(jié)構(gòu)，并對電壓控制型穩(wěn)定性分析中采用的阻抗建模關(guān)鍵步驟進(jìn)行分析說明；針對電壓控制型存在的并入并聯(lián)補(bǔ)償弱電網(wǎng)時存在的諧振現(xiàn)象提出抑制策略，并基于實(shí)驗(yàn)平臺對電壓控制型的雙饋平臺進(jìn)行驗(yàn)證分析；最后對未來的電壓控制型研究方向及重點(diǎn)進(jìn)行展望與總結(jié)。

1 電壓控制型雙饋風(fēng)電機(jī)組控制結(jié)構(gòu)

1.1 同步方式定義

1.1.1 功率同步方式

在VC-DFIG的虛擬同步控制結(jié)構(gòu)中，所采用的同步方式多為功率與轉(zhuǎn)矩同步方式。功率同步方式通過有功功率環(huán)輸出同步角度，并將該角度運(yùn)用到dq控制結(jié)構(gòu)中，無功功率環(huán)根據(jù)輸出功率與端電壓之間存在的下垂關(guān)系得到輸出電壓的幅值信息。采用的控制策略均是通過模擬同步發(fā)電機(jī)特性，以獲得類似的阻尼特性和慣性。

有功和無功功率環(huán)的控制方程為

式中：Pref為定子側(cè)輸出有功功率的參考值；Ps為定子側(cè)輸出有功功率測量值；Qref為定子側(cè)輸出無功功率的參考值；Qs為定子側(cè)輸出無功功率測量值；J為虛擬慣性時間常數(shù)；D為虛擬阻尼系數(shù)；ω，ω0，ωr分別為虛擬角頻率、額定角頻率、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；θr為轉(zhuǎn)子參考電壓的相角；ur,ref為轉(zhuǎn)子參考電壓的給定值；Kp，Ki分別為無功環(huán)比例、積分系數(shù)。

文獻(xiàn)[9]采用基于虛擬同步控制的功率環(huán)，有功功率環(huán)路控制虛擬同步頻率，無功功率環(huán)路控制電壓幅值，內(nèi)電勢指令由頻率和幅值經(jīng)過同步方程合成得到。該控制結(jié)構(gòu)只含有單一的功率環(huán)，其控制框圖如圖1所示。圖中，ωb為角速度基準(zhǔn)值，urefrabc為轉(zhuǎn)子勵磁電壓的參考值。

1.1.2 轉(zhuǎn)矩同步方式

轉(zhuǎn)矩同步方式通過虛擬同步轉(zhuǎn)軸提供頻率支撐和虛擬的慣量特性，并實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)同步，本質(zhì)上也是對同步發(fā)電機(jī)特性的模擬。控制方程為

式中：Tm為虛擬機(jī)械轉(zhuǎn)矩給定值；Te為電磁轉(zhuǎn)矩。

文獻(xiàn)[19-20]均采用轉(zhuǎn)矩同步方式進(jìn)行同步控制。不同的是，文獻(xiàn)[19]的勵磁部分采用轉(zhuǎn)子電壓閉環(huán)的控制方式，得到勵磁電流后結(jié)合虛擬角頻率獲得轉(zhuǎn)子內(nèi)電勢幅值指令，其基本控制結(jié)構(gòu)如圖2a所示。圖中，ursef，us分別為轉(zhuǎn)子電壓的參考值和測量值，Lfv為定子與虛擬勵磁繞組互感最大值，ifv為虛擬勵磁電流矢量。而文獻(xiàn)[20]則是通過轉(zhuǎn)子磁鏈的閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)勵磁控制，使得內(nèi)電勢保持穩(wěn)定，其控制方程為

式中：KpΨ，KiΨ分別為磁鏈調(diào)節(jié)器HΨ(s)的比例、積分系數(shù)；Tr為轉(zhuǎn)子暫態(tài)時間常數(shù)；Rr為轉(zhuǎn)子電阻；Lr，Ls分別為轉(zhuǎn)子自感和定子自感；Lm為定轉(zhuǎn)子互感；σ為漏感系數(shù)；Δur為解耦項(xiàng)。

此外，文獻(xiàn)[20]在同步控制環(huán)內(nèi)附加一個輔助控制環(huán)，其控制結(jié)構(gòu)如圖2b所示。圖中，θo為電網(wǎng)電壓相角；Gsy（ns）用于完成并網(wǎng)前的相角同步，采用PI控制；G（ds）用于抑制雙饋電機(jī)的軸系扭振，控制方程為

式中：Kd為軸系阻尼增益；Td為濾波器截止時間常數(shù)。

1.2 電壓控制型內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)劃分

在1.1.2節(jié)中介紹了轉(zhuǎn)矩同步方式下的兩種不同的控制結(jié)構(gòu)。同樣，在功率同步方式下也能根據(jù)有無內(nèi)環(huán)和內(nèi)外環(huán)結(jié)構(gòu)的不同將其劃分為多種形式。

1.2.1 單功率環(huán)結(jié)構(gòu)

圖1所示的控制結(jié)構(gòu)只含有單一的功率環(huán)，為最基礎(chǔ)的功率同步控制方式，文獻(xiàn)[9，21-22]均采用該結(jié)構(gòu)。

1.2.2 功率外環(huán)+雙PI內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)

文獻(xiàn)[15]在目前的功率環(huán)控制的基礎(chǔ)上，加入雙PI內(nèi)環(huán)控制，并對有功環(huán)附加虛擬角速度調(diào)節(jié)。外環(huán)采用VSG控制策略，內(nèi)環(huán)采用雙饋電機(jī)定子電壓、轉(zhuǎn)子電流雙PI閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，能夠較好地穩(wěn)定定子電壓，在弱網(wǎng)下具有良好的運(yùn)行特性，其基本控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖中，Kω為虛擬調(diào)速系數(shù)；E0為額定電壓；nq為無功下垂系數(shù)；usd，usq分別為定子d，q軸電壓；urd，urq分別為轉(zhuǎn)子d，q軸電壓；分別為轉(zhuǎn)子d，q軸電流指令值。

1.2.3 無功功率環(huán)+虛擬阻抗結(jié)構(gòu)

由于參與電網(wǎng)并網(wǎng)缺少鎖相環(huán)的預(yù)同步控制，DFIG定子與電網(wǎng)的電壓幅值和初始時刻相位可能存在一定的偏差。文獻(xiàn)[14]提出一種在無功功率控制外環(huán)上附加虛擬阻抗的策略，實(shí)現(xiàn)了雙饋風(fēng)電機(jī)組快速平滑并網(wǎng)。以輸出虛擬電流iabc,ref作閉環(huán)參考電流，其控制方程為

式中：Lv為虛擬電感；Rv為虛擬阻抗；us，abc為定子的三相電壓；Eabc為無功-電壓環(huán)的輸出電壓。

該控制采用轉(zhuǎn)子電流外環(huán)、轉(zhuǎn)子電壓內(nèi)環(huán)的雙環(huán)結(jié)構(gòu)，并將定子電壓作為前饋補(bǔ)償項(xiàng)，能夠?qū)崿F(xiàn)雙饋電機(jī)的快速平滑并網(wǎng)，其控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1.2.4 三種不同有功功率控制結(jié)構(gòu)

文獻(xiàn)[23]討論了三種不同的有功功率控制方案，分別為：一階轉(zhuǎn)矩方程（1st-OTE）控制方式、PI控制方式和超前滯后（LL）控制方式。有功功率控制的數(shù)學(xué)模型如圖5所示。圖中，E，V分別為電動勢與電網(wǎng)電壓的均方根，X為線路阻抗。

1）1st-OTE控制方式下，有功回路控制器的控制方程為該控制方式與前文相同，在此不再贅述。

2）常用的PI控制器也可以作為有功功率控制實(shí)現(xiàn)的方案，其有功回路控制器的控制方程為

在電網(wǎng)頻率發(fā)生變化時，PI調(diào)節(jié)能使輸出功率在穩(wěn)定狀態(tài)下等于參考值。該方式無需使用額外的下垂控制環(huán)就能精確地實(shí)現(xiàn)功率跟蹤控制，這使得外部下垂控制器的參數(shù)設(shè)置更加簡單直觀。通過適當(dāng)設(shè)置PI控制器增益，同樣可以保證系統(tǒng)所需的慣性和阻尼特性。

3）LL控制是在1st-OTE控制方式的基礎(chǔ)上，通過增加下垂分支來控制穩(wěn)態(tài)下的P—f下垂增益。該控制方式通過引入一個新的自由度KG來調(diào)整功率傳遞函數(shù)的偏移量，其有功回路控制器的控制方程為

與1st-OTE控制方式相比，LL控制方式在不增加功率調(diào)節(jié)傳遞函數(shù)階數(shù)的情況下提供了一個額外的自由度，并且還具有內(nèi)置的P—f下垂特性，可以獨(dú)立于慣性和阻尼參數(shù)設(shè)置。

2 弱網(wǎng)下VC-DFIG穩(wěn)定性分析

弱電網(wǎng)下雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定性問題是目前研究的一個重點(diǎn)。VC-DFIG采用基于功率同步的方式能夠有效地減小鎖相環(huán)同步所帶來的影響，使其在弱電網(wǎng)下運(yùn)行具有一定的優(yōu)勢。

2.1 VC-DFIG建模

2.1.1dq導(dǎo)納建模

對于控制框圖1的VC-DFIG在dq導(dǎo)納建模過程中主要考慮功率環(huán)和電機(jī)本體的模型，經(jīng)過小信號線性化后得到定子端電流和電壓之間的導(dǎo)納關(guān)系。

以Δ代表對應(yīng)參數(shù)的小信號變化量，功率環(huán)小信號化如下式所示：

根據(jù)同步方程可以得到轉(zhuǎn)子電壓d，q軸分量如下：

將轉(zhuǎn)子電壓小信號化得到轉(zhuǎn)子電壓與功率環(huán)之間的關(guān)系：

式中：θr0為轉(zhuǎn)子參考電壓相角在工作點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)值。

聯(lián)立雙饋電機(jī)小信號方程[14]，得到輸出阻抗表達(dá)式為

2.1.2 序阻抗建模

對于控制框圖3采用基于諧波線性化建模方式得到序阻抗模型，在建模過程中主要考慮功率環(huán)、定子電壓環(huán)、轉(zhuǎn)子電流環(huán)以及雙饋電機(jī)本體模型[24-25]。

定義并網(wǎng)點(diǎn)電壓和轉(zhuǎn)子電流在頻域中的表達(dá)式如下：

式中：Vs1，φv1分別為定子電壓基頻幅值和相位；Vsp，φvp分別為正序擾動電壓幅值和相位；Ir1，φir1分別為轉(zhuǎn)子電流基頻幅值和相位；Irp，φirp分別為轉(zhuǎn)子正序擾動電流幅值和相位；fx為對應(yīng)情況下的頻率；V1，Vp，Ir1，Irp為指定頻率下的復(fù)數(shù)值。

定子側(cè)輸出功率在頻域中的表達(dá)式如下式：

式中：Is1為定子電流基頻分量復(fù)數(shù)值；Isp為定子正序擾動電流復(fù)數(shù)值；上標(biāo)“*”表示復(fù)數(shù)的共軛；DC表示直流情況。

根據(jù)功率環(huán)得到的角度和電壓小信號分量在頻域中的表達(dá)式如下式：

式中：n為電機(jī)轉(zhuǎn)速。

功率環(huán)輸出的角度擾動和幅值擾動將通過d，q軸分量傳遞到定子電壓環(huán)和轉(zhuǎn)子電流環(huán)的控制中。經(jīng)過內(nèi)環(huán)得到的轉(zhuǎn)子電壓d，q軸頻域分量表達(dá)式如下式：

式中：Hu（ss），H（irs）分別為定子電壓環(huán)和轉(zhuǎn)子電流環(huán)PI參數(shù)。

最終聯(lián)立雙饋電機(jī)序阻抗模型，得到并網(wǎng)點(diǎn)電壓和定子電流的序阻抗關(guān)系。

2.2 輸出阻抗分析

對于控制框圖3采用序阻抗建模得到的輸出正序阻抗波特圖如圖6所示，圖中實(shí)線和星號線分別為VC-DFIG輸出正序阻抗波特圖和掃頻驗(yàn)證圖。VC-DFIG正序輸出阻抗幅值整體上呈現(xiàn)上升趨勢，在基頻以下部分增長趨勢較明顯，基頻以上部分幅值增長較為緩慢。VC-DFIG輸出正序阻抗的相位在20 Hz以下呈現(xiàn)負(fù)阻特性，在50 Hz以上相位逐漸呈現(xiàn)阻感特性，且相位呈現(xiàn)增加趨勢，高頻段的相位將達(dá)到90°以上。在通過阻抗對系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析中發(fā)現(xiàn)，雙饋?zhàn)酉到y(tǒng)和電網(wǎng)子系統(tǒng)存在幅值相交點(diǎn)時，該點(diǎn)為可能發(fā)生諧振點(diǎn)。若該頻率點(diǎn)所對應(yīng)的相位差達(dá)到180°，則系統(tǒng)極易在該點(diǎn)發(fā)生諧振現(xiàn)象?？梢妼τ诖a(bǔ)電網(wǎng)和并補(bǔ)電網(wǎng)而言，系統(tǒng)極易在20 Hz以下和1 kHz以上頻段產(chǎn)生諧振現(xiàn)象。

2.3 弱網(wǎng)下VC-DFIG中高頻諧振抑制

由2.2節(jié)的阻抗分析可知，VC-DFIG在接入并聯(lián)補(bǔ)償弱電網(wǎng)時易產(chǎn)生中高頻諧振，為系統(tǒng)的運(yùn)行帶來不利影響。在目前的諧振抑制問題研究中，大多采用附加阻尼控制策略，通過重塑輸出阻抗，使得可能發(fā)生諧振點(diǎn)所對應(yīng)的相位差減小到180°以下，從而使系統(tǒng)避免產(chǎn)生諧振現(xiàn)象，提高穩(wěn)定性。

在控制框圖3的轉(zhuǎn)子電流環(huán)中加入附加阻尼控制策略，控制結(jié)構(gòu)如圖7所示。其中，ωc為高通濾波器的截止頻率，Kf為阻尼系數(shù)。

該策略在轉(zhuǎn)子電流環(huán)引入定子電流d，q軸反饋分量，并通過高通濾波器濾除反饋分量中的低頻部分，再與轉(zhuǎn)子電流環(huán)輸入進(jìn)行比較。運(yùn)用阻抗法對加入諧振抑制策略之后的VC-DFIG輸出阻抗進(jìn)行建模，其輸出正序阻抗表達(dá)式如下：

式中：Apz，Apm分別為正序分量的分子和分母增加的部分；GIPF(s)為附加阻尼控制策略等效傳遞函數(shù)。

圖8為加入諧振抑制策略后VC-DFIG輸出正序阻抗波特圖。在未加入諧振抑制策略時，電網(wǎng)子系統(tǒng)與VC-DFIG子系統(tǒng)輸出阻抗幅值交于A點(diǎn)，此時相位差大于180°，系統(tǒng)極易產(chǎn)生1 kHz以上的諧振現(xiàn)象。當(dāng)加入諧振抑制策略之后，VC-DFIG輸出阻抗幅值曲線上移，可能發(fā)生的諧振點(diǎn)也隨之上移，相位曲線逐漸減小，且隨著阻尼系數(shù)的變化，相位曲線下移得更多。選擇合適的阻尼系數(shù)后，即圖中的B點(diǎn)，該點(diǎn)對應(yīng)的相位差明顯小于180°，且留有一定的裕度，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，采用附加阻尼控制策略能夠有效抑制諧振的產(chǎn)生。

3 電壓控制型雙饋風(fēng)電機(jī)組的應(yīng)用

為了在現(xiàn)場實(shí)際風(fēng)況不斷變化條件下測試相關(guān)策略的可行性及穩(wěn)定性，電壓控制型大功率雙饋風(fēng)電機(jī)組目前已經(jīng)在風(fēng)電基地進(jìn)行了正常啟機(jī)、并網(wǎng)運(yùn)行、功率加載等相關(guān)測試，進(jìn)一步驗(yàn)證了電壓控制型雙饋風(fēng)電機(jī)組走向產(chǎn)品化道路的可靠性。圖9為電壓控制型雙饋風(fēng)電機(jī)組在張北風(fēng)電實(shí)驗(yàn)基地現(xiàn)場運(yùn)行測試照片。主控通過CAN與變流器進(jìn)行數(shù)據(jù)及相關(guān)控制指令傳輸，變流器實(shí)時響應(yīng)主控的指令。相關(guān)波形數(shù)據(jù)可通過上位機(jī)實(shí)時數(shù)字示波器進(jìn)行觀測。

雙饋風(fēng)電機(jī)組通過四級升壓系統(tǒng)與遠(yuǎn)端500 kV電網(wǎng)相連，模擬弱網(wǎng)所用阻抗串聯(lián)在35 kV側(cè)。通過開關(guān)切換在線路中串入不同阻抗ZL，從而模擬不同短路比下的弱電網(wǎng)場景。雙饋電機(jī)參數(shù)為：轉(zhuǎn)子開路電壓1 935 V，額定電壓690 V，定子電阻 0.001 585 Ω，轉(zhuǎn)子電阻0.001 092 Ω，定子電感3.8e-5 H，轉(zhuǎn)子電感2.1e-4 H，額定轉(zhuǎn)速1 200 r/min，額定功率2 550 kW，額定風(fēng)速11.5 m/s，機(jī)組型號WD107-2500。在切入風(fēng)速為3 m/s，切出風(fēng)速為25 m/s的情況下進(jìn)行現(xiàn)場測試。

電壓控制型風(fēng)電機(jī)組勵磁啟動與相位同步過程如圖10所示，1.5 s左右開始勵磁。電壓控制型雙饋風(fēng)電機(jī)組預(yù)同步策略包括兩個部分，分別是對定子端電壓幅值和相位的同步。由于電網(wǎng)電壓幅值基本保持不變，因此對定子端電壓幅值的同步相對容易，可通過d軸電壓環(huán)調(diào)節(jié)輸出勵磁電流建立勵磁電壓。定子電壓相位的同步基于電壓矢量定向的原理，在電壓q軸定向的前提下，根據(jù)電網(wǎng)電壓矢量的相位將定子電壓變換至兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。若此時存在相位差，則定子電壓的d軸分量不為零。將該分量作為偏差擾動，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器疊加在有功環(huán)節(jié)的輸出頻率上，則可將相位偏差轉(zhuǎn)換為頻率偏差的形式。這樣，通過不同旋轉(zhuǎn)角速度的作用，電壓之間的相位差逐漸減小至零，此時就達(dá)到了相位同步的效果。從圖10細(xì)節(jié)放大圖可以看出，1.7～1.8 s相位還未完全同步，2～2.1 s相位已經(jīng)完全同步，在勵磁電壓建立的過程就完成了相位同步，整個勵磁過程運(yùn)行平滑，勵磁電壓建立過程無超調(diào)。

圖11表示在大風(fēng)時，機(jī)組持續(xù)運(yùn)行在最大功率2.55 MW的功率波形。由于機(jī)組主控制器以轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，限功率運(yùn)行時仍然有小幅功率波動，在此過程中機(jī)組變流器控制始終能平滑快速跟蹤主控功率指令變化，并長時間穩(wěn)定運(yùn)行。無功功率在此過程中波動很小，電壓控制型雙饋風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)滿足電網(wǎng)電能質(zhì)量要求。

圖12為定、轉(zhuǎn)子的電流波形。定子電流頻率與電網(wǎng)頻率相同，為50 Hz；轉(zhuǎn)子電流頻率為10 Hz，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為1 200 r/min。定、轉(zhuǎn)子電流運(yùn)行相對平滑，無明顯畸變，滿足并網(wǎng)諧波要求。

圖13為弱電網(wǎng)短路比為1.5時的功率加載波形。隨著電網(wǎng)強(qiáng)度變?nèi)?，電壓控制型風(fēng)電機(jī)組有功加載過程中，為了保證并網(wǎng)點(diǎn)電壓恒定，需要補(bǔ)償一定無功功率。電壓控制型策略在弱電網(wǎng)下具有電壓控制環(huán)，因此能自發(fā)補(bǔ)償無功，維持端電壓恒定。

4 電壓控制型雙饋風(fēng)電機(jī)組的未來研究課題

電壓控制型雙饋風(fēng)電機(jī)組相比于傳統(tǒng)電流控制型在弱電網(wǎng)場景下具有一定優(yōu)勢。本文對電壓控制型雙饋風(fēng)電機(jī)組同步方式和內(nèi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)以及阻抗/導(dǎo)納建模進(jìn)行了相關(guān)的歸納、總結(jié)、研究，形成綜述，以期為后續(xù)相關(guān)研究提供一定參考。

現(xiàn)有的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電壓控制型技術(shù)仍然不能避免其有功、無功功率在動態(tài)過程中存在的耦合問題，當(dāng)兩種功率環(huán)的控制目標(biāo)不同時，控制效果定會受到耦合的影響。因此，有功、無功功率的完全解耦控制也需要進(jìn)行深入研究。此外，目前控制策略的側(cè)重點(diǎn)主要在于機(jī)側(cè)變流器控制，如何充分發(fā)揮網(wǎng)側(cè)變流器的控制效能也值得后續(xù)探討研究。