王聰博, 余 越, 黃 森, 裴金鑫, 王劍鋒, 姚 駿

(1. 電網(wǎng)安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國電力科學(xué)研究院有限公司), 北京 100192; 2. 輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(重慶大學(xué)), 重慶 400044; 3. 重慶嘉陵華光光電科技有限公司, 重慶 400700)

1 引言

由于能源危機(jī)加劇以及環(huán)境惡化,風(fēng)能等可再 生能源的開發(fā)力度持續(xù)擴(kuò)大[1,2]。雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)(Doubly Fed Induction Generator,DFIG)因其變速恒頻、效率高以及技術(shù)成熟等優(yōu)勢(shì),現(xiàn)已成為大規(guī)模并網(wǎng)風(fēng)電的主流機(jī)型[3,4]。然而,受限于電力電子器件的弱抗擾性,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在電網(wǎng)嚴(yán)重對(duì)稱短路故障條件下極易出現(xiàn)失步脫網(wǎng)事故[5-7]?？梢?大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)給電力系統(tǒng)的可靠性帶來巨大挑戰(zhàn)[8]。因此,亟需對(duì)DFIG在對(duì)稱短路故障下的同步穩(wěn)定機(jī)理和關(guān)鍵致穩(wěn)技術(shù)展開研究。

目前,風(fēng)電系統(tǒng)在電網(wǎng)對(duì)稱短路故障下的同步穩(wěn)定問題已引起了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。為保障含風(fēng)電電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行,國內(nèi)外系統(tǒng)運(yùn)營商已經(jīng)普遍針對(duì)風(fēng)電機(jī)組制定了相應(yīng)的并網(wǎng)導(dǎo)則,要求機(jī)組在短路故障下應(yīng)具備低電壓穿越(Low Voltage Ride Through,LVRT)能力[9,10]。文獻(xiàn)[11]揭示了DFIG靜態(tài)穩(wěn)定極限,但是并未涉及電網(wǎng)短路故障場(chǎng)景下的同步穩(wěn)定機(jī)理分析,并且忽略了鎖相環(huán)(Phase-Locked Loop,PLL)的控制效應(yīng),未能準(zhǔn)確刻畫揭示DFIG的同步機(jī)制。文獻(xiàn)[7]采用相平面法揭示了新能源發(fā)電系統(tǒng)的同步失穩(wěn)機(jī)理,但該方法難以提供清晰的物理視角,不能識(shí)別出造成鎖相環(huán)失步的主導(dǎo)因素,也無法給出一個(gè)通用的穩(wěn)定判據(jù)。文獻(xiàn)[12,13]則通過動(dòng)態(tài)矢量三角形圖示法,分析了風(fēng)電系統(tǒng)各電壓矢量的相對(duì)運(yùn)行變化趨勢(shì),初步揭示了系統(tǒng)的同步失穩(wěn)演化規(guī)律及其失穩(wěn)形態(tài)。文獻(xiàn)[14]指出風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)在電網(wǎng)深度故障條件下的同步穩(wěn)定裕度大幅減小,此時(shí)若有功/無功電流指令設(shè)置不當(dāng),系統(tǒng)工作點(diǎn)將越過可控范圍造成系統(tǒng)與電網(wǎng)失去同步。除此之外,文獻(xiàn)[15]指出隨著電網(wǎng)強(qiáng)度的逐漸弱化,風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在故障持續(xù)期間還存在小信號(hào)失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。文獻(xiàn)[16,17]則提到不合適的鎖相環(huán)參數(shù)或者內(nèi)部電流環(huán)參數(shù)同樣會(huì)導(dǎo)致DFIG出現(xiàn)小信號(hào)振蕩問題。但是,文獻(xiàn)[15-17]并未給出明確的小信號(hào)同步穩(wěn)定判據(jù)。

與此同時(shí),現(xiàn)有研究也提出了一些同步穩(wěn)定控制方法。文獻(xiàn)[18]提出了一種PLL附加阻尼控制策略,可顯著抑制風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的小信號(hào)振蕩,但是該策略無法應(yīng)對(duì)平衡點(diǎn)缺失所帶來的失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。文獻(xiàn)[19,20]則提出了基于線路阻感比的有功/無功電流指令最優(yōu)配比方法,能夠確保風(fēng)電系統(tǒng)在故障期間一定存在平衡點(diǎn),但該方法很可能無法滿足電網(wǎng)導(dǎo)則的無功需求。文獻(xiàn)[13,21]則從自穩(wěn)性的角度出發(fā),提出將PLL角頻率偏差引入到有功電流/功率指令,從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)平衡點(diǎn)的自動(dòng)調(diào)節(jié),但該策略極易受變流器容量限制。

綜上所述,針對(duì)電網(wǎng)對(duì)稱短路故障下DFIG 的同步穩(wěn)定問題已有一些研究成果,但缺少定量分析方法,此外,現(xiàn)有的穩(wěn)定控制策略應(yīng)用場(chǎng)景受限,適應(yīng)性較差。因此,亟需對(duì)DFIG在短路故障下的同步穩(wěn)定機(jī)理、量化失穩(wěn)判據(jù)以及可塑性較強(qiáng)的穩(wěn)定控制方法展開研究。本文從PLL的鎖相同步原理出發(fā),揭示了DFIG系統(tǒng)的同步失穩(wěn)機(jī)理,發(fā)現(xiàn)了可同時(shí)滿足大/小信號(hào)同步穩(wěn)定性約束的DFIG理想穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域,基于此,本文提出了一種基于虛擬負(fù)電阻的鎖相環(huán)改進(jìn)控制方法,可等效地抵消電網(wǎng)阻抗的電阻效應(yīng),進(jìn)而增強(qiáng)LVRT期間DFIG的同步穩(wěn)定性。最后,利用仿真與實(shí)驗(yàn)算例對(duì)理論分析的正確性和所提控制策略的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。

2 LVRT期間并網(wǎng)DFIG同步穩(wěn)定邊界

2.1 DFIG等效電路模型

DFIG的結(jié)構(gòu)及其控制框圖如圖1所示。圖1中U、E分別為故障點(diǎn)電壓矢量與DFIG并網(wǎng)點(diǎn)電壓矢量;I為DFIG輸出電流矢量;Z和Zg分別為DFIG出口端到故障點(diǎn)間的線路阻抗矢量以及故障點(diǎn)到無窮大電網(wǎng)之間的等值連接阻抗矢量;ωPLL和θPLL分別為PLL的輸出角頻率和輸出角度;Lg和Cf分別為DFIG網(wǎng)側(cè)變換器的濾波電感和并網(wǎng)點(diǎn)處的濾波電容;Udc為DFIG變換器直流母線電壓。

圖1 DFIG控制框圖Fig.1 Control diagram of DFIG

在電網(wǎng)正常運(yùn)行工況下,為實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤和單位功率因數(shù)運(yùn)行,DFIG的轉(zhuǎn)子側(cè)變換器(Rotor Side Converter,RSC)采用包含功率外環(huán)以及電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)工作模式。當(dāng)檢測(cè)到電網(wǎng)發(fā)生三相對(duì)稱短路故障后,RSC將立刻閉鎖功率外環(huán),直接采用單電流環(huán)控制模式,以滿足電網(wǎng)導(dǎo)則的快速無功要求。此時(shí),DFIG處于定電流工作模式,可等效為圖2所示的受控電流源,φ為機(jī)端到故障點(diǎn)之間的相位差,θi為DFIG輸出電流與機(jī)端電壓之間的相角,θz為對(duì)應(yīng)線路阻抗的阻抗角。

圖2 電網(wǎng)短路故障下DFIG等效電路Fig.2 Equivalent circuit of DFIG under grid fault

PLL是DFIG實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)同步的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。圖3給出了典型的PLL控制框圖。圖3中,ω0為電網(wǎng)額定角頻率,Ed和Eq分別為并網(wǎng)點(diǎn)電壓在鎖相環(huán)坐標(biāo)系下的dq軸分量。

圖3 PLL控制框圖Fig.3 Control diagram of PLL

由于本文主要研究由鎖相環(huán)主導(dǎo)的同步穩(wěn)定性。因此,在PLL的控制帶寬遠(yuǎn)低于電流環(huán)的情況下,可合理忽略電流環(huán)的動(dòng)態(tài),即DFIG的輸出電流可以瞬間跟蹤其參考值(I=Iref)。結(jié)合圖2和基爾霍夫電壓定律,可得電壓矢量方程為:

(1)

由式(1)可知,端電壓矢量E由電網(wǎng)電壓U和阻抗壓降IrefZ兩部分電壓矢量組成。

2.2 DFIG大信號(hào)同步穩(wěn)定邊界

根據(jù)圖3,可以看到PLL的輸入信號(hào)為E,并通過對(duì)Eq進(jìn)行無靜差消除,即可實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)電壓的準(zhǔn)確跟蹤。在穩(wěn)態(tài)時(shí),E、IrefZ以及U之間的電壓矢量關(guān)系圖如圖4所示,其中Eq不僅取決于U在q軸上投影,同時(shí)受IrefZ在q軸上投影的影響,這意味著DFIG與電網(wǎng)阻抗的交互作用將會(huì)影響PLL的輸入,從而影響PLL對(duì)U的跟蹤效果。根據(jù)圖4,可得到Eq的表達(dá)式為:

圖4 E、IrefZ以及U之間的矢量關(guān)系圖Fig.4 Vector diagram between E,IrefZ and U

Eq=IrefZsin(θi+θz)-Usinφ

(2)

式中,IrefZsin(θi+θz)為IrefZ在q軸上的投影值,由于電流指令明確,該項(xiàng)是定值;Usinφ為U在q軸上的投影值,受三角函數(shù)約束,Usinφ最大值是U。當(dāng)IrefZsin(θi+θz)和Usinφ之間關(guān)系滿足式(3)時(shí),則意味著Eq可被PLL調(diào)節(jié)至0,DFIG存在穩(wěn)定工作點(diǎn),系統(tǒng)不會(huì)因平衡點(diǎn)缺失而與電網(wǎng)失去同步。

IrefZsin(θi+θz)

(3)

然而,當(dāng)IrefZsin(θi+θz)和Usinφ之間的關(guān)系不滿足式(3)時(shí),無論φ為何值,U在q軸上的投影永遠(yuǎn)無法抵消IrefZ在q軸上的投影,即Eq始終無法被調(diào)節(jié)至0,這將導(dǎo)致DFIG平衡點(diǎn)缺失。此時(shí),鎖相環(huán)PI控制器的輸入信號(hào)將恒為正值或負(fù)值,進(jìn)而造成其輸出信號(hào)ΔωPLL單調(diào)增加或者減小,引起φ(φ=θPLL-θug,θug為故障點(diǎn)電壓相角)的增加或者減小,并最終導(dǎo)致DFIG系統(tǒng)與電網(wǎng)失去同步。

因此,根據(jù)式(2)和式(3),可推導(dǎo)得到DFIG的大信號(hào)同步穩(wěn)定運(yùn)行邊界:

(4)

由式(4)可知,電網(wǎng)電壓跌落程度越深,阻抗壓降越大,DFIG大信號(hào)同步穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域越小。一旦在電流給定值下的阻抗壓降與DFIG并網(wǎng)點(diǎn)電壓的相角差|θi+θz|超過(|θi+θz|)1,DFIG必然將因?yàn)椴淮嬖诖笮盘?hào)同步穩(wěn)定工作點(diǎn)而發(fā)生失步脫網(wǎng)事故。

2.3 DFIG小信號(hào)同步穩(wěn)定邊界

根據(jù)圖3和式(2)可得:

(5)

式中,kp、ki分別為鎖相環(huán)PI控制器的比例、積分系數(shù);x為選取的系統(tǒng)狀態(tài)變量之一,等于Eq對(duì)時(shí)間的積分;ωg為電網(wǎng)電壓角頻率。

進(jìn)一步,可推導(dǎo)出系統(tǒng)的小信號(hào)狀態(tài)空間方程和特征方程為:

(6)

|sN-A|=s2+skpUcosφ+kiUcosφ=0

(7)

式中,Δx和Δφ為狀態(tài)變量偏移量;A為特征矩陣;N為單位矩陣。當(dāng)φ位于區(qū)間[-π/2,π/2]內(nèi)時(shí),特征根具有負(fù)實(shí)部,表明此時(shí)DFIG 具有小信號(hào)穩(wěn)定性。根據(jù)式(7)可進(jìn)一步推導(dǎo)出阻尼比ζ為:

(8)

由式(8)可知,電壓跌落程度(U),PLL控制參數(shù)(kp、ki)以及系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)(φ)均會(huì)影響ζ。其中,不恰當(dāng)?shù)南到y(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)會(huì)使ζ減小,甚至變?yōu)樨?fù)值,從而導(dǎo)致DFIG小信號(hào)失穩(wěn)。因此,式(9)是系統(tǒng)小信號(hào)穩(wěn)定的前提。

(9)

若將式(9)代入式(2)可得:

(10)

由式(10),推導(dǎo)出DFIG小信號(hào)穩(wěn)定邊界:

(11)

比較式(4)和式(11),可以看到(|θi+θz|)s與(|θi+θz|)l的解析表達(dá)式相同。也就是說DFIG的大/小信號(hào)穩(wěn)定性相互耦合,系統(tǒng)工作點(diǎn)一旦越過穩(wěn)定邊界,系統(tǒng)將同時(shí)發(fā)生大信號(hào)失步和振蕩頻率逐漸增大的同步失穩(wěn)現(xiàn)象。

2.4 DFIG的穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域

結(jié)合2.2節(jié)與2.3節(jié)的分析結(jié)果,可以將系統(tǒng)工作點(diǎn)的運(yùn)行范圍劃分為兩個(gè)區(qū)域:

區(qū)域1:同時(shí)滿足大/小信號(hào)同步穩(wěn)定的同步穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域。

(12)

當(dāng)|θi+θz|位于該區(qū)域內(nèi)時(shí),可同時(shí)保證系統(tǒng)平衡點(diǎn)存在和阻尼比為正。

區(qū)域2:同步失穩(wěn)區(qū)域。

(13)

當(dāng)|θi+θz|位于該同步失穩(wěn)區(qū)域內(nèi)時(shí),DFIG不僅沒有平衡點(diǎn),系統(tǒng)阻尼比也將為負(fù)數(shù)。這時(shí),系統(tǒng)將同時(shí)發(fā)生大信號(hào)失步和振蕩現(xiàn)象,且在失穩(wěn)過程中振蕩頻率逐漸升高。

綜上,本節(jié)在考慮DFIG大/小信號(hào)同步穩(wěn)定約束的基礎(chǔ)上,通過解析法刻畫了系統(tǒng)工作點(diǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域,不僅可作為DFIG系統(tǒng)的同步穩(wěn)定判據(jù),還可為系統(tǒng)同步穩(wěn)定控制策略的設(shè)計(jì)提供意見。

需要說明的是,在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中同步發(fā)電機(jī)由于轉(zhuǎn)子慣量大,使其在故障期間的轉(zhuǎn)速和角度變化較為緩慢,故主要關(guān)注同步發(fā)電機(jī)在故障清除后的同步穩(wěn)定性。而以鎖相環(huán)為同步單元的DFIG發(fā)電系統(tǒng)暫態(tài)響應(yīng)較為快速,并且根據(jù)電網(wǎng)導(dǎo)則要求在故障期間內(nèi)即實(shí)現(xiàn)同步,再加之故障發(fā)生后電網(wǎng)電壓跌落,穩(wěn)定裕度驟降,導(dǎo)致新能源發(fā)電系統(tǒng)的同步失穩(wěn)主要發(fā)生在故障切除前,因此DFIG發(fā)電系統(tǒng)的同步穩(wěn)定問題則主要關(guān)注系統(tǒng)在故障期間的同步行為。

3 同步穩(wěn)定控制策略

結(jié)合式(12)可以看到,|θi+θz|越接近于0°,DFIG的工作點(diǎn)距離同步穩(wěn)定運(yùn)行邊界越遠(yuǎn),同時(shí)也就意味著系統(tǒng)的同步穩(wěn)定性越強(qiáng)。若輸電線路為純感性(即θz=π/2),則θi=-π/2時(shí)可確保|θi+θz|減小至0,從而保證故障期間DFIG系統(tǒng)的工作點(diǎn)一定位于同步穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域。雖然實(shí)際輸電線路并非純感性,但可在PLL的控制環(huán)路中引入虛擬負(fù)電阻,等效地消除輸電線路的電阻分量,從而使DFIG在故障期間近似地運(yùn)行在虛擬純感性電網(wǎng)條件下。

3.1 虛擬負(fù)電阻控制策略

基于虛擬負(fù)電阻的改進(jìn)PLL控制結(jié)構(gòu)如圖5所示,圖5中,Ev和-Rv分別為虛擬并網(wǎng)點(diǎn)電壓和虛擬負(fù)電阻。

圖5 基于虛擬負(fù)電阻的改進(jìn)PLL控制結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of improved PLL control structure based on virtual negative resistance

采用基于虛擬負(fù)電阻策略的PLL后,DFIG的等效電路圖如圖6所示。其中,φv為Ev與U之間的相角差。

圖6 采用虛擬負(fù)電阻PLL的DFIG系統(tǒng)等效電路Fig.6 Equivalent circuit of DFIG system with virtual negative resistance

3.2 采用虛擬負(fù)電阻控制策略后DFIG的大信號(hào)同步穩(wěn)定性

根據(jù)圖6可知此時(shí)DFIG的外特性表達(dá)式為:

(14)

式中,θi=-π/2;θz∈[0, π/2];Zt為虛擬并網(wǎng)點(diǎn)至故障點(diǎn)的總阻抗,其表達(dá)式為:

(15)

由圖6、式(14)以及式(15)可知,等效傳輸線的阻抗角由θz變?yōu)棣萾,故Ev的q軸分量表達(dá)式為:

Evq=IrefZtsin(θi+θt)-Usinφv

(16)

與2.2節(jié)類似,采用虛擬負(fù)電阻控制策略后,僅在滿足式(17)時(shí),DFIG才存在平衡點(diǎn)。

|IrefZtsin(θi+θt)|≤U

(17)

基于式(17),可以推導(dǎo)出Rv的范圍為:

(18)

結(jié)合上述分析,可以看到附加Zv的本質(zhì)是改變鎖相環(huán)的結(jié)構(gòu),從而改變傳輸線路的阻抗角,使得DFIG的工作點(diǎn)位于大信號(hào)同步穩(wěn)定邊界內(nèi)。因此,當(dāng)Rv滿足式(18)時(shí),可以保證DFIG不會(huì)因平衡點(diǎn)缺失而發(fā)生同步失穩(wěn)現(xiàn)象。

3.3 采用虛擬負(fù)電阻控制策略后DFIG的小信號(hào)同步穩(wěn)定性

根據(jù)式(8),可知系統(tǒng)阻尼比ζ與cosφ大小有關(guān),未采用所提負(fù)電阻控制策略時(shí),cosφ為:

(19)

采用所提控制策略后,與式(5)～式(7)的推導(dǎo)步驟同理,系統(tǒng)阻尼比ζv變?yōu)?

(20)

其中

(21)

由式(20)和式(21)可知,除PLL本身的控制參數(shù)外,改進(jìn)鎖相環(huán)后系統(tǒng)的阻尼比ζv還與Iref、U、R和Rv有關(guān)。其中,Rv可以等效地消除R,特別是當(dāng)Rv=R時(shí),系統(tǒng)阻尼比可以得到有效改善,從而提升DFIG的小信號(hào)穩(wěn)定性。

此外,為了確保ζv為正,必須滿足式(22)。

(22)

由式(22),對(duì)應(yīng)虛擬負(fù)電阻Rv取值范圍為:

(23)

值得注意的是,式(23)與式(18)相等,這意味著在PLL上附加適當(dāng)?shù)奶摂M負(fù)電阻,不僅可增強(qiáng)系統(tǒng)的大信號(hào)穩(wěn)定性,同時(shí)還可提高小信號(hào)穩(wěn)定性。因此,所提策略對(duì)DFIG故障穿越能力提升顯著。值得一提的是,虛擬負(fù)電阻僅在電網(wǎng)短路故障條件下使能,在系統(tǒng)正常運(yùn)行期間并不投入使用,因此不會(huì)對(duì)系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)造成影響。

4 仿真與實(shí)驗(yàn)研究

4.1 仿真研究

基于Matlab/Simulink仿真平臺(tái),搭建如圖7所示的DFIG時(shí)域仿真模型以驗(yàn)證上述分析。仿真的主要參數(shù)見表1,其中,仿真參數(shù)標(biāo)幺值以風(fēng)機(jī)額定參數(shù)為基準(zhǔn)值。

表1 仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters

圖7 DFIG仿真模型Fig.7 Simulation model for DFIG

下面將給出4個(gè)仿真算例分別對(duì)DFIG的穩(wěn)定機(jī)理以及控制策略進(jìn)行驗(yàn)證。仿真結(jié)果如圖8～圖11所示,在圖中分別給出了各個(gè)算例下的DFIG并網(wǎng)點(diǎn)三相電壓、輸出電流dq軸分量、并網(wǎng)點(diǎn)電壓幅值以及PLL輸出角頻率。

圖8 算例1仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results of case 1

圖9 算例2仿真結(jié)果Fig.9 Simulation results of case 2

仿真算例3:為避免算例2中的失穩(wěn)現(xiàn)象,現(xiàn)采用虛擬負(fù)電阻控制策略對(duì)DFIG的同步穩(wěn)定性進(jìn)行改善,其中Rv設(shè)置為0.228 5 pu (Zv=-0.228 5+j0),即等于R。如圖10所示,在虛擬負(fù)電阻的作用下,DFIG順利完成了故障穿越,并且由于PLL的阻尼比達(dá)到最大,同步過程快速平穩(wěn),系統(tǒng)能夠迅速恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)。

圖10 算例3仿真結(jié)果Fig.10 Simulation results of case 3

圖11 算例4仿真結(jié)果Fig.11 Simulation results of case 4

4.2 實(shí)驗(yàn)研究

為了進(jìn)一步驗(yàn)證第2節(jié)理論分析的正確性與第3節(jié)所提控制策略的有效性,現(xiàn)基于含DFIG的動(dòng)模實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。該系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其實(shí)驗(yàn)參數(shù)分別如圖12和表2所示,其中實(shí)驗(yàn)參數(shù)標(biāo)幺值以風(fēng)機(jī)額定參數(shù)為基準(zhǔn)值。

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.2 Experimental parameters

圖12 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.12 Diagram of experimental setup

設(shè)定電網(wǎng)在0.2 s發(fā)生三相對(duì)稱故障,電網(wǎng)電壓降至0.2 pu, DFIG系統(tǒng)觸發(fā)crowbar電路衰減暫態(tài)故障分量,并在0.3 s左右切斷crowbar。實(shí)驗(yàn)算例1和算例2分別驗(yàn)證失穩(wěn)邊界的正確性和所提虛擬負(fù)電阻控制策略的有效性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖13和圖14所示,圖13中的Ig、Ir和Is分別為DFIG網(wǎng)側(cè)變換器輸出電流、轉(zhuǎn)子電流和定子電流。

圖14 算例2實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.14 Experimental results of case 2

上述仿真和實(shí)驗(yàn)研究對(duì)理論分析和控制策略進(jìn)行了詳細(xì)驗(yàn)證,證明了本文所提DFIG同步穩(wěn)定判據(jù)的正確性以及虛擬負(fù)電阻控制策略對(duì)改善LVRT期間DFIG大/小信號(hào)同步穩(wěn)定的有效性。

5 結(jié)論

針對(duì)DFIG風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)在電網(wǎng)對(duì)稱短路故障下的同步穩(wěn)定問題,本文在考慮鎖相環(huán)同步機(jī)制的基礎(chǔ)上,通過解析法推導(dǎo)了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行邊界。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步將DFIG系統(tǒng)的同步穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域準(zhǔn)確地劃分為同步穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)和同步失穩(wěn)區(qū)兩個(gè)部分,從而完善了DFIG系統(tǒng)的同步失穩(wěn)判據(jù)。最后,為增強(qiáng)系統(tǒng)的故障穿越能力,本文提出了一種虛擬負(fù)電阻控制策略,該策略可以等效地消除傳輸線路的電阻效應(yīng),既能有效地增強(qiáng)系統(tǒng)的大信號(hào)同步穩(wěn)定性,又能提高阻尼比,改善系統(tǒng)的小信號(hào)穩(wěn)定性,具有良好的控制效果。值得一提的是,本文的分析結(jié)果和控制方法也可以擴(kuò)展到其他鎖相同步型新能源發(fā)電系統(tǒng),例如永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)。