不同控制策略对双馈风机暂态特性影响仿真研究

王燕萍，郑　涛，王增平

(新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)，北京　102206)



不同控制策略对双馈风机暂态特性影响仿真研究

王燕萍，郑涛，王增平

(新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)，北京102206)

0　引　言

基于双馈感应发电机(DFIG)的双馈风力发电机采用两个背靠背、通过直流环节连接的两电平电压型PWM变换器进行交流励磁，实现能量的双向流动[1]。这个双PWM变换器通过采用不同的控制策略，各自实现自己的控制目标[2-3]。其中网侧变换器主要实现保持直流母线电压稳定，保证输入电流正弦和控制输入功率因数；机侧变换器主要是在变速恒频的前提下实现最大风能追踪，和通过独立控制电机转速，实现有功功率和无功功率解耦，从而灵活地调节无功。

由于双馈风机特殊的结构，其故障暂态特性相比于传统同步机更为复杂，对含有高渗透率分布式双馈风电机组的电网保护提出了挑战[4]。目前，针对不同程度的故障，双馈风机采用的低电压穿越策略不同：当故障导致机端电压轻微跌落时，风机主要靠本身的控制策略实现并网运行；当故障导致机端电压严重跌落时，一般采用在转子回路里串接撬棒电路将转子侧短接，同时闭锁转子侧变频器以实现双馈风机的低电压穿越运行[5]。

但无论是网侧变频器还是机侧变频器可以采用的控制策略均有很多种，当它们分别采用不同的控制策略时，故障期间呈现的暂态特性将会不同，对电网保护产生的影响也会存在差异。文献[6]详细推导了基于定子磁场旋转坐标系下的控制策略并设计了相应的PI控制器，仿真验证了该控制策略的合理性及控制器设计的有效性。文献[7]针对双馈风力发电机组的低电压穿越能力的问题，分析了目前已有的各种应对策略，并提出了结合Crowbar和直流卸荷电路应对电网电压跌落时的控制策略。文献[8-10]分别建立和分析了各类矢量控制策略在双馈风机并网运行时的特性，但缺乏对发生故障时的风机暂态特性的分析。文献[11]提出了一种以定子电压综合矢量恒定为控制约束的直接功率控制，建模仿真了该控制策略的有效性。文献[12-15]提出了一些先进的直接功率控制策略在变频器上的应用，但大多是对原有控制策略的改进。总结现有研究情况，虽然对变频器的各种控制策略研究已经很多，但都不全面，缺少对不同控制策略的控制效果的对比分析，特别是对不同控制策略下的故障暂态特性的对比研究。

基于以上分析，本文根据网侧基于电网电压定

向的矢量控制策略和直接功率控制策略，机侧基于定子磁链定向的矢量控制策略和直接功率控制策略，在EMTDC/PSCAD中搭建了两套应用不同控制策略的双馈风机仿真模型,脉冲触发方式均采用SVPWM，对电网发生对称性短路故障时不同控制策略下的暂态特性进行了仿真对比研究，考虑到电网导则对电网电压故障时变流器的无功功率控制的要求，仿真对比了基于不同控制策略的网侧变频器发无功时对电网电压的支撑作用。总结分析了不同控制策略对双馈风机对称性短路故障暂态特性的影响及产生差异的原因，为更加深入研究基于不同控制策略的双馈风机的故障暂态特性奠定了基础。

1　变频器控制策略研究

1.1网侧变频器控制策略

根据文献[1，8]可得同步速旋转dq坐标系下基于电网电压定向的网侧变频器矢量控制策略和直接功率控制策略原理图如图1所示。

图1　网侧变频器控制策略原理图

1.2机侧变频器控制策略

理想对称电网电压条件下DFIG风电系统稳态运行，定、转子侧均采用电动机惯例，可得机侧基于定子磁链定向的矢量控制策略和直接功率控制策略原理图如图2所示。

图2　机侧变频器控制策略原理图

对比基于定子磁链定向的矢量控制策略和直接功率控制策略原理图：矢量控制策略有两个PI控制环，外环是功率环，内环是转子电流环，其可控对象是转子电压，被控对象是转子电流。直接功率控制策略只有一个PI控制环，即功率环，其可控对象是转子电压，被控对象是定子功率。相比而言，直接功率控制省去了电流控制环，简化了控制结构，动态响应快，且受电机参数和运行工况影响小，鲁棒性好。

2　不同控制策略双馈风机运行特性仿真

以仿真软件EMTDC/PSCAD为平台，结合上一节介绍的数学模型，变频器脉冲触发方式为电压空间矢量调制(SVPWM)的情况下，搭建了两套30kW双馈发电机风力系统仿真模型，一套网侧和机侧都采用矢量控制策略，一套网侧和机侧都采用直接功率控制策略，均于超同步方式运行，转差率s=-0.2，基本参数如表1。

表1　30kW双馈感应发电机参数

2.1不同控制策略的双馈风机稳态特性

图3为采用矢量控制策略(VC)和直接功率控制策略(DPC)的两套仿真模型稳态运行时定、转子电流仿真波形。

图3　DFIG稳态运行电流

从图3可以看出，矢量控制策略的定、转子电流与直接功率控制的定、转子电流基本一致，存在的微小差异主要是不同控制策略PI控制器参数设置误差引起的。因此可以得出结论：如果忽略不同控制策略PI控制器参数设置误差的影响，本文提出的两套不同控制策略对风机稳态运行特性影响一致，且均能保证风机正常的并网运行。

2.2机端电压轻微跌落时不同控制策略下双馈风机的暂态特性

图4～5为采用矢量控制策略和直接功率控制策略的两套仿真模型在发生轻微对称性短路故障导致机端电压不同程度跌落时的短路电流仿真波形。故障在1 s时发生，撬棒电路不投入，风机依靠自身的控制策略实现并网运行，故障持续时间0.3 s。

图4　DFIG机端电压跌落至80%时的短路电流

图5　DFIG机端电压跌落至60%时的短路电流

分析图4～5可知，非严重故障时，随着机端电压跌落程度的加深，矢量控制策略和直接功率控制策略的定、转子短路电流特性差异逐渐增大。出现上述现象的原因就在根据自动控制理论，快速响应性和调整时间与过调量是相互矛盾的，即满足快速响应性和调整时间的系统，往往会有较高的过调量；而不存在过调的系统，往往无法保证具有满意的快速响应性和调整时间。正因为如此，转子侧直接功率控制直接利用PI调节器调节瞬时有功、无功功率，响应速度快，在出现功率偏差的时候，直接功率控制的单环PI快速调节定子功率使功率偏差变小，功率与电流波动持续时间缩短但会引起过调量变大，即故障瞬时短路电流幅值会较大，而矢量控制是双环结构，响应速度慢，调整时间长但过调量小，所以故障瞬间短路电流的幅值较小，且故障稳态期间电流也相应较小。

2.3机端电压严重跌落时不同控制策略下风机的暂态特性

图6所示为采用矢量控制策略和直接功率控制策略的两套仿真模型在发生严重对称性短路故障导致机端电压跌落至零时的短路电流仿真波形。故障在1 s时发生，故障瞬间投入撬棒电路并封锁转子侧变频器的触发脉冲，故障持续时间0.3s。

图6　DFIG机端电压跌落至零时的短路电流

从图6可以看出，严重故障时，不考虑撬棒动作的延时，矢量控制与直接功率控制的定、转子短路电流特性基本一致。原因在于严重故障时，撬棒电路瞬间动作，转子侧控制在故障期间不起作用，只有网侧控制起作用，而网侧控制策略对定、转子短路电流特性基本无影响。

实际运行中，当DFIG机端电压严重跌落时，从故障发生到撬棒动作存在一定的延时，为更贴近实际情况，图7、8仿真对比了机端电压跌落至0时考虑撬棒动作延时时间不同的两种控制策略的短路电流。

图7　延时3ms投入撬棒定、转子电流仿真波形

图8　延时5ms投入撬棒定、转子电流仿真波形

分析图7、8可知，故障发生后撬棒投入时刻不同，风机的定、转子短路电流特性不同，直接功率控制的短路电流较矢量控制的短路电流提前到达峰值，且幅值大于矢量控制。撬棒电路越晚投入，不同控制策略的定、转子短路电流差异越大，且主要体现在故障初期。原因在于短路电流特性主要由转子侧控制策略决定，直接功率控制利用PI调节器调节瞬时有功、无功功率，响应速度快，但过调量大，所以故障瞬间直接功率控制的短路电流峰值较大，撬棒越晚投入，转子侧控制策略起作用时间越长，特性差异越明显，仿真结果与理论分析一致。

2.4基于不同控制策略的网侧变流器对直流母线电压的稳定作用

考虑到网侧变流器的主要作用在于保持直流母线电压稳定，有必要分析一下基于不同控制策略的网侧变流器对保持直流母线电压稳定的效果，下图所示为对称故障导致机端电压跌落至80%时不同控制策略下直流母线电压仿真结果，故障时间为0.5s。

图9　不同控制策略对直流母线电压的稳定作用

由图9可知基于直接功率控制的网侧变流器对直流母线电压的稳定效果比矢量控制要好，其波动幅度小，故障切除后能更快地恢复至稳定值。原因在于网侧直接功率控制通过调节功率来实现控制，响应速度快，鲁棒性性强。

2.5故障期间网侧变流器发无功对电网电压的影响

电网电压故障时变流器的无功功率控制是目前电网导则所要求的，与传统的恒速恒频风力发电机相比，DFIG功率因数可在+0.95到-0.95之间调整，可以在一定的范围内调整输出的有功和无功，其无功调节能力可以在电网发生轻微对称或不对称故障时维持电压稳定[16]。文献[17]指出网侧变流器的控制带宽明显高于发电机组，可对电网故障迅速做出反应，因此，在故障期间选择通过网侧变流器向电网注入无功比选择转子侧变流器通过发电机注入无功要容易实现，也更加可靠。因此本文主要研究基于不同控制策略的网侧变频器在故障期间发无功对电网电压的支撑作用。图10所示为电网电压轻微跌落时，单台不同控制策略风机网侧无功输出仿真对比图，图11为多台(10台)基于矢量控制策略机组并列运行和多台(10台)基于直接功率控制策略机组并列运行时对电网电压支撑作用仿真对比图。

图10　单台不同控制策略机组网侧无功输出

图11　多台不同控制策略机组对电网电压的支撑作用

从图10可以看出，单台基于不同控制策略的网侧变频器无功输出只在故障初始和结束时特性略有差异，原因就在于直接功率控制与矢量控制的动态响应能力不同，而进入稳定后的控制效果相同，所以故障期间输出幅值相差很小，因而可以推断多台机并列运行时，基于不同控制策略的机组对故障期间电网电压的支撑作用基本相同，图11的仿真结果验证了这一推论。

3　结　论

本文根据网侧基于电网电压定向的矢量控制和直接功率控制策略，机侧基于定子磁链定向的矢量控制和直接功率控制策略，分别搭建了基于矢量控制策略和直接功率控制策略的两套双馈风机仿真模型。结合仿真和理论分析得出以下结论：

① 机端电压轻微跌落时，转子侧控制起作用，转子侧直接功率控制直接利用PI调节器调节瞬时有功、无功功率，响应速度快，在出现功率偏差的时候，直接功率控制的单环PI快速调节定子功率使功率偏差变小，功率与电流波动持续时间缩短但会引起过调量变大，即故障瞬时短路电流幅值会较大，电压跌落程度越深，特性差异越明显；

② 机端电压严重跌落，撬棒电路瞬间动作时，转子侧控制在故障期间不起作用，只有网侧控制起作用，短路电流特性无差异；

③ 机端电压严重跌落时，撬棒越晚投入，转子侧控制作用时间越长，不同的控制策略，短路电流特性差异越大；

④ 基于直接功率控制的网侧变流器对直流母线电压的稳定效果比矢量控制要好，其波动幅度小，故障切除后能更快地恢复至稳定值；

⑤ 单台基于不同控制策略的网侧变频器无功输出只在故障初始和结束时特性略有差异，故障期间输出幅值相差很小，相同数量的矢量控制机组并列运行和相同数量的直接功率控制机组并列运行时对故障期间电网电压的支撑作用基本相同。

[1]贺益康，胡家兵，徐烈.并网双馈异步风力发电机运行控制[M].北京：中国电力出版社，2012.

[2]Petersson A，Thiringer T，Harnefors L,et al.Modeling and experimental verification of grid interaction of a DFIG wind turbines[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2005,20(4): 878-885.

[3]刘其辉，贺益康，赵仁德.交流励磁变速恒频风力发电系统的运行与控制[J].电工技术学报,2008,23(1): 129-136.

[4]郑重，杨耕，耿华.电网故障下基于撬棒保护的双馈风电机组短路电流分析[J].电力自动化设备,2012,32(11): 7-15.

[5]Rahimi M，Parniani M．Grid-fault ride-through analysis and control of wind turbines with doubly fed induction generators[J]．Electric Power Systems Research，2010(8)：184-195.

[6]李晶，宋家骅，王伟胜.考虑变频器特性的变速恒频双馈风力发电机组控制策略的研究与仿真[J].电网技术,2004,28(21): 11-16.

[7]朱颖，李建林，赵斌.双馈型风力发电系统低电压穿越策略仿真[J].电力自动化设备,2010,30 (6): 20-24.

[8]任永峰，李含善，李建林,等.并网型双馈电机风力发电系统建模与仿真[J].电力系统及其自动化学

报,2009,21(5): 24-29.

[9]赵仁德，贺益康.PWM整流器虚拟电网磁链定向矢量控制仿真研究[J].电力系统及其自动化学报,2005,17(5): 94-98.

[10]Sulla F，Svensson J，Samuelsson O.Symmetrical and unsymmetrical short-circuit current of squirrel-cage and doubly-fed induction generators[J].Elec tric Power Systems Research,2011,81(7): 1610-1618.

[11]张俊峰，毛承雄，陆继明，等.双馈感应发电机的直接功率控制策略[J].电力自动化设备,2006,26(4): 31-35.

[12]李生民，何欢欢，张玉坤，等．基于滑模变结构的双馈风力发电机直接功率控制策略研究[J]．电网技术，2013，37(7)：2006-2010．

[13]郭晓明，贺益康，何奔腾.双馈异步风力发电机开关频率恒定的直接功率控制[J].电力系统自动化,2008,32(1): 61-65.

[14]LOPEZ J，GUBIA E，OLEA E，et al.Ride through of wind turbines with doubly fed induction generator under symmetrical voltage dips[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2009，56(10)：4246-4254.

[15]陈伟，邹旭东，唐建，等.三相电压型PWM整流器直接功率控制调制机制[J].中国电机工程学报,2010,30(3):35-41.

[16]赵利刚，房大中，孔祥玉，等.综合利用SVC和风力发电机的风电场无功控制策略[J].电力系统保护与控制,2012,40(2):45-50.

[17]梁亮，李建林，许洪华．电网故障下双馈感应式风力发电系统的无功功率控制策略[J]．电网技术，2008，32(11)：70-73．

(责任编辑：杨秋霞)

Simulation Research on the Impact of Different Control Strategies on Transient Characteristics of DFIG

WANG Yanping，ZHENG Tao，WANG Zengping

(State Key Laboratory for Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources (North China Electric Power University),Beijing 102206,China)

本文根据网侧基于电网电压定向的矢量控制策略和直接功率控制策略及机侧基于定子磁链定向的矢量控制策略和直接功率控制策略，在PSCAD平台上分别搭建了基于矢量控制策略和直接功率控制策略的两套双馈风机仿真模型，对比分析了电网发生对称性短路故障导致机端电压不同程度轻微跌落和严重跌落时基于不同控制策略的风机的暂态特性，分析了不同时刻投入撬棒电路时基于不同控制策略的风机短路电流特性，并仿真分析了基于不同控制策略的网侧变频器不发无功时对直流母线电压的稳定作用及发无功时对电网电压的支撑作用，最后总结了不同控制策略对双馈风机对称性短路故障暂态特性的影响。

双馈风机；矢量控制；直接功率控制；撬棒电路；无功；暂态特性

In this paper,two simulation models of DFIG are set up respectively based on direct power control strategy and vector control strategy by using PSCAD simulation platform,on which the voltage oriented vector control and direct power control strategy are applied at grid side,and the stator flux oriented vector control and direct power control strategy are used at rotor side.Then the transient properties of wind turbine based on different control strategies when different mild and serious voltage dip caused by symmetric fault are analyzed based on the different control strategies.And the characteristic of short-circuit current for wind turbine based on different control strategies is analyzed when the crowbar circuit is put into at different times.The stabilizing effect on DC bus voltage when grid-side converter doesn’t output reactive power based on different control strategies is analyzed as well as the supporting effect on network voltage when grid-side converter outputs reactive power.In the end,the impact of different control strategies on fault transient characteristics of DFIG is summarized.

DFIG; vector control; direct power control; Crowbar circuit; reactive power; transient characteristics

1007-2322(2016)04-0072-07

A

TM713

国家电网公司科技项目(JB17201300189)

2015-07-02

王燕萍(1991-)，女，硕士研究生，研究方向为新能源电力系统的保护与控制，E-mail:942652275@qq.com；

郑涛(1975-)，男，博士，副教授，研究方向为电力系统保护与控制，E-mail:zhengtao_sf@126.com；

王增平(1964-)，男，教授，博士生导师，研究方向为微机保护、变电站综合自动化等，E-mail:wangzp1103@sina.com。