基于开绕组DFIG 的交直流混合系统功率协调策略

郝宏远，何晋伟，刘晓晖，郭培健

（1.天津大学智能电网教育部重点实验室，天津 300072；2.天津电气科学研究院有限公司，天津 300180）

随着负荷以及分布式电源的日趋复杂，交直流混合微电网以其可以充分兼容不同类型的电源与负荷，减少电力变换带来的损耗的优势[1]，对于构建独立供电系统具备良好的适应性。

双馈电机DFIG（doubly-fed-induction-generator）以其容量较大、成本相对较低、兼具交流端口的特点[2]，在电力系统中取得了广泛应用。开绕组双馈电机以其更加灵活的结构优势，在独立供电系统中应用前景广阔。针对双馈电机应用于独立供电系统中，文献[3]提出了离网型双馈风力发电系统运行控制的方案；文献[4]提出了孤岛双馈风力发电系统的下垂控制策略，这对于提高系统的频率稳定性和加强功率分配等方面具有积极作用。由于可再生能源发电的不确定性，通常在离网系统中配合储能单元来维持系统稳定。储能单元和双馈电机相配合，可以作为独立供电系统的一种供电方式，储能单元的稳定运行对供电可靠性至关重要。为了满足微电网中的负载在储能单元间的合理分配，增强储能单元稳定运行能力，文献[5]提出了基于储能单元SOC 的改进下垂控制方案。为了实现双馈电机与储能单元配合使用时系统的稳定运行和负载合理分配，文献[6]提出了一种适用于双馈电机储能并联系统的功率分层协调控制策略，提高了系统在风能和负载变化时的稳定性，但变换器较多并依赖于系统全局通信。上述研究分析了储能单元独立运行和与发电单元并联时的功率分配，但对于储能单元与风电机组深度配合的交直流混合系统的功率协调方案未进行讨论。针对直流混合系统中功率协调控制问题，文献[7]研究了互联接口变换器控制策略，实现了有功功率在交、直流子网的自动协调。但上述方案需要独立的接口变换器，未能充分发挥新能源发电与储能单元深度配合的优势，也未能一并解决系统中功率协调与储能单元负载合理分配的问题。

本文提出了一种由储能单元和开绕组双馈电机深度配合的独立交直流混合供电系统，充分利用开绕组双馈电机直流母线构建直流子网。针对该系统，设计一种基于下垂控制的功率协调方案。根据储能单元SOC 实时调整定子侧变换器的有功功率下垂系数，充分发挥开绕组双馈电机的结构优势，通过小功率变换器实现对整个发电单元交流侧的功率分配。在保证稳定供电的前提下，协调系统交、直流侧的功率，实现各个储能单元的SOC均衡，提高系统稳定性。

1 系统结构

1.1 系统介绍

基于双馈电机的交直流混合微电网如图1 所示。图1（a）为双馈电机和储能单元构建的传统交直流混合微电网。多个双馈电机输出端口并联到同一条交流母线上，构建交流系统为交流负载供电；两个并联在交流母线上逆变器和相应的储能单元分别构建两条直流母线，为直流负载供电。上述结构虽然控制方案成熟，但需要多级电力变换，系统成本较高。为了充分利用双馈电机的直流母线，发挥其结构优势，本文提出了如图1（b）所示的由多台开绕组双馈电机和储能单元配合构成的交直流混合供电系统。在交流侧，开绕组双馈电机并联为交流负载供电；在直流侧，则充分利用了开绕组双馈电机的直流母线构建直流子网，使储能单元与定、转子侧变换器直流母线相连，为直流负载供电，并维持系统交流侧稳定。

图1 基于双馈电机的交直流混合微电网Fig.1 AC/DC hybrid microgrid based on DFIG

图1（b）所示为由开绕组双馈电机和储能单元深度配合构建的独立交直流混合供电系统，优势如下[11]：①充分利用开绕组双馈电机的直流母线构建直流子网，发挥了其结构优势，减少了电力变换次数；②开绕组双馈电机机组本体具备交直流互联的接口，该系统不需要依赖独立的接口变换器能即可实现有功功率在交流侧和直流侧的双向流动；③相较于传统双馈电机，开绕组双馈电机直流母线电压较低，一方面降低了储能电池DC/DC变换器的升压比，另一方面可直接为直流负载供电，减少功率变换环节，并且不需要额外的升压装置即可实现较低电压直流母线到较高电压交流输出，降低了系统成本；④开绕组双馈电机可以通过容量较小的定子侧变换器实现对整个发电单元端口的灵活调节，并具备一定的电能质量治理能力。

1.2 系统等效电路模型和功率流动

图1（b）所示的交直流混合供电系统等效电路如图2 所示。开绕组双馈电机电路模型与传统双馈电机相同，区别在于开绕组结构中端口电压由定子绕组感应电压和定子侧变换器共同提供[11]。因此，在d、q坐标系下的端口电压方程分别为

图2 DFIG 等效电路Fig.2 Equivalent circuit of DFIG

式中：uloadd、uloadq和usd、usq分别为交流端口电压和定子电压在d、q轴上的分量；ussd、ussq分别为定子侧变换器的端口电压在d、q的轴分量。

系统的功率流动如图3 所示。储能单元一方面为直流负载供电，另一方面维持定、转子变换器的直流母线电压，系统供电可靠性与储能单元稳定输出关系较大。因为负载变化和风能的不确定性，在不进行功率协调控制时，会造成各储能单元的消耗速率不一致，影响系统供电可靠性与稳定性。因此，保证各储能单元SOC均衡意义重大。

图3 交直流混合微电网系统功率流动Fig.3 Power flow in AC/DC hybrid microgrid system

2 系统交直流功率协调方案概述

下垂控制策略可以通过分散控制实现多个并联发电单元输出功率的自动分配，也是本文功率协调控制的基础。交流和直流下垂控制的基本原理[8-9]如图4所示，在此不做赘述，因为直流侧不存在无功功率，因此本文主要研究系统中有功功率的协调分配。相关交、直流下垂控制特性方程分别为

图4 交、直流下垂控制特性Fig.4 AC and DC droop control characteristics

根据式（2）所示的交流下垂方程，采用下垂控制的多个发电单元并联运行时，各单元的Pac,i与kpdroop,i成反比，如图4（a）所示。因此可以通过调整kpdroop,i来调整各个单元输出交流有功功率Pac,i。在图1（b）所示的系统中，根据图3所示的系统功率流动，改变发电单元交流侧输出功率，相应的储能单元输出功率也随之改变。储能单元内阻相对较小，根据式（3），各储能单元DC/DC 变换器采用相同下垂系数的直流下垂控制时，可以通过测量其端口电压来反映储能单元输出的功率，如图4（c）所示。基于上述原理，当各个直流负载大小或风力机输入机械功率存在差异时，根据测量各DC/DC变换器端口电压和储能单元SOC 反映出的其输出功率与SOC的情况，进而对kpdroop,i进行调整，改变风电机组与储能单元的交换功率，使各储能单元实现输出功率与SOC 成正比，保持输出功率均衡，进而实现各单元的SOC均衡。

3 基于下垂控制的功率协调控制策略

本文提出基于下垂控制的分层控制策略。图5是开绕组双馈电机和储能单元构建的独立交直流混合供电系统的控制框图，由本地控制器与中央控制器构成。其中，本地控制器由直流侧DC/DC变换器、转子侧变换器、定子侧变换器构成，中央控制器通过低带宽通信实现与本地控制器的信息交互，兼顾了系统的经济性与可靠性；中央控制器收集各个储能单元SOC信息和直流母线电压，采用功率协调控制策略计算得到定子侧变换器的有功功率下垂系数，下发到本地控制器，协调交、直流侧有功功率，使各储能单元的输出功率保持均衡，进而实现其SOC均衡，提高系统供电可靠性。分别对本地控制器和中央控制器进行介绍。

图5 系统控制框图Fig.5 Control block diagram of system

3.1 本地控制器

3.1.1 DC/DC 变换器控制策略

储能单元升压的DC/DC变换器采用下垂系数相同的直流下垂控制，通过式（3）得到输出电压的参考值，采用d、q坐标系下的电压、电流双闭环控制，维持端口电压的稳定，具体的控制方案如图5所示。

3.1.2 转子侧变换器控制策略

独立供电系统需要发电单元提供电压和频率支撑，因此转子侧变换器控制定子绕组上感应电压[11]。在d、q坐标系下采用定子磁链定向的矢量控制策略，即定子的磁链矢量与旋转坐标系d轴重合，得到Esd=0，Esq=Es。根据气隙磁链最大利用率来给定感应电压参考值。磁链方程为

3.1.3 定子侧变换器控制策略

交流端口的电压由定子绕组感应电压和定子侧变换器共同提供。其中，由转子侧变换器来维持定子绕组感应电压稳定，定子侧变换器即可控制交流端口的电压[11]。采用改进下垂控制，下垂系数由中央控制器下发更新。根据式（2）计算得到端口电压幅值和频率参考值，通过坐标变换进而得到d轴和q轴的电压参考值。根据式（1）和双馈电机模型[10-11]可得

根据式（7），在d、q坐标系下，通过式（2）所示的下垂控制方程计算得出外环电压参考值，进而采用PI 控制器控制端口电压，内环控制定子电流，实现对双馈风力发电单元交流端口电压的灵活控制。具体控制策略如图5所示。

3.2 中央控制器

中央控制器作为本文所提出功率协调控制策略的核心，也是本文的主要创新点所在。基于第2节中功率协调方案概述分析，以2个储能单元的并联系统为例，对中央控制器功率协调策略进行讨论。

根据图6，当系统中2个储能单元出力不同时，若采用传统下垂控制策略，趋势发展如图中SOC-t曲线中虚线所示，导致储能单元SOC 下降速度不同，影响系统供电可靠性。基于第2 节中的分析，通过对交流下垂系数进行调整，可以实现A1=A2=…=AN，使储能单元SOC按照图6中SOC-t实线的趋势发展，保持各储能单元消耗速度一致，达到SOC均衡。

图6 基于下垂控制的功率协调策略Fig.6 Power coordination strategy based on droop control

基于上述基本原理，中央控制器的具体控制方案如下：测量各单元的直流母线电压，计算得到Ai，通过低带宽通信上传至中央控制器，计算出各单元Ai的平均值，并比较各单元Ai与其平均值的大小。根据式（8），当Ai大于各单元Ai的平均值时，说明该储能单元承担的有功功率相对于其SOC偏大，需要减小该储能单元的有功功率。根据图4（a）可以得出，应当增大该单元的交流侧有功功率下垂系数；反之，则需要减小。由图6 所示的控制策略，具体的调整策略为

根据上述分析，本文所提控制策略通过功率协调控制策略计算调整发电单元的定子侧变换器有功功率下垂系数，可以使各储能单元输出的有功功率均衡，使各储能单元SOC 保持大致相同速率下降。并且本方案仅需要低带宽通信即可实现，与传统方法中的全局高速通信相比，大大降低了通信系统的成本，还在一定程度上降低了对通信的依赖，兼顾了系统的可靠性与经济性。

4 结果验证

本文搭建由2 台开绕组DFIG 和储能单元配合构成的独立交直流混合供电系统的仿真模型进行验证。开绕组双馈电机参数如表1 所示。系统其他参数为：交流负载每相电阻为10 Ω，电感为2.5 mH；初始状态下，直流负载电阻均为25 Ω，交流端口电压基准值为380 V，直流端口电压基准值为400 V，各发电单元初始输入风能为6 kW，交流和直流下垂系数均相同。

表1 开绕组双馈电机参数Tab.1 Parameters of open-winding DFIG

第1个变化过程：在阶段1，各发电单元的交流下垂系数和储能的SOC相同。在t1时刻，进入阶段2，发电单元2的直流负载增加，参数变化如表2所示。

表2 第1 个变化过程的参数Tab.2 Parameters during the first changing process

第1个变化过程的下垂系数kpdroop,i和功率变化分别如图7和图8所示，交流负载不变，从阶段1到阶段2的过程中，发电单元1的直流负载增加，导致储能单元1的输出功率迅速增大，通过调整，下垂系数kpdroop,1减小，发电单元1输出交流功率减小，使得储能单元1输出到交流侧的功率减小，下垂系数kpdroop,2增大，发电单元2 交流功率增大，故储能单元2 输出增加。最终，两台储能单元输出功率相等，达到稳态。

图7 第1 个变化过程下垂系数变化Fig.7 Changes in droop coefficient during the first chamging process

图8 第1 个过程的功率波形Fig.8 Power waveforms during the first process

图9 和图10 分别给出了上述变化过程中的直流侧电压、电流波形和达到稳态后的交流侧电压、电流波形。如图9 所示，2 个储能单元输出的直流电压和电流大致相同，验证了图8 中达到稳态后2个储能单元输出的功率大致相同，进而保持SOC下降速率相同。如图10所示，2台机组交流电压幅值基本相同，仅因线路阻抗存在的原因有较小差异。DFIG1相较于DFIG2的定子电流较小，因为公共节点的电压相同，因此验证了图8 中达到稳态后DFIG2 输出的交流功率增加，DFIG1 承担的交流侧有功功率减小，进而减小储能单元1输出到交流侧的功率，实现2个储能单元的输出功率均衡，保证2个储能单元消耗速度一致。

图9 第1 个变化过程的直流侧电压、电流波形Fig.9 Waveforms of DC voltage and current during the first changing process

图10 第1 个变化过程的交流侧稳态电压、电流波形Fig.10 Waveforms of stable AC voltage and current during the first changing process

图11 分别给出了加入本文所提控制策略和传统定下垂系数控制策略在直流侧负载发生变化的过程中储能单元SOC随时间的变化情况，从中可以看出，传统的下垂控制策略会导致两个储能单元消耗速度不一致，而本文所提出的控制策略能够使两个储能系统的SOC保持均衡，提高系统稳定性。

图11 第1 个动态过程的SOC 波形Fig.11 SOC waveforms during the first dynamic process

第2 个变化过程：在阶段1，2 个单元输入风能和直流负载均相同，交、直流下垂系数和SOC 也相同。在t2时刻，输入风能发生变化，参数变化如表3所示。

表3 第2 个变化过程的参数Tab.3 Parameters during the second changing process

第2个变化过程的下垂系数kpdroop,i和功率变化分别如图12 和图13 所示，阶段1 到阶段2 的过程中，风力涡轮机捕获风能发生变化。随着DFIG1捕获风能的增加，在交、直流负载不变的情况下，通过中央控制器调整，下垂系数kpdroop,1增加，发电单元1输出的交流功率增加，使储能单元1输出到交流侧的功率减小；下垂系数kpdroop,2减小，发电单元2承担的交流功率减小，使储能单元2输出到交流侧的功率减小，最终达到稳态，2个储能单元的输出功率相等。

图12 第2 个变化过程下垂系数变化Fig.12 Changes in droop coefficient during the second changing process

图13 第2 个变化过程功率波形Fig.13 Power waveforms during the second changing process

图14和图15分别给出了上述变化过程中的直流侧电压、电流波形和达到稳态后的交流侧电压、电流波形。如图14所示，2个储能单元输出的电压和电流大致相同，验证了图13中达到稳态后2个储能单元输出的功率大致相同。如图15所示，2台机组的交流电压大致相同，DFIG1 相较于DFIG2 的定子电流较大，验证了图13达到稳态后DFIG1输出的交流功率较大。

图14 第2 个变化过程的直流侧电压电流波形Fig.14 Waveforms of DC voltage and current during the second changing process

图15 第2 个变化过程的交流侧稳态电压、电流Fig.15 Stable AC voltage and current during the second changing process

图16 分别给出了加入本文所述控制策略和传统下垂控制策略在从阶段1到阶段2捕获风能发生变化的过程中，储能单元SOC随时间的变化。从中可以看出，传统的下垂控制策略会导致两个储能单元消耗速度不一致，而本文所提出的控制策略能够在负载和风能变化时，使2个储能系统的SOC 保持均衡。上述仿真结果验证了第3 节所提出的控制策略的有效性。

图16 第2 个动态过程的SOC 波形Fig.16 SOC waveforms during the second dynamic process

5 结 语

本文提出了一种基于下垂控制的功率协调控制策略，用于协调基于开绕组双馈电机和储能单元构建的独立交直流混合供电系统交流侧和直流侧有功功率。该策略考虑到独立风力发电系统中储能单元SOC，对各单元的有功功率交流下垂系数进行动态调整，通过小功率变换器控制实现对发电单元交流侧全功率的调整，进而改变储能单元输出到交流侧的功率，使系统中的各储能单元SOC以相同的速度下降，保证各储能单元的SOC 均衡，充分发挥了开绕组双馈电机的结构优势，提高了系统的稳定可靠性。仿真结果验证了该方案在基于开绕组双馈电机的交直流混合供电系统中的有效性，实现了各储能单元的SOC均衡。