年 珩 程 鵬 諸自強(qiáng)

（浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院 杭州 310027）

1 引言

可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中，基于雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)（Doubly Fed Induction Generator,DFIG）的風(fēng)電機(jī)組因其變流器容量小、功率解耦控制、成本較低等優(yōu)勢，成為變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主流機(jī)型[1-3]。但由于DFIG 定子與電網(wǎng)直接相連和變流器控制能力有限，在電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)DFIG 機(jī)組易出現(xiàn)過電流、過電壓等現(xiàn)象，危害變流器運(yùn)行安全，繼而引起風(fēng)電機(jī)組的脫網(wǎng)[4]。為此，許多國家提出了嚴(yán)格的風(fēng)電并網(wǎng)準(zhǔn)則[5,6]，特別要求并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組具有低電壓穿越（Low Voltage Ride Through,LVRT）能力。

目前，故障電網(wǎng)下DFIG 運(yùn)行控制技術(shù)已經(jīng)成為國內(nèi)外風(fēng)電研究的主要方向[7-22]。轉(zhuǎn)子快速短接（crowbar）技術(shù)由于其結(jié)構(gòu)簡單、控制容易等優(yōu)勢，已成為電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)保護(hù)DFIG 轉(zhuǎn)子側(cè)變流器（Rotor Side Converter,RSC）的主要措施[7,8]。電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)利用Crowbar 將RSC 旁路，可避免轉(zhuǎn)子繞組過電流對RSC 的損壞，此時(shí)DFIG 類似于一臺并網(wǎng)運(yùn)行的籠型電機(jī)，需要消耗大量的無功功率，不利于電網(wǎng)故障狀態(tài)的恢復(fù)。文獻(xiàn)[9]利用網(wǎng)側(cè)變流器（Grid Side Converter,GSC）作為無功輸出源，短時(shí)補(bǔ)償DFIG 機(jī)組消耗的無功功率，進(jìn)而協(xié)助電網(wǎng)電壓的恢復(fù)。此外，也可采用直流斬波電阻（chopper）[10]、定轉(zhuǎn)子串聯(lián)阻抗[11,12]、電壓動(dòng)態(tài)恢復(fù)器（DVR）[13]、靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）[14]和串聯(lián)網(wǎng)側(cè)變換器[15]等方法實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)故障時(shí)風(fēng)電機(jī)組的穿越運(yùn)行。這些方法均需增加硬件保護(hù)裝置，并提高了系統(tǒng)的成本與控制的復(fù)雜性。因此，如何通過改進(jìn)RSC 的控制策略，以抑制電網(wǎng)故障引起轉(zhuǎn)子電流沖擊是實(shí)現(xiàn)DFIG 機(jī)組不間斷運(yùn)行的關(guān)鍵。

電網(wǎng)電壓發(fā)生故障會引起 DFIG 磁鏈自由振蕩[16]，使轉(zhuǎn)子電流在原有轉(zhuǎn)差頻率分量的基礎(chǔ)上疊加了與電網(wǎng)電壓故障相關(guān)的自由分量，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子出現(xiàn)過電流，這是引起DFIG 變流器脫網(wǎng)的主要原因。文獻(xiàn)[17,18]通過修改避免了DFIG 定、轉(zhuǎn)子繞組出現(xiàn)過電流。文獻(xiàn)[19]提出了一種以定、轉(zhuǎn)子漏磁場來抵消定子磁鏈自由分量和負(fù)序分量的滅磁控制技術(shù)，但該控制技術(shù)需要較大容量的變流器。文獻(xiàn)[20]采用虛擬阻抗與滅磁控制相結(jié)合的方案，拓展了RSC 在電網(wǎng)電壓故障時(shí)安全運(yùn)行區(qū)間。文獻(xiàn)[21]利用磁鏈有源衰減技術(shù)，加快了DFIG 磁鏈的衰減。文獻(xiàn)[22]利用前饋補(bǔ)償改善了電網(wǎng)電壓故障時(shí)DFIG 的暫態(tài)過程，但其不足在于DFIG 轉(zhuǎn)子電流、電磁轉(zhuǎn)矩的長時(shí)間振蕩。文獻(xiàn)[19-22]中均含有磁鏈分離與提取環(huán)節(jié)，需準(zhǔn)確知道DFIG 漏感等參數(shù)，其控制性能易受電機(jī)運(yùn)行工況影響。

為了抑制電網(wǎng)電壓對稱故障時(shí)DFIG 轉(zhuǎn)子電流的振蕩沖擊，本文通過分析轉(zhuǎn)子電流振蕩的產(chǎn)生機(jī)理，提出了一種以限制電網(wǎng)故障時(shí)轉(zhuǎn)子電流自由分量為目標(biāo)的優(yōu)化控制策略。該優(yōu)化控制策略在抑制轉(zhuǎn)子電流沖擊的同時(shí)，能有效縮短電網(wǎng)故障引起的DFIG 動(dòng)態(tài)過渡過程，并對該控制策略在電網(wǎng)對稱故障下的穩(wěn)定性進(jìn)行了理論分析。最后，通過構(gòu)建DFIG 實(shí)驗(yàn)機(jī)組，對所提策略的有效性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2 電網(wǎng)故障下的DFIG 動(dòng)態(tài)性能

考慮到實(shí)際電網(wǎng)中大功率設(shè)備起動(dòng)、電網(wǎng)短路故障等產(chǎn)生的電壓驟變，為研究電網(wǎng)電壓故障時(shí)DFIG 轉(zhuǎn)子電流的優(yōu)化控制策略，須在DFIG 數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上分析電網(wǎng)故障時(shí)DFIG 的動(dòng)態(tài)性能。

2.1 DFIG 數(shù)學(xué)模型

在兩相同步旋轉(zhuǎn)d-q 坐標(biāo)系中，DFIG 等效電路如圖1 所示。

圖1 兩相同步旋轉(zhuǎn)d-q 下DFIG 的T 型等效電路Fig.1 T-representation of DFIG equivalent circuit in the synchronous frame

定、轉(zhuǎn)子磁鏈方程可以表示為

式中 ψsdq，ψrdq——定、轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶浚?/p>

Isdq，Irdq——定、轉(zhuǎn)子電流矢量；

Ls，Lr——定、轉(zhuǎn)子繞組全自感，Ls=Lm+Lσs，Lr=Lm+Lσr；

Lm，Lσs，Lσr——定轉(zhuǎn)子之間的互感、定子漏感和轉(zhuǎn)子漏感。

定、轉(zhuǎn)子電壓方程可以表示為

式中 Rs，Rr——定、轉(zhuǎn)子電阻；

Usdq，Urdq——定轉(zhuǎn)子電壓矢量；

ω1——同步角頻率；

ωsl——轉(zhuǎn)差角頻率，ωsl=ω1-ωr；

ωr——轉(zhuǎn)子角頻率。

以上轉(zhuǎn)子各分量均折算至定子側(cè)。

由式（1）～式（4），轉(zhuǎn)子電壓表達(dá)式可以寫為

可以看出式（5）中，轉(zhuǎn)子電壓由兩部分組成：第一項(xiàng)是定子磁鏈在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢，記作Erdq；第二項(xiàng)為轉(zhuǎn)子電流在轉(zhuǎn)子繞組阻抗上形成的壓降。

2.2 電網(wǎng)故障下DFIG 運(yùn)行性能

由于文獻(xiàn)[16]已建立了電網(wǎng)電壓故障發(fā)生瞬間DFIG 的動(dòng)態(tài)模型，因此，本文僅對電網(wǎng)故障瞬時(shí)DFIG 的數(shù)學(xué)模型給出簡要闡述與說明。

假定在t0時(shí)刻電網(wǎng)電壓發(fā)生對稱故障，其故障程度為p，則電網(wǎng)電壓可表示為

式（6）中，p＞0 表示電網(wǎng)電壓發(fā)生對稱驟降故障，p＜0 表示電網(wǎng)電壓發(fā)生對稱驟升故障，則電網(wǎng)電壓故障時(shí)轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢可近似表示為

由式（7）可以看出，電網(wǎng)電壓故障時(shí)DFIG 轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢由兩部分構(gòu)成：其中第一項(xiàng)為定子磁鏈強(qiáng)制分量感應(yīng)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢強(qiáng)制分量，記作Erdq-f，其在兩相同步旋轉(zhuǎn)dq 坐標(biāo)系下表現(xiàn)為直流量形式；第二項(xiàng)稱為定子磁鏈自由分量感應(yīng)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢自由分量，記作Erdq-n，其在兩相同步旋轉(zhuǎn)dq 坐標(biāo)系下表現(xiàn)為50Hz 交流量形式。

當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生故障時(shí)RSC 如果無法輸出與Erdq相匹配的轉(zhuǎn)子電壓，轉(zhuǎn)子繞組中就會出現(xiàn)幅值較大的電流自由振蕩分量，造成RSC 過電流保護(hù)動(dòng)作而導(dǎo)致風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)。因此，在電網(wǎng)電壓故障期間，如何有效抑制DFIG 轉(zhuǎn)子電流的自由分量，是實(shí)現(xiàn)DFIG 故障穿越運(yùn)行的關(guān)鍵。

3 轉(zhuǎn)子電流優(yōu)化控制策略

為實(shí)現(xiàn)DFIG 故障穿越運(yùn)行，大多文獻(xiàn)[19-21]集中于研究定子磁鏈波動(dòng)的抑制技術(shù)，這需要準(zhǔn)確測量電機(jī)漏感參數(shù)，其控制效果易受電機(jī)工作狀態(tài)的影響。針對這一問題，本文提出了一種轉(zhuǎn)子電流優(yōu)化控制策略，通過在轉(zhuǎn)子電流基頻分量閉環(huán)的基礎(chǔ)上加入直接控制轉(zhuǎn)子電流自由分量的調(diào)節(jié)器，以抑制電網(wǎng)電壓對稱故障期間轉(zhuǎn)子電流的振蕩沖擊，縮短DFIG 系統(tǒng)過渡過程時(shí)間。

3.1 轉(zhuǎn)子電流優(yōu)化控制策略設(shè)計(jì)

圖2 為DFIG 轉(zhuǎn)子電流優(yōu)化控制框圖，其中實(shí)線框內(nèi)表示轉(zhuǎn)子電流自由分量調(diào)節(jié)器?？梢钥闯?，所提控制策略包含兩個(gè)電流閉環(huán)：

（1）轉(zhuǎn)子電流基頻分量閉環(huán)調(diào)節(jié)，用以控制DFIG 輸出的有功功率和無功功率，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的最大風(fēng)能追蹤運(yùn)行。

取甲醛固定的移植瘤組織，常規(guī)石蠟包埋、切片，采用S-P法行免疫組織化學(xué)染色檢測caspase3蛋白表達(dá)，caspase3一抗工作濃度為1∶1 000。以細(xì)胞內(nèi)出現(xiàn)棕色至棕褐色微細(xì)顆粒為caspase3陽性，主要表達(dá)于胞質(zhì)，少數(shù)表達(dá)于胞核或核膜。高倍鏡下隨機(jī)選擇5個(gè)以上視野，每個(gè)視野計(jì)數(shù)100個(gè)細(xì)胞，計(jì)算陽性細(xì)胞百分率，即為陽性細(xì)胞指數(shù)。

（2）轉(zhuǎn)子電流自由分量閉環(huán)調(diào)節(jié)，用以抑制電網(wǎng)電壓故障時(shí)轉(zhuǎn)子電流的振蕩沖擊。

圖2 轉(zhuǎn)子電流優(yōu)化控制框圖Fig.2 Block diagram of the optimal control of rotor current

本文所提改進(jìn)控制策略是在原來轉(zhuǎn)子電流基頻分量閉環(huán)的基礎(chǔ)上添加了轉(zhuǎn)子電流自由分量閉環(huán)調(diào)節(jié)器，由于RSC 的兩個(gè)電流調(diào)節(jié)器始終處于工作狀態(tài)，故無需判斷電網(wǎng)是否故障以切換不同的控制策略，即可實(shí)現(xiàn)理想電網(wǎng)和故障電網(wǎng)下DFIG 控制策略的無縫切換。此外，該方法無需定子磁鏈分離與提取環(huán)節(jié)，對電機(jī)參數(shù)依賴性小，計(jì)算簡單，易于工程實(shí)現(xiàn)。

最終可獲得兩相同步旋轉(zhuǎn)dq 坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子電壓參考值

3.2 轉(zhuǎn)子電流優(yōu)化控制策略分析

根據(jù)上節(jié)分析可知，轉(zhuǎn)子電流優(yōu)化控制策略包含兩個(gè)電流調(diào)節(jié)器，圖3 為DFIG 控制系統(tǒng)框圖，圖中實(shí)線框表示轉(zhuǎn)子電流自由分量調(diào)節(jié)器，這里通過低通傳遞函數(shù)實(shí)現(xiàn)對理想積分器的替代[23]。其中

圖3 DFIG 轉(zhuǎn)子電流控制框圖Fig.3 Rotor current control diagram of the DFIG

此時(shí)，實(shí)際轉(zhuǎn)子電流的傳遞函數(shù)可以表示為

式中，Grr(s)為轉(zhuǎn)子電流閉環(huán)傳遞函數(shù)；Gsr(s) 為定子磁鏈閉環(huán)傳遞函數(shù)，其閉環(huán)傳遞函數(shù)表達(dá)式為式中；F1(s)、F2(s) 分別為在兩相同步旋轉(zhuǎn)dq 坐標(biāo)系中轉(zhuǎn)子基頻、自由分量電流調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)，如式（14）、式（15）所示。

由式（12）、式（13）可知，轉(zhuǎn)子電流調(diào)節(jié)器特征方程為Δ=1+F1(s)GP(s)+F2(s)Gp(s)，此時(shí)控制系統(tǒng)的開環(huán)增益F(s)可以表示為

采用轉(zhuǎn)子電流自由分量的控制方案中，其轉(zhuǎn)子電流基頻分量PI 調(diào)節(jié)器參數(shù)kp1、ki1可以遵循常規(guī)PI 調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)，兼顧穩(wěn)態(tài)性能以及動(dòng)態(tài)特性等控制系統(tǒng)指標(biāo)[23]，下面著重論述其轉(zhuǎn)子電流自由分量PI 調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計(jì)與選擇。

為分析采用轉(zhuǎn)子電流自由分量閉環(huán)調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)對DFIG 控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，需分析圖4、圖5 所給出的不同kp2、ki2下開環(huán)傳遞函數(shù)F(s) 頻率響應(yīng)。通過圖4、圖5 可以看出在50Hz 頻率處出現(xiàn)相位的跳變，故會造成控制系統(tǒng)的相位裕量減小。圖4為轉(zhuǎn)子自由電流調(diào)節(jié)器比例系數(shù)kp2增加時(shí)F(s)的Bode 圖，其中ki2=500。當(dāng)kp2=1、kp2=5、kp2=10 時(shí)，控制系統(tǒng)的相位裕度分別為47°、59°、73°。可見：隨著轉(zhuǎn)子自由電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)kp2增加，在50Hz 處的控制增益幾乎不變，但系統(tǒng)的相位裕度增大。圖5 為轉(zhuǎn)子自由電流調(diào)節(jié)器積分系數(shù)ki2增加時(shí)F(s)的Bode 圖，其中kp2=5。當(dāng)ki2=100、ki2=500、ki2=1 000 時(shí)，控制系統(tǒng)的相位裕度分別為77°、59°、45°。可見：隨著轉(zhuǎn)子自由電流調(diào)節(jié)器的積分系數(shù)ki2增加，在50Hz 處的控制增益增加，但系統(tǒng)的相位裕度減小。通過上述分析可知，kp2、ki2的選取要兼顧系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及控制增益兩方面內(nèi)容。故針對表所示的DFIG 電機(jī)系統(tǒng)，采用轉(zhuǎn)子電流自由分量閉環(huán)調(diào)節(jié)器的優(yōu)化控制方案下其參數(shù)為kp1=12、ki1=800、kp2=5、ki2=500。

圖5 開環(huán)傳遞函數(shù)F(s) 頻率響應(yīng)（kp2=5）Fig.5 Frequency response of the open-loop F(s) (kp2=5)

為了分析采用轉(zhuǎn)子電流自由分量調(diào)節(jié)器的優(yōu)化控制方案下轉(zhuǎn)子電流對定子磁鏈抗磁鏈擾動(dòng)能力，將式（13）寫成標(biāo)量的形式，則有

式中，Gsr1(s) 表示定子磁鏈d 軸、q 軸分量對轉(zhuǎn)子電流d 軸、q 軸分量的影響；Gsr2(s)表示定子磁鏈q軸、d 軸分量對轉(zhuǎn)子電流d 軸、q 軸分量的影響；G11(s)=sLm/Ls，G12(s)=ωslip。

圖6a 和6b 分別給出了采用轉(zhuǎn)子電流自由分量調(diào)節(jié)器前后Gsr1(s) 和Gsr2(s) 的幅頻特性。采用轉(zhuǎn)子電流自由分量閉環(huán)調(diào)節(jié)器的優(yōu)化控制方案時(shí)，DFIG控制系統(tǒng)對由于電網(wǎng)對稱故障所引起的定子磁鏈50Hz 振蕩的衰減率分別為-3.6dB、-7.3dB，而未采用轉(zhuǎn)子電流自由分量閉環(huán)調(diào)節(jié)器時(shí)其衰減率分別為27.6dB、23.8dB。采用轉(zhuǎn)子電流自由分量閉環(huán)調(diào)節(jié)器后DFIG 控制系統(tǒng)抗定子磁鏈擾動(dòng)能力顯著增強(qiáng)，這意味著由于電網(wǎng)電壓故障所引起的定子磁鏈50Hz 波動(dòng)對DFIG 控制系統(tǒng)的影響將得到明顯抑制。

圖6 轉(zhuǎn)子電流抗定子磁鏈擾動(dòng)能力分析Fig.6 Rotor current sensitivity to the flux oscillation using conventional and optimal control

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所提出的轉(zhuǎn)子電流優(yōu)化控制策略的有效性，搭建了1kW 雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺（見圖7），實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)見下表。

圖7 DFIG 實(shí)驗(yàn)機(jī)組框圖Fig.7 The hardware structure diagram of the power and control circuit for DFIG experiment bench

表 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)Tab. Parameters of experiment DFIG system

該平臺主要由三個(gè)部分構(gòu)成：風(fēng)力機(jī)模擬部分、DFIG 及RSC 變流器部分、電網(wǎng)電壓模擬器。其中，在該實(shí)驗(yàn)平臺中，利用一臺變頻器驅(qū)動(dòng)的三相感應(yīng)電機(jī)模擬風(fēng)力機(jī)；通過直流源為RSC 提供直流側(cè)電壓以及轉(zhuǎn)差功率，為模擬實(shí)際電網(wǎng)的故障，采用基于電力電子變換形式的電壓故障發(fā)生器構(gòu)成電網(wǎng)模擬器。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中采用TI 公司TMS320F2812。IGBT 驅(qū)動(dòng)器采用SEMIKRON 公司SKHI61 驅(qū)動(dòng)模塊。DFIG 機(jī)組實(shí)驗(yàn)波形是通過YOKOGAWADL750 進(jìn)行采集。

實(shí)驗(yàn)中，DFIG 處于額定電壓工作狀態(tài)，且定子輸出的有功、無功功率分別為 0.3 pu、0 pu。由于風(fēng)力機(jī)慣性時(shí)間常數(shù)較大、電網(wǎng)故障時(shí)間較短的緣故，故可近似認(rèn)為DFIG 轉(zhuǎn)速在電網(wǎng)故障期間保持不變。在實(shí)驗(yàn)中，DFIG 轉(zhuǎn)速設(shè)定為800r/min；RSC 電流保護(hù)值1.5 pu（3.5A）。

圖8 為電網(wǎng)電壓驟降40%時(shí)DFIG 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中圖8a 表示未采用轉(zhuǎn)子電流自由分量閉環(huán)調(diào)節(jié)器的常規(guī)控制方案時(shí)DFIG 的波形，圖8b 表示采用轉(zhuǎn)子電流自由分量閉環(huán)調(diào)節(jié)器的優(yōu)化控制方案時(shí)DFIG 的波形?？梢钥闯?，采用轉(zhuǎn)子電流優(yōu)化控制方案后電網(wǎng)電壓驟降所造成的轉(zhuǎn)子電流沖擊為2.1A，為采用常規(guī)控制方案時(shí)轉(zhuǎn)子沖擊電流的83%；轉(zhuǎn)子故障電流在160ms 內(nèi)完成衰減振蕩，相比常規(guī)控制方案縮短了70ms，同時(shí)定子磁鏈振蕩時(shí)間也縮短了約60ms。因此，說明采用轉(zhuǎn)子電流自由分量閉環(huán)調(diào)節(jié)器的優(yōu)化控制方案可有效抑制電網(wǎng)電壓驟降導(dǎo)致的轉(zhuǎn)子電流沖擊與振蕩。

圖8 電網(wǎng)電壓驟降40%時(shí)DFIG 實(shí)驗(yàn)結(jié)果（s=0.2）Fig.8 Experiment results of the DFIG for a 40% voltage dip（s=0.2）

圖9 電壓驟升30%時(shí)DFIG 實(shí)驗(yàn)結(jié)果（s=0.2）Fig.9 Experiment results of the DFIG for a 30% voltage swell（s=0.2）

圖9 為電網(wǎng)電壓驟升30%時(shí)DFIG 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中圖9a 表示未采用轉(zhuǎn)子電流自由分量閉環(huán)調(diào)節(jié)器的常規(guī)控制方案時(shí)DFIG 的波形，圖9b 表示采用轉(zhuǎn)子電流自由分量閉環(huán)調(diào)節(jié)器的優(yōu)化控制方案時(shí)DFIG 的波形。通過對比可知，采用轉(zhuǎn)子電流優(yōu)化控制方案后電網(wǎng)電壓驟升所造成的轉(zhuǎn)子電流沖擊為 1.8A，為采用常規(guī)控制方案時(shí)轉(zhuǎn)子電流沖擊的86%；轉(zhuǎn)子電流自由分量在150ms 內(nèi)完成衰減，相比于常規(guī)控制方案縮短了50ms，同時(shí)定子磁鏈過渡時(shí)間縮短了約50ms。因此，說明采用轉(zhuǎn)子電流自由分量閉環(huán)調(diào)節(jié)器的優(yōu)化控制方案可有效限制電網(wǎng)電壓驟升導(dǎo)致的轉(zhuǎn)子電流沖擊與振蕩，有助于DFIG機(jī)組的穩(wěn)定不脫網(wǎng)運(yùn)行。

圖10 對比了不同電網(wǎng)電壓故障深度下DFIG 在采用常規(guī)轉(zhuǎn)子電流控制方案和優(yōu)化轉(zhuǎn)子電流控制方案時(shí)轉(zhuǎn)子電流沖擊峰值和振蕩時(shí)間?？梢钥闯觯S著電網(wǎng)電壓驟降（或驟升）深度的增加，轉(zhuǎn)子電流沖擊峰值增大，且振蕩時(shí)間變長。這是由于電網(wǎng)電壓故障所引起的定子磁鏈直流分量增加，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子電流也隨之增加。與采用常規(guī)轉(zhuǎn)子電流控制方案相比，采用轉(zhuǎn)子電流優(yōu)化控制方案可以有效抑制由電網(wǎng)電壓故障所引起的轉(zhuǎn)子過電流，并縮短了轉(zhuǎn)子電流過渡過程時(shí)間。這主要是由于優(yōu)化轉(zhuǎn)子電流控制方案包含對轉(zhuǎn)子電流自由分量的閉環(huán)調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)子電流自由分量的抑制。

圖10 電網(wǎng)電壓故障程度不同時(shí)DFIG 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.10 Experiment results of the DFIG for various grid voltage fault

為了驗(yàn)證轉(zhuǎn)子電流優(yōu)化控制方案對DFIG 故障穿越能力的提升，圖11 對比了不同轉(zhuǎn)差角頻率下DFIG 安全運(yùn)行區(qū)間，其中區(qū)域A 表示在未采用轉(zhuǎn)子電流自由分量閉環(huán)調(diào)節(jié)器的常規(guī)控制方案時(shí)DFIG 的安全運(yùn)行區(qū)間，區(qū)域A 和區(qū)域B 共同表示采用轉(zhuǎn)子電流自由分量閉環(huán)調(diào)節(jié)器的優(yōu)化控制方案時(shí)DFIG 安全運(yùn)行區(qū)間，深色區(qū)域表示DFIG 非安全運(yùn)行區(qū)間，需額外采用其他措施（如Crowbar 等）方可實(shí)現(xiàn)DFIG 不脫網(wǎng)運(yùn)行。可以看出，與轉(zhuǎn)子電流常規(guī)控制方案相對比，采用轉(zhuǎn)子電流優(yōu)化控制方案后DFIG 安全運(yùn)行區(qū)間得以拓寬，DFIG 的不脫網(wǎng)運(yùn)行能力得以增強(qiáng)。此外，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，DFIG 安全運(yùn)行區(qū)間縮小。這是由于隨著轉(zhuǎn)差率的降低電網(wǎng)電壓故障所引起的感應(yīng)電動(dòng)勢越大，進(jìn)而會產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)子電流沖擊，使得DFIG 安全運(yùn)行區(qū)間縮小。

圖11 DFIG 安全運(yùn)行區(qū)間Fig.11 DFIG feasibility regions

綜上可知，采用轉(zhuǎn)子電流自由分量閉環(huán)調(diào)節(jié)器的優(yōu)化控制方案可以抑制由于電網(wǎng)電壓對稱故障所引起的轉(zhuǎn)子電流振蕩沖擊，縮短了轉(zhuǎn)子電流過渡時(shí)間，拓展了DFIG 安全運(yùn)行區(qū)間。此外，所提出的優(yōu)化控制方案是以限制轉(zhuǎn)子電流自由分量為目標(biāo)，因此本文所提方法無需檢測電網(wǎng)電壓故障狀態(tài)。而且，本文所提方法不僅可以作為一種獨(dú)立的DFIG故障穿越控制方案，還可與其他故障運(yùn)行控制技術(shù)相結(jié)合以改善DFIG 在電網(wǎng)對稱故障時(shí)運(yùn)行特性的控制方案。

5 結(jié)論

本文通過對電網(wǎng)電壓對稱故障時(shí)轉(zhuǎn)子電流振蕩沖擊產(chǎn)生機(jī)制的論述，構(gòu)造了一種以抑制轉(zhuǎn)子電流自由分量為目標(biāo)的優(yōu)化控制方案，該控制方案無需電網(wǎng)故障狀態(tài)檢測即可實(shí)現(xiàn)DFIG 控制策略切換，同時(shí)無需定子磁鏈分離與提取環(huán)節(jié)，可有效提高電網(wǎng)故障時(shí)DFIG 電流的動(dòng)態(tài)控制性能。理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的轉(zhuǎn)子電流優(yōu)化控制策略能有效抑制由于電網(wǎng)電壓對稱故障所產(chǎn)生轉(zhuǎn)子電流沖擊，縮短DFIG 過渡過程時(shí)間，拓展DFIG 安全運(yùn)行區(qū)間，從而增強(qiáng)電網(wǎng)電壓對稱故障時(shí)DFIG 不脫網(wǎng)運(yùn)行能力。

[1]劉其輝,賀益康,張建華.交流勵(lì)磁變速恒頻雙饋型異步發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)功率關(guān)系[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2006,21(2):39-44.Liu Qihui,He Yikang,Zhang Jianhua.Steady-state power relation of AC-excited variable-speedconstantfrequency doubly-fed induction generator[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2006,21(2):39-44.

[2]林成武,王鳳翔,姚興佳.變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制技術(shù)研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2003,23(11):122-125.Lin Chengwu,Wang Fengxiang,Yao Xingjia.Study on excitation control of VSCF doubly fed wind power generator[J].Proceedings of the CSEE,2003,23(11):122-125.

[3]賀益康,周鵬.變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越技術(shù)綜述[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2009,24(9):140-146.He Yikang,Zhou Peng.Overview of the low voltage ride-through technology for variable speed constant frequency doubly fed wind power generation systems[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2009,24(9):140-146.

[4]賀益康,胡家兵.雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行中的幾個(gè)熱點(diǎn)問題[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2012,32(27):1-15.He Yikang,Hu Jiabing.Several hot-spot issues associated with the grid-connect operations of windturbines driven doubly fed induction generators[J].Proceedings of the CSEE,2012,32(27):1-15.

[5]國家電網(wǎng)公司.Q/GDW392—2009 風(fēng)電場接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定[S].北京:中國電力出版社,2009.

[6]NetzGmbh E ON.Grid Code.Germany.Available:http://www.nerc.com/docs/pc/ivgtf/German_EON_Grid_Code.pdf.

[7]Morren J,de Haan S W H.Ridethrough of wind turbines with doubly-fed induction generator during a voltage dip[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2005,20(2):435-441.

[8]Hansen A D,Michalke G.Fault ridethrough capability of DFIG wind turbines[J].Renewable Energy,2007,32(9):1594-1610.

[9]胡家兵,賀益康.雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的低壓穿越運(yùn)行與控制[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2008,32(2):49-52.Hu Jiabing,He Yikang.Low voltage ride through operation and control of doubly fed induction generator wind turbines[J].Automation of Electric Power Systems,2008,32(2):49-52.

[10]Martinez J,Kjaer P C,Rodriguez P,et al.Parameterization of a synchronous generator to represent a doubly fed induction generator with chopper protection for fault studies[J].Wind Energy,2011,14(1):107-118.

[11]Yan X,Venkataramanan G,Wang Y,et al.Grid-fault tolerant operation of a DFIG wind turbine generator using a passive resistance network[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2011,26(10):2896-2905.

[12]Yang J,Fletcher J E,O'reilly J.A series dynamic resistorbased converter protection scheme for doublyfed induction generator during various fault conditions[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2010,25(2):422-432.

[13]Cheng P,Nian H.An improved control strategy for DFIG system and dynamic voltage restorer under grid voltage dip[C].21st IEEE International Symposium on Industrial Electronics,Hangzhou,China,2012:1868-1873.

[14]Qiao W,Venayagamoorthy G K,Harley R G.Realtime implementation of a statcom on a wind farm equipped with doubly fed induction generators[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2009,45(1):98-107.

[15]廖勇,李輝,姚駿,等.采用串聯(lián)網(wǎng)側(cè)變換器的雙饋風(fēng)電機(jī)組低電壓過渡控制策略[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2009,29(37):90-98.Liao Yong,Li Hu,Yao Jun,et al.Low voltage ride-through control strategy of a doubly fed induction generator wind turbine with series grid-side converter[J].Proceedings of the CSEE,2009,29(37):90-98.

[16]Lopez J,Sanchis P,Roboam X,et al.Dynamic behavior of the doubly fed induction generator during three-phase voltage dips[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2007,22(3):709-717.

[17]姚駿,廖勇,唐建平.電網(wǎng)短路故障時(shí)交流勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)不脫網(wǎng)運(yùn)行的勵(lì)磁控制策略[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2007,27(30):64-71.Yao Jun,Liao Yong,Tang Jianping.Ride-through control strategy of AC excited wind-power generator for grid short-circuit fault [J].Proceedings of the CSEE,2007,27(30):64-71.

[18]Lima F K A,Luna A,Member S,et al.Rotor voltage dynamics in the doubly fed induction generator during grid faults[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2010,25(1):118-130.

[19]Xiang D,Ran L,Tavner PJ,et al.Control of a doubly fed induction generator in a wind turbine during grid fault ride-through[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2006,21(3):652-662.

[20]Hu S,Lin X,Kang Y,et al.An improved low-voltage ride-through control strategy of doubly fed induction generator during grid faults[J].IEEE Transactions onPower Electronics,2011,26(12):3653-3665.

[21]張祿,金新民,戰(zhàn)亮宇,等.電網(wǎng)電壓對稱跌落下的雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)磁鏈有源衰減控制[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2012,27(9):191-197.Zhang Lu,Jin Xinmin,Zhan Liangyu,et al.Flux active damping control of the doubly fed induction generator under grid voltage symmetrical dip[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2012,27(9):191-197.

[22]Liang J,Qiao W,Harley R G.Feed-forward transient current control for low voltage ride through enhancement of DFIG wind turbines[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2010,25(3):836-43.

[23]Zmood D N,Holmes D G.Stationary frame current regulation of PWM inverters with zero steady-state error[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2003,18(3):814-822.