團隊介紹

王濤

王濤，工學博士，英國謝菲爾德大學博士后。主要研究方向為風力發(fā)電系統(tǒng)高性能控制，永磁電機驅(qū)動控制，先進控制技術(shù)在電氣系統(tǒng)中的應用等。曾參與英國工程和自然科學研究委員會（EPSRC）項目、國家863計劃、國家重點研發(fā)計劃、青海省重大科技專項等科技項目10余項，在IEEE Transaction、IET、電工技術(shù)學報、電力系統(tǒng)自動化等國內(nèi)外學術(shù)刊物發(fā)表學術(shù)論文15篇，申請英國發(fā)明專利1項。

諸自強

諸自強，工學博士，英國謝菲爾德大學教授，英國皇家工程院院士，IEEE fellow，IET fellow。現(xiàn)為謝菲爾德大學電機與驅(qū)動課題組組長，并擔任謝菲爾德西門子風電研究中心、中車電機驅(qū)動技術(shù)研究中心、美的電機和控制研究中心的研究負責人。研究方向為永磁無刷電機的設(shè)計與驅(qū)動，及其在交通、新能源等領(lǐng)域的應用。

年珩

年珩，工學博士，浙江大學教授，博士生導師，國家優(yōu)秀青年基金獲得者。2013年至2014年在美國倫斯勒理工大學任訪問學者。研究方向為風力發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計和控制、新能源發(fā)電系統(tǒng)阻抗建模及其穩(wěn)定性分析等。發(fā)表IEEE/IET論文40余篇，申請發(fā)明專利20余項。

導語

雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)在諧波和不平衡電網(wǎng)下，可利用各類增強控制技術(shù)提升機組的運行性能或改善并網(wǎng)點電能質(zhì)量；在電網(wǎng)電壓跌落時，需采用各類軟、硬件保護技術(shù)，確保機組不脫網(wǎng)運行，并向電網(wǎng)提供無功支撐。

本文圍繞上述兩個方面，對非理想電網(wǎng)下雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)控制技術(shù)進行綜述，對比分析了現(xiàn)有各類技術(shù)方案，并對其發(fā)展趨勢和潛在研究熱點進行了討論和展望。

研究背景

近年來，隨著能源和環(huán)境問題不斷凸顯，風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)和技術(shù)都取得了巨大發(fā)展，風電裝機容量持續(xù)快速增長。在各類風力發(fā)電機類型中，雙饋感應發(fā)電機以其造價低廉、變流器容量小、控制靈活等優(yōu)勢，長期占據(jù)主流地位。同時，由于電源和負荷日趨復雜多樣，電網(wǎng)呈現(xiàn)出顯著的非理想特性，主要可分為諧波、不平衡等持續(xù)性輕微非理想特性，以及電壓跌落等短時嚴重非理想特性。

由于雙饋風電機組定子繞組直接接入電網(wǎng)，故對各類非理想電網(wǎng)特性十分敏感。同時雙饋風電機組逆變器容量一般僅為機組容量30%左右，在嚴重非理想電網(wǎng)下機組控制能力有限。因此，非理想電網(wǎng)下的雙饋風電機組控制技術(shù)受到了廣泛關(guān)注。

主要內(nèi)容

本文對諧波畸變、不平衡、電壓跌落等非理想電網(wǎng)下的雙饋風電機組運行技術(shù)進行綜述，對現(xiàn)有各類技術(shù)方案的運行原理、設(shè)計思路和相互關(guān)聯(lián)進行梳理和比較，并對相關(guān)技術(shù)的發(fā)展趨勢和潛在研究熱點進行探討和預測。

首先，考慮諧波、不平衡等持續(xù)性輕微非理想電網(wǎng)特性。依據(jù)控制目標的不同，可將諧波和不平衡電網(wǎng)下雙饋風電機組的運行技術(shù)分為兩類：一類以提升機組自身運行性能為目標，對諧波和不平衡電網(wǎng)進行“抵御”；另一類以改善并網(wǎng)點電能質(zhì)量為目標，對諧波和不平衡電網(wǎng)進行主動補償。

諧波和不平衡電網(wǎng)下雙饋風電機組自身運行性能下降，這主要表現(xiàn)在輸出電流畸變和不平衡、轉(zhuǎn)矩和直流母線電壓波動、損耗增加和發(fā)熱不均等方面。針對這些問題已出現(xiàn)多種新型補償技術(shù)，它們通過對波動分量的有效控制，實現(xiàn)一系列可選的補償目標，例如定子電流平衡無畸變、電磁轉(zhuǎn)矩無波動、直流母線電壓無波動等。

根據(jù)技術(shù)路線的不同，可將這些技術(shù)分為三類，即基于PI帶寬擴展的補償技術(shù)、基于寬頻控制器的補償技術(shù)，以及直接諧振控制技術(shù)，如圖1所示。

其中，基于PI帶寬擴展的補償技術(shù)不改變基頻分量控制器，僅通過并聯(lián)諧振器或類似環(huán)節(jié)實現(xiàn)對基頻PI控制器的帶寬擴展，以跟蹤含波動分量的參考值；基于寬頻控制器的補償技術(shù)則完全取代傳統(tǒng)PI控制器，利用預測控制、滑模控制等新型控制器對基頻分量和波動分量進行統(tǒng)一控制；直接諧振控制技術(shù)保留傳統(tǒng)基于PI控制器的基頻控制環(huán)路，但通過構(gòu)造直接作用于待補償量的諧振環(huán)節(jié)，避免了復雜的補償分量計算，簡化了系統(tǒng)。上述三類技術(shù)的詳細對比如表1所示。

圖1 (a) 基于PI帶寬擴展的補償技術(shù)

圖1 (b) 基于寬頻控制器的補償技術(shù)

圖1 (c) 直接諧振控制技術(shù)

表1 各類諧波、不平衡補償控制技術(shù)對比

在某些特殊場景下，例如孤島運行的微電網(wǎng)或遠離主網(wǎng)的末端電網(wǎng)中，由于缺乏足夠的電能質(zhì)量治理手段，非理想負載接入造成的電能質(zhì)量問題會對本地其他設(shè)備的運行造成很大影響。考慮到風電機組冗余容量較大（我國2017年風電機組平均年利用小時數(shù)為1948小時），因此部分學者提出利用風電機組的冗余容量，輸出適當?shù)难a償電流，改善并網(wǎng)點電能質(zhì)量。

此時風電機組的控制目標不是“抵御”非理想電網(wǎng)電壓，而是對其主動補償。目前雙饋風電機組參與電網(wǎng)電能質(zhì)量改善的研究主要分為三類：一是基于負載電流采樣的補償技術(shù)，二是基于公共連接點電壓閉環(huán)的補償技術(shù)，三是基于虛擬阻抗的補償技術(shù)。

接著，考慮電壓跌落等短時嚴重非理想電網(wǎng)特性。根據(jù)風電并網(wǎng)標準，電網(wǎng)電壓跌落時雙饋風電機組需保持并網(wǎng)運行，并向電網(wǎng)提供必要的無功支撐，這一過程稱為低電壓穿越。

根據(jù)磁鏈守恒原理，電網(wǎng)電壓跌落瞬間定子磁鏈包含靜止的暫態(tài)分量和由跌落后電網(wǎng)電壓決定的強迫分量。定子暫態(tài)磁鏈的轉(zhuǎn)差率遠大于正常定子磁鏈，將在轉(zhuǎn)子繞組中感應出很大的暫態(tài)反電勢，最終導致轉(zhuǎn)子過流，同時也造成較大的電磁轉(zhuǎn)矩脈動。

目前雙饋風電機組的低電壓穿越技術(shù)主要分為兩大類，一類基于輔助裝置，另一類基于機組控制。在實際機組中，這兩類技術(shù)往往相互配合，以應對不同程度、不同類型的電壓跌落。

低電壓穿越輔助裝置可分為能量平衡裝置、過流保護裝置和電壓支撐裝置，如圖2所示。其中，能量平衡裝置可消耗或存儲積壓于直流母線上的多余能量，避免直流母線電壓過高；過流保護裝置可防止機側(cè)和網(wǎng)側(cè)變流器過流；電壓支撐裝置可快速恢復機端電壓，消除電網(wǎng)電壓跌落的影響。

低電壓穿越控制技術(shù)可分為高性能轉(zhuǎn)子電流控制、滅磁控制等，如圖3所示。其中，高性能轉(zhuǎn)子電流控制用于抑制轉(zhuǎn)子過流，滅磁控制可加快定子暫態(tài)磁鏈衰減，減小轉(zhuǎn)矩脈動。

圖2 低電壓穿越輔助裝置及其接入方式

圖3 低電壓穿越控制技術(shù)示意圖

展望

本文圍繞非理想電網(wǎng)下雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)運行技術(shù)這一主題，對現(xiàn)有研究成果和技術(shù)方案進行綜述。作為改善風電機組運行性能、提高風電消納能力的一項關(guān)鍵技術(shù)，非理想電網(wǎng)下雙饋風電機組的運行控制已獲得廣泛關(guān)注和較為深入的研究。

但目前仍有一些問題有待進一步探索，例如計及電機和開關(guān)器件非理想特性的暫態(tài)過程建模、機組自身性能和電網(wǎng)電能質(zhì)量間的靈活補償、多機協(xié)同運行、低成本的低電壓穿越輔助裝置、直流并網(wǎng)模式下的故障穿越等。

引用本文

王濤, 諸自強, 年珩. 非理想電網(wǎng)下雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)運行技術(shù)綜述[J]. 電工技術(shù)學報, 2020, 35(3): 455-471. Wang Tao, Zhu Ziqiang, Nian Heng. Review of Operation Technology of Doubly-Fed Induction Generator-Based Wind Power System under Nonideal Grid Conditions. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(3): 455-471.