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電系統高性能控制，永磁電機驅動控制，先進控制技術在電氣系統中的應用等。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、電工技術學報、電力系統自動化等國內外學術刊物發表學術論文15篇，申請英國發明專利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。現為謝菲爾德大學電機與驅動課題組組長，并擔任謝菲爾德西門子風電研究中心、中車電機驅動技術研究中心、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計與驅動，及其在交通、新能源等領域的應用。

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。研究方向為風力發電系統的設計和控制、新能源發電系統阻抗建模及其穩定性分析等。發表IEEE/IET論文40余篇，申請發明專利20余項。

導語

雙饋風力發電系統在諧波和不平衡電網下，可利用各類增強控制技術提升機組的運行性能或改善并網點電能質量；在電網電壓跌落時，需采用各類軟、硬件保護技術，確保機組不脫網運行，并向電網提供無功支撐。

本文圍繞上述兩個方面，對非理想電網下雙饋風力發電系統控制技術進行綜述，對比分析了現有各類技術方案，并對其發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，隨著能源和環境問題不斷凸顯，風力發電產業和技術都取得了巨大發展，風電裝機容量持續快速增長。在各類風力發電機類型中，雙饋感應發電機以其造價低廉、變流器容量小、控制靈活等優勢，長期占據主流地位。同時，由于電源和負荷日趨復雜多樣，電網呈現出顯著的非理想特性，主要可分為諧波、不平衡等持續性輕微非理想特性，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，故對各類非理想電網特性十分敏感。同時雙饋風電機組逆變器容量一般僅為機組容量30%左右，在嚴重非理想電網下機組控制能力有限。因此，非理想電網下的雙饋風電機組控制技術受到了廣泛關注。

主要內容

本文對諧波畸變、不平衡、電壓跌落等非理想電網下的雙饋風電機組運行技術進行綜述，對現有各類技術方案的運行原理、設計思路和相互關聯進行梳理和比較，并對相關技術的發展趨勢和潛在研究熱點進行探討和預測。

首先，考慮諧波、不平衡等持續性輕微非理想電網特性。依據控制目標的不同，可將諧波和不平衡電網下雙饋風電機組的運行技術分為兩類：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進行“抵御”；另一類以改善并網點電能質量為目標，對諧波和不平衡電網進行主動補償。

諧波和不平衡電網下雙饋風電機組自身運行性能下降，這主要表現在輸出電流畸變和不平衡、轉矩和直流母線電壓波動、損耗增加和發熱不均等方面。針對這些問題已出現多種新型補償技術，它們通過對波動分量的有效控制，實現一系列可選的補償目標，例如定子電流平衡無畸變、電磁轉矩無波動、直流母線電壓無波動等。

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

其中，基于PI帶寬擴展的補償技術不改變基頻分量控制器，僅通過并聯諧振器或類似環節實現對基頻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則完全取代傳統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一控制；直接諧振控制技術保留傳統基于PI控制器的基頻控制環路，但通過構造直接作用于待補償量的諧振環節，避免了復雜的補償分量計算，簡化了系統。上述三類技術的詳細對比如表1所示。

圖1 (a) 基于PI帶寬擴展的補償技術

圖1 (b) 基于寬頻控制器的補償技術

圖1 (c) 直接諧振控制技術

表1 各類諧波、不平衡補償控制技術對比

在某些特殊場景下，例如孤島運行的微電網或遠離主網的末端電網中，由于缺乏足夠的電能質量治理手段，非理想負載接入造成的電能質量問題會對本地其他設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，輸出適當的補償電流，改善并網點電能質量。

此時風電機組的控制目標不是“抵御”非理想電網電壓，而是對其主動補償。目前雙饋風電機組參與電網電能質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，二是基于公共連接點電壓閉環的補償技術，三是基于虛擬阻抗的補償技術。

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

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

目前雙饋風電機組的低電壓穿越技術主要分為兩大類，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和網側變流器過流；電壓支撐裝置可快速恢復機端電壓，消除電網電壓跌落的影響。

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

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示意圖

展望

本文圍繞非理想電網下雙饋風力發電系統運行技術這一主題，對現有研究成果和技術方案進行綜述。作為改善風電機組運行性能、提高風電消納能力的一項關鍵技術，非理想電網下雙饋風電機組的運行控制已獲得廣泛關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器件非理想特性的暫態過程建模、機組自身性能和電網電能質量間的靈活補償、多機協同運行、低成本的低電壓穿越輔助裝置、直流并網模式下的故障穿越等。

引用本文

王濤, 諸自強, 年珩. 非理想電網下雙饋風力發電系統運行技術綜述[J]. 電工技術學報, 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.