基于比例諧振控制的DVR的風電機組LVRT研究

孫　偉，任永峰，郭　鯤，劉海濤，柳　福

(1.內蒙古工業大學電力學院，內蒙古呼和浩特010080;2.呼和浩特市供電局金橋分局，內蒙古呼和浩特010040; 3.內蒙古電力科學研究院,內蒙古呼和浩特010020)

基于比例諧振控制的DVR的風電機組LVRT研究

孫偉1，任永峰1，郭鯤2，劉海濤3，柳福1

(1.內蒙古工業大學電力學院，內蒙古呼和浩特010080;2.呼和浩特市供電局金橋分局，內蒙古呼和浩特010040; 3.內蒙古電力科學研究院,內蒙古呼和浩特010020)

針對動態電壓恢復器(DVR)傳統PI控制器在跟蹤快速變化的正弦信號時存在穩態誤差和抗干擾性能差等方面的缺點，提出了基于比例諧振(PR)控制的DVR復合控制策略，可實現對DVR指令補償電壓的無靜差跟蹤，并且設計了電流內環控制器及分析了比例諧振復合控制策略的性能。仿真結果驗證了DVR能夠很好地補償各種電壓跌落狀況，保證了風電機組正常運行，提高了雙饋風電機組的低電壓穿越能力。

動態電壓恢復器；比例諧振；雙饋風電機組；低電壓穿越

隨著單臺風電機組容量不斷地增大,風電場的數量和規模也在不斷地擴大，使得并網風電場對電網可靠性和穩定性影響越來越大。為此，我國根據實際電網結構及風電發展情況制定了風電場接入電網技術規定，包括風電機組LVRT(Low voltage ride-through)能力[1]，即要求風電機組在電網電壓跌落時仍能夠保持不脫網運行，并持續地向電網輸送功率以輔助電網恢復[2-3]。

動態電壓恢復器DVR(Dynamic voltage restorer)用來提高風電機組LVRT，近些年來逐漸得到國內外重視。DVR串聯于電網和風電機組機端之間，在電網電壓出現瞬時跌落時，通過注入所需的補償電壓，與故障電網電壓相疊加，使得機側電網電壓恢復到期望值，并且DVR吸收風電機組輸送到電網多余的有功功率，從而保證了風電機組的不脫網運行[4]。DVR的核心是其控制方式，控制方式決定著補償電壓的快速性和準確性。電壓電流的反饋是交流瞬態，PI控制并不能實現零穩態誤差，因而不適用補償精度和魯棒性要求較高的DVR應用場合[5]。比例諧振PR(Proportional-resonant)控制器可實現在靜止坐標下對交流信號的無靜調節，具有動態響應快、輸出電壓穩態精度高等特點，使其在高質量電能質量控制中得到應用。文獻[6]基于單閉環電壓加前饋PR控制，并未反饋電流，容易出現器件過流和暫態震蕩；文獻[7]采用PI控制器存在穩態誤差及抗干擾性能差等缺點且沒有考慮利用PR諧波補償導致補償后DFIG并不能達到理想運行。

本文利用波特圖比較了PR與PI控制器的特點，為了使PR控制器更好發揮性能，對內環比例參數做了精準的設計選取，并對電壓電流反饋加電網電壓前饋的復合控制性能進行了分析。最后通過仿真結果驗證了DFIG可以實現各種故障理想穿越運行。

1　DFIG-DVR系統結構

DVR用于增強DFIG風電系統的低電壓穿越運行能力，其結構示意圖如圖1所示。風電機組低電壓穿越的DVR結構包括：靜態開關柜、單相全橋逆變器、LC濾波器、直流電路、DC/DC變換器、儲能等部分組成[8]，雙向DC/DC變換器用來穩定DVR直流側電壓。圖1中給出了三單相DVR獨立補償中的其中一相，其他兩相與這一相的結構和參數完全相同。在電網電壓理想的條件下靜態開關柜導通，DVR被旁路不工作；當檢測到電網電壓有對稱、不對稱跌落時，開關柜迅速關閉使DVR通過耦合電容注入電網補償電壓，以確保DFIG機側電壓的平衡和穩定。

圖1　DFIG-DVR系統結構示意圖

2　控制系統分析

2.1比例諧振控制器

PR控制器可克服PI控制器的自身缺陷，在基波頻率處利用諧振可實現增益無窮大，而在非基頻處則增益特別小，因此，PR能夠直接控制交流量，在基頻處實現零穩態誤差的目的[9]。與基波補償思想相同，可并列加入諧波補償控制項[10]，則PR控制器結合諧波補償傳遞函數如式(1)所示：

式中：嵌入截止頻率為ωc的2ωcs衰減項，有助于降低受電網頻率波動的影響。PR控制器中kp、kn分別為比例諧振控制器的比例、諧振系數；截止頻率ωc影響比例諧振控制器的增益和帶寬，實際系統中ωc取值范圍為5～15 rad/s；n為指定需要補償的諧波次數，對應的kn根據不同的諧波次數進行設計。

PI及PR控制器(當n=1時)的開環傳遞函數波特圖如圖2所示。從波特圖中可以看出，兩控制器的最大不同在諧振頻率處，PR控制器的幅值在諧振頻率處變得有限大，然而，34 dB的諧振峰值仍然相當大，能夠滿足消除穩態誤差的要求。因此，將PR控制器應用到DVR輸出補償電壓的控制策略中，能夠根據參考補償電壓實現無靜差跟蹤。

圖2　PI和PR控制器波特圖

2.2復合控制策略

為了提高雙饋風電機組LVRT的能力，本文采用復合控制策略控制DVR。復合控制策略采用電網電壓前饋加機組的出口電壓和電容電流雙閉環反饋控制的方式，控制結構圖如圖3所示。

圖3　DVR復合控制策略結構框圖

前饋控制消除了電網電壓的擾動并且提高了動態響應速度；反饋控制提高了DVR輸出電壓的精度及所需補償電壓的適應能力。圖3中機端電壓反饋控制使用PR控制器，其傳遞函數如式(1)。電容電流反饋控制采用比例(P)控制器，如式(2)所示：

在圖3所示復合控制策略框圖中，通過前饋控制消除了電網電壓的擾動，因此可以不考慮電網電壓的干擾，將機組機端參考電壓Ug*視為系統輸入，機端電流Ig視為系統擾動，機端實際電壓Ug視為系統輸出。分別求出機端電壓對機端參考電壓與機端電壓對機端電流的傳遞函數，分別定義為G1、G2：

由式(3)、(4)可以看出，當GPR為無窮大時，式(3)傳遞函數等效為1，說明Ug在穩態下能夠無靜差地跟蹤參考Ug*；當GPR為無窮大時，式(4)傳遞函數為0，因此Ug在穩態下能夠完全抑制由機組電流帶來的干擾。為了進一步表明PR控制器在復合控制策略的性能，根據所給參數和傳遞函數式(3)和(4)可得機端電壓對機端參考電壓與機端電壓對機端電流的傳遞函數的波特圖，分別如圖4、圖5所示。

從圖4可見，復合控制系統機端電壓對參考電壓穩定裕度非常大，并且在低頻段控制系統性能很好。從圖5可見，傳遞函數G2的增益在所有頻率范圍內尤其在工頻處都很小，說明能很好地抑制由機組電流帶來的干擾。整個控制系統參數選擇合理，性能良好。

圖4　G1的波特圖

3　仿真實驗與分析

本文在PSCAD/EMTDC仿真軟件中建立了仿真模型。DVR濾波器及PR控制器參數為：濾波電容、電感、電阻分別為180 μF、0.03 H、0.02 Ω，PR控制器kp、k1、ωc和ω0,分別為1、100、5和314.16，P控制器的比例增益kc為30。DFIG仿真參數如下：額定功率為2 MW；定子額定電壓為690 V；定子電阻為0.010 8 pu;定子電感為3.464 pu;轉子電阻為0.012 1 pu；轉子電感為3.472 pu；直流側電容為0.016 F;額定頻率為50 Hz;慣性時間常數為0.5 s。

圖5　G2的波特圖

仿真圖6為三相電壓對稱跌落80%補償圖；圖7為三相不對稱電壓跌落80%補償圖，其中a、b、c三相電壓分別跌落80%、60%、24.4%。圖中故障起始時刻都為3 s,按照LVRT要求，持續時間625 ms。

圖6　補償三相對稱電壓跌落的仿真結果

圖7　補償三相不對稱電壓跌落的仿真結果

從仿真圖可以看出，比例諧振控制的DVR補償效果較好，對于不同電網電壓跌落狀況，對應不同的指令輸出電壓都能達到很好的跟蹤精度，圖6驗證了DVR恢復了電網嚴重的三相對稱電壓跌落的定子端電壓，而且DFIG風電能夠正常地并網運行。圖7在電網三相電壓不對稱電壓跌落工況下，三單相DVR依然能夠補償不平衡定子電壓，保證了風電機組不受電網電壓不對稱跌落的干擾。在復合控制策略下，DFIG機端電壓經過低于0.5個工頻周期就進入穩態，具有滿意的動態和穩態特性。

綜上所述，這些優勢使DFIG機端電壓始終維持在正常水平，是風電機組正常并網運行實現LVRT的前提條件。

4　結束語

本文運用比例諧振控制器來控制動態電壓恢復器輸出補償電壓，可以實現無靜差跟蹤DVR指令輸出電壓。通過對控制系統設計及分析表明，復合控制方法保證DVR系統具有很高穩定裕度，同時具有動態響應速度快、抗干擾性能好、穩態精度高等優點，從而在電網電壓發生對稱或不對稱跌落情況下，通過投切DVR始終維持風電機組定子端電壓的恒定，輔助風電機組正常并網運行實現LVRT。

致謝：

本文的研究工作得到了內蒙古自治區草原英才(2013)、內蒙古自治區高等學校青年科技英才支持計劃(2013)和內蒙古人才開發基金(2011)的資助，特此致謝！

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[3]OMAR A B,ADEL N.Series voltage compensation for DFIG wind turbine low-voltage ride-through solution[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2011,26(1):272-280.

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Study of LVRT of wind turbine based on DVR of proportional-resonant control

SUN Wei1,REN Yong-feng1,GUO Kun2,LIU Hai-tao3,LIU Fu1
(1.Electric Power College,Inner Mongolia University of Technology,Hohhot Inner Mongolia 010080,China;2.Jinqiao Bureau of Hohhot Power Supply Bureau,Hohhot Inner Mongolia 010040,China;3.Inner Mongolia Electric Power Research Institute,Hohhot Inner Mongolia 010020,China)

Due to the shortcomings of steady-state error and poor interference performance of the traditional PI controllers for dynamic voltage restorer(DVR)to track a rapidly changing sinusoidal signal,the complex control strategies based on proportional-resonant(PR)was proposed to control DVR,including a detailed analysis about transfer function and Bode plots of the control system,which could realize no static error compensation voltage according DVR instruction.The simulation results show the DVR can well compensate the voltage drop,ensuring the normal operation of the wind turbine,which improves the LVRT ability of double-fed wind turbine.

dynamic voltage restorer;proportional resonant;doubly fed induction generator;low voltage ride-through

TM 614

A

1002-087 X(2016)10-2017-03

2016-03-28

國家自然科學基金資助項目(51367012)；教育部新世紀優秀人才支持計劃(NCET-11-1018)；內蒙古自治區自然科學基金資助項目(2011BS0903,2015MS0532)；內蒙古自治區"草原英才"工程資助(CYYC2013031)；風能太陽能利用技術省部共建教育部重點實驗室開放基金資助項目(201403)

孫偉（1987—），男，內蒙古自治區人，碩士研究生，主要研究方向為風力發電低電壓穿越。