基于自適應準諧振控制的DFIG-GSC次同步振蕩抑制策略研究

孫東陽，申文強，孟繁易，沙昱彤，王南，胡博

(1.哈爾濱理工大學 電氣與電子工程學院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.哈爾濱工業大學 電氣工程及其自動化學院，黑龍江 哈爾濱 150001；3.國家電網遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 112000)

0 引 言

隨著現代電力系統的發展，風能等新能源在電力系統中的占比不斷增加。電力系統常采用串聯補償電容的方式來提升線路的輸電能力，但這加劇了系統產生次同步振蕩(sub-synchronous oscillation，SSO)的風險[1-3]。雙饋感應發電機(doubly-fed induction generator，DFIG)動態調節靈活、風電轉化率高，是一種常用的風力發電機，其網側變流器(grid-side converter，GSC)與電網直接相連。在電網SSO狀態下，GSC側的直流母線電壓會產生相應的振蕩分量，影響轉子側變流器(rotor-side converter,RSC)的控制，危害DFIG的穩定運行[4-5]。SSO會使得DFIG輸出功率振蕩，對相連線路產生影響，嚴重則會導致風機脫網，火電等發電機組切機事故[6-8]。2012年以來，我國河北沽源地區雙饋風電場發生了多起因線路串補度較高引起的次同步振蕩事故，造成風電機組因諧波過大被迫切機棄風，導致風能的浪費[9-10]。2015年，新疆哈密風電場出現SSO，振蕩擴散到整個哈密電網，導致300 km外的火電機組被迫切機[11]。因此，研究DFIG并網系統的SSO抑制具有重要的工程意義。

針對DFIG系統SSO的抑制措施有多種，常見的振蕩抑制措施有切除風機及無功負荷、增加虛擬電阻[12]。這些方法實施難度低，抑制響應迅速，但是存在設備成本高、控制靈活性低等問題。改進變流器的控制策略也是實現SSO抑制的重要手段，文獻[13-14]提出在DFIG變流器中采用附加阻尼控制，提升系統阻尼來抑制電網SSO對GSC的影響。這種抑制措施較為傳統，一般只能消除特定頻率的振蕩。文獻[15]利用比例諧振(proportion resonant,PR)控制器對交流信號的追蹤能力，在GSC側采用PR控制器來抑制直流母線電壓和網側無功功率的振蕩，在RSC側采用PR控制器來抑制定子電流振蕩，并在固定頻率下驗證該控制策略的性能，但未考慮SSO頻率變化的情況。

針對電網SSO對DFIG直流母線電壓產生擾動的問題，本文提出一種基于自適應準諧振控制的DFIG-GSC次同步振蕩抑制策略。首先，建立電網SSO狀態下GSC的數學模型，推導出在電網存在SSO時，直流母線電壓中的振蕩分量。其次，提出借助準諧振控制器對交流信號的追蹤特性來抑制直流母線電壓的振蕩，并采用遞歸思路設計GSC反步控制器，提升GSC系統的抗干擾性。此外，針對頻率變化的電網SSO，采用自適應準諧振控制器來抑制頻率變化的電網SSO時直流母線電壓的振蕩。最后，搭建DFIG系統實驗平臺，驗證所提SSO抑制策略的有效性。

1 電網SSO影響下GSC數學模型的建立

GSC的主要控制目標是維持直流母線電壓的穩定[16]。為了分析電網SSO下的直流母線電壓狀態，需要建立電網SSO情況下的GSC數學模型，電網SSO下的GSC拓撲如圖1所示。圖中：uga0、ugb0、ugc0與iga0、igb0、igc0分別表示電網理想情況下的三相電壓與電流；uga_sub、ugb_sub、ugc_sub與iga_sub、igb_sub、igc_sub分別表示電網次同步電壓與次同步電流分量；R與L分別表示線路電阻與電感值；C為直流母線側電容；Udc表示電容電壓值；iLoad為負載電流。

電網SSO下，網側電壓表達式為：

(1)

此時，網側電流表達式為：

(2)

由圖1所示的GSC電路拓撲，可以得到：

(3)

式中：vao、vbo、vco分別為GSC三相橋臂相電壓；sa、sb、sc分別為開關函數，其值為0或1。

將式(1)～式(2)代入式(3)中，同時進行Park變換得到電網SSO下GSC的d-q軸數學模型為：

(4)

式中：ugd=ugd0+ugd_sub；ugq=ugq0+ugq_sub；igd=igd0+igd_sub；igq=igq0+igq_sub；Udc=Udc0+Udc_sub。ugd0、ugq0與igd0、igq0為網側電壓、電流在d-q坐標系下的基波值；ugd_sub、ugq_sub與igd_sub、igq_sub為網側電壓、電流在d-q坐標系下SSO分量值；Udc0為理想電網下直流母線電壓穩態值；Udc_sub為電網SSO下直流母線電壓振蕩值；ω1為理想電網電壓矢量角頻率；vdo、vqo為GSC橋臂相電壓在d-q坐標系下的值；sd、sq為d-q坐標系下的開關函數。

由式(4)可知，在電網SSO的情況下，Udc也包含振蕩分量，其與網側SSO電流的關系為

(5)

對式(5)積分，可得到Udc_sub的表達式為

Asin[(ωn-ω1)t+

(6)

式中：A為Udc_sub的幅值，其值由電網SSO以及線路參數共同決定；φi_sub為網側次同步電流的初相角；φ1則為網側基波電流的初相角。由式(6)可知，當電網出現頻率為ωn次同步電壓時，Udc將會產生一個頻率為ω1-ωn的振蕩分量。

為了研究電網SSO對DFIG的影響，對SSO下的DFIG進行仿真分析。考慮到DFIG穩定運行時，Udc和轉子電流在d-q坐標系下的分量均為穩定的直流量，因此選擇Udc、ird和irq作為觀測目標。仿真結果如圖2所示。

圖2為電網SSO頻率分別為10 Hz與20 Hz，且SSO電壓幅值為電網基波電壓幅值的20%時，Udc與ird、irq的波形圖。由圖可知，當電網存在10 Hz的SSO時，Udc的振蕩頻率為40 Hz；當電網存在20 Hz的SSO時，Udc的振蕩頻率為30 Hz；同時，Udc振蕩會致使轉子電流產生畸變，進而影響RSC的正常工作。因此，需要設計相應的SSO抑制策略以維持Udc穩定。

圖2 SSO下的直流母線電壓與轉子電流波形圖Fig.2 Waveforms of Udc and rotor current under SSO

2 GSC次同步振蕩抑制機理

通過建立電網SSO作用下的GSC數學模型可知，電網SSO會使得Udc產生交流振蕩。故本文利用準諧振控制器對交流信號的追蹤特性對輸入到GSC的振蕩進行抑制，并針對變頻率的電網SSO，利用自適應準諧振控制器進行追蹤抑制；同時，采用遞歸設計思想構造反步控制器進一步提高GSC系統的魯棒性。

2.1 準諧振控制器

準諧振控制器傳遞函數[17-18]為

(7)

式中：KR為諧振控制器的增益系數；ωb為諧振帶寬；ω0為諧振頻率。

采用Bode圖對式(7)所示的準諧振控制器進行分析。設ω0為314 rad/s，分別改變KR與ωb時，諧振控制器的控制性能變化如圖3和圖4所示。

圖3 KR變化時G(s)的Bode圖Fig.3 Bode diagram of G(s) as KR changes

圖4 ωb變化時G(s)的Bode圖Fig.4 Bode diagram of G(s) as ωb changes

由圖3可知，當準諧振控制器的ωb固定時，其幅值增益與KR大小呈正相關；由圖4可知，當KR固定時，其幅值和相位隨著ωb的增大而趨于平緩。同時可以明確，無論KR與ωb如何改變，準諧振控制器對于頻率為ω0的信號追蹤效果最好。

但是，當電網SSO頻率變化時，Udc將會隨著電網SSO的頻率實時變化，這時準諧振控制器由于諧振頻率固定就難以追蹤Udc中的次同步振蕩分量，故需要采用自適應算法來實現諧振頻率的變化。

2.2 基于GSC數學模型的反步控制設計

反步設計法主要思想是通過構造閉環系統的Lyapunov函數來獲得反饋控制器，提升閉環系統的穩定性[19-20]。考慮電機控制過程中所存在的噪聲信號，設計相應的反步控制器可以提高GSC系統的抗干擾能力。

采用電網電壓d軸定向，對式(3)進行整理可得：

(8)

采用反步法設計控制器時，首先需要根據GSC電壓外環設計反步追蹤誤差e1，并且設計Lyapunov函數為：

(9)

為了保證控制系統能夠穩定收斂，需要令Lyapunov函數導數變化為

(10)

式中k1為Lyapunov導數系數，此時令

(11)

根據式(9)～式(11)，可以得到

(12)

將式(12)代入式(8)中可得

(13)

根據GSC電路拓撲，有

iLoad=igd+igq。

(14)

將式(14)代入式(13)可得

(15)

經過整理可得

(16)

其中令：

(17)

接下來設計內環的反步控制器。首先建立相應的反步追蹤誤差，并且設計Lyapunov函數為：

(18)

Lyapunov函數導數設計為

(19)

式中k2、k3為Lyapunov導數系數，此時有：

(20)

將式(20)代入式(8)可得：

(21)

對式(21)進行整理可得：

(22)

其中令：

(23)

由于DFIG在運行的過程中存在噪聲信號，對于GSC控制策略會產生不利影響。因此，本文設計了反步控制器提高GSC控制系統的魯棒性。

3 SSO頻率變化下直流母線電壓抑制策略研究

3.1 GSC自適應準諧振控制器與反步控制器設計

由2.1節分析可知，考慮到電網SSO頻率變化的情況，所設計的準諧振控制器需要具有變頻率SSO追蹤的功能。

將式(7)進行整理可得

(24)

此時，設諧振控制器輸入信號為vin=Asin(ω0t)。為了實現對vin的頻率追蹤，則根據式(24)，由vin的頻率ω0可以得出此時諧振控制器的頻率控制參數M為

(25)

則諧振控制器輸出vout表示為

vout=A|G(jω)|sin(ω0t+∠G(jω))。

(26)

式中：

根據圖3～圖4以及式(26)可知，當諧振控制器中ω0為確定值時，若輸入信號頻率為ω0，此時諧振控制器的輸出與輸入信號保持同頻同相。式(25)則表明，參數M與ω0呈現正相關性。當vin頻率發生變化時，vin與vout在以vout過零點為中心的小范圍內可近似表現為線性關系。vin與vout的誤差信號則表明了頻率控制參數M的調節方向。因此可以通過vin與vout的誤差信號對M進行實時調節，從而達到準諧振控制器頻率自適應的控制要求。根據式(24)設計自適應準諧振控制器如圖5所示[21]。

圖5 自適應準諧振控制器框圖Fig.5 Adaptive quasi-resonant controller block diagram

圖5中自適應準諧振控制器可以分為兩部分，分別為自適應環節與諧振控制環節。由圖可知，當輸入信號vin的頻率增加或減小時，控制器參數M也需要隨之變化，從而使得輸出信號同頻同相，二者間的相位差也趨近于0，最終達到對輸入信號的完全追蹤。

根據圖5搭建自適應準諧振控制器仿真模型，設K=1、H=100，初始諧振頻率ω0為10 Hz。自適應準諧振控制器控制效果如圖6所示。圖中，原輸入電壓幅值為10 V、頻率為10 Hz，在0.5 s時輸入電壓幅值、頻率、相位均發生變化。此時，自適應準諧振控制器的參數M將發生改變，完成對變頻率、幅值、相位的輸入電壓信號追蹤。

圖6 輸入信號變化時的自適應準諧振控制器效果圖Fig.6 Effect diagram of the adaptive quasi-resonant controller when the input signal changes

本文中GSC控制目標為維持Udc恒定和控制變流器功率因數為1，因此，自適應準諧振控制器的輸入量應為直流母線電壓與網側無功功率，控制器輸出量則為直流母線電壓與網側無功功率中次同步分量的控制指令。

同時，基于反步法，根據GSC系統的數學模型設計GSC反步控制策略，如圖7所示。

圖7 GSC反步控制策略Fig.7 GSC backstepping control strategy

圖7中采用反步控制器代替PI控制器，電壓外環與電流內環控制器分別按照式(17)和式(23)設計。GSC控制策略分別采用反步控制器與PI控制器時Udc的效果如圖8所示。

圖8 采用不同控制器時直流母線電壓波形圖Fig.8 Based on Udc waveforms with different controllers

由圖8可知，兩種控制方案均能控制Udc達到期望值。但是由于噪聲信號的干擾，PI控制器的效果并沒有像反步控制器一樣快速且無超調地追蹤上Udc參考值。由此可見，反步控制器受到噪聲信號這類小擾動的干擾較小，能夠更快地收斂于期望值，提高GSC系統的穩定性。

3.2 GSC側SSO抑制策略設計

通過建立電網SSO下GSC數學模型可知，在電網SSO情況下，GSC控制目標中分別含有基波分量與次同步分量。針對不同分量，本文提出通過反步控制器控制基波分量，自適應準諧振控制器控制次同步分量，由此設計的SSO抑制策略如圖9所示。

圖9 基于反步-自適應準諧振控制器的SSO抑制策略Fig.9 SSO suppression strategy based on backstepping-adaptive quasi resonant controller

在電網無SSO分量時，GSC控制系統無振蕩分量。GSC控制目標為維持Udc恒定以及控制GSC的功率因數為1。Udc的恒定由電壓外環實現；GSC功率因數為1通過控制Qg為0來實現。由前述分析可知，通過所設計的反步控制器便能實現GSC的控制目標。在該過程中，反步控制器可以減少基波分量中噪聲信號的干擾，并且增加系統響應速度，提高穩態精度。

通過上述分析可知，反步控制器用于控制Udc和Qg中的基波分量，自適應準諧振控制器則用于控制Udc和Qg中的次同步分量。二者共同作用保證了在電網SSO發生時，GSC不受振蕩的干擾，維持Udc和Qg的穩定，確保GSC控制目標的實現。

4 實驗驗證

為了驗證所提抑制策略的實際效果，本文以15 kW的DFIG為例，對所提抑制策略進行驗證。實驗平臺如圖10所示。

圖10 DFIG系統實驗平臺Fig.10 DFIG system experimental platform

圖10中，DFIG實驗平臺主要由GSC、RSC、模擬電網、模擬風機、模擬SSO發電系統以及DFIG等單元構成。實驗平臺參數如表1所示。

表1 DFIG實驗平臺相關參數Table 1 DFIG experimental platform related parameters

實驗前，要確認是否滿足并網條件，電網A相電壓與并網前DFIG的A相電壓波形如圖11所示。

圖11 電網與并網前DFIG輸出電壓波形Fig.11 Power grid and DFIG output voltage waveform before grid connection

圖11中，電機定子A相電壓與電網A相電壓幅值、頻率、相位一致，滿足并網條件。滿足并網條件后，需要驗證SSO模擬電機是否順利投入到電網中，SSO模擬電壓并網波形如圖12所示。

圖12 投入SSO下電網電壓波形Fig.12 Grid voltage waveform under SSO

圖12中，在T1時刻，投入SSO的頻率為10 Hz，幅值為理想電網電壓的20%，圖12的電網電壓表明，SSO模擬電機在T1時，順利并入到電網中。

下面驗證所提抑制策略的有效性，轉子轉速固定為900 r/min，SSO電壓的幅值為理想電網電壓的20%，頻率分別為10與20 Hz。通過采樣電路獲得轉子轉速、A相電網電壓、模擬振蕩電壓、Udc以及Qg的值，實驗結果如圖13～圖14所示。

圖13 電網SSO頻率為10 Hz時的振蕩抑制對比波形Fig.13 Oscillation suppression comparison waveform when the SSO frequency of the power grid is 10 Hz

圖14 電網SSO頻率為20 Hz時的振蕩抑制對比波形Fig.14 Oscillation suppression comparison waveform when the SSO frequency of the power grid is 20 Hz

圖13～圖14中，準諧振控制器的諧振頻率均為40 Hz。對比實驗結果可知，當電網SSO產生時，Udc和Qg均會產生振蕩。在采用諧振控制器抑制后，圖13中Udc和Qg振蕩明顯降低，但圖14中的Udc和Qg幾乎不變；而在采用自適應準諧振控制器抑制后，圖13～圖14中的Udc和Qg均有明顯降低。

上述實驗驗證了本文所提抑制策略可以保證Udc和Qg在不同SSO頻率下的穩定，但是還需要進一步觀察采用該策略后，GSC網側電流的畸變情況。實驗及結果如圖15～圖16所示。

圖15 電網SSO頻率為10 Hz時GSC網側電流波形Fig.15 Current waveform of GSC grid side when grid SSO frequency is 10 Hz

圖16 電網SSO頻率為20 Hz時GSC網側電流波形Fig.16 Current waveform of GSC grid side when grid SSO frequency is 20 Hz

圖15～圖16分別為電網SSO頻率為10與20 Hz時DFIG網側a相電流波形。可以看出，當電網存在SSO時，網側電流含有次同步分量，輸出電流波形存在明顯畸變。采用自適應準諧振控制后，網側電流中的次同步分量被明顯削弱。

最后，對準諧振控制器與自適應準諧振控制器在SSO頻率突變時的Udc振蕩抑制效果進行實驗分析，實驗結果如圖17所示。

圖17 電網SSO頻率突變時的Udc振蕩抑制對比波形Fig.17 Udc oscillation in the grid SSO frequency mutation

圖17中，SSO電壓的初始頻率為10 Hz，振蕩幅值為電網基波電壓幅值的20%。在T0時刻分別投入準諧振控制器與自適應準諧振控制器進行控制。通過觀察Udc波形可知，在投入2種控制器后，Udc中的振蕩分量被明顯削弱，2種控制器對10 Hz的SSO均能起到抑制效果。在T1時刻，SSO頻率突變為20 Hz，振蕩幅值不發生改變。振蕩頻率突變超出諧振控制器的控制范圍，在T1時刻后Udc電壓出現相應的30 Hz振蕩分量；但自適應準諧振控制器在振蕩頻率突變后，仍能實現對SSO分量的控制，在電網SSO頻率突變約0.1 s后，Udc恢復平穩。

5 結 論

針對電網SSO影響直流母線電壓穩定性的問題，同時考慮電網SSO頻率變化對振蕩抑制策略的影響，本文提出一種基于自適應準諧振控制的DFIG-GSC次同步振蕩抑制策略。由實驗結果得出以下結論：

1)采用準諧振控制器控制能夠顯著地抑制直流母線以及網側無功功率中的振蕩分量，但因為其諧振帶寬有限，并不能夠對變頻率的SSO起到很好的抑制效果。因此，本文針對電網SSO頻率變化情況，提出采用自適應準諧振控制器抑制直流母線電壓與網側無功功率中的振蕩分量。通過實驗對比分析，自適應準諧振控制器可以抑制寬頻率范圍內的直流母線電壓以及網側無功功率的振蕩，且在振蕩頻率突變的情況下仍能快速響應，實現GSC的控制目標。

2)基于李雅普諾夫穩定性定理設計的GSC反步控制器控制效果要明顯優于PI控制器，當存在噪聲等外部干擾時，能夠迅速實現直流母線電壓的穩定，提升GSC系統的魯棒性。

綜上所述，本文通過實驗驗證了所提SSO抑制策略的有效性。采用該策略可以提高GSC的抗干擾能力，維持直流母線電壓的穩定，為DFIG系統的穩定運行提供保障，具有一定的工程價值。