基于SSO多擾動輸入機理分析的DFIG-GSC功率振蕩抑制策略研究

摘 要：

電網(wǎng)次同步振蕩（SSO）已成為桎梏新能源發(fā)展的主要問題之一，針對SSO下雙饋感應發(fā)電機（DFIG）中網(wǎng)側(cè)變流器（GSC）的功率振蕩問題展開研究。首先，建立SSO對GSC的多擾動輸入數(shù)學模型，探究不同擾動輸入的性質(zhì)以及其對GSC系統(tǒng)的影響，明確了針對物理量擾動以及信號擾動分別采用補償與濾除兩種不同的抑制方法。其次，針對鎖相環(huán)（PLL）輸出誤差經(jīng)過坐標變換產(chǎn)生耦合振蕩的問題，建立PLL輸出誤差角度的頻域數(shù)學模型，并通過設計一種改進PLL消除其輸出誤差對GSC的信號擾動影響。同時，設計一種準諧振控制器的自適應算法，并提出基于自適應準諧振控制器的DFIG-GSC功率振蕩抑制策略，消除SSO對GSC的物理擾動影響；最后，通過搭建具有SSO模擬環(huán)境的DFIG實驗平臺，驗證本文所提控制策略的有效性。

關鍵詞：雙饋感應發(fā)電機；網(wǎng)側(cè)變流器；鎖相環(huán)；次同步振蕩；振蕩頻率變化；自適應準諧振控制器

DOI：10.15938/j.emc.2024.02.010

中圖分類號：TM346

文獻標志碼：A

文章編號：1007-449X（2024）02-0099-11

收稿日期： 2023-03-31

基金項目：國家自然科學基金（52277214）

作者簡介：孫東陽（1988—），男，博士，副教授，研究方向為風儲制氫、風力發(fā)電穩(wěn)定性、大功率儲能及變流器技術(shù)；

錢梓杰（1999—），男，碩士研究生，研究方向為風力發(fā)電穩(wěn)定性；

申文強（1997—），男，碩士研究生，研究方向為風力發(fā)電穩(wěn)定性；

孟繁易（1997—），男，博士研究生，研究方向為變流器技術(shù)及風力發(fā)電穩(wěn)定性；

于德亮（1983—），男，博士，教授，研究方向為智慧能源、電力電子新能源變換、新能源電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)及其控制；

吳曉剛（1982—），男，博士，教授，博士生導師，研究方向為儲能/動力電池電熱管理、車網(wǎng)互動智慧能源系統(tǒng)、氫能及燃料電池系統(tǒng)控制。

通信作者：錢梓杰

DFIG-GSC power oscillation suppression strategy based on SSO multi-disturbance input mechanism analysis

SUN Dongyang1， QIAN Zijie1， SHEN Wenqiang1， MENG Fanyi1， YU Deliang1， WU Xiaogang2

（1.School of Electrical and Electronic Engineering， Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080， China; 2.School of Electrical Engineering， Hebei University of Technology， Tianjin 300000， China）

Abstract：

Sub-synchronous oscillation （SSO） of power grid has become one of the main problems restricting the development of new energy. The power oscillation of grid-side converter （GSC） in doubly-fed induction generator （DFIG） under SSO was studied， and an oscillation suppression strategy based on adaptive quasi-resonant controller was proposed. Firstly， the multi-disturbance input mathematical model of SSO to GSC was established， and the properties of different disturbance inputs and their effects on GSC system were explored. And two different suppression methods for physical disturbance and signal disturbance were defined， namely compensation and filtering. Secondly， aiming at the problem of coupling oscillation caused by the output error of phase-locked loop （PLL） through coordinate transformation， the frequency domain mathematical model of PLL output error Angle was established， and an improved PLL was designed to eliminate the influence of output error on the signal disturbance of GSC. At the same time， an adaptive algorithm of quasi-resonant controller was designed， and a DFIG-GSC power oscillation suppression strategy based on adaptive quasi-resonant controller was proposed to eliminate the physical disturbance effect of SSO on GSC. Then， according to the above theoretical analysis and research， resonant controller was used to eliminate the estimation error of PLL. Finally， effectiveness of the proposed suppression strategy is verified by simulation and experimental results.

Keywords：doubly-fed induction generator; grid side converter; phase locked loop; sub-synchronous oscillation; oscillation frequency change; adaptive quasi-resonant controller

0 引 言

近年來，隨著“雙碳”目標的確定，以風電為代表的新能源系統(tǒng)得到快速發(fā)展［1-2］。雙饋感應發(fā)電機（doubly-fed induction generator，DFIG）為主體的風電機組具有造價低、變頻恒速控制等優(yōu)點［3］。然而，由于我國風電資源與負荷中心呈逆向分布特征，風電資源的大規(guī)模消納與利用需要遠距離輸電［4］。遠距離電能傳輸過程中大量直流換流器、串聯(lián)補償電容器、靜止無功補償器接入電網(wǎng)，致使電網(wǎng)發(fā)生次同步振蕩（sub-synchronous oscillation，SSO）問題［5-9］，并造成脫網(wǎng)事故。目前，國內(nèi)已發(fā)生多起次同步振蕩事故。2011年以來，河北沽源地區(qū)風電場發(fā)生數(shù)起振蕩頻率為3～10 Hz的SSO事故［10］。2014年新疆哈密地區(qū)發(fā)生SSO事故，致使300 km外火電機組扭振保護動作切機［11-12］，嚴重影響電網(wǎng)的安全運行與風電機組的并網(wǎng)控制。

根據(jù)事故分析表明，SSO產(chǎn)生機理復雜、暫態(tài)模型模糊、種類繁多、振蕩頻率多變且呈現(xiàn)廣域傳播特征［13］。文獻［14］對SSO的產(chǎn)生機理進行分類，并介紹現(xiàn)有SSO的主要分析方法。研究表明，無論何種原因產(chǎn)生的SSO輸入風電機組后，其故障形式都是電壓振蕩引發(fā)機組輸出功率振蕩。當電網(wǎng)發(fā)生SSO時，DFIG機組的定子側(cè)與網(wǎng)側(cè)變流器（grid side converter，GSC）都會向電網(wǎng)傳遞振蕩功率。現(xiàn)有抑制策略主要圍繞轉(zhuǎn)子側(cè)變流器（rotor side converter，RSC），但在超同步速下GSC向電網(wǎng)輸送的振蕩功率會隨電網(wǎng)SSO程度擴大而增加，所以設計有效的GSC系統(tǒng)功率振蕩抑制策略對DFIG機組與電網(wǎng)的穩(wěn)定運行有重要意義。

文獻［15］通過分數(shù)階滑模控制器的快速收斂特性提高系統(tǒng)的魯棒性以實現(xiàn)對DFIG機組SSO的抑制。文獻［16］提出在GSC控制系統(tǒng)中增添附加阻尼控制器的振蕩抑制策略，通過仿真分析得到在電流內(nèi)環(huán)添加阻尼控制器可以達到最佳振蕩抑制效果。文獻［17］通過簡化鎖相環(huán)（phase-locked loop，PLL）以及考慮系統(tǒng)短路比以實現(xiàn)優(yōu)化鎖相環(huán)參數(shù)，但其對風機實際工況依賴程度較高，且當SSO發(fā)生頻率偏移等多工況問題時，其抑制策略不能提供有效的控制效果。綜上所述，現(xiàn)有的關于抑制SSO的研究較少考慮振蕩頻率變化等多工況問題。然而，已有事故表明，由于電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和運行狀態(tài)的多變性，SSO的頻率和模態(tài)極有可能呈現(xiàn)遷移性特點［18-19］。

針對當前研究的局限性，本文首先分析SSO對GSC系統(tǒng)的多擾動輸入機理，其可分為兩部分，一部分為SSO電壓對PLL估計值的信號擾動，一部分為SSO對GSC控制系統(tǒng)的實際物理量擾動。其次，分析SSO下PLL輸出誤差經(jīng)坐標變換產(chǎn)生耦合振蕩的作用過程，并設計一種改進PLL以消除此類信號擾動，同時設計一種自適應準諧振控制器以彌補準諧振控制器帶寬有限無法應對SSO頻率變化的不足，并提出基于自適應準諧振控制器的功率振蕩抑制策略，消除實際物理量擾動對GSC的影響。最后，通過實驗驗證所提出的振蕩抑制策略的有效性。

3 基于自適應準諧振控制器DFIG-GSC功率振蕩抑制策略研究

3.1 基于自適應準諧振控制器的次同步振蕩抑制器設計

通過1.1節(jié)分析可知，在電網(wǎng)存在頻率為ωsso的SSO電壓時，GSC系統(tǒng)會產(chǎn)生作為實際物理量擾動的振蕩電流以及GSC系統(tǒng)輸出功率將產(chǎn)生頻率為ω1～ωsso的振蕩分量，危害DFIG并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。文獻［21］采用具備帶寬冗余的準諧振控制器在RSC控制策略的橋臂電壓處來補償控制策略中的擾動，進而抑制DFIG定子電流中的次同步分量。因此本文同樣考慮采用準諧振控制器來補償GSC控制策略中的次同步擾動分量，進而抑制GSC系統(tǒng)的功率振蕩。準諧振控制器傳遞函數(shù)［22-23］為

G2（s）=2KRωcss2+2ωcs+ω20。（22）

式中ωc表示截止頻率。

根據(jù)式（22）設計的準諧振控制器會將直流分量濾除，只對特定頻率的交流信號進行控制。但是當輸入信號頻率偏離諧振頻率ω0較大時，準諧振控制器難以提供足夠的控制增益，并不能夠?qū)涣餍盘柶鸬接行У目刂啤？紤]SSO分量并非固定頻率的情況，需要準諧振控制器具備頻率追蹤的功能。因此還需要對式（22）進行進一步分析。

將式（22）進行簡化變換可得

G3（s）=Hss2+HKs+MH。（23）

式中：H=2KRωc；K=1KR；M=ω202KRωc。

由式（23）可知，諧振頻率與參數(shù)M的值直接相關，因此需要設計自適應算法實現(xiàn)對參數(shù)M實時調(diào)節(jié)，進而實現(xiàn)諧振頻率的自適應。根據(jù)式（23）設計的自適應準諧振控制器如圖4所示。

圖4中，設定自適應準諧振控制器輸入信號為uin=Asin（ω0t），當準諧振控制器的諧振頻率與輸入信號頻率保持一致為ω0時，準諧振控制器輸出uout=（A/K）sin（ω0t），此時可以實現(xiàn)輸入uin與輸出uout同頻同相。當輸入信號uin頻率發(fā)生變化，其可表示為Asin（（ω0+δ）t）。uin與uout在以uout過零點為中心的小范圍內(nèi)可近似表現(xiàn)為線性關系。此時，uin與uout的偏差量作為參數(shù)M的校正方向與校正程度的計算對象輸入自適應環(huán)節(jié)。頻率自適應環(huán)節(jié)將準諧振控制器的諧振頻率修正為ω0+δ，以實現(xiàn)頻率自適應選擇的功能。

根據(jù)圖4搭建自適應準諧振控制器的仿真，同時設定K=1，H=100。自適應準諧振控制器控制效果如圖5所示。

圖5（a）～圖5（c）中，在0.3 s處輸入信號的幅值、頻率、相位發(fā)生突變，自適應準諧振控制器能夠立即完成對輸出信號幅值、頻率以及相位的自適應變化。圖5（d）中，在0.3 s處輸入信號加入直流分量，其波形發(fā)生偏移。自適應準諧振控制器輸出波形依然能夠準確跟蹤輸入信號中的交流分量。圖5表明在輸入信號幅值、頻率、相位改變以及含有直流分量的情況下，自適應準諧振控制器控制效果較好。

3.2 電網(wǎng)SSO下GSC功率振蕩抑制策略

由1.1節(jié)分析可知，當電網(wǎng)發(fā)生SSO時，GSC系統(tǒng)輸出功率包含SSO分量。本文通過基于補償思想的控制策略，消除GSC中物理量擾動的影響。采用自適應準諧振控制器的輸出作為PI控制器輸出的補償量，以此達到抑制系統(tǒng)中振蕩功率的目的。在實際控制中，可以將GSC控制器輸出的橋臂電壓指令值分解為兩部分，以d軸為例，表達式為

v*d=v*d0+v*dsub。（24）

式中：v*d0為PI控制器的輸出指令，其可控制GSC系統(tǒng)的直流母線電壓，使GSC與電網(wǎng)間形成有功功率Pg的交互；v*dsub為自適應準諧振控制器的輸出指令，其可補償GSC系統(tǒng)中產(chǎn)生的振蕩功率；v*d為橋臂電壓的合成指令，通過該指令保證GSC中的有功功率不含有振蕩分量。

綜上所述，本文提出一種基于SSO多擾動輸入機理分析的DFIG-GSC功率振蕩抑制策略如圖6所示。

圖6中含有諧振控制器的改進型PLL能夠為GSC控制器提供準確的電網(wǎng)基波電壓幅值、相位和角速度，避免信號擾動對GSC控制系統(tǒng)產(chǎn)生影響。

利用PI與自適應準諧振控制器的協(xié)同作用進行抑制SSO，其控制過程如下：

在電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運行時，系統(tǒng)中無SSO分量，由圖5（d）可知，自適應準諧振控制器對直流量無控制作用，故自適應準諧振控制器的輸出為0，即v*d=v*d0。此時，GSC系統(tǒng)僅依靠PI控制器便可以實現(xiàn)Vdc與功率因數(shù)的控制。

當電網(wǎng)發(fā)生SSO時，為了消除物理量擾動對GSC的影響，避免GSC向電網(wǎng)輸送振蕩功率，采用自適應準諧振控制器對其進行補償控制。將振蕩功率Pgsub與Qgsub輸入自適應準諧振控制器，并通過自適應算法實時追蹤輸入次同步分量的頻率，產(chǎn)生與輸入信號同頻、同相的補償量，該量作為補償Pg與Qg中次同步分量的控制指令值，確保GSC在電網(wǎng)SSO下輸出功率穩(wěn)定。

4 實驗驗證

為了驗證所提抑制策略的實際效果，以15 kW雙饋風電系統(tǒng)模型平臺為研究基礎，對所提策略進行實驗驗證，DFIG并網(wǎng)系統(tǒng)的實驗平臺如圖7所示。圖中，DFIG實驗平臺由模擬風機-DFIG系統(tǒng)、模擬電網(wǎng)、GSC控制系統(tǒng)、RSC控制系統(tǒng)、SSO模擬系統(tǒng)、可變電阻負載及相關采樣電路構(gòu)成。

實驗過程中，設定DFIG定子輸出功率為5 kW，SSO電壓的幅值為模擬電網(wǎng)電壓的20%，頻率分別為10與30 Hz。由于實驗用DFIG電機為3對極，實驗時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速設定為超同步速1 200 r/min，準諧振控制器的諧振頻率為40 Hz（電網(wǎng)SSO頻率為10 Hz時的諧振頻率）。通過采樣電路獲取振蕩產(chǎn)生時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、電網(wǎng)電壓波形、模擬振蕩電壓波形以及振蕩抑制前后的GSC功率波形。波形如圖8～圖11所示。

1）不計及PLL誤差抑制下準諧振抑制與自適應準諧振抑制效果對比實驗，如圖8和圖9所示。

2）計及PLL誤差抑制下準諧振抑制與自適應準諧振抑制效果對比實驗，如圖10和圖11所示。

通過圖8～圖11可知，在電網(wǎng)出現(xiàn)SSO時，流經(jīng)GSC的功率均產(chǎn)生振蕩分量。由實驗1）與實驗2）對比可知，計及PLL誤差抑制后，PLL輸出的d軸電壓Ud與角速度ω1的振蕩程度明顯削弱，且由于誤差角度與振蕩量的耦合影響從控制系統(tǒng)中濾除，系統(tǒng)輸出功率振蕩抑制效果明顯提高。

由圖8與圖10可知，當SSO頻率為10 Hz時，GSC系統(tǒng)功率振蕩頻率為40 Hz，在振蕩產(chǎn)生后分別加入準諧振與自適應準諧振抑制環(huán)節(jié)，Pg與Qg中的次同步分量得到了明顯抑制。

在圖9（c）與圖11（c）中，T2時刻電網(wǎng)SSO頻率突變?yōu)?0 Hz時，此時GSC系統(tǒng)功率振蕩頻率為20 Hz。由于準諧振控制器帶寬有限，故無法實現(xiàn)有效抑制。通過圖9（d）與圖11（d）可以看出，采用自適應準諧振控制器后，由于其諧振頻率可以自適應變化，即諧振頻率跟隨SSO頻率變化，因此電網(wǎng)SSO頻率的變化并不會影響自適應準諧振控制器的性能。在電網(wǎng)SSO頻率為10與30 Hz時，采用自適應準諧振控制器可以實現(xiàn)對GSC輸出功率中振蕩分量的抑制，證實了所提抑制策略的有效性。

5 結(jié) 論

針對SSO引發(fā)DFIG-GSC系統(tǒng)輸出功率振蕩問題，同時計及PLL輸出角度存在偏差以及SSO頻率突變對振蕩抑制策略的影響，本文提出基于自適應準諧振控制器的DFIG-GSC功率振蕩抑制策略。通過實驗得到以下結(jié)論：

1）通過串聯(lián)諧振控制器的改進PLL能夠有效濾除輸入PLL的次同步交流量，從而實現(xiàn)濾除由于PLL干擾輸入至GSC控制器中的信號擾動，保證PLL準確鎖定電網(wǎng)基波電壓，提高坐標變換的準確性，降低GSC中振蕩模態(tài)的復雜性。

2）本文提出的頻率自適應準諧振控制器能夠?qū)崿F(xiàn)在變頻率SSO下抑制GSC系統(tǒng)的振蕩功率，并通過實驗驗證了基于自適應準諧振控制器的GSC功率振蕩抑制策略的有效性。

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（編輯：邱赫男）