非理想電網(wǎng)條件下雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的直接功率控制

中圖分類號(hào)：TM315 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-3998（2025）03-0050-11

隨著國際能源競爭日益加劇，為了推進(jìn)清潔低碳能源發(fā)展，新能源的開發(fā)與利用顯得格外重要[1]。風(fēng)能憑借著其建設(shè)周期短、可再生、利用率高的特點(diǎn)被廣泛接受[2]。在當(dāng)前的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，主要是以雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)（doubly-fed induction generator，DFIG）為主的一類變速恒頻發(fā)電技術(shù)。DFIG 的定子部分直接連接到電網(wǎng)，而轉(zhuǎn)子部分通過一個(gè)背靠背的交直流變換器與電網(wǎng)相連。由于雙饋電機(jī)獨(dú)特的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，當(dāng)電網(wǎng)電壓出現(xiàn)不平衡及諧波畸變等非理想工況時(shí)，會(huì)導(dǎo)致輸出功率波動(dòng)、定子和轉(zhuǎn)子電流不平衡等問題，嚴(yán)重影響了DFIG 的安全運(yùn)行[3]。因此，為了更好地適應(yīng)這些非理想工況，需通過改進(jìn)控制策略來確保并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

目前在DFIG 的控制技術(shù)當(dāng)中，傳統(tǒng)的矢量控制（vector control，VC）[4-5]已相當(dāng)成熟。文獻(xiàn)[6]對(duì)矢量控制進(jìn)行改進(jìn)并利用多重坐標(biāo)系對(duì)電網(wǎng)電壓中存在諧波分量進(jìn)行檢測，要求精確地檢測電網(wǎng)電壓的相位角，并執(zhí)行相應(yīng)的坐標(biāo)變換，使得控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜。而直接功率控制（direct power control，DPC）[7因其結(jié)構(gòu)簡潔、動(dòng)態(tài)反應(yīng)快以及良好的的魯棒性而被廣泛采用。文獻(xiàn)[8]在直接功率控制策略的基礎(chǔ)上，結(jié)合滑?？刂疲╯lidingmodecontrol，SMC）實(shí)現(xiàn)對(duì)雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的穩(wěn)定控制，確保了DFIG輸出電流正弦或有功、無功無波動(dòng)的控制目標(biāo)。

此方案雖然避免了電壓和電流的相序分離，減少了控制的復(fù)雜程度，但是以功率為狀態(tài)變量的狀態(tài)空間模型中也會(huì)存在一些未建模、外部擾動(dòng)等不確定因素[9]。這些不利因素都會(huì)對(duì) DFIG 的控制產(chǎn)生影響。為了能夠?qū)崟r(shí)觀測到這些不確定量并加以控制，文獻(xiàn)[10]采用擴(kuò)張狀態(tài)觀測器（extended stateobserver，ESO）來檢測并消除系統(tǒng)中的擾動(dòng)因素，同時(shí)將系統(tǒng)近似為一個(gè)線性系統(tǒng)來提升控制性能。文獻(xiàn)[11-12]在二階滑模控制的基礎(chǔ)上加人ESO并分別將其應(yīng)用到DFIG 的轉(zhuǎn)子側(cè)和網(wǎng)側(cè)，對(duì)雙饋電機(jī)參數(shù)變化和電網(wǎng)電壓變化的非穩(wěn)定工況進(jìn)行分析，相比傳統(tǒng)滑模有效地降低了脈動(dòng)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的魯棒性，但僅考慮了平衡狀態(tài)下，并未考慮到電網(wǎng)電壓存在不平衡以及諧波分量的情況。文獻(xiàn)[13]提出一種將ESO與模型預(yù)測控制MFPCC相結(jié)合的新型控制策略，能夠準(zhǔn)確估計(jì)并補(bǔ)償集總擾動(dòng)，有效克服了參數(shù)依賴問題，當(dāng)電網(wǎng)電壓中出現(xiàn)負(fù)序分量時(shí)，此控制策略能夠顯著提升DFIG的運(yùn)行性能，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)良的控制效果。

關(guān)于不平衡及諧波電網(wǎng)下控制技術(shù)的研究，其主要集中在不平衡電網(wǎng)條件下或者諧波電網(wǎng)條件下。但實(shí)際運(yùn)行的雙饋電機(jī)，有可能運(yùn)行在電網(wǎng)既不平衡又出現(xiàn)諧波的非理想工況下。文獻(xiàn)[14]雖對(duì)這種工況進(jìn)行了研究，但是沒有考慮負(fù)序分量以及諧波分量相互作用、不確定外部擾動(dòng)的情況。為此，本文提出了一種非理想電網(wǎng)條件下將擴(kuò)張狀態(tài)觀測器與滑?？刂葡嘟Y(jié)合的直接功率控制策略。

1不平衡及諧波電壓下DFIG的數(shù)學(xué)模型

兩相靜止 αβ 坐標(biāo)系下DFIG的電路模型如圖1所示。圖中， U_soβ?U_roβ 分別為兩相的定、轉(zhuǎn)子電壓，I_soβ?I_rαβ 分別為定、轉(zhuǎn)子電流， 分別為定、轉(zhuǎn)子磁鏈， R_s，R_r 分別為定、轉(zhuǎn)子電阻， L_ls?L_lr?L_m 分別為定、轉(zhuǎn)子繞組漏感以及定轉(zhuǎn)子繞組之間的互感。以上轉(zhuǎn)子各量均已歸算到定子側(cè)。

根據(jù)DFIG在兩相靜止坐標(biāo)下的等效電路圖，可以得出DFIG定轉(zhuǎn)子繞組的電壓方程為

式中， ω_r 為轉(zhuǎn)子電角速度， L_s=L_ls+L_m 為定子繞組的自感， L_r=L_lr+L_m 為轉(zhuǎn)子繞組的自感

式（1）中的數(shù)學(xué)模型未對(duì)DFIG的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行假設(shè)，因此對(duì)于理想和非理想電網(wǎng)條件下都是適用的。將式（1）改寫成以定子電流為變量的狀態(tài)方程

式中， k=1/（L_sL_r-L_m²） ！

雙饋電機(jī)定子側(cè)的瞬時(shí)有功功率和無功功率分別為

對(duì)式（3）求導(dǎo)，可得

在電網(wǎng)電壓存在不平衡及諧波分量時(shí)，電網(wǎng)電壓主要分為正序、負(fù)序、五次諧波和七次諧波分量，

U_sαβ=U_sαβ⁺+U_sαβ^-+U_sαβ^-5+U_sαβ⁺⁷，

式中， U_soβ⁺，U_soβ^-，U_sαβ^-5，U_sαβ⁺⁷ 分別表示兩相靜止坐標(biāo)系下的正序、負(fù)序、五次諧波和七次諧波電壓分量。各次分量可以表示為

式中， U⁺，U^-，U^-5，U⁺⁷ 和 φ_u⁺?φ_u^-?φ_u^-5?φ_u⁺⁷ 分別為正序、負(fù)序、五次諧波和七次諧波分量的幅值和初始相位。

對(duì)式（6）求導(dǎo)，可得兩相靜正 αβ 坐標(biāo)系下的電壓變化率為

將式（7）和定子電流的狀態(tài)方程式（2）代人式（4）得出不平衡及諧波電網(wǎng)電壓下DFIG的數(shù)學(xué)模型：

從式（8）中可以看出，最后兩項(xiàng)是由電網(wǎng)電壓負(fù)序和諧波分量引起的，如果負(fù)序和諧波分量為零的話，以功率為狀態(tài)空間表達(dá)式的數(shù)學(xué)模型即為理想狀態(tài)下雙饋電機(jī)的模型。

2擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的設(shè)計(jì)及其參數(shù)整定

在實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，由于存在一些系統(tǒng)未建模動(dòng)態(tài)以及不確定的外部擾動(dòng)，導(dǎo)致部分的狀態(tài)變量無法實(shí)時(shí)觀測到。為了確保所有的狀態(tài)變量均可有效地應(yīng)用于反饋，這里利用擴(kuò)張狀態(tài)觀測器引入額外的變量來當(dāng)作系統(tǒng)的狀態(tài)之一，以此得到不確定項(xiàng)的估計(jì)值。通過這種方法，既能實(shí)現(xiàn)狀態(tài)觀測和系統(tǒng)補(bǔ)償，也能提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度和跟蹤精度等，從而更好地實(shí)現(xiàn)控制目的。

2.1 擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的設(shè)計(jì)

簡化式（8）為

式中， Y=[P_s，Q_s]^T，U_roβ=[u_rα，u_rβ]^T 為歸算到定子兩相靜止坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子電壓矢量，

由式（9）可得功率狀態(tài)方程為

式中， X_i 為雙饋電機(jī)定子側(cè)輸出的有功和無功功率， X₂ 為系統(tǒng)內(nèi)部耦合項(xiàng)、負(fù)序分量以及諧波分量相作用所引起總擾動(dòng)量。

構(gòu)造擴(kuò)張狀態(tài)觀測器為

式中， 為對(duì)狀態(tài)變量 X₁ 的估計(jì)， 為對(duì)擾動(dòng)變量 X₂ 的估計(jì)，且 。 E 為瞬時(shí)功率的觀測誤差 為擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的參數(shù)。

2.2擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的穩(wěn)定性分析

ESO 的參數(shù)會(huì)對(duì)觀測誤差的精度產(chǎn)生一定的影響，但是其必須建立在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，因此先對(duì)ESO的穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)證[15-16]

并將其代人式（11）得

對(duì)式（12）進(jìn)行拉氏變換可得

由式（13）可得 的傳遞函數(shù)的表達(dá)式為

因?yàn)槠涓櫿`差和估計(jì)誤差分別為 ， ，將其代入式（14）可得

可得該誤差系統(tǒng)的特征方程：

s²+β₁s+β₂ζ=0

根據(jù)勞斯-赫爾維茨穩(wěn)定性判據(jù)，當(dāng)滿足 β₁gt;0，β₂ζgt;0 時(shí)，其特征方程的特征根均在 s 平面的左半平面。因此，可利用拉氏變換的終極定理求ESO的穩(wěn)態(tài)誤差：

即ESO可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)和總擾動(dòng)進(jìn)行有效估計(jì)。

2.3擴(kuò)張狀態(tài)觀測器參數(shù)整定的討論

在ESO 的參數(shù)整定中，通常取 β₁=1/ρ，β₂=β₁/ρ，ρ 為積分步長。增大 β₁ 可以加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，增大 β₂ 可以加快誤差的跟蹤速度，但是過大的增益可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩，致使系統(tǒng)性能下降。對(duì)于fal函數(shù)， α₁ 反映了增益的變化率，當(dāng) α₁?1 時(shí)，該函數(shù)的增益會(huì)隨著誤差的增大發(fā)生大幅度的變化，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。通常情況下，取 0lt;α₁lt;1，α₁ 越大，到達(dá)給定值的時(shí)間越短， α₁ 越小，到達(dá)給定值的時(shí)間越長。 δ 是為避免在原點(diǎn)附近震蕩而引入的一個(gè)正數(shù)，它的作用是調(diào)整函數(shù)的增益，從而控制函數(shù)在原點(diǎn)附近的增長速率。如果 δ 過大，則整個(gè)函數(shù)在作用的大部分區(qū)間內(nèi)部為線性的，反之 δ 過小，函數(shù)在原點(diǎn)附近的增益減少的效果會(huì)減弱，可能導(dǎo)致函數(shù)在整個(gè)定義域內(nèi)仍然保持非線性且更接近于一個(gè)開關(guān)函數(shù)，在原點(diǎn)附近可能出現(xiàn)高頻顫振現(xiàn)象。

3控制規(guī)律設(shè)計(jì)及功率補(bǔ)償量的計(jì)算

3.1 雙冪次滑模趨近律設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的滑?？刂浦笖?shù)趨近律 中，符號(hào)函數(shù)固定的大增益項(xiàng)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生大的抖振。若系統(tǒng)狀態(tài)正向趨近穩(wěn)態(tài)時(shí)，其趨近速度是 ；如果系統(tǒng)狀態(tài)負(fù)向趨近穩(wěn)態(tài)時(shí)，其速度是 。因此，系統(tǒng)不會(huì)真正穩(wěn)定在平衡點(diǎn)，而是在平衡點(diǎn)處進(jìn)行振幅為 ε 的抖振。

為解決此問題，本文采用雙冪次滑模趨近律，在減弱滑模抖振現(xiàn)象的同時(shí)也確保了系統(tǒng)狀態(tài)變量能夠在有限時(shí)間內(nèi)達(dá)到滑模面。定義雙冪次滑模趨近律為

式中， k₁gt;0，k₂gt;0，γgt;0，0lt;β₃lt;1 。當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)滿足 ∣s∣lt;1 時(shí)，式（18）主要受 影響。而當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)滿足 ∣s∣?1 時(shí)，式（18）主要受 -k₁∣s∣^γsgn（s） 影響。系統(tǒng)在狀態(tài)滿足 ∣s∣lt;1 或 ∣s∣?1 時(shí)都會(huì)獲得較快的收斂速度。因此其趨近速度均可寫為 ，這意味著系統(tǒng)在接近穩(wěn)態(tài)時(shí)會(huì)減小抖振現(xiàn)象。

3.2 滑?？刂破鞯脑O(shè)計(jì)

根據(jù)直接功率控制的要求，取功率的偏差為滑模面并定義滑模面函數(shù)為

式中， 分別為有功、無功的參考值， s₁…s₂ 分別為有功、無功的滑模面。

當(dāng)系統(tǒng)的狀態(tài)變量到達(dá)滑模面的時(shí)候，有功、無功的估計(jì)值將精準(zhǔn)地跟蹤到其對(duì)應(yīng)的給定值，即s=0 。當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)變量在滑模面上向平衡點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)式（19）得

將式（11）代入式（20），并將其化簡可得

最后將式（18）代人式（21），得到最后的控制方程為

3.3 雙冪次滑模趨近律的穩(wěn)定性證明

定義Lyapunov函數(shù)

從而有

由式（24）可得，不論 s₁ 和 s₂ 為何值，都滿足 。當(dāng)且僅當(dāng) s₁=s₂=0 時(shí)， 。綜上所述，根據(jù)Lyapunov穩(wěn)定性判據(jù)可知，系統(tǒng)是穩(wěn)定的。

3.4不平衡及諧波電網(wǎng)下功率補(bǔ)償?shù)挠?jì)算

在不考慮直流母線電壓對(duì)轉(zhuǎn)子側(cè)變換器影響的情況下，不平衡及諧波電網(wǎng)下定子的并網(wǎng)電流同時(shí)也可以分解為正序、負(fù)序以及諧波分量，其表達(dá)式為

式中 ，I⁺?I^-?I^-5?I⁺⁷ 和 φ_i⁺?φ_i^-?φ_i^-5?φ_i⁺⁷ 分別為正序、負(fù)序、五次諧波和七次諧波分量的幅值和初始相位，將式（6）和式（25）代人式（3）可得系統(tǒng)的瞬時(shí)有功功率和無功功率為

式中， P₀ 為有功功率的直流分量， P_n 為有功功率 n 倍頻的波動(dòng)分量， Q₀ 為無功功率的直流分量， Q_n 為無功功率 n 倍頻的波動(dòng)分量。

從式（26）可以得知，在不平衡及諧波電網(wǎng)條件下，雙饋電機(jī)定子輸出的有功和無功功率不僅包含直流分量，還包含2倍頻、4倍頻、6倍頻、8倍頻和12倍頻的波動(dòng)分量，這些波動(dòng)對(duì)輸出的電能質(zhì)量產(chǎn)生了嚴(yán)重的負(fù)面影響。如果不加以有效抑制，將會(huì)對(duì)雙饋電機(jī)的運(yùn)行性能產(chǎn)生很大的影響。功率存在的4、8和12倍頻的波動(dòng)分量主要是由電壓和電流的負(fù)序或諧波分量的相乘產(chǎn)生的。鑒于這些負(fù)序和諧波分量的幅值和含量遠(yuǎn)低于正序分量，因此可以忽略它們產(chǎn)生的影響。所以在控制目標(biāo)的選取時(shí)只針對(duì)于2倍頻和6倍頻。同時(shí)，式（26）可以化為

（i_sα⁺，i_sβ⁺，i_sα^-，i_sβ^-，i_sα^-5，i_sβ^-5，i_sα⁺⁷，i_sβ⁺⁷）^T_c

由于波動(dòng)分量的存在，平衡狀態(tài)下有功和無功功率的參考值無法有效控制雙饋電機(jī)的并網(wǎng)運(yùn)行。

因此，需要重新考慮功率參考值的設(shè)定，并采取相應(yīng)的補(bǔ)償策略來確保風(fēng)電系統(tǒng)能夠滿足并網(wǎng)運(yùn)行。

在理想情況下，希望能夠同時(shí)消除有功功率和無功功率的所有波動(dòng)分量。但在實(shí)際操作中，這一控制目標(biāo)是無法實(shí)現(xiàn)的。假設(shè)系統(tǒng)中功率的2倍頻分量為零，此時(shí)有

顯然，式（28）沒有非零解，等式不成立。同理，對(duì)于6倍頻而言，同時(shí)消除有功和無功功率的波動(dòng)分量也是無法實(shí)現(xiàn)的。因此，選取以下3個(gè)控制目標(biāo)。

目標(biāo)1：消除有功功率的2倍頻和6倍頻波動(dòng)分量，保持定子側(cè)輸入電網(wǎng)的有功功率恒定。令 P₂+ P₆=0 ，并將其代入式（27）進(jìn)行化簡，可得有功和無功功率補(bǔ)償項(xiàng)分別為

從式（29）中可以看出，無功補(bǔ)償項(xiàng)中需要知道負(fù)序和諧波電流分量，因?yàn)槠潆y以準(zhǔn)確測量提取，需要對(duì)此進(jìn)行化簡。

將式（6）和式（25）代人式（27）并通過化簡可以得到功率的補(bǔ)償量為

目標(biāo)2：消除無功功率的2倍頻和6倍頻波動(dòng)，保持定子輸入電網(wǎng)的無功功率恒定。同理可以得到功率的補(bǔ)償量為

目標(biāo)3：消除定子電流中的負(fù)序和諧波分量，確保并網(wǎng)電流對(duì)稱且正弦。令 i_sα^-=0，i_sβ^-=0，i_sα^-5=0 i_?β^-5=0，i_sα⁺⁷=0，i_sβ⁺⁷=0 ，可以得到功率的補(bǔ)償量為

綜上所述，針對(duì)不同的控制目標(biāo)，在功率參考值中添加相應(yīng)的功率補(bǔ)償量，來保證雙饋電機(jī)并網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。圖2為在電網(wǎng)不平衡及諧波情況下，采用 ESO₊ SMC直接功率控制策略的控制框圖。

4 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所提出的控制策略在不平衡及諧波電網(wǎng)下對(duì)雙饋電機(jī)控制的有效性，在仿真平臺(tái)Matlab/Simulink中搭建2MW的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)，并從傳統(tǒng)滑模趨近律、雙冪次滑模趨近律以及擴(kuò)張狀態(tài)觀測器 + 雙冪次滑模趨近律三種不同的控制方案對(duì)DFIG的運(yùn)行性能進(jìn)行仿真分析。具體的仿真參數(shù)見表1。根據(jù)2.3節(jié)討論的原則，得到表2的控制參數(shù)。

設(shè)定仿真在系統(tǒng)額定情況下運(yùn)行。仿真時(shí)長設(shè)定為1s，在 0～0.2 s期間，有功和無功的參考值設(shè)定為0，定子側(cè)電壓為額定電壓。在0.2s之后，有功功率的參考值階躍變化到 2MW ，電壓開始加入4% 的五次諧波分量和 3% 的七次諧波分量并且a相電壓跌落 20% 。在0.8＼～1s期間，定子電壓恢復(fù)到額定電壓。其電源電壓波形如圖3所示。

根據(jù)如上設(shè)定，分別對(duì)不平衡及諧波電網(wǎng)電壓下三種不同的控制方案進(jìn)行仿真分析。圖4—圖6為DFIG在不同控制策略下的仿真波形圖。

在 0～0.2 s期間，三相電網(wǎng)電壓為對(duì)稱且正弦的電壓，此時(shí)DFIG運(yùn)行在平衡狀態(tài)下。所提出的控制策略均能對(duì)DFIG的輸出量進(jìn)行有效控制。從各個(gè)控制目標(biāo)下可以看出，從方案一到方案三有功、無功功率和定子電流的波動(dòng)均有所減小并且與給定值實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定跟蹤。

在 0.2～0.4s 期間，采用控制目標(biāo)一，消除有功功率出現(xiàn)的2倍頻和6倍頻諧波分量，確保定子輸出的有功功率維持恒定。從圖4（a）、圖5（a）和圖6（a）中可以看出，有功功率基本穩(wěn)定在 2MW 。對(duì)此時(shí)的有功功率進(jìn)行放大處理如圖4（b）、圖5（b）和圖6（b）所示，可以得出從方案一到方案三，有功功率的波動(dòng)有所削減，實(shí)現(xiàn)更好的跟蹤。圖4（c）、圖5（c）和圖6（c）表示的為無功功率，可以看出，由于負(fù)序和諧波分量的存在，無功功率均出現(xiàn)多倍頻的波動(dòng)。圖4（e）、圖5（e）和圖6（e）所示的三相定子電流均出現(xiàn)不平衡度且a相電流明顯高于 b，c 兩相，主要是因?yàn)殡妷旱呢?fù)序及諧波分量導(dǎo)致的，但是在此控制目標(biāo)下電流總體還是保持正弦的。圖4（g）、圖5（g）和圖6（g）中的轉(zhuǎn)子電流發(fā)生畸變，主要是由定子兩相靜止坐標(biāo)系下的負(fù)序以及諧波電流轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系時(shí)產(chǎn)生的。圖4（h）、圖5（h）和圖6（h）中電磁轉(zhuǎn)矩除基頻振蕩成分外，還有多倍頻的成分。

在 0.4～0.6 s期間，采用控制目標(biāo)二，消除無功功率出現(xiàn)的2倍頻和6倍頻諧波分量，確保定子輸出的無功功率維持恒定。從圖4（c）、圖5（c）和圖6（c）中可以看出，無功功率基本穩(wěn)定在 0Var 。同樣對(duì)此時(shí)的無功功率進(jìn)行放大處理如圖4（d）、圖5（d）和圖6（d）所示，可以得出無功功率的波動(dòng)分量從方案一到方案三逐漸削減。圖4（a）、圖5（a）和圖6（a）中所示的有功功率也存在多倍頻的波動(dòng)。圖4（e）、圖5（e）和圖6（e）所示的三相定子電流仍出現(xiàn)不平衡度且 b，c 兩相電流明顯高于a相，并且存在少量的負(fù)序和諧波分量。圖4（g）、圖5（g）和圖 6（g） 中的轉(zhuǎn)子電流仍然存在畸變。圖4（h）、圖5（h）和圖6（h）中電磁轉(zhuǎn)矩的多倍頻振蕩成分被消除，僅含有基頻振蕩。

在 0.6～0.8s 期間，采用控制目標(biāo)三，消除定子電流中出現(xiàn)的負(fù)序和諧波分量，確保并網(wǎng)電流對(duì)稱且正弦。從圖4（e）、圖5（e）和圖6（e）中可以看出，三相定子電流對(duì)稱、正弦且無畸變。對(duì)此時(shí)的a相進(jìn)行諧波分析，a相電流的THD由方案一的 1.38% 依次降低到 0.88%.0.69% ，實(shí)現(xiàn)更好的控制效果。圖4（a）、圖5（a）和圖6（a）所示的有功功率與圖4（c）、圖5（c）和圖6（c）的無功功率類似，雖然都出現(xiàn)了多倍頻的波動(dòng)，但是波動(dòng)的幅度較前兩種控制目標(biāo)明顯減小。圖4（h）、圖5（h）和圖6（h）中電磁轉(zhuǎn)矩的振蕩分量也隨之減小，但仍然存在多倍頻成分。

從上述的仿真結(jié)果可以看出，所提出的控制策略均可對(duì)本文所提出的三個(gè)控制目標(biāo)進(jìn)行有效控制，并且降低了有功、無功功率的波動(dòng)，減少了定子輸出電流的諧波失真度，增強(qiáng)了系統(tǒng)的魯棒性，提升了系統(tǒng)的抗干擾能力。由此可知本文所提出的控制策略是可行的。

5結(jié)論

為了提高DFIG的運(yùn)行性能，本文深入研究了在不平衡及諧波電網(wǎng)電壓工況下，提出了一種有效的控制策略。引入擴(kuò)張狀態(tài)觀測器與雙冪次趨近律的滑模控制相結(jié)合的控制方法，利用擴(kuò)張狀態(tài)觀測器估計(jì)系統(tǒng)中的不確定性和外部擾動(dòng)，并通過滑?？刂菩拚龜?shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)雙饋電機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)的準(zhǔn)確描述。

仿真結(jié)果表明，所提策略能顯著減少有功和無功功率的波動(dòng)，特別是在消除無功功率的2倍頻和6倍頻諧波分量方面表現(xiàn)出色，確保了并網(wǎng)電流的對(duì)稱性和正弦性。同時(shí)，該策略還能夠在一定程度上抑制轉(zhuǎn)子電流的畸變，并減少電磁轉(zhuǎn)矩的振蕩。

綜上所述，本文提出的控制策略，不僅簡化了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，還顯著提高了DFIG在非理想電網(wǎng)條件下的運(yùn)行穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能，為新能源發(fā)電技術(shù)的發(fā)展提供了有力支持。

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［責(zé)任編輯：張存鳳］

Abstract：In order to improve the operational performance of doubly-fed wind turbine DFIG in unbalanced and harmonic power grids，a direct power control strategy based on the combination of extended observer and sliding mode is introduced within a two-phase stationary coordinate framework.Firstly，a mathematical model is established about the system with power as the state variable under unbalanced and harmonic power grids.Secondly，an extended state observer is used to estimate the uncertainty and external disturbances caused by the interaction of negative sequence and harmonic components in the system. Combined with sliding mode control，the nominal mathematical model of the doubly fed motor is modified to obtain theactual operating mathematical model.Determine the power compensation scheme and compensation amount based on diferent control objectives.Finally，the effctivenessand feasibilityof implementing the proposed control strategy are verified through simulation.

Key words： doubly-fed wind turbine； unbalanced and harmonic power grid; expansion state observer; sliding mode control； direct power control