接入直流配电网的DFIG机组功率波动抑制策略研究

王 洲，杨昌海，贾春蓉，彭 婧

（国网甘肃省电力公司经济技术研究院，兰州 730050）

随着直流电源和直流负荷的发展，直流配电网技术被广泛关注。直流配电网由于其具备的无需考虑系统频率、无功功率等特性，为风电、光伏等新能源的合理利用提供了有效通道[1-2]。

双馈风力发电机组DFIG由于运行性能稳定，占有较大市场份额[3]，DFIG机组以集中式交流并网运行为主，分布式DFIG机组接入直流配电网相关技术研究相对较少。传统的DFIG机组转子侧变流器背靠背拓扑结构接入直流配电网时，需要配置整流和直流升压环节，相应增加了电能损耗。文献[4]提出了DFIG机组的直流并网型拓扑结构，研究表明机组定子侧三相不平衡电压造成机组转矩和功率存在二次脉动和畸变，严重影响机组向电网侧的功率输送。国内外已有相关文献对以上问题进行了研究分析，文献[5]提出了基于矢量比例积分调节器的功率谐波抑制方法，文献[6]采用了基于矢量比例积分环节的直接功率控制方法，文献[7]建立了通过调节转子磁链幅值抑制机组定子电流奇次谐波分量的控制方法，文献[8]分析了电流畸变与转子电流的关系，提出了一种通过注入转子负序电流来补偿定子电流畸变控制方法，以消除定子电流奇次谐波分量。

上述研究均针对直流并网型DFIG机组接入直流电网的拓扑结构，提出的控制方法均涉及复杂的建模和计算，机组参数影响建立模型的准确性和控制方法的有效性。此外在分析机组定子侧三相不平衡电压时，提取电压电流正负序分量引起控制时延和误差，因此文献[9]提出了基于降阶谐振控制器RORC（reduced order resonant controller）的电流辅助控制方法，文献[10]提出了基于比例积分谐振控制器 PI-RC（proportion integral-resonant controller）的磁场定向控制方法，以抑制机组功率和转矩波动。

以上研究在机组功率和转矩波动抑制策略中引入谐振控制器，均针对传统交流并网型拓扑结构，且仅改进转子侧变流控制方法，方法单一。本文针对接入直流配电网的DFIG机组直流并网型拓扑结构，提出在定转子侧变流器控制策略分别应用谐振控制器的方法，建立定子电流和功率控制传递函数，通过Matlab/Simulink平台的仿真，验证了本文提出方法对改善机组的输出功率特性的有效性，提升了直流并网型DFIG机组接入直流配电网的适应性。

1 接入直流配电网的DFIG机组并网拓扑结构分析

1.1 DFIG机组接入直流配电网拓扑结构

图1为典型的分布式电源接入直流配电网拓扑结构，以分布式DFIG机组为例，各机组通过直流并网点以公用直流母线DB（direct-current bus）的形式接入直流配电网，再通过逐级直流变换接入公用直流配电网。

1.2 DFIG机组交流型和直流型并网拓扑结构对比

DFIG机组并入直流配电网通常采用交流型和直流型两种拓扑结构，如图2所示。相比较而言，直流型结构更为简单，电能传递级数较少，相应电能损耗较小，本文针对直流型拓扑结构进行研究。

图1 直流配电网拓扑结构Fig.1 Topology structure for DC distribution network

图2 DFIG机组接入直流母线拓扑结构Fig.2 Topology structure for DFIG connected to DC bus

1.3 计及负序分量的DFIG数学模型

基于正、负序分量的空间两相旋转dq+坐标系，若以正序分量为参考轴，则负序分量以二倍基准角频率旋转。DFIG机组定子侧电压含有负序分量时，DFIG定子电压表达式如下：

式中：上标+、-分别表示正、反转同步速坐标系；下标+、-表示正、负序分量；ω1为正序分量基准角频率；j为复数因子。

相应的机组定子电流与磁链有以下关系：

若忽略机组铁芯损耗、铜耗等，由式（2）可以写出机组定子有功和无功功率表达式：

式中：Ps0、Qs0分别为机组有功和无功功率的恒定分量；Ps2、Qs2分别为机组有功和无功功率波动分量；ωr为转子角频率。

由式（3）可知，定子磁链负序分量和电流负序分量是引起了机组功率波动的原因。本文通过改进接入直流配电网拓扑中直流并网型DFIG机组SSC和RSC的控制策略，即在控制策略中引入均引入RORC，以抑制机组的功率波动分量，减小机组传动轴系疲劳度，提升机组运行稳定性和并网适应性。

2 基于RORC的SSC和RSC控制

2.1 DFIG机组功率波动抑制策略

本文采用的机组功率波动抑制基于对RSC和SSC控制策略的改进来实现，RORC作用于RSC控制电流反馈环，通过抑制定子电流的波动分量，间接抑制机组功率的波动分量，同时RORC作用于SSC控制功率反馈环，可直接对机组的功率波动分量起到抑制作用。

RORC是抑制转矩波动的关键环节，文献[12]对谐振控制器进行了详细的讨论，常用谐振控制器主要有降阶和二阶两类，由于二阶谐振控制器会引入三次谐波分量，故本文采用RORC，其传递函数表达式为

式中：kr为系数；ωc为截止角频率。

RORC的主要作用是能够有效减小谐振频率点处二倍频信号幅值；随着ωc的取值变化，在谐振频率左右的带宽增加，能够增强RORC对机组定子电压频率偏移的适应性。

2.2 基于RORC的RSC控制

在两相旋转dq+坐标系下，RSC采用定子磁链定向控制方法，转子电压方程如式（5）所示：

其中：

在定子电流反馈控制环中引入RORC，用GR（s）表示，结合式（4）、式（5）及定子电流控制原理框图，经拉氏变换后机组定子电流控制等效框图，如图3所示。

若定子电流表达式写为

化简图3等效方框图可得式（7）中各传递函数表达式：

综上，RSC控制策略中引入RORC后，传递函数 GA（s）、GB（s）及 GC（s）的幅频特性体现了改进控制策略对定子电流波动分量的抑制作用。

2.3 基于RORC的SSC控制

在两相旋转dq+坐标系下，SSC采用气隙电势定向控制方法[4]，定子电压方程如式（11）所示：

其中：

又DFIG气隙功率方程为

在功率反馈控制环中引入RORC，用GS（s）表示，结合式（11）、式（13）及机组功率控制原理框图，经拉氏变换后功率控制等效框图，如图4所示。

图4 采用RORC的DFIG功率控制等效框图Fig.4 Block diagram of power control of DFIG using RORC

若有功和无功功率表达式为

化简图4等效方框图可得式（14）中各传递函数表达式：

式中：

综上，SSC控制策略中引入RORC后，传递函数GD（s）、GE（s）与 GF（s）的幅频特性体现了改进控制策略对机组有功功率波动分量的抑制作用，传递函数的幅频特性体现了改进控制策略对机组无功功率波动分量的抑制作用。

3 基于RORC的控制系统稳定性分析

在定子电流和功率控制环中引入RORC，相应使得控制系统阶数增加，参数变化对系统稳定性影响较大。从图3和图4可以看出，定子电流和功率控制为多输入单输出系统，分析系统局部稳定性显得尤为必要。本文采用根轨迹分析方法对上文各传递函数稳定性进行讨论。

传递函数 GA（s）、GB（s）、GC（s）、GD（s）、GE（s）、的根轨迹如图5所示。

图5 传递函数根轨迹图Fig.5 Root locus of the transfer functions

从根轨迹图中可以看出，在复数平面内GA（s）～零极点坐标实部均小于零，即零极点均分布在复平面左半平面，由根轨迹零极点稳定判据可知，在机组定子电流和功率控制环中引入RORC，控制系统的稳定性满足系统运行要求。

4 仿真分析

本文在Matlab/Simulink下搭建仿真模型，验证本文所提控制策略的正确性和有效性。仿真以A相电压跌落至额定电压的80%为例，给定有功和无功功率分别为1 kW、100 VA。如图6所示，在0 s～0.1 s内，机组定子三相电压对称平衡，0.1 s～0.2 s内，定子A相电压出现跌落，出现三相电压不平衡的情况。

图6 定子三相电压波形Fig.6 Waveform of stator three-phase voltage

图7 定子侧电压不平衡时DFIG机组运行仿真结果Fig.7 Simulink results of DFIG operation under unbalanced stator voltage

如图7（a）所示，在 0～0.2 s内，机组定转子变流器采用传统的控制方法，在0.1 s～0.2 s A相电压发生跌落期间，机组定子输出功率波动程度加大，相比与有功功率输出额定1 kW，实际输出功率波动误差约为［-5.26，16.45］，相比与无功功率输出额定1 kW，实际输出功率波动误差约为［-13.55，18.37］，由上文理论分析可知，机组定子三相电压不对称引起的定子电流和定子磁链二倍频波动分量，是机组功率波动的重要原因。如图7（b）所示，在0～0.2 s内，机组定转子变流器采用基于RORC的改进控制方法，在0.1 s A相电压发生跌落后，实际输出有功和无功功率波动误差分别约为 ［-3.34，9.85］、［-10.12，10.56］，且功率谐波分量明显减少。通过图7（a）与 7（b）的对比，可以看出基于RORC的机组定转子变流改进控制方法，能够有效抑制机组功率的二倍频波动分量。

5 结语

本文针对接入直流配电网的直流并网型DFIG机组拓扑结构，提出了基于RORC的RSC和SSC控制策略，通过Matlab/Simulink环境下的仿真验证，表明在机组定在三相电压不对称情况下，在确保控制系统稳定的前提同事，能够有效地抑制机组的功率，改善了机组的运行能力，提升了机组接入直流配电网的适应性。