电压源型双馈风电变流器控制策略研究

贺 西，杨 韬，张少云，戴茜茜，彭 赟，易韵岚

（1. 株洲中车时代电气股份有限公司， 湖南 株洲 412001；2. 中核汇能河北新能源有限公司，河北 石家庄 050051；3. 重庆中车时代电气技术有限公司， 重庆 401120）

0 引言

随着我国新能源战略需求及碳中和目标的提出，以风力发电为代表的新能源发电呈现出爆发式的增长趋势。在风力发电中，双馈风力发电系统又以其经济、稳定的运行特性占据着主要市场份额，所以研究双馈风力发电系统的并网发电控制对于我国新能源战略具有重要意义。

新能源发电设备电网渗透率的逐步扩大，使得电网逐步表现出高阻抗、低惯量、弱阻尼及低短路比的弱电网特征［1‐3］。传统双馈风力发电系统采用电流源型变流器控制方式，不具备对电网主动提供频率及电压支撑的能力，因而会严重影响电网及变流器自身的稳定运行［4］。实际运行过程中，国内外新能源发电占比高的电网多次暴露出由于次同步振荡导致的变流器脱网问题。

为解决并网逆变器的稳定性问题，近年来，虚拟同步技术及电压源型并网逆变器技术被许多学者所研究［5‐7］。虚拟同步发电机技术是指通过模拟实际同步发电机的电气特性，使得并网逆变器具备主动调频调压的能力［8‐10］。电压源型并网逆变器技术是指在并网逆变控制中取消锁相环，而采取自同步的方式，同时模拟同步电机的特性，主动提供频率及电压支撑［11‐13］。由于电压源型逆变器控制方式去除了锁相环，因此能很好地适应弱电网需求，具备很好的发展前景。

本文在现有研究的基础上，提出了一种改进型的电压源型双馈风电变流器控制方式，将其与电流源型变流器控制方式的性能差异进行对比；同时，针对电网高电压穿越、低电压穿越工况下电压源控制的过流问题，设计了电压源型与电流源型变流器控制方式的切换方法。仿真结果显示，本文提出的控制方案具备良好的稳态及动态性能，能很好地适应新能源并网的需求。

1 双馈风电变流器及其电流源型控制策略

图1为双馈风力发电机的拓扑，其基于背靠背的变流器，完成转差功率在转子侧的馈入/馈出。当双馈发电机处于超同步状态时，发电机轴上的功率通过定子侧与转子侧同时馈入电网；当双馈发电机处于次同步状态时，发电机轴上的功率与转差功率通过定子绕组馈入电网。

图1 双馈风力发电系统拓扑图Fig. 1 Topology of doubly‐fed wind power system

图2为双馈电机的等效电路。图中，Rs为定子电阻，is为定子电流，Xσs为定子漏抗，Rr为归算后转子绕组的电阻，Xσr为归算后转子绕组的漏抗，Xm表示与主磁通相对应的铁心电路的励磁电抗，Rm为与定子铁心损耗相对应的等效电阻，us为定子电压，ur为转子电压，s为转差。

图2 双馈电机的等效电路Fig. 2 Equivalent circuit of doubly‐fed motor

双馈风力发电机发电通常采用基于定子电压定向的矢量控制策略。在定子电压定向工况下，双馈电机电压矢量方程为

式中：urd，urq——转子电压d轴，q轴分量；isd，isq——定子电流d轴，q轴分量；ird，irq——转子电流d轴，q轴分量；ωs——同步角频率；ωs1——转差角频率；ψsd，ψsq——定子磁链d轴，q轴分量；ψrd，ψrq——转子磁链d轴，q轴分量；p——微分算子。

磁链方程为

式中：Lm——定转子互感；Lr——转子自感；Ls——定子自感。

图3示出基于定子电压定向的矢量控制原理。图中，ird*为转子d轴参考电流，irq*为转子q轴参考电流，θs为电网锁相角度。定子电压定向控制采用锁相环，将同步旋转坐标系与定子的电压矢量重合，并且坐标系与电压矢量以相同的旋转速度沿顺时针方向旋转。该控制策略为电流源型变流器控制方式，其基于锁相环与电网保持同步，当电网出现扰动时，会通过锁相环影响定子电压/电流的输出，从而影响系统的稳定性。

2 电压源型双馈风电变流器控制策略

电压源型双馈风电变流器去除了传统的锁相环，通过模拟同步发电机的功角特性方程，得到输出电压的同步角度与幅值，以实现并网发电。由于其采用自同步方式，所以不受锁相环的影响，同时能够主动地提供频率和电压支撑。

隐极式同步发电机的功角特性方程为

式中：P——有功功率；Q——无功功率；m——相数；Xd——同步电抗；δ——功角；E——电机电动势；U——机端电压。

当原动机仅增加输入功率时，发电机的机端电压不变，由式（3）可以看出，只有功角变大，才能使发电机输出更多的功率。从物理学角度可以这样理解：增加原动力时，转子加速，但由于同步运行的作用，转子的转速仍维持同步转速运行；但此时电枢主磁通和转子磁极中心线将增加一个角度Δδ，等效功角变大。同理，当原动机仅增加励磁时，其无功变大，功角不变，由式（3）可知，此时发电机的机端电压将上升。

对于同步电机来说，其等效电势的大小和相位都不突变，输出功率由外部电路决定，因而具有电压源特性。为模拟同步电机特性，本文构建了双馈风电变流器电压源型控制策略框图（图4），其中外环采用虚拟同步控制，从而得到输出电流幅值及同步信号参考；内环则采用电流闭环控制。图中，Pe为有功反馈，Qe为无功反馈。

图4 电压源型变流器控制策略框图Fig.4 Block diagram of the voltage source converter control strategy

电压源型变流器控制策略的核心在于虚拟同步控制，其主要模拟同步电机转动惯性及励磁特性，以及频率及电压下垂控制，其结构如图5所示。其中，Pref为有功参考，Qref为无功参考，u0为电压基准值参数，J为虚拟转动惯量，D为虚拟阻尼系数（用来模拟同步机的机械特性），无功PI 和虚拟阻抗用来模拟同步机的励磁特性。实际应用过程中，需要权衡虚拟转动惯量及虚拟阻尼系数的选取，以兼顾响应速度和系统惯量。

图5 虚拟同步控制框图Fig. 5 Block diagram of virtual synchronization control

上述电压源型变流器控制方式能够满足系统的稳定运行要求，但是当电网高电压穿越、低电压穿越时，其并不具备故障电流的抑制能力。因此，在高电压穿越、低电压穿越状态下，上述电压源型变流器控制方式将不再合适。为解决此问题，本文设计了一种电压源型与电流源型变流器控制方式的切换机制，其控制原理如图6 所示。如图所示，控制系统实时监测网压状态：网压正常时，采用电压源型变流器控制方式；一旦监测到高、低电压穿越工况，则切换到电流源型变流器控制方式；网压恢复后，再切回电压源型变流器控制方式。

图6 高电压穿越、低电压穿越切换控制框图Fig. 6 Switching control for high voltage ride‐trough and low voltage ride‐through

此外，在双馈风电变流器启机并网时，为减少电网电流冲击，采用带锁相环的电流源型变流器控制方式更佳。综上，设计全工况范围内的双馈风电变流器控制策略如图7所示。

图7 全工况范围内的双馈风电变流器控制策略Fig. 7 Doubly‐fed wind converter control strategy within the full working range

3 仿真分析

为验证以上研究分析的合理性以及本文所提控制方式的有效性，结合理论分析搭建仿真模型。对电压源型与电流源型变流器控制方式下，双馈风电变流器的并网过程、有功无功响应及高电压穿越和低电压穿越过程进行了仿真分析，其仿真参数如表1所示。

表1 双馈风电变流器仿真参数Tab. 1 Simulation parameters of doubly‐fed wind power converter

双馈风电变流器启动时采用电流源型控制方式，启机完成后，电流源型变流器控制方式将切换为电压源变流器控制方式。

图8为双馈风电变流器启机并网波形图。其中，ir为转子电流，uL为网压。可以看出，电流源型控制方式下，电网同步过程良好，并网冲击电流很小；启机完成后，电流源型变流器控制方式将被切换为电压源变流器控制方式，切换时刻定子电流有一定的冲击，而后冲击电流逐渐减小。

图8 并网及切换波形Fig. 8 Grid‐connecting and switching waveforms

双馈风电变流器输出功率从0 增加到100%额定功率时，仿真得到电压源型控制方式下定子、转子的电流及网压情况（图9）。可以看出，在电压源型变流器控制方式下，系统动态响应过程良好。

图9 功率变化时定转子电流及网压波形Fig. 9 Stator and rotor current and grid voltage waveforms in the case of power change

正常运行时，设定网压存在±0.1 Hz 的频率扰动，可得到在网压频率波动的情况下采用电压源型控制方式时电流、网压及输出功率的情况，如图10~图11 所示。可以看出，在网压频率波动的情况下，采用电压源型控制的双馈变流器仍能稳定运行，且在网压频率出现波动时能够主动调节输出功率，为电网提供频率支撑。

图10 网压频率波动情况下转子电流及网压波形Fig. 10 Rotor current and grid voltage waveforms in the case of frequency fluctuation

图11 网压频率波动情况下功率波形Fig. 11 Power waveform during frequency fluctuation

高电压穿越和低电压穿越工况下，控制系统会从电压源型变流器控制方式切换到电流源型变流器控制方式，其定子、转子电流及网压情况如图12、图13 所示。可以看出，整个切换过程平稳，保证了高电压穿越和低电压穿越工况下电网的稳定运行。

图12 低电压穿越工况下转子电流及网压波形Fig. 12 Rotor current and grid voltage waveforms in the case of low voltage ride‐through

图13 高电压穿越工况下转子电流及网压波形Fig. 13 Rotor current and grid voltage waveforms in the case of high voltage ride‐through

4 结语

为优化弱电网情况下双馈风电变流器的控制性能，本文研究了一种改进的电压源型双馈变流器控制策略。文章首先对比分析了其与电流源型变流器控制方式的性能差异，指出其能很好地适应高阻抗、低惯量、弱阻尼及低短路比的弱电网需求；其次，提出了一种电压源型变流器控制方式下的启机及电网高电压穿越和低电压穿越工况下的控制切换逻辑，以保证系统的稳定可靠运行；最后通过仿真分析，验证了该电压源型变流器控制策略在风电变流器各种运行工况下都能取得很好的控制效果。本文仅对电压源型控制策略的稳态特性进行了研究，为了兼顾电压源型变流器控方式的响应速度与惯量特性，下一步将对其暂态特性及稳定性进行研究。