双馈风电机组电压源电流源双模式运行平滑切换控制策略

李臻博，代林旺，李少林 ，张学广

（1.哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，黑龙江 哈尔滨 150001；2.中国电力科学研究院有限公司，北京 100192）

双馈发电机是目前使用最为广泛的风力发电机型[1-2]。双馈风电机组中技术成熟且广泛应用的控制方式是电流源型矢量控制方式[3-5]，其具有有功无功解耦控制等优点，但不具备自主的频率、电压支撑能力。随着虚拟同步机（virtual synchronous generator，VSG）技术的发展，电压源型虚拟同步式双馈风电机组的研究受到广泛关注和重视[6-10]。采用该控制方式下的双馈风电机组可以为电网提供惯量与阻尼，具有对电网电压与频率的支撑能力。带有电流内环的间接式虚拟同步机控制方式更便于工程上的应用。为了满足不同场景下电网工作要求，充分利用电力电子装置控制灵活性的优点，双馈风电机组应能根据实际工况需求切换控制策略，但其切换时会产生较大电流冲击与输出功率波动，影响输出电能质量的问题。

国内外对控制模式切换问题已经展开了研究，但目前的研究主要集中于变流器。文献[11]提出一种将下垂控制与V/f控制相结合的混合控制策略，并利用状态跟随器的设计以实现变流器的平滑切换。文献[12]提出一种基于自适应功率补偿的无功-电压和有功-频率稳定控制策略，有效地抑制了负载对系统电压和频率的扰动，有利于平滑切换的实现。文献[13]提出了一种VSG的PQ模式，使并网状态下VSG能够实现恒功率运行，同时在动态过程中可以为系统提供惯量支撑，其稳态性能优于频率下垂模式，动态性能差于频率下垂模式。文献[14]提出了一种适用于并网工况的储能变流器虚拟同步机PQ模式控制策略，并提出了VSG的下垂模式与VSG的PQ模式的平滑切换方法，不过其控制本质仍然是电压源控制方式。文献[15-16]提出了一种基于控制器状态跟随的PQ控制与VSG控制的切换方法，但切换时间较长。文献[17]针对储能变流器在状态跟随切换的基础上提出将电流内环控制器改成线性自抗扰控制器，并设计一个状态观测器LESO实时在线观测扰动以补偿控制器，抑制切换过程中的电压电流波动，但增加了算法复杂度，不利于工程应用。文献[18]提出了一种通过相位与幅值预同步和电流环参考值跟踪的方法降低光伏逆变器模式切换时的电流冲击。文献[19]通过改进有功控制模块与无功控制模块提出一种VSG控制与PQ控制的切换方法，并通过小信号模型分析参数稳定性。文献[20]提出了一种双馈风力发电机电流源控制模式与混合型控制模式的切换方法。目前，控制模式切换策略的研究多是基于变流器，对于双馈风电机组的控制模式平滑切换策略研究较少，且双馈风电机组控制模式切换时需要考虑的因素较变流器更为复杂。

为此，本文首先分析了双馈风电机组的结构与控制策略，在此基础上提出了一种双馈风电机组电压源控制模式与电流源控制模式平滑切换的控制策略。首先保证两种控制模式的电流内环结构与参数相同，同时通过控制器状态跟随与数值缓启器的共同作用使相位与电流环给定值在切换时平滑过渡。实现依据调度指令快速完成风电机组控制模式切换功能，并消除控制模式切换过程中的功率波动。最后，通过仿真分析验证了所提方法的有效性。

1 双馈风电机组结构与控制策略

1.1 双馈风电机组结构

图1为双馈风电机组拓扑连接图，风力机通过变速箱拖动双馈电机转子旋转，双馈电机定子直接接电网，转子通过背靠背变流器接入电网，双馈风电机组的控制策略都可以通过改变转子侧变流器的控制方法来实现。

双馈风电机组网侧变换器始终采用矢量控制策略，通过改变转子侧变换器的控制策略即可让双馈风电机组运行在电压源控制模式或电流源控制模式下。

1.2 双馈风电机组矢量控制策略

双馈风电机组矢量控制策略通过功率外环与电流内环控制转子电压。功率外环控制方程为

式中：Ps_ref，Qs_ref，Ps，Qs分别为 DFIG 输出有功、无功功率的给定值和实际值；kp0，ki0为功率环PI系数；Lm为电机定子与转子之间的互感；usd为定子电压d轴分量；ωs为定子电流角频率；ird_ref，irq_ref分别为功率环输出的转子电流给定值的d，q轴分量。电流内环的控制方程为

通过功率外环控制转子电流，再利用转子电流控制转子电压。功率外环输出转子电流参考值，通过转子电流内环输出转子励磁电压。图2为双馈风电机组转子侧变换器矢量控制策略框图。

1.3 双馈风电机组虚拟同步机控制策略

本文采用的是带定子电压转子电流级联内环控制的电压源型间接式虚拟同步机控制方式。虚拟同步外环控制方程为

式中：Tj，D分别为惯性和阻尼时间常数；ω1为转子转速；ω为虚拟角速度；ωb为电网角频率基准值；us_ref为定子电压给定参考幅值；θs为定子控制电压的相角；us为定子控制电压的幅值。

虚拟同步机外环控制是通过有功功率偏差产生虚拟同步角频率、无功功率偏差产生定子电压幅值，然后将该幅值和频率按照矢量合成的方法直接产生定子电压us。虚拟同步机控制模式的电压内环控制方程为

电压电流内环控制是通过定子电压转子电流双闭环来控制转子电压，电压电流内环中定子电压环的输出是转子电流参考值，转子电流环的输出是转子励磁电压，从而构建虚拟同步机控制到转子控制电压之间的桥梁。此外，矢量合成也是中间重要的环节，电压环输入信号中的定子电压d，q轴参考电压，可以通过信号合成及Park变换完成中间信号的转换。图3为双馈风电机组转子侧变换器虚拟同步机控制策略框图。

2 双馈风电机组结构与控制策略

本节将分析双馈风电机组在电压源型虚拟同步机控制模式与电流源型矢量控制模式间的平滑切换方法。在实际切换中发现，接收到运行模式切换指令后，若直接切换转子侧变流器输入，则风机会失稳崩溃。由第1节可知，双馈风电机组无论工作在电压源控制模式下还是在电流源控制模式下，其电流内环都没有改变。因此本文在电流内环控制器前进行双模式切换，避免了上述问题。在双馈风电机组运行时，令电流内环、矢量控制下的功率外环与虚拟同步机控制下的电压外环、虚拟同步外环同时运行，根据系统指令决定双馈风电机组运行在何种控制模式下。因此保证双馈风电机组控制模式能稳定切换的关键在于使矢量控制的相位θs和电流环给定分别与电压源型虚拟同步机控制的相位θg和电流环给定i*rd_r e f_V S G和i*rq_ref_VSG在切换时刻的平滑过渡。图4为双模式运行平滑切换方法整体示意图。

2.1 电压源/电流源控制模式切换

双馈风电机组矢量控制中功率外环切换控制框图、虚拟同步机控制中虚拟同步机外环切换控制框图和虚拟同步机控制中电压内环切换控制框图如图5～图7所示。

双馈风电机组控制模式切换的逻辑开关对应表如表1所示。

表1 逻辑开关对应表Tab.1 Table of logical switch mappings

双馈风电机组由电压源运行模式切换至电流源控制模式控制时序如图8所示。

双馈风电机组以电压源控制模式运行时各开关状态为

双馈风电机组以VSG控制模式运行时，矢量控制中功率外环的逻辑开关K5，K6处于状态2，使矢量控制下有功功率环、无功功率环的控制器输出分别与VSG控制中电压环q轴控制器输出的电流内环d轴给定值、电压环d轴控制器输出的电流内环q轴给定值相等，即逻辑开关K1，K2处的状态1等于状态2，目的是为了消除虚拟同步机控制切换为矢量控制时电流内环d轴、q轴给定值的波动。

t1时刻，接收到运行模式切换指令信号，此时，令K1=K2=K3=K4=K5=K6=1。虽然已保证了功率外环控制器与电压环控制器在切换时刻输出状态一致，但矢量控制中有功环的逻辑开关K5，K6处状态1与状态2在切换时存在差值，此差值依然会造成双馈风电机组在切换时存在功率波动。为了完全消除控制模式切换时的功率波动，在接收到系统切换指令后，逻辑开关K5，K6前的数值缓启器分别获取逻辑开关K5，K6处数值Ki_（xi=5，6；x=1，2；下标i代表位置编号，下标x代表状态编号）作为数值缓启器的输入，经过数值缓启器的调节，如下式：

其中

式中：ΔKi为数值缓启器的设定步长；T为动作时间。使逻辑开关K5，K6处由节点2平滑过渡到节点1，消除逻辑开关K5，K6处的切换波动。

需要说明的是，双馈风电机组以VSG控制并网运行时，其虚拟同步环输出相位θs被钳位为电网相位θg，即θs=θg。在VSG切换成矢量控制时，相位的切换是无缝平滑的。

t2时刻，完成控制模式切换过程，此时双馈风电机组以电流源模式运行。为使本文的切换方法能进行电压源与电流源的往复切换能力，在电压源控制模式切换为电流源控制模式后，还需将逻辑开关K8，K9，K10均选为状态 2，保证矢量控制下的有功功率环输出与VSG电压环q轴输出相等、无功环功率输出与VSG电压环d轴输出相等，且将同步开关K7选为状态2，使虚拟同步环的相位输出θs等于电网相位θg，为下一次的控制模式切换做准备。

2.2 电流源/电压源控制模式切换

双馈风电机组由电流源运行模式切换至电压源控制模式的控制时序如图9所示。

双馈风电机组以电流源控制模式运行时各开关状态为

当双馈风电机组以电流源控制模式运行时，VSG外环实际处于离网运行状态，其输出的电压与电网电压之间可能存在相位偏差，导致控制模式切换时存在大的瞬时偏差，产生过大的冲击电流与功率波动，因此需要相位预同步单元将VSG外环输出的相位钳位为电网相位，即双馈风电机组以电流源模式运行时同步开关K7处于状态2，虚拟同步环输出相位θs等于电网相位θg。在矢量控制切换为VSG控制时，将同步开关K7置于状态1即可，从而保证相位的切换是无缝平滑的。

当双馈风电机组以矢量控制模式运行时，VSG控制中电压环的逻辑开关K9，K10处于状态2，使VSG控制下电压环q轴、d轴的控制器输出分别与矢量控制中有功功率环控制器输出的电流内环d轴给定值、无功功率环控制器输出的电流内环q轴给定值相等，即逻辑开关K1，K2处的状态1等于状态2，消除矢量控制切换为VSG控制时电流内环d轴、q轴给定值的波动。

t1时刻，接收到运行模式切换指令信号，此时，令K7=K8=K9=K10=1，K1=K2=K3=K4=2。虽然已保证了电压环控制器与功率外环控制器在切换时刻输出状态一致，但VSG控制中电压环q轴、d轴与VSG外环的无功环的逻辑开关K8，K9，K10处状态1与状态2在切换时存在差值，此差值依然会造成双馈风电机组在切换时存在功率波动。为了完全消除控制模式切换时的功率波动，在接收到系统切换指令后，逻辑开关K8，K9，K10前的数值缓启器获取逻辑开关K8，K9，K10处数值Ki_x（i=8，9，10；x=1，2，下标i代表位置编号，下标x代表状态编号）作为数值缓启器的输入，经过数值缓启器的调节，如下式：

使逻辑开关K8，K9，K10处由节点2平滑过渡到节点1，消除逻辑开关K8，K9，K10处的切换波动。

t2时刻，完成控制模式切换过程，此时双馈风电机组以电压源模式运行。为使本文的切换方法能进行电流源与电压源的往复切换能力，在电流源控制模式切换为电压源控制模式后，还需将逻辑开关K5，K6选为状态2，保证VSG控制下的电压环q轴与有功功率环输出相等、电压环d轴与无功功率环输出相等，为下一次的控制模式切换做准备。

3 仿真验证与分析

为了验证本文所提的电压源电流源双模式运行切换控制策略的有效性，利用仿真软件以2.1 MW风电机为例进行仿真分析。电机与电网主要电气参数为：DFIG额定电压V=690 V，DFIG基准容量S=2.1 MV·A，额定频率f=50 Hz，转子漏感Llr=0.515 2（标幺值），定子漏感Lls=0.293 8（标幺值），转子电阻Rr=0.019 4（标幺值），定子电阻Rs=0.023 8（标幺值），励磁电感LM=14.841 1（标幺值），直流母线电压Vdc=1 080 V，电网电感Lg=7.216 5e-4 H，电网电阻Rg=0.011 35 Ω。。

3.1 电压源/电流源控制模式切换仿真结果与分析

图10给出了双馈风电机组由电压源控制模式切换为电流源控制模式的仿真波形。

仿真功率给定为：双馈风电机组输出的有功功率设为0.64（标幺值），输出无功功率为0。因控制模式切换时若直接切换转子侧变换器的开关给定则风机会完全失稳，所以从图10a、图10c可以看出，未采用切换方法时双馈风电机组先以电压源控制模式运行，在2.5 s时切换为电流源控制模式，切换时功率波动极大，会对设备产生不利影响；从图10b、图10d可以看出，t=3 s时接收到控制模式切换指令，令K1=K2=K3=K4=K5=K6=1，t=3.3 s时完成模式切换，由于在切换前保证了功率外环控制器与电压环控制器在切换时刻输出状态一致，在切换时又采用数值缓启器消除波动，两者共同作用极大地消除了切换时的功率波动，实现了控制模式切换时电流与功率的平滑切换。

3.2 电流源/电压源控制模式切换仿真结果与分析

图11给出了双馈风电机组由电流源控制模式切换为电压源控制模式的仿真波形。

仿真功率给定为：双馈风电机组输出的有功功率设为0.64（标幺值），输出无功功率设为0。因控制模式切换时若直接切换转子侧变换器的开关给定则风机会完全失稳，所以从图11a、图11c可以看出，未采用切换方法时，双馈风电机组先以电流源控制模式运行，在2 s时切换为电压源控制模式，切换时功率波动极大，会对设备产生不利影响；从图11b、图11d可以看出，t=3 s时接收到控制模式切换指令，令K7=K8=K9=K10=1，K1=K2=K3=K4=2，t=3.3 s时完成模式切换，可见，由于在切换前保证了相位一致及电压环控制器与功率外环控制器在输出状态一致，在切换时又采用数值缓启器消除波动，两者共同作用极大地消除了切换时的功率波动，实现了控制模式切换时电流与功率的平滑切换。

4 结论

本文针对双馈风电机组控制模式切换时产生较大电流冲击与输出功率波动问题，提出了双馈风电机组电压源电流源双模式运行平滑切换控制策略。在对矢量控制策略与虚拟同步机控制策略分析的基础上，提出了通过保证电流内环不变，使控制模式切换问题转变为保证电流内环输入与相位平滑切换问题。通过分析两种控制模式切换时的波动根源，提出控制器状态跟随与数值缓启器的共同作用使得控制模式切换时相位与电流指令平滑切换方法。通过搭建仿真模型，验证了所提方法极大地减小了切换时的功率波动，实现了双馈风电机组的双模式运行平滑切换功能。