电网谐波条件下双馈风电系统输出特性分析与控制

第43卷第15期2015年8月1日电力系统保护与控制POWERSYSTEMPROTECTIONANDCONTRO1VO143NO15AUG12015电网谐波条件下双馈风电系统输出特性分析与控制殷桂梁，陈学琴，马会艳，刘大鹏燕山大学电气工程学院，河北秦皇岛066004摘要针对双馈DFIG风电系统在非理想电网条件下的运行特性，研究了电网谐波对DFIG输出特性的影响。定量分析了典型谐波作用时，DFIG输出功率和电磁转矩的脉动量的大小及与基波相比所占的比例。基于此，以消除电网谐波对DFIG风电系统输出特性的影响为目标，对理想电网条件下的比例谐振R1控制策略进行了改进与完善，提出了一种非理想电网条件下的PR控制策略。为验证该控制策略的正确性，对一台15MW风电系统进行了仿真研究，结果表明所提出的控制策略能够显著消除由电网谐波引起的DFIG风电系统输出功率及转矩的脉动。关键词电网谐波；双馈风电系统；输出特性；比例谐振控制ANALYSISANDCONTROLOFDOUBLYFEDWINDGENERATIONSYSTEMSOUTPUTCHARACTERISTICSUNDERHARMONICGRIDVOLTAGECONDITIONSYINGUILIANG，CHENXUEQIN，MAHUIYAN，LIUDAPENGCOLLEGEOFELECTRICALENGINEERING，YANSHANUNIVERSITY,QINHUANGDAO066004，CHINAABSTRACTBASEDONTHEOPERATIONCHARACTERISTICSOFDOUBLYFEDWINDGENERATIONSYSTEMUNDERNONIDEALGRIDVOLTAGECONDITIONS，THISPAPERSTUDIESTHEINFLUENCEOFTHEGRIDHARMONICONTHEDOUBFEDINDUCTIONGENERATIONSOUTPUTCHARACTERISTICSITALSOANALYSESTHEDIFFERENTCONSEQUENCESOFTHEDFIGOUTPUTPOWERANDELECTROMAGNETICTORQUEUNDERTYPICALHARMONICCONDITIONSONTHISBASIS，THEPRCONTROLSTRATEGYUNDERIDEALGRIDVOLTAGECONDITIONSISIMPROVEDANDCOMPLETED，ANDAPRCONTROLSTRATEGYISPROPOSEDWHICHTARGETSTOELIMINATETHEEFFECTSOFHARMONICONTHEOUTPUTCHARACTERISTICSOFDFIGWINDGENERATIONSYSTEMINORDERTOVERIFYTHECORRECTNESSOFTHECONTROLSTRATEGY,SIMULATIONSTUDIESONA15MWDOUBLYFEDWINDGENERATIONSYSTEMPROVETHATTHEIMPROVEDCONTROLSTRATEGYCATLEFFICIENTLYSMOOTHTHEINSTANTANEOUSOUTPUTPOWERFLUCTUATIONANDELECTROMAGNETICTORQUEPULSATIONKEYWORDSELECTRICALPOWERHARMONICS；DOUBFEDWINDGENERATIONSYSTEM；OUTPUTCHARACTERISTICS；PROPORTIONALRESONANTCONTRO1中图分类号TM61文献标识码A文章编号167434152015150079060引言近年来，随着风力发电技术的不断发展，变速恒频DFIG风力发电系统以其所需变流器容量小，励磁电流的幅值、频率及相位可调等优点，成为当前风力发电技术的主流方案【】之】。但是，DFIG风电系统由于定子直接与电网相连，使得很小的电网扰动也会对整个风电系统的正常运行产生很大的影响。而电网中大规模电力电子装置及非线性负载的使用，使得电力系统中含有大量的谐波L3J。当电网谐波侵入发电机后，将引起附加损耗和温升，产生机械振动。在DFIG风电系统中，严重的电网谐波将引起定子、转子电流畸变，使输出功率、转矩波动，严重时可能导致机组不得不从电网中解列。此时若仍然保持系统控制策略不变，将对整个风电系统的安全可靠运行造成威胁56，因此，有必要对电网谐波条件下双馈风电系统的输出特性及控制策略进行研究。理想电网条件下DFIG风电系统的分析与控制已有大量研究。，针对系统特点，研究者给出了多种不同的控制策略。文献12采用传统的比例积分FP1控制实现了DFIG有功、无功的精确解耦，但由于PI控制器只能对直流量进行调节，需进行繁琐的坐标旋转变换，在实际系统中往往需消耗大量DSP计算时间，针对该问题，文献131结合PR控制器的特性，提出了双脉宽调制PWM变换器PR控80电力系统保护与控制制策略，实现了DFIG风电系统的有效调节与精确控制，避免了复杂的坐标变换。但是，针对电网谐波条件下DFIG风电系统的运行，上述控制方法由于控制目标单一，控制精度有限，不能抑制输出功率及转矩的脉动。基于此，文献1416在传统PI控制的基础上叠加单谐振调节器构成新型的PIR控制，该控制策略能够消除非理想电网条件下DFIG电压、电流及瞬时功率和转矩的脉动，但是控制器结构较复杂，参数调节难度增大。针对上述问题，本文首先研究了典型的电网电压5次、7次谐波对DFIG输出特性的影响，进而从系统控制策略入手，对理想电网条件下的相位跟踪环节进行改进，提高了其控制精度，同时结合输出特性分析提出不同的控制目标，设计了电网谐波条件下DFIG风电系统的PR控制策略，以消除DFIG输出功率及转矩的脉动，实现谐波控制。最后通过MATLAB仿真建模验证了所提理论的正确性和有效性。转子侧有功、无功及电磁转矩分别为RE3US吾RBXMU2N一BC。S己厂M2XM33一十XMU；2XMACOSBSINAUSUR1RE3言【。一JXMOSUS一3IIM3砉【一AXO2【VMC。S一SINMIXMRXMUS2一RSXMUR2N【一2RSSINB一2足COS1电网谐波条件下DFIG的输出特性式中A足一；4根据理想电网条件下DFIG等效电路L可得到B；电网次谐波作用下的稳态等效电路如图1所示。IRLLRS，L图1次谐波作用下DFIG稳态等效电路FIG1STEADYSTATECIRCUITOFDOUBLYFEDINDUCTIONGENERATIONUNDERHARMONICCONDITIONS由图1可列出DFIG定、转子电压、电流方程为I足J。一ELEETMJXM卜II2一一IIMI式中。2兀，2ANFLLLOR，2CTTFLM，S为第次谐波的转差率，且SNY，对于5次谐波S116，1241，对于7次谐波S7083，0891，对于更高次谐波11引。若以定子电压矢量为参考量，即Z0。，假设定、转子电压矢量问的夹角为，则COSCJSIN，可得到定、C；，ZP2VTP。从式2式F4可以看出，当电机参数和转差率恒定时，DFIG输出功率及转矩仅与定、转子侧电压有关。因此，只要适当调节转子励磁电压的幅值和相角，就可以使发电机定子端口的功率保持一定。而电网谐波电压的存在必然引起电机输出功率及转矩的脉动，且该脉动量的大小由谐波次数及谐波含有率THD决定。因此，若忽略系统损耗，根据DFIG实际运行时的转速转矩曲线1J，在恒定转速运行时，由对应转矩可得到理想电网条件下DFIG定、转子侧输出功率及电压、电流等量，进而在稳态等效电路的基础上得到电网电压各次谐波作用下DFIG的输出特性。2电网谐波条件下的PR控制考虑到电网电压所含谐波以5次和7次分量为主，本文主要研究5次、7次谐波电压共存下DFIG的控制技术。此时，DFIG网侧变换器输出至电网的瞬时功率为0，。I6SIN6OT，。6COS6OT十,SINL2SIN1212C。2F51QGQOQG，_N6SIN6TOGCO。6COS6OTQGJSI12SIN12OTQG。12COS12OU殷桂梁，等电网谐波条件下双馈风电系统输出特性分析与控制81式中，LO，QGO，。，。，。T，】I一号咯，15IS一，舀，R二一L尸G0，O，N，。，ZL一号，茜5，I眇5，岛，I7DFIG定子有功、无功及电磁功率为F0，。IN6SIN604TCO6COS6CT112SIN1204TC0SL2COSL2TJQ0QSSH,6SIN604HQS,COS6COS604H6LL2SIN1204T，C0S12COS1204TI0SI6SIN604T。6COS604T112SIN1204T12COS1204T式中，L【0，0，I6，。6，SIN12，。L2】L3LMM。IRD，2耐5一，南一，茹】L一一L【。，。，QS，。嘶，QSM，QS。】1十3L厶MM矗55岛7RI【0，0，。TN6，。6，INL2，。L2I_3L,M峨矗咏5，5赢盎T其中，、ME均是采用定子电压矢量定向时，由电网电压基波和5次、7次谐波的砌轴分量及定、转子角频率Q和表示的系数矩阵。分析以上瞬时功率表达式可以发现，电网谐波条件下，网侧变换器有0、岳、Z5、5、I即7、六个电流分量可供控制，转子侧变换器也有、荡、岛一、六个电流分量可供控制，且功率表达式中5次、7次谐波相互作用产生的12倍频脉动分量由于其幅值较小，通常可以忽略。因此，本文针对电网5次、7次谐波提出了如下控制目标F1网侧变换器目标I消除网侧有功功率中的6倍频脉动分量，即6OOS60。目标U消除网侧无功功率中的6倍频脉动分量，即,COS60。F21转子侧变换器目标I消除定子有功功率中的6倍频脉动分量，即6POOS60。目标II消除定子无功功率中的6倍频脉动分量，即QS,SLN6,COS60。目标III消除电磁转矩中的6倍频脉动分量，以减轻系统轴系的机械应力，即。0。针对以上控制目标，根据式5、式6可获得对应控制目标所需的网侧、转子侧变换器电流指令值。而理想电网条件下的PR控制由于控制目标单一，相位角跟踪误差较大，无法抑制电网谐波产生的DFIG风电系统有功、无功及电磁转矩的脉动。因此，本文针对上述问题对控制系统进行改进与完善，建立电网谐波条件下的PR控制模型，实现DFIG风电系统的多目标控制，消除DFIG输出功率及转矩的脉动，控制框图如图2所示。一图2电网谐波条件下的PR控制框图FIG2SCHEMATICDIAGRAMOFPRCONTROLUNDERHARMONICGRIDVOLTAGECONDITIONS图中，PLL锁相环实时跟踪电网电压基波分量PLL中嵌入一个截止频率为6的陷波器MFF，以的相位角。为保证系统的控制精度，本文在传统的滤除5次、7次谐波产生的6倍频分量。改进的PLL殷桂梁，等电网谐波条件下馈风电系统输出特性分析与控制8315L0主0505L0目标1L目标2L、一一一一RU、040608TSFA网侧控制器仿真结果目标1目标2目标3一、一一一一一R_一一一L一1R一一_R”02040608L0TSB转予侧控制器仿真结果图5控制系统仿真结果FIG5SIMULATIONRESULTSOFCONTROLSYSTEM4结语本文针对电网谐波条件下DFIG风电系统的运行，定量分析了典型的电网电压5次、7次谐波作用时DFIG输出功率及转矩的脉动。在此基础上，对理想的PR控制策略进行了改进和完善，建立了电网谐波条件下DFIG风电系统的多目标控制模型，并改善了控制精度。最后，通过MATLAB进行仿真验证，结果表明本文所提出的改进的PR控制策略可以实现DFIG风电系统的有效控制和精确调节，能够显著抑制电网谐波对DFIG输出特性的影响，保证DFIG风电系统安全稳定运行。参考文献1吕志强，许国东兆瓦级双馈风电机组电网故障时的暂态分析J电力系统保护与控制，2010，3823112116LOZHIQIANG，XUGUODONGTRANSIENTANALYSISOFGRIDSHORTCIRCUITFAULTOFMEGAWATTFEDWINDTURBINEJPOWERSYSTEMPROTECTIONANDCONTROL，2010，38231121162郝正航，余哈鑫双馈风电机组机电耦合与轴系稳定的分析与辨识【J电工技术学报，2011，263134，139HAOZHENGHANG，YUYIXINANALYSISANDIDENTIFICATIONFORELECTROMECHANICALCOUPLINGANDSHAFTSTABILITYOFDOUBLYFEDINDUCTIONGENERATORJTRANSACTIONSOFCHINAELECROTECHNICALSOCIETY，201L，2631341393黄纯，朱智军，曹一家，等一仲电网谐波与间谐波分析新方法J】电工技术学报，2013，2893239HUANGCHUN，ZHUZHOUN，CAOIJIA，ETA1ANOVELPOWERSYSTEMHARMONICANDINTERHARMONICANALYSISMETHODJTRANSACTIONSOFCHINAELECTROTECHNICALSOCIETY，2013，28932394梁志瑞，叶慧强，赵飞电力系统谐波状态估计研究综述J电力系统保护与控制，2010，3815157160LIANGZHIRUI，YEHUIQIANG，ZHAOFEIOVERVIEWONPOWERSYSTEMHARMONICSTATEESTIMATIONJPOWERSYSTEMPROTECTIONANDCONTROL，2010，38151571605杨之俊，吴红斌，丁明，等故障时双馈风力发电系统的控制策略研究JJ电力系统保护与控制，2010，3811418YANGZHOUN，WUHONGBIN，DINGMING，ETA1CONTROLSTRATEGYOFDOUBLYFEDWINDGENERATIONSYSTEMFORPOWERGRIDFAULTJPOWERSYSTEMPROTECTIONANDCONTROL，2010，381141863SINGHGKPOWERSYSTEMHARMONIESRESEARCHASURVEYJEUROTRANSACTIONSONELECTRICPOWER,2007，L92L511727马宏伟，许烈，李永东基于直接虚功率控制的双馈风电系统并网方法J中国电机工程学报，2013，33399105MAHONGWEI，XULIE，LIYONGDONGTHEGRIDCONNECTEDMETHODOFDOUBLYFEDWINDGENERATIONSYSTEMBASEDONDIRECTPOWERCONTROLJPROCEEDINGSOFTHECSEE，2013，3331991058ZAMANIFARM，FANIB，GOLSHANMEH，ETA1DYNAMICMODELINGANDOPTIMALCONTROLOFDFIGWINDENERGYSYSTEMSUSINGDFTANDNSGAIIJELECTRICPOWERSYSTEMSRESEARCH，2014，LO8350589ELFAK10，ZEZHONGW，QIHUILBEHAVIOROFDFIGWINDTURBINEDURINGUNBALANCEDGRIDVOLTAGEJINDONESIANJOURNALOFELECTRICALENGINEERING，2014，127152010PENGXYLIURYRESEARCHONTHEFREQUENCYREGULATIONOFAIDDINGSYSTEMOFVSCFDOUBLEFEDWINDGENERATORJPOWERSYSTEMPROTECTIONANDCONTROL，2011，3911、566111CHAUDHURINRCHAUDHURIBCONSIDERATIONSTOWARDCOORDINATEDCONTROLOFDFIGBASEDWINDFARMSJIEEETRANSACTIONSONPOWERDELIVERY,2013，28012631270L2郭金东，赵栋利，林资旭，等兆瓦级变速恒频风力发电机组控制系统J】中国电机工程学报，2007，27616GUOJINDONG，ZHAODONGLI，LINZIXU，ETA1RESEARCHOD，84电力系统保护与控制OFTHEMEGAWATTLEVELVARIABLESPEEDCONSTANTEQUENCYWINDPOWERUNITCONTROLSYSTEMJPROCEEDINGSOFTHECSEE，2007，2761613陈炜，陈成，宋战锋，等双馈风力发电系统双PWM变换器比例谐振控制J中国电机工程学报，2009，291517CHENWEI，CHENCHENG，SONGZHANFENG，ETA1PROPORTIONALRESONANTCONTROLFORDUALPWMCONVERTERINDOUBLYFEDWINDGENERATIONSYSTEMJPROCEEDINGSOFTHECSEE，2009，29151714龚文明，孟岩峰，胡书举，等一种应用PIR控制器的双馈风力发电机组电流谐波控制方法J电工技术学报，2013，28995103GONGWENMING，MENGYANFENG，HUSHUJU，ETA1AMETHODWITHPIRCONTROLLERFORTHEELIMINATIONOFHARMONICCURRENTSINADFIGBASEDWINDPOWERSYSTEMJTRANSACTIONSOFCHINAELECTROTECHNICALSOCIETY,2013，28995103E15HUJ，HEXUL，ETA1IMPROVEDCONTROLOFDFIGSYSTEMSDURINGNETWORKUNBALANCEUSINGPIRCURRENTREGULATORSJIEEETRANSACTIONSONINDUSTRIALELECTRONICS，2009，56243945916徐海亮，章玮，陈建生，等电网电压不平衡且谐波畸变时双馈风电机组转矩波动抑NOJ电力系统自动化，2013，3771217XUHAILIANG，ZHANGWEI，CHENJIANSHENG，ETA1TORQUEOSCILLATIONSUPPRESSIONOFDFIGBASEDWINDTURBINESUNDERUNBALANCEDANDDISTORTEDGRIDVOLTA