團(tuán)隊(duì)介紹

王濤

王濤，工學(xué)博士，英國謝菲爾德大學(xué)博士后。主要研究方向?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)高性能控制，永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制，先進(jìn)控制技術(shù)在電氣系統(tǒng)中的應(yīng)用等。曾參與英國工程和自然科學(xué)研究委員會(huì)（EPSRC）項(xiàng)目、國家863計(jì)劃、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、青海省重大科技專項(xiàng)等科技項(xiàng)目10余項(xiàng)，在IEEE Transaction、IET、電工技術(shù)學(xué)報(bào)、電力系統(tǒng)自動(dòng)化等國內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物發(fā)表學(xué)術(shù)論文15篇，申請英國發(fā)明專利1項(xiàng)。

諸自強(qiáng)

諸自強(qiáng)，工學(xué)博士，英國謝菲爾德大學(xué)教授，英國皇家工程院院士，IEEE fellow，IET fellow?，F(xiàn)為謝菲爾德大學(xué)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)課題組組長，并擔(dān)任謝菲爾德西門子風(fēng)電研究中心、中車電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究中心、美的電機(jī)和控制研究中心的研究負(fù)責(zé)人。研究方向?yàn)橛来艧o刷電機(jī)的設(shè)計(jì)與驅(qū)動(dòng)，及其在交通、新能源等領(lǐng)域的應(yīng)用。

年珩

年珩，工學(xué)博士，浙江大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，國家優(yōu)秀青年基金獲得者。2013年至2014年在美國倫斯勒理工大學(xué)任訪問學(xué)者。研究方向?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和控制、新能源發(fā)電系統(tǒng)阻抗建模及其穩(wěn)定性分析等。發(fā)表IEEE/IET論文40余篇，申請發(fā)明專利20余項(xiàng)。

導(dǎo)語

雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在諧波和不平衡電網(wǎng)下，可利用各類增強(qiáng)控制技術(shù)提升機(jī)組的運(yùn)行性能或改善并網(wǎng)點(diǎn)電能質(zhì)量；在電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，需采用各類軟、硬件保護(hù)技術(shù)，確保機(jī)組不脫網(wǎng)運(yùn)行，并向電網(wǎng)提供無功支撐。

本文圍繞上述兩個(gè)方面，對非理想電網(wǎng)下雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制技術(shù)進(jìn)行綜述，對比分析了現(xiàn)有各類技術(shù)方案，并對其發(fā)展趨勢和潛在研究熱點(diǎn)進(jìn)行了討論和展望。

研究背景

近年來，隨著能源和環(huán)境問題不斷凸顯，風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)和技術(shù)都取得了巨大發(fā)展，風(fēng)電裝機(jī)容量持續(xù)快速增長。在各類風(fēng)力發(fā)電機(jī)類型中，雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)以其造價(jià)低廉、變流器容量小、控制靈活等優(yōu)勢，長期占據(jù)主流地位。同時(shí)，由于電源和負(fù)荷日趨復(fù)雜多樣，電網(wǎng)呈現(xiàn)出顯著的非理想特性，主要可分為諧波、不平衡等持續(xù)性輕微非理想特性，以及電壓跌落等短時(shí)嚴(yán)重非理想特性。

由于雙饋風(fēng)電機(jī)組定子繞組直接接入電網(wǎng)，故對各類非理想電網(wǎng)特性十分敏感。同時(shí)雙饋風(fēng)電機(jī)組逆變器容量一般僅為機(jī)組容量30%左右，在嚴(yán)重非理想電網(wǎng)下機(jī)組控制能力有限。因此，非理想電網(wǎng)下的雙饋風(fēng)電機(jī)組控制技術(shù)受到了廣泛關(guān)注。

主要內(nèi)容

本文對諧波畸變、不平衡、電壓跌落等非理想電網(wǎng)下的雙饋風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行技術(shù)進(jìn)行綜述，對現(xiàn)有各類技術(shù)方案的運(yùn)行原理、設(shè)計(jì)思路和相互關(guān)聯(lián)進(jìn)行梳理和比較，并對相關(guān)技術(shù)的發(fā)展趨勢和潛在研究熱點(diǎn)進(jìn)行探討和預(yù)測。

首先，考慮諧波、不平衡等持續(xù)性輕微非理想電網(wǎng)特性。依據(jù)控制目標(biāo)的不同，可將諧波和不平衡電網(wǎng)下雙饋風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行技術(shù)分為兩類：一類以提升機(jī)組自身運(yùn)行性能為目標(biāo)，對諧波和不平衡電網(wǎng)進(jìn)行“抵御”；另一類以改善并網(wǎng)點(diǎn)電能質(zhì)量為目標(biāo)，對諧波和不平衡電網(wǎng)進(jìn)行主動(dòng)補(bǔ)償。

諧波和不平衡電網(wǎng)下雙饋風(fēng)電機(jī)組自身運(yùn)行性能下降，這主要表現(xiàn)在輸出電流畸變和不平衡、轉(zhuǎn)矩和直流母線電壓波動(dòng)、損耗增加和發(fā)熱不均等方面。針對這些問題已出現(xiàn)多種新型補(bǔ)償技術(shù)，它們通過對波動(dòng)分量的有效控制，實(shí)現(xiàn)一系列可選的補(bǔ)償目標(biāo)，例如定子電流平衡無畸變、電磁轉(zhuǎn)矩?zé)o波動(dòng)、直流母線電壓無波動(dòng)等。

根據(jù)技術(shù)路線的不同，可將這些技術(shù)分為三類，即基于PI帶寬擴(kuò)展的補(bǔ)償技術(shù)、基于寬頻控制器的補(bǔ)償技術(shù)，以及直接諧振控制技術(shù)，如圖1所示。

其中，基于PI帶寬擴(kuò)展的補(bǔ)償技術(shù)不改變基頻分量控制器，僅通過并聯(lián)諧振器或類似環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)對基頻PI控制器的帶寬擴(kuò)展，以跟蹤含波動(dòng)分量的參考值；基于寬頻控制器的補(bǔ)償技術(shù)則完全取代傳統(tǒng)PI控制器，利用預(yù)測控制、滑模控制等新型控制器對基頻分量和波動(dòng)分量進(jìn)行統(tǒng)一控制；直接諧振控制技術(shù)保留傳統(tǒng)基于PI控制器的基頻控制環(huán)路，但通過構(gòu)造直接作用于待補(bǔ)償量的諧振環(huán)節(jié)，避免了復(fù)雜的補(bǔ)償分量計(jì)算，簡化了系統(tǒng)。上述三類技術(shù)的詳細(xì)對比如表1所示。

圖1 (a) 基于PI帶寬擴(kuò)展的補(bǔ)償技術(shù)

圖1 (b) 基于寬頻控制器的補(bǔ)償技術(shù)

圖1 (c) 直接諧振控制技術(shù)

表1 各類諧波、不平衡補(bǔ)償控制技術(shù)對比

在某些特殊場景下，例如孤島運(yùn)行的微電網(wǎng)或遠(yuǎn)離主網(wǎng)的末端電網(wǎng)中，由于缺乏足夠的電能質(zhì)量治理手段，非理想負(fù)載接入造成的電能質(zhì)量問題會(huì)對本地其他設(shè)備的運(yùn)行造成很大影響。考慮到風(fēng)電機(jī)組冗余容量較大（我國2017年風(fēng)電機(jī)組平均年利用小時(shí)數(shù)為1948小時(shí)），因此部分學(xué)者提出利用風(fēng)電機(jī)組的冗余容量，輸出適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電流，改善并網(wǎng)點(diǎn)電能質(zhì)量。

此時(shí)風(fēng)電機(jī)組的控制目標(biāo)不是“抵御”非理想電網(wǎng)電壓，而是對其主動(dòng)補(bǔ)償。目前雙饋風(fēng)電機(jī)組參與電網(wǎng)電能質(zhì)量改善的研究主要分為三類：一是基于負(fù)載電流采樣的補(bǔ)償技術(shù)，二是基于公共連接點(diǎn)電壓閉環(huán)的補(bǔ)償技術(shù)，三是基于虛擬阻抗的補(bǔ)償技術(shù)。

接著，考慮電壓跌落等短時(shí)嚴(yán)重非理想電網(wǎng)特性。根據(jù)風(fēng)電并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，電網(wǎng)電壓跌落時(shí)雙饋風(fēng)電機(jī)組需保持并網(wǎng)運(yùn)行，并向電網(wǎng)提供必要的無功支撐，這一過程稱為低電壓穿越。

根據(jù)磁鏈?zhǔn)睾阍恚娋W(wǎng)電壓跌落瞬間定子磁鏈包含靜止的暫態(tài)分量和由跌落后電網(wǎng)電壓決定的強(qiáng)迫分量。定子暫態(tài)磁鏈的轉(zhuǎn)差率遠(yuǎn)大于正常定子磁鏈，將在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)出很大的暫態(tài)反電勢，最終導(dǎo)致轉(zhuǎn)子過流，同時(shí)也造成較大的電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

目前雙饋風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越技術(shù)主要分為兩大類，一類基于輔助裝置，另一類基于機(jī)組控制。在實(shí)際機(jī)組中，這兩類技術(shù)往往相互配合，以應(yīng)對不同程度、不同類型的電壓跌落。

低電壓穿越輔助裝置可分為能量平衡裝置、過流保護(hù)裝置和電壓支撐裝置，如圖2所示。其中，能量平衡裝置可消耗或存儲(chǔ)積壓于直流母線上的多余能量，避免直流母線電壓過高；過流保護(hù)裝置可防止機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)變流器過流；電壓支撐裝置可快速恢復(fù)機(jī)端電壓，消除電網(wǎng)電壓跌落的影響。

低電壓穿越控制技術(shù)可分為高性能轉(zhuǎn)子電流控制、滅磁控制等，如圖3所示。其中，高性能轉(zhuǎn)子電流控制用于抑制轉(zhuǎn)子過流，滅磁控制可加快定子暫態(tài)磁鏈衰減，減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

圖2 低電壓穿越輔助裝置及其接入方式

圖3 低電壓穿越控制技術(shù)示意圖

展望

本文圍繞非理想電網(wǎng)下雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行技術(shù)這一主題，對現(xiàn)有研究成果和技術(shù)方案進(jìn)行綜述。作為改善風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行性能、提高風(fēng)電消納能力的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，非理想電網(wǎng)下雙饋風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行控制已獲得廣泛關(guān)注和較為深入的研究。

但目前仍有一些問題有待進(jìn)一步探索，例如計(jì)及電機(jī)和開關(guān)器件非理想特性的暫態(tài)過程建模、機(jī)組自身性能和電網(wǎng)電能質(zhì)量間的靈活補(bǔ)償、多機(jī)協(xié)同運(yùn)行、低成本的低電壓穿越輔助裝置、直流并網(wǎng)模式下的故障穿越等。

引用本文

王濤, 諸自強(qiáng), 年珩. 非理想電網(wǎng)下雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行技術(shù)綜述[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(3): 455-471. Wang Tao, Zhu Ziqiang, Nian Heng. Review of Operation Technology of Doubly-Fed Induction Generator-Based Wind Power System under Nonideal Grid Conditions. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(3): 455-471.