英国谢菲尔德大学王涛博士后特稿：非理想电网下双馈风力发电系统运行技术综述
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王涛，工学博士，英国谢菲尔德大学博士后。主要研究方向为风力发电系统高性能控制，永磁电机驱动控制，先进控制技术在电气系统中的应用等。曾参与英国工程和自然科学研究委员会（EPSRC）项目、国家863计划、国家重点研发计划、青海省重大科技专项等科技项目10余项，在IEEE Transaction、IET、电工技术学报、电力系统自动化等国内外学术刊物发表学术论文15篇，申请英国发明专利1项。
诸自强，工学博士，英国谢菲尔德大学教授，英国皇家工程院院士，IEEE fellow，IET fellow。现为谢菲尔德大学电机与驱动课题组组长，并担任谢菲尔德西门子风电研究中心、中车电机驱动技术研究中心、美的电机和控制研究中心的研究负责人。研究方向为永磁无刷电机的设计与驱动，及其在交通、新能源等领域的应用。
年珩，工学博士，浙江大学教授，博士生导师，国家优秀青年基金获得者。2013年至2014年在美国伦斯勒理工大学任访问学者。研究方向为风力发电系统的设计和控制、新能源发电系统阻抗建模及其稳定性分析等。发表IEEE/IET论文40余篇，申请发明专利20余项。
双馈风力发电系统在谐波和不平衡电网下，可利用各类增强控制技术提升机组的运行性能或改善并网点电能质量；在电网电压跌落时，需采用各类软、硬件保护技术，确保机组不脱网运行，并向电网提供无功支撑。
本文围绕上述两个方面，对非理想电网下双馈风力发电系统控制技术进行综述，对比分析了现有各类技术方案，并对其发展趋势和潜在研究热点进行了讨论和展望。
近年来，随着能源和环境问题不断凸显，风力发电产业和技术都取得了巨大发展，风电装机容量持续快速增长。在各类风力发电机类型中，双馈感应发电机以其造价低廉、变流器容量小、控制灵活等优势，长期占据主流地位。同时，由于电源和负荷日趋复杂多样，电网呈现出显著的非理想特性，主要可分为谐波、不平衡等持续性轻微非理想特性，以及电压跌落等短时严重非理想特性。
由于双馈风电机组定子绕组直接接入电网，故对各类非理想电网特性十分敏感。同时双馈风电机组逆变器容量一般仅为机组容量30%左右，在严重非理想电网下机组控制能力有限。因此，非理想电网下的双馈风电机组控制技术受到了广泛关注。
本文对谐波畸变、不平衡、电压跌落等非理想电网下的双馈风电机组运行技术进行综述，对现有各类技术方案的运行原理、设计思路和相互关联进行梳理和比较，并对相关技术的发展趋势和潜在研究热点进行探讨和预测。
首先，考虑谐波、不平衡等持续性轻微非理想电网特性。依据控制目标的不同，可将谐波和不平衡电网下双馈风电机组的运行技术分为两类：一类以提升机组自身运行性能为目标，对谐波和不平衡电网进行“抵御”；另一类以改善并网点电能质量为目标，对谐波和不平衡电网进行主动补偿。
谐波和不平衡电网下双馈风电机组自身运行性能下降，这主要表现在输出电流畸变和不平衡、转矩和直流母线电压波动、损耗增加和发热不均等方面。针对这些问题已出现多种新型补偿技术，它们通过对波动分量的有效控制，实现一系列可选的补偿目标，例如定子电流平衡无畸变、电磁转矩无波动、直流母线电压无波动等。
根据技术路线的不同，可将这些技术分为三类，即基于PI带宽扩展的补偿技术、基于宽频控制器的补偿技术，以及直接谐振控制技术，如图1所示。
其中，基于PI带宽扩展的补偿技术不改变基频分量控制器，仅通过并联谐振器或类似环节实现对基频PI控制器的带宽扩展，以跟踪含波动分量的参考值；基于宽频控制器的补偿技术则完全取代传统PI控制器，利用预测控制、滑模控制等新型控制器对基频分量和波动分量进行统一控制；直接谐振控制技术保留传统基于PI控制器的基频控制环路，但通过构造直接作用于待补偿量的谐振环节，避免了复杂的补偿分量计算，简化了系统。上述三类技术的详细对比如表1所示。
图1 (a) 基于PI带宽扩展的补偿技术
图1 (b) 基于宽频控制器的补偿技术
图1 (c) 直接谐振控制技术
表1 各类谐波、不平衡补偿控制技术对比
在某些特殊场景下，例如孤岛运行的微电网或远离主网的末端电网中，由于缺乏足够的电能质量治理手段，非理想负载接入造成的电能质量问题会对本地其他设备的运行造成很大影响。考虑到风电机组冗余容量较大（我国2017年风电机组平均年利用小时数为1948小时），因此部分学者提出利用风电机组的冗余容量，输出适当的补偿电流，改善并网点电能质量。
此时风电机组的控制目标不是“抵御”非理想电网电压，而是对其主动补偿。目前双馈风电机组参与电网电能质量改善的研究主要分为三类：一是基于负载电流采样的补偿技术，二是基于公共连接点电压闭环的补偿技术，三是基于虚拟阻抗的补偿技术。
接着，考虑电压跌落等短时严重非理想电网特性。根据风电并网标准，电网电压跌落时双馈风电机组需保持并网运行，并向电网提供必要的无功支撑，这一过程称为低电压穿越。
根据磁链守恒原理，电网电压跌落瞬间定子磁链包含静止的暂态分量和由跌落后电网电压决定的强迫分量。定子暂态磁链的转差率远大于正常定子磁链，将在转子绕组中感应出很大的暂态反电势，最终导致转子过流，同时也造成较大的电磁转矩脉动。
目前双馈风电机组的低电压穿越技术主要分为两大类，一类基于辅助装置，另一类基于机组控制。在实际机组中，这两类技术往往相互配合，以应对不同程度、不同类型的电压跌落。
低电压穿越辅助装置可分为能量平衡装置、过流保护装置和电压支撑装置，如图2所示。其中，能量平衡装置可消耗或存储积压于直流母线上的多余能量，避免直流母线电压过高；过流保护装置可防止机侧和网侧变流器过流；电压支撑装置可快速恢复机端电压，消除电网电压跌落的影响。
低电压穿越控制技术可分为高性能转子电流控制、灭磁控制等，如图3所示。其中，高性能转子电流控制用于抑制转子过流，灭磁控制可加快定子暂态磁链衰减，减小转矩脉动。
图2 低电压穿越辅助装置及其接入方式
图3 低电压穿越控制技术示意图
本文围绕非理想电网下双馈风力发电系统运行技术这一主题，对现有研究成果和技术方案进行综述。作为改善风电机组运行性能、提高风电消纳能力的一项关键技术，非理想电网下双馈风电机组的运行控制已获得广泛关注和较为深入的研究。
但目前仍有一些问题有待进一步探索，例如计及电机和开关器件非理想特性的暂态过程建模、机组自身性能和电网电能质量间的灵活补偿、多机协同运行、低成本的低电压穿越辅助装置、直流并网模式下的故障穿越等。
王涛, 诸自强, 年珩. 非理想电网下双馈风力发电系统运行技术综述[J]. 电工技术学报, 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.