负序及谐波畸变电网电压下双馈风力发电系统的改进直接功率控制策略

国网四川电科院、浙江大学电气工程学院的研究人员周波、宋亦鹏、年珩、程晨闻，在2017年第24期《电工技术学报》上撰文指出，由于定子直接连接到电网，电网电压中的负序和谐波分量会严重恶化双馈风力发电机（DFIG）系统的运行性能，导致系统输出总电流三相不对称及谐波畸变、总输出有功功率及无功功率波动等，使得DFIG系统无法安全稳定可靠运行，且输出风电质量下降。

同时考虑负序和谐波电网下DFIG系统机侧变流器和网侧变流器的运行状态，以改善DFIG系统总输出电流或功率质量为目标，研究基于二阶矢量积分器（SOVI）的DFIG系统网侧和机侧变流器改进直接功率控制（DPC）策略，改善DFIG系统的运行性能。实验结果验证了所提出的负序和谐波畸变电网电压下DPC策略的正确性及有效性。

近年来以双馈异步发电机（Doubly Fed Induction Generator, DFIG）为代表的风力发电系统在全球获得了迅猛发展[1-4]。运行于理想电网电压条件下时，现有DFIG系统控制技术能够确保其输出高质量电能，具体表现为总输出三相电流对称且正弦，总输出有功功率及无功功率平稳无波动，电磁转矩平稳无波动等。

然而，当电网条件非理想时，即三相电网电压中包含负序分量以及谐波畸变分量时，传统DFIG控制技术将无法确保DFIG系统输出风电质量以及其系统本身的安全稳定可靠运行，主要表现为定、转子电流三相不对称且谐波畸变、定子输出有功功率、无功功率和电磁转矩波动等[5-16]。

为改善DFIG系统在负序及谐波畸变电网下的运行性能，文献[17]为DFIG系统网侧和机侧变流器设置了不同的控制目标和算法，在传统矢量控制（Vector Control,VC）方法中加入谐振器，通过改进软件算法改善了DFIG系统的运行性能。

文献[18,19]在定子绕组与电网之间串联接入三相全控变流器，使得定子绕组与电网不再直接相连。通过控制该变流器补偿电网中的负序及谐波畸变分量，为DFIG系统提供等效的理想电网环境。然而，此类改进硬件拓扑结构的控制策略需增加DFIG系统控制复杂性和硬件成本。

文献[19-23]中的控制算法在实现不同控制目标时，需要计算相应的转子电流指令，必须提取电网电压所包含的低次谐波分量（5、7次），此过程中牵涉到电机本身参数如互感和电阻等，因此控制准确度将受电机参数偏移的影响。

为降低负序及谐波电网下DFIG系统控制策略的复杂程度，避免对电网电压谐波分量进行提取，文献[24]针对定子电流建立直接的谐振闭环控制，消除了定子三相电流的谐波成分。其中转子电流PI调节用于调节定子输出有功功率及无功功率从而实现最大风能追踪利用，而定子电流谐振闭环控制则用于抑制定子电流中的谐波分量。

和普通谐振器相比，二阶矢量积分器（Second Order Vector Integrator, SOVI）具有超前的相位响应，更适用于具有感性负载特征的DFIG系统在负序及谐波畸变非理想电网条件下控制目标的准确实现[25,26]。

文献[27]提出了一种在含有负序分量电网下无需锁相环的DFIG系统直接功率控制（Direct PowerControl, DPC）策略，但是该方法并没有考虑到电网电压中的谐波成分。相比于VC策略，DPC策略直接以有功和无功功率作为被控对象，取消了电流内环，具有动态响应速度更快，对电机参数偏移的鲁棒性更强等优势，因此本文将采用直接功率控制策略来实现对DFIG系统的输出功率控制。

本文首先分析了负序和谐波畸变电网对DFIG系统运行性能的影响，解释了实现功率平稳时3次谐波电流产生的机理。为了弥补传统PI调节器控制带宽的不足，采用谐振频率在二倍频和六倍频处的二阶矢量积分器，对定子侧和网侧的电流或功率建立额外的闭环，以抑制电流或功率中的负序和谐波分量，实现DFIG系统总输出电流对称且正弦或总输出有功功率和无功功率平稳的目标。

最后，通过实验结果验证了在负序和谐波电网下针对DFIG系统所提改进DPC策略的有效性。

图1 DFIG系统使用二阶矢量积分器的控制策略框图

结论

本文针对负序及5、7次谐波畸变电网运行条件下DFIG机组将出现运行性能恶化及输出电能质量下降的弊端，提出了一种基于直接功率控制的改进运行策略，可得到如下结论：

1）对定子和网侧输出有功功率和无功功率使用PI闭环控制其平均值，使用二阶矢量积分器控制电流或功率的不平衡和谐波分量，避免了电压和电流的相序分离，减小了控制复杂度。

2）针对不同并网要求，可实现定子和网侧电流对称且无谐波，或定子/网侧有功、无功功率平稳的控制目标。

实验结果证明了本文所提控制策略在同时含有负序及5、7次谐波分量的畸变电网下控制DFIG机组优化运行的有效性。