考虑锁相环的双馈风力发电机组无源控制

华北电力大学电气与电子工程学院、内蒙古电力（集团）有限责任公司、国网天津市电力公司的研究人员马燕峰、刘海航、俞人楠、刘佳、刘伟东、赵书强，在2017年第24期《电工技术学报》上撰文指出，为了降低大规模变速风力发电机接入电网的运行风险，需要研究风力发电机组的控制策略，增加风电对系统功率振荡的抑制能力。

该文通过锁相环实现dq坐标系定向以及输出参考点频率值，考虑锁相环的动态作用建立风力发电机组和电网频率之间的端口受控耗散哈密尔顿（PCHD）模型，根据系统平衡方程求得双馈风力发电机组（DFIG）各个状态变量的期望平衡点，然后采用互联和阻尼分配无源控制（IDA-PBC）方法获得转子电压反馈控制律，从而得到DFIG机侧换流器控制和附加阻尼控制器，以改善系统的低频振荡特性，最后以单机无穷大系统和IEEE4机2区域系统为例验证本文所提方法的有效性。

近年来，为了缓解部分地区的电力供应紧张局势，我国积极推进跨区电网互联，长距离、重负荷输电线路增加了弱阻尼或负阻尼低频振荡的发生机率，极大地威胁着互联电网的安全稳定运行。同时，对于采用最大功率追踪控制的变速风力发电机组，由于电力电子装置的隔离作用使得其缺乏对电网功率振荡的抑制能力[1]。因此，为了降低大规模风电接入电网的运行风险，有必要研究变速恒频风电机组的控制策略，增加其对系统功率振荡的抑制能力。

风力发电机组可以通过控制有功输出抑制低频振荡，也可以调节无功输出增加系统阻尼，但相比于单一控制，有功无功混合控制更能充分利用变速风电机组转子侧变换器的阻尼控制能力[2]。其中，有功附加阻尼控制可以通过改变功率振荡期间的桨距角来调节有功功率输出，达到抑制系统低频振荡的目的[3]。

实际中，机械控制的响应速度比电气控制响应速度慢很多。借鉴电力系统稳定器（Power System Stabilizer,PSS）设计原理，D. Gautam提出反馈与系统功率振荡相反的双馈感应发电机（Doubly- FedInduction Generator, DFIG）电磁功率信号到风机有功功率环中，显著改善了系统的阻尼特性[4]。

文献[2]基于留数法选择阻尼灵敏度最大的反馈信号并设计控制器相位补偿参数，然后提出贯序优化算法设计控制器增益，达到满足系统阻尼要求同时使对风电机组轴系振荡阻尼的不利影响最小化的目的。

文献[5]通过辨识得到广域阻尼控制信号和转子侧有功功率之间的开环传递函数，基于极点配置法得到控制器参数。智能优化算法对解决模型复杂、不确定性网络的优化问题具有天然的优势，鉴于我国电网复杂度急剧攀升的情况，许多研究者采用智能算法优化附加阻尼控制器的参数，并取得了很好的抑制效果[6,7]。

由于电力电子装置对电网的隔离作用使得很难推导出风力发电机组和电网频率之间的数学模型，因此上述文献设计的控制器均是无模型控制方法。在变速风力发电机组中，定子电压锁相环（Phase LockedLoop, PLL）是将dq坐标的d轴定向到定子电压矢量上，同时输出参考点频率值，而且文献[8,9]指出锁相环的结构和参数影响系统机电振荡模式的阻尼，因此考虑锁相环动态特性使得建立风力发电机组和电网频率之间的数学模型成为可能。

鉴于变速风力发电机组的非线性、多扰动、运行参数变化等特点，要达到满意的控制效果，非线性控制方法是最优的选择。在所有控制方法里，能量是基本概念之一，基于端口受控的耗散Hamilton （Port-ControlledHamiltonian systems with Dissipation, PCHD）模型的无源控制方法（Passivity-BasedControl, PBC）具有明确清晰的能量控制观点，同时可实现系统的全局稳定性，无奇异点问题，对系统参数变化及外部摄动有较强的鲁棒性，是一种本质上的非线性反馈控制方法，应用在本质为能量转换系统的风电系统上是最为合适[10-13]。

因此本文以双馈风力发电机组（DFIGs）为研究对象，计及机侧锁相环的动态影响，建立DFIG机侧PCHD模型，采用互联和阻尼分配无源控制（Interconnectionand Dampling Assignament Passivity-Based Control, IDA- PBC）方法[14-16]设计DFIG机侧换流器控制器和附加阻尼控制器，最后在Power Factory中验证所提方法的有效性。

图1 DFIG结构

结论

DFIG机侧换流器控制需要确定两相旋转坐标系的位置，此时需要借助锁相环得到定子电压的相位以及频率，通过IDA-PBC方法，得到含定子电压角频率信息的反馈量，从实现系统全局稳定性目的出发改善系统阻尼特性。本文还通过仿真验证本文所提无源控制器有效地实现了机侧换流器有功-无功解耦控制并对系统低频振荡有较好的抑制效果。