基于比例谐振控制的DVR的风电机组LVRT研究

孙　伟，任永峰，郭　鲲，刘海涛，柳　福

(1.内蒙古工业大学电力学院，内蒙古呼和浩特010080;2.呼和浩特市供电局金桥分局，内蒙古呼和浩特010040; 3.内蒙古电力科学研究院,内蒙古呼和浩特010020)

基于比例谐振控制的DVR的风电机组LVRT研究

孙伟1，任永峰1，郭鲲2，刘海涛3，柳福1

(1.内蒙古工业大学电力学院，内蒙古呼和浩特010080;2.呼和浩特市供电局金桥分局，内蒙古呼和浩特010040; 3.内蒙古电力科学研究院,内蒙古呼和浩特010020)

针对动态电压恢复器(DVR)传统PI控制器在跟踪快速变化的正弦信号时存在稳态误差和抗干扰性能差等方面的缺点，提出了基于比例谐振(PR)控制的DVR复合控制策略，可实现对DVR指令补偿电压的无静差跟踪，并且设计了电流内环控制器及分析了比例谐振复合控制策略的性能。仿真结果验证了DVR能够很好地补偿各种电压跌落状况，保证了风电机组正常运行，提高了双馈风电机组的低电压穿越能力。

动态电压恢复器；比例谐振；双馈风电机组；低电压穿越

随着单台风电机组容量不断地增大,风电场的数量和规模也在不断地扩大，使得并网风电场对电网可靠性和稳定性影响越来越大。为此，我国根据实际电网结构及风电发展情况制定了风电场接入电网技术规定，包括风电机组LVRT(Low voltage ride-through)能力[1]，即要求风电机组在电网电压跌落时仍能够保持不脱网运行，并持续地向电网输送功率以辅助电网恢复[2-3]。

动态电压恢复器DVR(Dynamic voltage restorer)用来提高风电机组LVRT，近些年来逐渐得到国内外重视。DVR串联于电网和风电机组机端之间，在电网电压出现瞬时跌落时，通过注入所需的补偿电压，与故障电网电压相叠加，使得机侧电网电压恢复到期望值，并且DVR吸收风电机组输送到电网多余的有功功率，从而保证了风电机组的不脱网运行[4]。DVR的核心是其控制方式，控制方式决定着补偿电压的快速性和准确性。电压电流的反馈是交流瞬态，PI控制并不能实现零稳态误差，因而不适用补偿精度和鲁棒性要求较高的DVR应用场合[5]。比例谐振PR(Proportional-resonant)控制器可实现在静止坐标下对交流信号的无静调节，具有动态响应快、输出电压稳态精度高等特点，使其在高质量电能质量控制中得到应用。文献[6]基于单闭环电压加前馈PR控制，并未反馈电流，容易出现器件过流和暂态震荡；文献[7]采用PI控制器存在稳态误差及抗干扰性能差等缺点且没有考虑利用PR谐波补偿导致补偿后DFIG并不能达到理想运行。

本文利用波特图比较了PR与PI控制器的特点，为了使PR控制器更好发挥性能，对内环比例参数做了精准的设计选取，并对电压电流反馈加电网电压前馈的复合控制性能进行了分析。最后通过仿真结果验证了DFIG可以实现各种故障理想穿越运行。

1　DFIG-DVR系统结构

DVR用于增强DFIG风电系统的低电压穿越运行能力，其结构示意图如图1所示。风电机组低电压穿越的DVR结构包括：静态开关柜、单相全桥逆变器、LC滤波器、直流电路、DC/DC变换器、储能等部分组成[8]，双向DC/DC变换器用来稳定DVR直流侧电压。图1中给出了三单相DVR独立补偿中的其中一相，其他两相与这一相的结构和参数完全相同。在电网电压理想的条件下静态开关柜导通，DVR被旁路不工作；当检测到电网电压有对称、不对称跌落时，开关柜迅速关闭使DVR通过耦合电容注入电网补偿电压，以确保DFIG机侧电压的平衡和稳定。

图1　DFIG-DVR系统结构示意图

2　控制系统分析

2.1比例谐振控制器

PR控制器可克服PI控制器的自身缺陷，在基波频率处利用谐振可实现增益无穷大，而在非基频处则增益特别小，因此，PR能够直接控制交流量，在基频处实现零稳态误差的目的[9]。与基波补偿思想相同，可并列加入谐波补偿控制项[10]，则PR控制器结合谐波补偿传递函数如式(1)所示：

式中：嵌入截止频率为ωc的2ωcs衰减项，有助于降低受电网频率波动的影响。PR控制器中kp、kn分别为比例谐振控制器的比例、谐振系数；截止频率ωc影响比例谐振控制器的增益和带宽，实际系统中ωc取值范围为5～15 rad/s；n为指定需要补偿的谐波次数，对应的kn根据不同的谐波次数进行设计。

PI及PR控制器(当n=1时)的开环传递函数波特图如图2所示。从波特图中可以看出，两控制器的最大不同在谐振频率处，PR控制器的幅值在谐振频率处变得有限大，然而，34 dB的谐振峰值仍然相当大，能够满足消除稳态误差的要求。因此，将PR控制器应用到DVR输出补偿电压的控制策略中，能够根据参考补偿电压实现无静差跟踪。

图2　PI和PR控制器波特图

2.2复合控制策略

为了提高双馈风电机组LVRT的能力，本文采用复合控制策略控制DVR。复合控制策略采用电网电压前馈加机组的出口电压和电容电流双闭环反馈控制的方式，控制结构图如图3所示。

图3　DVR复合控制策略结构框图

前馈控制消除了电网电压的扰动并且提高了动态响应速度；反馈控制提高了DVR输出电压的精度及所需补偿电压的适应能力。图3中机端电压反馈控制使用PR控制器，其传递函数如式(1)。电容电流反馈控制采用比例(P)控制器，如式(2)所示：

在图3所示复合控制策略框图中，通过前馈控制消除了电网电压的扰动，因此可以不考虑电网电压的干扰，将机组机端参考电压Ug*视为系统输入，机端电流Ig视为系统扰动，机端实际电压Ug视为系统输出。分别求出机端电压对机端参考电压与机端电压对机端电流的传递函数，分别定义为G1、G2：

由式(3)、(4)可以看出，当GPR为无穷大时，式(3)传递函数等效为1，说明Ug在稳态下能够无静差地跟踪参考Ug*；当GPR为无穷大时，式(4)传递函数为0，因此Ug在稳态下能够完全抑制由机组电流带来的干扰。为了进一步表明PR控制器在复合控制策略的性能，根据所给参数和传递函数式(3)和(4)可得机端电压对机端参考电压与机端电压对机端电流的传递函数的波特图，分别如图4、图5所示。

从图4可见，复合控制系统机端电压对参考电压稳定裕度非常大，并且在低频段控制系统性能很好。从图5可见，传递函数G2的增益在所有频率范围内尤其在工频处都很小，说明能很好地抑制由机组电流带来的干扰。整个控制系统参数选择合理，性能良好。

图4　G1的波特图

3　仿真实验与分析

本文在PSCAD/EMTDC仿真软件中建立了仿真模型。DVR滤波器及PR控制器参数为：滤波电容、电感、电阻分别为180 μF、0.03 H、0.02 Ω，PR控制器kp、k1、ωc和ω0,分别为1、100、5和314.16，P控制器的比例增益kc为30。DFIG仿真参数如下：额定功率为2 MW；定子额定电压为690 V；定子电阻为0.010 8 pu;定子电感为3.464 pu;转子电阻为0.012 1 pu；转子电感为3.472 pu；直流侧电容为0.016 F;额定频率为50 Hz;惯性时间常数为0.5 s。

图5　G2的波特图

仿真图6为三相电压对称跌落80%补偿图；图7为三相不对称电压跌落80%补偿图，其中a、b、c三相电压分别跌落80%、60%、24.4%。图中故障起始时刻都为3 s,按照LVRT要求，持续时间625 ms。

图6　补偿三相对称电压跌落的仿真结果

图7　补偿三相不对称电压跌落的仿真结果

从仿真图可以看出，比例谐振控制的DVR补偿效果较好，对于不同电网电压跌落状况，对应不同的指令输出电压都能达到很好的跟踪精度，图6验证了DVR恢复了电网严重的三相对称电压跌落的定子端电压，而且DFIG风电能够正常地并网运行。图7在电网三相电压不对称电压跌落工况下，三单相DVR依然能够补偿不平衡定子电压，保证了风电机组不受电网电压不对称跌落的干扰。在复合控制策略下，DFIG机端电压经过低于0.5个工频周期就进入稳态，具有满意的动态和稳态特性。

综上所述，这些优势使DFIG机端电压始终维持在正常水平，是风电机组正常并网运行实现LVRT的前提条件。

4　结束语

本文运用比例谐振控制器来控制动态电压恢复器输出补偿电压，可以实现无静差跟踪DVR指令输出电压。通过对控制系统设计及分析表明，复合控制方法保证DVR系统具有很高稳定裕度，同时具有动态响应速度快、抗干扰性能好、稳态精度高等优点，从而在电网电压发生对称或不对称跌落情况下，通过投切DVR始终维持风电机组定子端电压的恒定，辅助风电机组正常并网运行实现LVRT。

致谢：

本文的研究工作得到了内蒙古自治区草原英才(2013)、内蒙古自治区高等学校青年科技英才支持计划(2013)和内蒙古人才开发基金(2011)的资助，特此致谢！

[1]贺益康，胡家兵，徐烈.并网双馈异步风力发电机运行控制[M].北京：中国电力出版社，2011：12.

[2]洪芦诚,姜齐荣,王亮,等.实现风电场低电压穿越的MMC型动态电压恢复器[J].电力系统自动化,2012,36(22):25-29.

[3]OMAR A B,ADEL N.Series voltage compensation for DFIG wind turbine low-voltage ride-through solution[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2011,26(1):272-280.

[4]洪芦诚，魏应冬，姜齐荣,等.基于动态电压调节器的风电机组低电压穿越策略[J].电力系统自动化，2011,35(16):32-37.

[5]申科，王建赜，蔡兴国，等.动态电压恢复器比例谐振控制[J].电力自动化设备,2010,30(7):65-68.

[6]WESSELS C,GEBHARDT F,FUCHS F W.Fault ride-through of a DFIG wind turbine using a dynamic voltage restorer during symmetrical and asymmetrical grid faults[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2011，26(3):807-815.

[7]陈建,任永峰,胡宏彬,等.基于DVR的风电机组低电压穿越仿真研究[J].可再生能源,2013,31(8):28-32.

[8]徐强胜，张红蕾，周春阳,等.利用DVR提高风电场低电压穿越能力[J].华北电力大学学报:自然科学版，2011,38(5)：6-10.

[9]吴延好，聂子玲，朱俊杰,等.PR控制策略下的中频动态电压恢复器的研究[J].电力电子技术，2013,47(11):55-57.

[10]王建伟，胡晓光，陈松松,等.具有谐波补偿功能的动态电压恢复器控制策略[J].电网技术,2013,37(6):1700-1705.

Study of LVRT of wind turbine based on DVR of proportional-resonant control

SUN Wei1,REN Yong-feng1,GUO Kun2,LIU Hai-tao3,LIU Fu1
(1.Electric Power College,Inner Mongolia University of Technology,Hohhot Inner Mongolia 010080,China;2.Jinqiao Bureau of Hohhot Power Supply Bureau,Hohhot Inner Mongolia 010040,China;3.Inner Mongolia Electric Power Research Institute,Hohhot Inner Mongolia 010020,China)

Due to the shortcomings of steady-state error and poor interference performance of the traditional PI controllers for dynamic voltage restorer(DVR)to track a rapidly changing sinusoidal signal,the complex control strategies based on proportional-resonant(PR)was proposed to control DVR,including a detailed analysis about transfer function and Bode plots of the control system,which could realize no static error compensation voltage according DVR instruction.The simulation results show the DVR can well compensate the voltage drop,ensuring the normal operation of the wind turbine,which improves the LVRT ability of double-fed wind turbine.

dynamic voltage restorer;proportional resonant;doubly fed induction generator;low voltage ride-through

TM 614

A

1002-087 X(2016)10-2017-03

2016-03-28

国家自然科学基金资助项目(51367012)；教育部新世纪优秀人才支持计划(NCET-11-1018)；内蒙古自治区自然科学基金资助项目(2011BS0903,2015MS0532)；内蒙古自治区"草原英才"工程资助(CYYC2013031)；风能太阳能利用技术省部共建教育部重点实验室开放基金资助项目(201403)

孙伟（1987—），男，内蒙古自治区人，硕士研究生，主要研究方向为风力发电低电压穿越。