新能源發(fā)電技術(shù) 課件 第六章-不平衡諧波電網(wǎng)下的新能源發(fā)電控制技術(shù)

第六章不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學電氣工程學院本章內(nèi)容：不平衡、諧波電網(wǎng)下新能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運行技術(shù)基于重復(fù)控制的新能源系統(tǒng)運行技術(shù)

第六章不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學電氣工程學院6.1不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)雙饋發(fā)電機數(shù)學模型

在正轉(zhuǎn)兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系dq+下，定子電壓、轉(zhuǎn)子電壓可表示為：

定子磁鏈、轉(zhuǎn)子磁鏈可表示為：

定子電流、轉(zhuǎn)子電流可表示為：不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學電氣工程學院6.1不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)雙饋發(fā)電機數(shù)學模型

定/轉(zhuǎn)子電壓、定/轉(zhuǎn)子磁鏈的關(guān)系可以寫為：

定轉(zhuǎn)子電壓、電流及磁鏈的負序分量表達式為：不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學電氣工程學院6.1不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)雙饋發(fā)電機數(shù)學模型

定轉(zhuǎn)子電壓、電流及磁鏈的5次諧波分量表達式為：

定轉(zhuǎn)子電壓、電流及磁鏈的7次諧波分量表達式為：不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學電氣工程學院6.1不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)雙饋發(fā)電機數(shù)學模型

忽略定子電阻時，穩(wěn)態(tài)運行條件下定子電壓方程可以化簡為：

由定子磁鏈方程，定子電流可表示為：

由定子電壓和電流可以計算DFIG定子輸出有功、無功功率：不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學電氣工程學院6.1不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)雙饋發(fā)電機數(shù)學模型 DFIG定子輸出有功、無功功率可表示為：

其中，為輸出電流

的共軛；，，，和分別為定子輸出有功功率的直流(平均)分量、二倍頻正、余弦波動分量、六倍頻正、余弦波動分量；

，

，

，

和

分別為定子輸出無功功率的直流(平均)分量、二倍頻正、余弦波動分量、六倍頻正、余弦波動分量。不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學電氣工程學院6.1不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)雙饋發(fā)電機數(shù)學模型

其中輸出功率直流分量可以表示為：

其中輸出功率二倍頻分量和六倍頻分量可以用類似的形式表示。不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學電氣工程學院6.1不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)雙饋發(fā)電機數(shù)學模型

其中輸出功率二倍頻分量可以表示為：

其中輸出功率六倍頻分量可以表示為：不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學電氣工程學院6.1不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)雙饋發(fā)電機數(shù)學模型

根據(jù)發(fā)電機定/轉(zhuǎn)子磁鏈、定/轉(zhuǎn)子電流，可以得到三相不平衡及諧波畸變電網(wǎng)電壓條件下DFIG的電磁功率表達式：

電磁轉(zhuǎn)矩可寫為：不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學電氣工程學院6.1不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)雙饋發(fā)電機數(shù)學模型

直流分量由同頻率電壓電流相互作用產(chǎn)生，包括工頻電壓與工頻電流的相互作用、負序電壓與負序電流的相互作用、五/七次諧波電壓與五/七次諧波電流的相互作用。

二倍頻分量由工頻電壓/電流與負序電流/電壓相互作用產(chǎn)生，六倍頻分量由五/七次諧波電壓/電流與五/七次諧波電流/電壓相互作用產(chǎn)生。二倍頻分量工頻電壓/電流相互作用五次電壓/電流七次電壓/電流負序電壓/電流輸出功率電磁轉(zhuǎn)矩二倍頻分量直流分量不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學電氣工程學院6.1不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)變流器數(shù)學模型

兩相同步速旋轉(zhuǎn)坐標系下變流器電壓與電網(wǎng)電壓表達式：

若處于電網(wǎng)電壓不平衡且存在諧波畸變的非理想運行條件下，網(wǎng)側(cè)變流器電壓方程可表示為：不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學電氣工程學院6.1不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)變流器數(shù)學模型

電網(wǎng)電壓不平衡及諧波畸變下，直流環(huán)節(jié)電壓可以寫為：

并網(wǎng)變流器輸出功率可表示為：不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學電氣工程學院6.1不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)變流器數(shù)學模型

并網(wǎng)變流器輸出功率的有功分量和無功分量可分別表示為：

與雙饋發(fā)電機的輸出功率類似，不平衡、諧波電網(wǎng)下的并網(wǎng)變流器直流母線電壓及輸出功率中存在直流分量、二倍頻分量、六倍頻分量，其中各個分量的產(chǎn)生機理與前文中的雙饋發(fā)電機一致。不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學電氣工程學院6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運行技術(shù)諧振控制器的基本原理

直流分量的控制通常采用基于積分器的PI控制器或PID控制實現(xiàn)無靜差控制交流分量需通過交流積分器控制，其中諧振控制器作為交流積分器的一種，可為指定頻率交流信號提供無窮大幅值增益的理想積分器，實現(xiàn)對交流信號的無穩(wěn)態(tài)靜差跟蹤以及快速調(diào)節(jié)?；l分量負序分量諧振分量直流分量交流分量轉(zhuǎn)換到矢量控制坐標系不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學電氣工程學院6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運行技術(shù)諧振控制器的基本原理

無論是雙饋發(fā)電機還是并網(wǎng)變流器，均可等效為阻感性負載，在同步旋轉(zhuǎn)坐標系中等效傳遞函數(shù)可表示為：

采用實系數(shù)積分控制器的矢量控制方案：不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學電氣工程學院6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運行技術(shù)諧振控制器的基本原理

將復(fù)數(shù)極點調(diào)整為實數(shù)極點，可將實系數(shù)積分控制器擴展為復(fù)系數(shù)積分控制器，得到如下電流矢量控制方案：

當調(diào)節(jié)器系數(shù)kp、ki1、ki2=kp選取一致時，采用P+RCI調(diào)節(jié)器和P+CCI調(diào)節(jié)器可以獲得相同的電流調(diào)節(jié)器控制特性。不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學電氣工程學院6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運行技術(shù)諧振控制器的基本原理

比較P+RCI和P+CCI兩種調(diào)節(jié)器的波特圖：

在零頻段附近，兩種控制器均可提供足夠的幅值增益，對直流量實現(xiàn)無靜差跟蹤。對比相頻特性可見，P+RCI調(diào)節(jié)器在零頻段存在相位滯后，而P+CCI調(diào)節(jié)器在零頻段基本為0°。復(fù)系數(shù)積分器可有效改善調(diào)節(jié)器的相頻特性，能夠有效提升動態(tài)響應(yīng)能力，縮短動態(tài)調(diào)整時間。不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學電氣工程學院6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運行技術(shù)諧振控制器的基本原理

通過Park變換對控制器的作用頻率進行全頻域拓展，得到采用實P+PCI進行交流分量控制結(jié)構(gòu)示意圖：

對于任意頻率的交流分量，首先將交流分量進行Park變換，轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)坐標系下的直流分量，采用P+RCI進行控制后，進行反變換，得到該頻率的指令電壓。不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學電氣工程學院6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運行技術(shù)諧振控制器的基本原理

在指定頻率的旋轉(zhuǎn)坐標系中，電流d、q軸控制誤差信號為：

在兩相靜止坐標系中，實系數(shù)電流調(diào)節(jié)器輸出電壓vα、vβ分別可表示為（*表示卷積）：

定義和并簡化后可表示為：不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學電氣工程學院6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運行技術(shù)諧振控制器的基本原理

根據(jù)歐拉公式，正余弦量可表示為兩個復(fù)數(shù)域指數(shù)函數(shù)的和差。電流d、q軸控制誤差信號正余弦分量可表示為：

經(jīng)過拉普拉斯變換后可得（E(s)為e(s)的頻域表達式）：不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學電氣工程學院6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運行技術(shù)諧振控制器的基本原理

進一步的，對電流d、q軸控制誤差信號表達式和進行拉普拉斯變換：不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學電氣工程學院6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運行技術(shù)諧振控制器的基本原理

根據(jù)上頁可以對實系數(shù)電流調(diào)節(jié)器輸出電壓vα、vβ表達式進行拉普拉斯變換：

改寫為矢量形式有：不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學電氣工程學院6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運行技術(shù)諧振控制器的基本原理

因此在兩相靜止坐標系中，實系數(shù)電流調(diào)節(jié)器可表示為：實系數(shù)電流調(diào)節(jié)器的比例項與頻率變換無關(guān)，其中積分項根據(jù)作用頻率進行頻率偏移，對交流信號具有調(diào)節(jié)能力，即為交流積分控制器的基本表達形式，可以將積分項稱之為一階廣義積分器(first-ordergeneralizedintegrator,FOGI)，并寫為：不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學電氣工程學院6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運行技術(shù)諧振控制器的基本原理

上圖為一階廣義積分器的波特圖，當諧振頻率設(shè)置為50Hz時，一階廣義積分器可以為50Hz的交流分量提供足夠的幅值增益，實現(xiàn)交流分量的無靜差控制，其中諧振頻率的正負性用于表征被控分量的正負序性。不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學電氣工程學院6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運行技術(shù)諧振控制器的基本原理

復(fù)系數(shù)電流調(diào)節(jié)器可表示為：

經(jīng)過全頻域拓展后可表示為：

復(fù)系數(shù)交流電流調(diào)節(jié)器中的比例項與頻率變換無關(guān)，而積分項則需要進行頻率變換，同時交叉積分項會引入額外的一階表達式，可將下式稱為一階矢量積分器。：不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學電氣工程學院6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運行技術(shù)諧振控制器的基本原理相較于一階廣義積分器FOGI，一階矢量積分器FOVI在諧振頻率處相位跳變后不會出現(xiàn)相位滯后現(xiàn)象，這與P+RCI與P+CCI相頻特性是類似的，具有更快的動態(tài)特性。上述兩種對交流分量具有控制功能的交流積分控制器由于其波特圖的諧振特性，因此又被成為諧振器。一階矢量積分器的波特圖不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學電氣工程學院6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運行技術(shù)諧振控制器的基本原理當同時使用兩個諧振頻率相同、極性相反的諧振控制器時，組合控制器可表示為：

當兩個諧振頻率相同但交流分量極性相反時，組合控制器的表達式會變成統(tǒng)一的二階形式，這種二階諧振控制器的典型表達形式分別命名為二階廣義積分器(second-ordergeneralizedintegrator,SOGI)和二階矢量積分器(second-ordervectorintegrator,SOVI)。k=6n不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學電氣工程學院6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運行技術(shù)諧振控制器的基本原理SOGI和SOVI的可同時為正、反轉(zhuǎn)300Hz交流信號提供調(diào)節(jié)能力，而對其他頻率信號不具有調(diào)節(jié)能力。相較于一階諧振器，二階諧振器具有頻率選擇能力，不具有極性選擇能力，意味著二階諧振器在應(yīng)對成對出現(xiàn)的電網(wǎng)諧波電壓時具有更強的適應(yīng)性。一階諧振器亦視作二階諧振器的變化形式，稱為降階諧振器。SOGI波特圖SOVI波特圖不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學電氣工程學院6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運行技術(shù)諧振控制器的基本原理諧振控制器根據(jù)階數(shù)不同，可分為降階諧振器和二階諧振器；根據(jù)諧振控制器的演變類型不同，將由實系數(shù)積分器演變得到的諧振器稱之為廣義積分器，而將由復(fù)系數(shù)積分器演變得到的諧振器稱之為矢量積分器。

類型階數(shù)廣義積分器generalizedintegrator,GI矢量積分器vectorintegrator,VI降階reduced-order,RO降階廣義積分器，ROGI降階矢量積分器，ROVI二階second-order,SO二階廣義積分器，SOGI二階矢量積分器，SOVI不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學電氣工程學院6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運行技術(shù)基于諧振控制器的新能源系統(tǒng)運行技術(shù)

諧波及不平衡電網(wǎng)下，新能源系統(tǒng)輸出電流、輸出功率或發(fā)電機轉(zhuǎn)矩中存在對應(yīng)頻率的諧波和脈動分量，因此，新能源發(fā)電系統(tǒng)可以有選擇性地針對其中一項進行優(yōu)化控制。

對于雙饋發(fā)電機，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器(RSC)的可選控制目標可以設(shè)定為：

目標A：正弦平衡的雙饋風力發(fā)電機轉(zhuǎn)子勵磁電流；

目標B：正弦平衡的雙饋風力發(fā)電機定子輸出電流；

目標C：平穩(wěn)無振蕩的雙饋風力發(fā)電機輸出功率；

目標D：恒定無脈動的雙饋風力發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩。不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學電氣工程學院6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運行技術(shù)基于諧振控制器的新能源系統(tǒng)運行技術(shù)

對于目標A，控制目標即為消除轉(zhuǎn)子電流中的負序分量及諧波分量，各頻率轉(zhuǎn)子電流目標指令可以寫為：不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學電氣工程學院6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運行技術(shù)基于諧振控制器的新能源系統(tǒng)運行技術(shù)

對于目標B，控制目標即為消除定子電流中的負序分量及諧波分量，各頻率轉(zhuǎn)子電流目標指令可以寫為：不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學電氣工程學院6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運行技術(shù)基于諧振控制器的新能源系統(tǒng)運行技術(shù)

對于目標C，控制目標即為消除有功功率及無功功率中的二倍頻、六倍頻分量，其中功率二倍頻包含：有功功率余弦分量、無功功率正余弦分量四個分量，通常會選擇消除有功功率正余弦分量從而保證有功功率的平穩(wěn)。各頻率轉(zhuǎn)子電流目標指令計算結(jié)果如下：不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學電氣工程學院6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運行技術(shù)基于諧振控制器的新能源系統(tǒng)運行技術(shù)

對于目標D，控制目標即為消除電磁轉(zhuǎn)矩中的二倍頻、六倍頻分量，由于可以獨立調(diào)節(jié)的電流分量有兩項，所以二倍頻的正余弦分量都可以被有效調(diào)節(jié)；對于轉(zhuǎn)矩六倍頻分量，由于可以獨立調(diào)節(jié)的電流分量有四項，因此冗余的兩個電流量可以進一步的進行無功功率六倍頻的抑制，形成電磁轉(zhuǎn)矩-無功功率的聯(lián)合控制。不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學電氣工程學院6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運行技術(shù)基于諧振控制器的新能源系統(tǒng)運行技術(shù)

目標D下，各頻率轉(zhuǎn)子電流目標指令計算結(jié)果如下：不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學電氣工程學院6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運行技術(shù)基于諧振控制器的新能源系統(tǒng)運行技術(shù)

基于PI+SOGI的雙饋發(fā)電機控制結(jié)構(gòu)框圖：不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學電氣工程學院6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運行技術(shù)基于諧振控制器的新能源系統(tǒng)運行技術(shù)

對于網(wǎng)側(cè)變流器，同樣可在電網(wǎng)包含不平衡及諧波分量時設(shè)定不同的控制目標。

對于目標a，控制目標即為消除輸出電流中的負序分量及諧波分量，各頻率轉(zhuǎn)子電流目標指令可以寫為：不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學電氣工程學院6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運行技術(shù)基于諧振控制器的新能源系統(tǒng)運行技術(shù)

對于目標b，控制目標即為消除并網(wǎng)變流器有功功率及無功功率中的二倍頻、六倍頻分量，同樣地對于不平衡電壓導致的功率二倍頻分量只能選擇有功功率或無功功率中之一進行波動抑制，原理同前文。而功率六倍頻分量中的波動分量，則可以同時實現(xiàn)有功功率和無功功率的波動平抑。不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學電氣工程學院6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運行技術(shù)基于諧振控制器的新能源系統(tǒng)運行技術(shù)

目標b下，各頻率轉(zhuǎn)子電流目標指令計算結(jié)果如下：不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學電氣工程學院6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運行技術(shù)基于諧振控制器的新能源系統(tǒng)運行技術(shù)

基于PI+SOGI的并網(wǎng)變流器控制結(jié)構(gòu)框圖：不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學電氣工程學院6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運行技術(shù)諧振控制拓展應(yīng)用（1）直接諧振控制技術(shù)準確提取電壓正序、負序、諧波分量在實際運行中較為困難，實際應(yīng)用中，采用SOGI構(gòu)造額外諧振閉環(huán)的直接諧振控制方法，不依賴電機參數(shù)，對電機參數(shù)具有普適性，無需提取電網(wǎng)電壓的正、負序分量，可提高實際應(yīng)用價值。實際使用中，直接將被控制目標作為交流控制器如SOGI的輸入，而不采用電流指令計算的方式。不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學電氣工程學院6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運行技術(shù)諧振控制拓展應(yīng)用（1）直接諧振控制技術(shù)

以不平衡電壓電網(wǎng)下的風電機組運行為例為例，對于機側(cè)變流器：

目標A：要求即轉(zhuǎn)子電流正弦無負序分量，則SOGI調(diào)節(jié)器的被控對象可設(shè)置為：

目標B：要求即定子電流平衡無負序分量，則SOGI調(diào)節(jié)器的被控對象可設(shè)置為：不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學電氣工程學院6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運行技術(shù)諧振控制拓展應(yīng)用（1）直接諧振控制技術(shù)

目標C：要求和

即雙饋電機定子有功、無功功率平穩(wěn)無脈動，則SOGI調(diào)節(jié)器的被控對象可設(shè)置為：

目標D：要求和

即雙饋電機定子有功、無功功率平穩(wěn)無脈動，則SOGI調(diào)節(jié)器的被控對象可設(shè)置為：不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學電氣工程學院6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運行技術(shù)諧振控制拓展應(yīng)用（1）直接諧振控制技術(shù) SOGI具有頻率選擇特性，只為二倍電網(wǎng)頻率交流量提供足夠的幅值增益，而對其他頻率信號無明顯調(diào)節(jié)作用，可以將同時含有直流量和二倍電網(wǎng)頻率交流量的復(fù)合信號直接作為SOGI調(diào)節(jié)器的被控對象，而無需提取相應(yīng)的波動分量。為了簡化控制結(jié)構(gòu)，可將SOGI調(diào)節(jié)器的指令設(shè)置為零，即 .不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學電氣工程學院6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運行技術(shù)諧振控制拓展應(yīng)用（1）直接諧振控制技術(shù)

因此，可設(shè)計在電網(wǎng)電壓不平衡條件下機側(cè)變流器PI+SOGI直接諧振控制系統(tǒng)，如圖所示。不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學電氣工程學院6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運行技術(shù)諧振控制拓展應(yīng)用（2）降階諧振控制技術(shù)

機側(cè)變流器輸出電壓（轉(zhuǎn)子電壓）可表示為PI控制器輸出、交流控制器輸出、解耦項輸出的疊加，即下式：

根據(jù)歐拉公式可知，任意頻率余弦信號可分解為兩個反向旋轉(zhuǎn)矢量加和的形式，由于二階廣義積分器SOGI對正、反向旋轉(zhuǎn)的100Hz交流信號均具有同樣的調(diào)節(jié)能力，故在正轉(zhuǎn)兩相旋轉(zhuǎn)坐標系中，其輸出信號既包含正轉(zhuǎn)100Hz分量，同樣也包含反轉(zhuǎn)100Hz分量，即：不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學電氣工程學院6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運行技術(shù)諧振控制拓展應(yīng)用（2）降階諧振控制技術(shù)

將轉(zhuǎn)子電壓指令進行坐標變換，可得兩相靜止坐標系中轉(zhuǎn)子電壓指令，并可寫為：采用基于二階廣義積分器形式的諧振器在兩相靜止坐標系中會產(chǎn)生正序三次諧波分量和負序基頻分量。由于正序三次諧波分量的存在，將會導致定子電流中含有三次諧波分量，導致雙饋電機輸出電流存在明顯畸變。不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學電氣工程學院6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運行技術(shù)諧振控制拓展應(yīng)用（2）降階諧振控制技術(shù)

當采用基于降階廣義積分器形式的諧振器時，由于其輸出量在正轉(zhuǎn)兩相旋轉(zhuǎn)坐標系中只含有反轉(zhuǎn)100Hz交流信號，并可表示為：

變換至靜止坐標系后，轉(zhuǎn)子電壓指令可表示為：

采用基于降階廣義積分器形式的轉(zhuǎn)子電壓指令僅含有正序基頻分量和負序基頻分量，而不含有正序三次諧波分量，故而可在降低轉(zhuǎn)矩脈動同時有效抑制定子電流的諧波畸變。不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學電氣工程學院6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運行技術(shù)諧振控制拓展應(yīng)用（2）降階諧振控制技術(shù)

實際應(yīng)用中，針對電網(wǎng)電壓不平衡問題，可采用降階諧振控制器代替SOGI的方式進行控制優(yōu)化，即降階諧振技術(shù)。但是，降階諧振技術(shù)由于存在復(fù)系數(shù)，在實際應(yīng)用時通常需要實系數(shù)化。

經(jīng)過控制器分母實數(shù)化以后可以看到，降階諧振器被分解為兩個SOGI控制器，其中復(fù)系數(shù)SOGI則可以通過交叉反饋解耦的方式實現(xiàn)。不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學電氣工程學院6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運行技術(shù)諧振控制拓展應(yīng)用（2）降階諧振控制技術(shù)假設(shè)被控量為 ,那么經(jīng)過ROGI控制后的輸出可以寫為：

經(jīng)過控制器分母實數(shù)化以后可以看到，降階諧振器被分解為兩個SOGI控制器，其中復(fù)系數(shù)SOGI則可以通過交叉反饋解耦的方式實現(xiàn)。不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學電氣工程學院6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運行技術(shù)諧振控制拓展應(yīng)用（2）降階諧振控制技術(shù)

可以得到ROGI的實系數(shù)實現(xiàn)方法如圖，即為機側(cè)變流器直接諧振控制技術(shù)。不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學電氣工程學院6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運行技術(shù)諧振控制拓展應(yīng)用（3）雙饋風力發(fā)電機協(xié)同控制技術(shù)

在實際運行中，雙饋風電機組具有雙變流器并聯(lián)并網(wǎng)的接入方式，因此可以靈活的選擇RSC和GSC的控制目標，實現(xiàn)多個目標協(xié)同控制方式。

多目標機網(wǎng)側(cè)協(xié)同控制方法：兼顧發(fā)電機自身運行性能，并靈活的選擇并網(wǎng)風電機組的整體電能質(zhì)量或輸出功率的優(yōu)化。機側(cè)變流器通過電機轉(zhuǎn)矩抑制，實現(xiàn)發(fā)電機自身優(yōu)化，此時發(fā)電機側(cè)輸出非正弦電流及功率波動，網(wǎng)側(cè)變流器則補償機側(cè)變流器的畸變電流或功率波動。不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學電氣工程學院6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運行技術(shù)諧振控制拓展應(yīng)用（3）雙饋風力發(fā)電機協(xié)同控制技術(shù)

這種情況下，機側(cè)變流器的控制目標為：確保雙饋風力發(fā)電機轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)，即：

網(wǎng)側(cè)變流器的控制目標為：

目標i：確保雙饋風力發(fā)電機(含有機側(cè)和網(wǎng)側(cè)變流器)總輸出電流正弦平衡；

要求

，即雙饋風電系統(tǒng)總輸出電流正弦無負序分量，則交流調(diào)節(jié)器的被控對象可設(shè)置為不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學電氣工程學院6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運行技術(shù)諧振控制拓展應(yīng)用（3）雙饋風力發(fā)電機協(xié)同控制技術(shù)

目標ii：確保雙饋風力發(fā)電機總輸出有功功率恒定；

要求

，要求雙饋風電系統(tǒng)輸出的有功功率平穩(wěn)無脈動，則ROGI調(diào)節(jié)器的被控對象可設(shè)置為：

目標iii：確保雙饋風力發(fā)電機輸出無功功率恒定；

要求

，要求雙饋風電系統(tǒng)輸出的無功功率平穩(wěn)無脈動，則ROGI調(diào)節(jié)器的被控對象可設(shè)置為：不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學電氣工程學院6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運行技術(shù)諧振控制拓展應(yīng)用（3）雙饋風力發(fā)電機協(xié)同控制技術(shù)融合直接諧振技術(shù)、降階諧振方法、協(xié)同控制策略，給出了電網(wǎng)電壓不平衡下的DFIG機組基于ROGI直接諧振的多目標協(xié)同控制技術(shù)。其中，交流控制器形式采用ROGI，控制方式采用直接諧振控制環(huán)，控制策略則基于機網(wǎng)側(cè)多目標分配協(xié)同。不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學電氣工程學院6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運行技術(shù)諧振控制拓展應(yīng)用（3）雙饋風力發(fā)電機協(xié)同控制技術(shù)基于ROGI直接諧振的多目標協(xié)同控制技術(shù)不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學電氣工程學院6.3基于重復(fù)控制的新能源系統(tǒng)運行技術(shù)重復(fù)控制的基本原理現(xiàn)實情況中，當雙饋風力發(fā)電機組運行于弱電網(wǎng)或者微網(wǎng)環(huán)境下，而往往由于分布式發(fā)電單元等的存在，電網(wǎng)電壓除了5、7次諧波外還包含高次畸變分量。定子電流中也將包含這些高次諧波分量，電磁轉(zhuǎn)矩、定子輸出有功功率和無功功率中也將出現(xiàn)高次波動分量。重復(fù)控制調(diào)節(jié)器(repetitivecontroller，RC)，是一種基于傳統(tǒng)內(nèi)?？刂圃硗ㄟ^對輸入誤差信號以及重復(fù)控制器輸出信號的恰當延時的多頻率交流控制器，其可對重復(fù)頻率整數(shù)倍的多個頻率點實現(xiàn)交流分量有效控制。不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學電氣工程學院6.3基于重復(fù)控制的新能源系統(tǒng)運行技術(shù)重復(fù)控制的基本原理對于某個交流頻率分量f0，對其進行延時處理，延時時間為該分量的周期；然后將輸出構(gòu)建正反饋，經(jīng)過正反饋控制后，該控制器會將該交流分頻率分量顯著放大，而其他頻率點(f0非整數(shù)倍)的分量比例就會相應(yīng)減??；該環(huán)節(jié)表現(xiàn)為只對頻率為f0及頻率為f0整數(shù)倍的交流信號有增益的控制作用；重復(fù)控制器的表達式可以表示為：不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學電氣工程學院6.3基于重復(fù)控制的新能源系統(tǒng)運行技術(shù)重復(fù)控制的基本原理

在連續(xù)域和離散域中的框圖可以表示為：

在實際應(yīng)用場合中，由于延時環(huán)節(jié)

難以用模擬電路實現(xiàn)，因此重復(fù)控制通常通過離散域下的數(shù)字控制實現(xiàn)，其離散域的控制表達式可以寫為如下形式，控制框圖如右邊所示：

式中，

，

為控制系統(tǒng)采樣頻率，

為待控制諧波信號的基礎(chǔ)頻率。不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學電氣工程學院6.3基于重復(fù)控制的新能源系統(tǒng)運行技術(shù)重復(fù)控制的基本原理

自然對數(shù)展開，可得：1、重復(fù)控制包含多個無窮多個諧振控制器，諧振頻率點為整數(shù)倍

，因此其可對多個交流頻率分量進行控制。2、重復(fù)控制包含一個無法靈活調(diào)節(jié)的PI控制，其會對直流分量控制產(chǎn)生影響，但由于其PI控制參數(shù)自身不獨立，且與諧振器參數(shù)不獨立，因此其不適合參與直流分量的誤差調(diào)節(jié)。不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學電氣工程學院6.3基于重復(fù)控制的新能源系統(tǒng)運行技術(shù)重復(fù)控制的基本原理

為了使得重復(fù)控制調(diào)節(jié)器在實際應(yīng)用環(huán)境中達到理想的周期性交流信號調(diào)節(jié)能力，通常需要對其進行進一步的改進。 1）低通濾波器或者小于1.0的常數(shù)環(huán)節(jié)

重復(fù)控制器極點分布在虛軸上，導致實際控制中系統(tǒng)處在臨界穩(wěn)定狀態(tài)，為了改善參數(shù)變化或工況調(diào)節(jié)下系統(tǒng)穩(wěn)定性，需要引入一個可以是低通濾波器環(huán)節(jié)或者是小于1.0的常數(shù)環(huán)節(jié)。雖然會對調(diào)節(jié)能力造成一定影響，但能確保其穩(wěn)定可靠工作。不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學電氣工程學院6.3基于重復(fù)控制的新能源系統(tǒng)運行技術(shù)重復(fù)控制的基本原理 2）重復(fù)控制調(diào)節(jié)器增益系數(shù)

增益系數(shù)

用來調(diào)節(jié)控制的補償強度。當

較小時，誤差信號的收斂速度較慢，穩(wěn)態(tài)誤差有所上升，但系統(tǒng)穩(wěn)定性得到加強；通常

設(shè)定為小于或等于1的常數(shù)。

實際應(yīng)用場合中的重復(fù)控制調(diào)節(jié)器表達式通?？梢詫憺椋?/p>

其中

為加入的低通濾波器或者小于1.0的常數(shù)，以確保重復(fù)控制調(diào)節(jié)器能夠穩(wěn)定工作；

用于調(diào)節(jié)重復(fù)控制調(diào)節(jié)器的控制頻率。

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的引入還可以解決

非整數(shù)的問題，導致傳統(tǒng)重復(fù)控制調(diào)節(jié)器無法直接離散化，此時需要將

設(shè)計為：

其中D為Q的分數(shù)部分，此時

不僅能夠解決上述問題，同時由于其類似于低通濾波器特性從而有利于改善重復(fù)控制調(diào)節(jié)器的穩(wěn)定性。

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重復(fù)控制調(diào)節(jié)器波特圖

重復(fù)控制器在重復(fù)控制頻率點上具有較高增益，因此其可同時實現(xiàn)300Hz，600Hz以及900Hz等高次諧波分量的控制。

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可以看出傳統(tǒng)的重復(fù)控制器還有以下缺點：

第一，在各個控制頻率處的控制帶寬不足，從而干擾導致其對于電網(wǎng)頻率偏移的魯棒性較差。

第二，隨著控制頻率的增加，其幅值增益將有較為明顯的下降，從而導致對較高頻率的周期性交流信號調(diào)節(jié)能力不足。

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應(yīng)用于新能源機組時，重復(fù)控制器需要進行控制帶寬、幅值兩方面的改進。

首先擴展控制帶寬，需要在傳統(tǒng)重復(fù)控制調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上引入帶寬參數(shù)，并合理設(shè)定參數(shù)值，以確保在電網(wǎng)頻率偏移時具有良好的穩(wěn)態(tài)控制精度。

傳統(tǒng)重復(fù)控制調(diào)節(jié)器中包含了非正常PI部分以及一系列的諧振器之和，因此可以將其中的非正常PI部分移除，從而提取出諧振器部分如下表達式: 不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學電氣工程學院6.3基于重復(fù)控制的新能源系統(tǒng)運行技術(shù)重復(fù)控制器的改進設(shè)計

由于每個諧振器可以相互獨立工作，在各控制頻率處有足夠大的幅值增益，對每一個諧振器可分別引入諧振帶寬參數(shù)

進一步推導為

: 不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學電氣工程學院6.3基于重復(fù)控制的新能源系統(tǒng)運行技術(shù)重復(fù)控制器的改進設(shè)計

的波特圖和放大圖

在控制頻率300Hz，600Hz，900Hz處具有相同的幅值響應(yīng)，僅僅在非控制頻率處有稍許不同的幅值響應(yīng)，從而確保交流信號調(diào)節(jié)能力。

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引入帶寬補償后的重復(fù)控制器可以表示為：

是BRC調(diào)節(jié)器的增益系數(shù)，進一步的，離散域BRC表達式可表示為：

不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)