新能源發(fā)電技術 課件 第6、7章-不平衡諧波電網(wǎng)下的新能源發(fā)電控制技術、新能源發(fā)電的故障穿越技術

第六章不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術?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)運行技術基于重復控制的新能源系統(tǒng)運行技術

第六章不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術?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

在正轉兩相同步旋轉坐標系dq+下，定子電壓、轉子電壓可表示為：

定子磁鏈、轉子磁鏈可表示為：

定子電流、轉子電流可表示為：不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術?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/轉子電壓、定/轉子磁鏈的關系可以寫為：

定轉子電壓、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?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

定轉子電壓、電流及磁鏈的5次諧波分量表達式為：

定轉子電壓、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?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?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?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?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?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/轉子磁鏈、定/轉子電流，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：

電磁轉矩可寫為：不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術?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?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?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?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?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)。基頻分量負序分量諧振分量直流分量交流分量轉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?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?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)運行技術諧振控制器的基本原理

將復數(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?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?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構示意圖：

對于任意頻率的交流分量，首先將交流分量進行Park變換，轉化為旋轉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?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)運行技術諧振控制器的基本原理

在指定頻率的旋轉坐標系中，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?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?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?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?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，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?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?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)運行技術諧振控制器的基本原理

復系數(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：

復系數(shù)交流電流調(diào)節(jié)器中的比例項與頻率變換無關，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?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?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?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)運行技術諧振控制器的基本原理SOGI和SOVI的可同時為正、反轉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對成對出現(xiàn)的電網(wǎng)諧波電壓時具有更強的適應性。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?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?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)運行技術基于諧振控制器的新能源系統(tǒng)運行技術

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)電機轉矩中存在對應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，轉子側變流器(RSC)的可選控制目標可以設定為：

目標A：正弦平衡的雙饋風力發(fā)電機轉子勵磁電流；

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)電機電磁轉矩。不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術?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)運行技術基于諧振控制器的新能源系統(tǒng)運行技術

對于目標A，控制目標即為消除轉子電流中的負序分量及諧波分量，各頻率轉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?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)運行技術基于諧振控制器的新能源系統(tǒng)運行技術

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?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)運行技術基于諧振控制器的新能源系統(tǒng)運行技術

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)。各頻率轉子電流目標指令計算結果如下：不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術?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)運行技術基于諧振控制器的新能源系統(tǒng)運行技術

對于目標D，控制目標即為消除電磁轉矩中的二倍頻、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?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)運行技術基于諧振控制器的新能源系統(tǒng)運行技術

目標D下，各頻率轉子電流目標指令計算結果如下：不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術?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)運行技術基于諧振控制器的新能源系統(tǒng)運行技術

基于PI+SOGI的雙饋發(fā)電機控制結構框圖：不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術?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)運行技術基于諧振控制器的新能源系統(tǒng)運行技術

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

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?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)運行技術基于諧振控制器的新能源系統(tǒng)運行技術

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?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)運行技術基于諧振控制器的新能源系統(tǒng)運行技術

目標b下，各頻率轉子電流目標指令計算結果如下：不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術?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)運行技術基于諧振控制器的新能源系統(tǒng)運行技術

基于PI+SOGI的并網(wǎng)變流器控制結構框圖：不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術?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)運行技術諧振控制拓展應用（1）直接諧振控制技術準確提取電壓正序、負序、諧波分量在實際運行中較為困難，實際應用中，采用SOGI構造額外諧振閉環(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?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)運行技術諧振控制拓展應用（1）直接諧振控制技術

以不平衡電壓電網(wǎng)下的風電機組運行為例為例，對于機側變流器：

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

目標B：要求即定子電流平衡無負序分量，則SOGI調(diào)節(jié)器的被控對象可設置為：不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術?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)運行技術諧振控制拓展應用（1）直接諧振控制技術

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)器的被控對象可設置為：不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術?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)運行技術諧振控制拓展應用（1）直接諧振控制技術 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，而無需提取相應的波動分量。為了簡化控制結構，可將SOGI調(diào)節(jié)器的指令設置為零，即 .不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術?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)運行技術諧振控制拓展應用（1）直接諧振控制技術

因此，可設計在電網(wǎng)電壓不平衡條件下機側變流器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?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)運行技術諧振控制拓展應用（2）降階諧振控制技術

機側變流器輸出電壓（轉子電壓）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矢量加和的形式，由于二階廣義積分器SOGI對正、反向旋轉的100Hz交流信號均具有同樣的調(diào)節(jié)能力，故在正轉兩相旋轉坐標系中，其輸出信號既包含正轉100Hz分量，同樣也包含反轉100Hz分量，即：不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術?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)運行技術諧振控制拓展應用（2）降階諧振控制技術

將轉子電壓指令進行坐標變換，可得兩相靜止坐標系中轉子電壓指令，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?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)運行技術諧振控制拓展應用（2）降階諧振控制技術

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兩相旋轉坐標系中只含有反轉100Hz交流信號，并可表示為：

變換至靜止坐標系后，轉子電壓指令可表示為：

采用基于降階廣義積分器形式的轉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?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)運行技術諧振控制拓展應用（2）降階諧振控制技術

實際應用中，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。但是，降階諧振技術由于存在復系數(shù)，在實際應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?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)運行技術諧振控制拓展應用（2）降階諧振控制技術假設被控量為 ,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?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)運行技術諧振控制拓展應用（2）降階諧振控制技術

可以得到ROGI的實系數(shù)實現(xiàn)方法如圖，即為機側變流器直接諧振控制技術。不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術?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)運行技術諧振控制拓展應用（3）雙饋風力發(fā)電機協(xié)同控制技術

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。機側變流器通過電機轉矩抑制，實現(xiàn)發(fā)電機自身優(yōu)化，此時發(fā)電機側輸出非正弦電流及功率波動，網(wǎng)側變流器則補償機側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?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)運行技術諧振控制拓展應用（3）雙饋風力發(fā)電機協(xié)同控制技術

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

網(wǎng)側變流器的控制目標為：

目標i：確保雙饋風力發(fā)電機(含有機側和網(wǎng)側變流器)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)器的被控對象可設置為不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術?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)運行技術諧振控制拓展應用（3）雙饋風力發(fā)電機協(xié)同控制技術

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)器的被控對象可設置為：不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術?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)運行技術諧振控制拓展應用（3）雙饋風力發(fā)電機協(xié)同控制技術融合直接諧振技術、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。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?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)運行技術諧振控制拓展應用（3）雙饋風力發(fā)電機協(xié)同控制技術基于ROGI直接諧振的多目標協(xié)同控制技術不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術?浙江大學電氣工程學院6.3基于重復控制的新能源系統(tǒng)運行技術重復控制的基本原理現(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?浙江大學電氣工程學院6.3基于重復控制的新能源系統(tǒng)運行技術重復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?浙江大學電氣工程學院6.3基于重復控制的新能源系統(tǒng)運行技術重復控制的基本原理

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頻率。不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術?浙江大學電氣工程學院6.3基于重復控制的新能源系統(tǒng)運行技術重復控制的基本原理

自然對數(shù)展開，可得：1、重復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?浙江大學電氣工程學院6.3基于重復控制的新能源系統(tǒng)運行技術重復控制的基本原理

為了使得重復控制調(diào)節(jié)器在實際應用環(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?浙江大學電氣工程學院6.3基于重復控制的新能源系統(tǒng)運行技術重復控制的基本原理 2）重復控制調(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

設定為小于或等于1的常數(shù)。

實際應用場合中的重復控制調(diào)節(jié)器表達式通常可以寫為：

其中

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

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

不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術?浙江大學電氣工程學院6.3基于重復控制的新能源系統(tǒng)運行技術重復控制的基本原理 2）重復控制調(diào)節(jié)器增益系數(shù)

的引入還可以解決

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

設計為：

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控制調(diào)節(jié)器的穩(wěn)定性。

不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術?浙江大學電氣工程學院6.3基于重復控制的新能源系統(tǒng)運行技術重復控制的基本原理 2）重復控制調(diào)節(jié)器增益系數(shù)

重復控制調(diào)節(jié)器波特圖

重復控制器在重復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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應用于新能源機組時，重復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)重復控制調(diào)節(jié)器的基礎上引入帶寬參數(shù)，并合理設定參數(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?浙江大學電氣工程學院6.3基于重復控制的新能源系統(tǒng)運行技術重復控制器的改進設計

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?浙江大學電氣工程學院6.3基于重復控制的新能源系統(tǒng)運行技術重復控制器的改進設計

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，僅僅在非控制頻率處有稍許不同的幅值響應，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：

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考慮到重復控制調(diào)節(jié)器輸入誤差信號中的直流分量可以采用高通濾波器濾除，因此保留非正常PI部分并不會對重復控制調(diào)節(jié)器的有效調(diào)節(jié)造成負面影響。因此，保留非正常PI部分的離散域中的引入帶寬參數(shù)的重復控制調(diào)節(jié)器BRC為:不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術?浙江大學電氣工程學院6.3基于重復控制的新能源系統(tǒng)運行技術重復控制器的改進設計

由于傳統(tǒng)重復控制調(diào)節(jié)器的幅值響應將隨著控制頻率的增加而下降，因此為了對高頻處的幅值增益響應進行有效補償，所設計的幅值響應補償環(huán)節(jié)的表達式如下:

分子中包含了s2項，從而體現(xiàn)出所提幅值增益補償模塊中的幅值增益響應與控制頻率的平方值相關，而分母中的

則用于確保在300Hz控制頻率處其幅值響應為0dB，也即是對300Hz處的幅值增益保持不變。不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術?浙江大學電氣工程學院6.3基于重復控制的新能源系統(tǒng)運行技術重復控制器的改進設計

控制對象DFIG本身也將導致幅值增益下降，且是由發(fā)電機傳遞函數(shù)中的分母部分造成。針對由控制對象DFIG傳遞函數(shù)所造成的幅值響應下降而進行有效補償?shù)沫h(huán)節(jié)可設計如下:上式的分母部分600πσLr用于確保上述補償模塊在300Hz的幅值響應為0dB，且由于待考慮的最低次諧波分量為300Hz，其中600πσLr在數(shù)值上遠大于Rr，故略去Rr不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術?浙江大學電氣工程學院6.3基于重復控制的新能源系統(tǒng)運行技術重復控制器的改進設計

為了有效補償由傳統(tǒng)重復控制器本身特性以及控制對象DFIG自身特性所導致的幅值增益下降，幅值補償環(huán)節(jié)可以設計為，

因此，改進設計后的重復控制器即在BRC的基礎上串聯(lián)幅值補償環(huán)節(jié)，表達式如下：不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術?浙江大學電氣工程學院6.3基于重復控制的新能源系統(tǒng)運行技術基于重復控制的新能源系統(tǒng)運行技術

為實現(xiàn)在廣義諧波電網(wǎng)條件下DFIG運行性能的改善，引入了基于改進重復控制器的定子電流閉環(huán)控制，實現(xiàn)定子電流正弦；而轉子電流采用PI調(diào)節(jié)器閉環(huán)調(diào)節(jié)以實現(xiàn)基本的DFIG輸出有功功率及無功功率控制。不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術?浙江大學電氣工程學院思考題1.分析雙饋風電系統(tǒng)接入不平衡、諧波電網(wǎng)下輸出功率中的主要分量組成及各主要分量的產(chǎn)生來源。2.電網(wǎng)中含有不平衡及五、七次諧波分量時，雙饋電機轉速0.8pu，基頻為50Hz,轉子電流的畸變分量頻率在靜止坐標系下和旋轉坐標系下分別為多少。3.分析諧波/不平衡電網(wǎng)下，發(fā)電機畸變電流與功率波動不可同時消除的理論依據(jù)。4.畫出ROGI/ROVI/SOGI/SOVI的伯德圖示意圖，其中幅值增益均為1，控制頻率均為100Hz，控制帶寬定性描述即可。不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術?浙江大學電氣工程學院思考題5.推導降階諧振控制器的實數(shù)化實現(xiàn)方法，畫出降階諧振控制器的控制框圖。6.簡要敘述重復控制器與諧振控制器內(nèi)在聯(lián)系和技術特點，并舉例常用的重復控制器性能改進方法。7.電網(wǎng)含有不平衡和包含低、高頻的廣義諧波分量，為了消除各自的影響，針對并網(wǎng)逆變器應該如何設計控制方式（設計出至少三種控制方式，并分析各自的優(yōu)劣。新能源發(fā)電的故障穿越技術第七章新能源發(fā)電技術新能源發(fā)電技術的故障穿越技術?浙江大學電氣工程學院本章內(nèi)容：新能源發(fā)電并網(wǎng)技術規(guī)范電網(wǎng)電壓故障下新能源發(fā)電設備的暫態(tài)數(shù)學模型網(wǎng)側變流器的低電壓穿越技術雙饋風機的低電壓穿越技術換相失敗引發(fā)的送端電網(wǎng)電壓故障

第七章新能源發(fā)電技術的故障穿越技術?浙江大學電氣工程學院7.1能源發(fā)電并網(wǎng)技術規(guī)范頻率故障穿越要求新能源發(fā)電技術新能源發(fā)電技術的故障穿越技術電力系統(tǒng)的頻率變化是受到電網(wǎng)的有功功率平衡決定的，當發(fā)電量大于負荷時電網(wǎng)頻率會升高，當發(fā)電量小于負荷時電網(wǎng)頻率會下降。因此根據(jù)電網(wǎng)頻率實時調(diào)整新能源機組有功輸出。48.5-50.5Hz要求風電機組維持正常工作狀態(tài)48-48.5Hz、47.5-48Hz、47-47.5Hz或46.5-47Hz分別要求風電機組維持30分鐘、60秒、20秒或5秒的持續(xù)運行低于46.5Hz具體運行要求需根據(jù)其允許運行最低頻率而定處于50.5-51Hz或51-51.5Hz分別要求風電機組維持3分鐘或30秒的持續(xù)運行高于51.5Hz具體運行要求需根據(jù)其允許運行最高頻率而定《GB/T19963-2021風電場接入電力系統(tǒng)技術規(guī)定》?浙江大學電氣工程學院7.1能源發(fā)電并網(wǎng)技術規(guī)范電壓故障穿越要求新能源發(fā)電技術新能源發(fā)電技術的故障穿越技術國家電網(wǎng)電壓驟降電網(wǎng)電壓驟升剩余電壓(p.u.)并網(wǎng)運行時間(s)剩余電壓(p.u.)并網(wǎng)運行時間(s)丹麥0.20.51.30.1澳大利亞00.11.30.06德國00.151.20.1西班牙00.151.30.25加拿大00.15——愛爾蘭0.150.625——新西蘭00.2——英國0.150.14——美國0.150.6251.21中國0.20.6251.30.5電力系統(tǒng)的電壓變化是受到電網(wǎng)的無功功率平衡決定的。無功過多時電網(wǎng)電壓會升高，無功不足時電網(wǎng)電壓會降低。各國并網(wǎng)導則和標準均要求風電機組能夠在一定的電壓波動范圍內(nèi)正常運行。?浙江大學電氣工程學院7.1能源發(fā)電并網(wǎng)技術規(guī)范新能源發(fā)電技術新能源發(fā)電技術的故障穿越技術以高電壓穿越為例：自并網(wǎng)點電壓升高出現(xiàn)的時刻起，風電場動態(tài)無功電流上升時間不大于40ms；自并網(wǎng)點電壓恢復至標稱電壓110%以下的時刻起，風電場應在40ms內(nèi)退出主動提供的動態(tài)無功電流增量。電壓故障穿越要求新能源發(fā)電設備發(fā)出的有功功率與網(wǎng)側變流器輸出的有功功率相等（Ps=Pg）時網(wǎng)側變流器的直流母線電壓可以保持恒定。當Ps>Pg時，網(wǎng)側變流器直流母線電壓會升高.?浙江大學電氣工程學院7.2電壓故障下新能源設備暫態(tài)數(shù)學模型網(wǎng)側變流器暫態(tài)數(shù)學模型新能源發(fā)電技術新能源發(fā)電技術的故障穿越技術新能源發(fā)電設備可以是儲能電池、光伏發(fā)電板、風力發(fā)電機接機側變流器等多種形式。流經(jīng)直流母線電容的電流電容電流方程能量關系?浙江大學電氣工程學院7.2電壓故障下新能源設備暫態(tài)數(shù)學模型雙饋風機暫態(tài)數(shù)學模型新能源發(fā)電技術新能源發(fā)電技術的故障穿越技術假設t=tf時刻，電網(wǎng)發(fā)生三相對稱電壓故障，忽略機端電壓相位跳變，短路前、后同步旋轉坐標系下的機端電壓矢量us為故障前后的定子磁鏈ψs為Us0、φ：機端電壓穩(wěn)態(tài)運行幅值和初始相角K：電網(wǎng)電壓發(fā)生故障后機端電壓幅值變化比例Us0：穩(wěn)態(tài)運行時的機端電壓矢量Ω1：同步角速度τ1=jω1+Rs/Ls：定子暫態(tài)磁鏈的衰減時間常數(shù)?浙江大學電氣工程學院7.2電壓故障下新能源設備暫態(tài)數(shù)學模型雙饋風機暫態(tài)數(shù)學模型新能源發(fā)電技術新能源發(fā)電技術的故障穿越技術在故障發(fā)生后，定子磁鏈包含一個由

主導的周期交流成分和一個由

主導的衰減直流成分。為了補償機端電壓瞬間變化造成的定子磁鏈變化，定子繞組中感應出暫態(tài)直流磁鏈分量暫態(tài)分量的最大值和機端電壓變化量的大小和故障時刻有關定子磁鏈動態(tài)表現(xiàn)為弱阻尼模式，衰減持續(xù)時間通常較長隨著暫態(tài)磁鏈衰減為零，定子磁鏈將穩(wěn)定于新的穩(wěn)態(tài)值電網(wǎng)電壓跌落50%

電網(wǎng)電壓驟升30%

?浙江大學電氣工程學院7.2電壓故障下新能源設備暫態(tài)數(shù)學模型雙饋風機暫態(tài)數(shù)學模型新能源發(fā)電技術新能源發(fā)電技術的故障穿越技術轉子磁鏈ψr和轉子電壓ur為轉子側的電壓平衡方程為反電動勢e表示定子磁鏈動態(tài)對轉子電流的影響ur為轉子側變流器交流輸出的等效電壓矢量，反映轉子側變流器控制性能對轉子電流的影響轉子電流的變化由定子磁鏈以及轉子側變流器共同決定?浙江大學電氣工程學院7.2電壓故障下新能源設備暫態(tài)數(shù)學模型雙饋風機暫態(tài)數(shù)學模型新能源發(fā)電技術新能源發(fā)電技術的故障穿越技術將反電勢變化為機端電壓的函數(shù)穩(wěn)態(tài)運行時，DFIG的反電勢保持恒定電網(wǎng)電壓故障后，在定子磁鏈暫態(tài)直流分量的作用下，反電勢中感生出暫態(tài)直流分量定子磁鏈暫態(tài)直流分量的大小和機端電壓變化量和故障時刻有關，而反電勢除了上述因素外還與DFIG的滑差率有關S：感應發(fā)電機滑差率，s=(ω1-ωr)/ω1Ωr：轉子電角速度Ep：反電動的周期分量，ep=sLmkus0/LsEd：反電勢的暫態(tài)直流分量初始量，ed=(s-1)(1-k)Lmus0/Ls?浙江大學電氣工程學院7.2電壓故障下新能源設備暫態(tài)數(shù)學模型雙饋風機暫態(tài)數(shù)學模型新能源發(fā)電技術新能源發(fā)電技術的故障穿越技術將反電勢變化為機端電壓的函數(shù)S：感應發(fā)電機滑差率，s=(ω1-ωr)/ω1Ωr：轉子電角速度Ep：反電動的周期分量，ep=sLmkus0/LsEd：反電勢的暫態(tài)直流分量初始量，ed=(s-1)(1-k)Lmus0/Ls反電勢的周期分量與滑差率成正比，考慮到DFIG的滑差率通常來說不會超過0.3，周期反電勢一般較小。暫態(tài)直流反電勢的幅值與(s-1)成正比，其值可能遠大于周期反電勢。?浙江大學電氣工程學院7.2電壓故障下新能源設備暫態(tài)數(shù)學模型雙饋風機暫態(tài)數(shù)學模型新能源發(fā)電技術新能源發(fā)電技術的故障穿越技術假設變流器容量足夠大，DFIG轉子側的保護未動作。轉子電壓的大小由轉子側變流器的控制決定，DFIG轉子側變流器控制采用定子磁鏈定向矢量控制技術。轉子側變流器的電流內(nèi)環(huán)控制回路，其控制方程為?浙江大學電氣工程學院7.2電壓故障下新能源設備暫態(tài)數(shù)學模型雙饋風機暫態(tài)數(shù)學模型新能源發(fā)電技術新能源發(fā)電技術的故障穿越技術假設電流控制回路閉環(huán)帶寬足夠大，變流器交流側電壓能無差地跟蹤參考值，忽略開關暫態(tài)特性，電網(wǎng)電壓故障下的轉子電壓ur為由于采用定子磁鏈定向控制，轉子電流參考值為考慮定子磁鏈與變流器控制系統(tǒng)對轉子電流的影響，電網(wǎng)電壓故障后的轉子電流動態(tài)方程為式中，μ=(Rr+krip)/σLr；λ=krii/σLr?浙江大學電氣工程學院7.2電壓故障下新能源設備暫態(tài)數(shù)學模型雙饋風機暫態(tài)數(shù)學模型新能源發(fā)電技術新能源發(fā)電技術的故障穿越技術電網(wǎng)電壓故障下DFIG的轉子回路為2階動態(tài)電路，求解微分方程可得電網(wǎng)電壓故障下DFIG的轉子電流為其中的irn為轉子電流的自然分量，與轉子正常運行的電流ir0有關，具體為式中，Ps0為DFIG穩(wěn)態(tài)運行的功率

irf1為轉子電流對轉子電流指令的響應，irf2為轉子電流對暫態(tài)直流反電勢的響應，具體為?浙江大學電氣工程學院7.2電壓故障下新能源設備暫態(tài)數(shù)學模型雙饋風機暫態(tài)數(shù)學模型新能源發(fā)電技術新能源發(fā)電技術的故障穿越技術電網(wǎng)發(fā)生對稱電壓故障時轉子三相電流在三相靜止坐標系中表示為在轉子側變流器可控條件下，DFIG的轉子電流包含周期分量和暫態(tài)直流分量電網(wǎng)對稱短路時的轉子電流相當于在轉子電流基頻參考值上疊加了2個暫態(tài)分量?浙江大學電氣工程學院7.2電壓故障下新能源設備暫態(tài)數(shù)學模型雙饋風機暫態(tài)數(shù)學模型新能源發(fā)電技術新能源發(fā)電技術的故障穿越技術電網(wǎng)對稱短路時的轉子電流相當于在轉子電流基頻參考值上疊加了2個暫態(tài)分量，自然分量和暫態(tài)直流分量。自然分量暫態(tài)直流分量變流器參數(shù)目標轉子電流暫態(tài)直流反電勢目標轉子電流機端電壓變化量風機轉速轉子側變流器控制參數(shù)電網(wǎng)電壓跌落50%電網(wǎng)電壓驟升30%?浙江大學電氣工程學院7.3網(wǎng)側變流器的低電壓穿越技術Chopper電路新能源發(fā)電技術新能源發(fā)電技術的故障穿越技術為了實現(xiàn)對電網(wǎng)電壓跌落故障下的網(wǎng)側變流器中的直流側過電壓實現(xiàn)有效抑制，直流斬波器（Chopper）是一種廣泛采用的低電壓穿越技術。直流母線電容的功率平衡方程為若Chopper動作后，直流電壓不超過直流側電壓最大允許值，則卸荷電阻RL的值應滿足Udcmax：直流側允許最大電壓值?浙江大學電氣工程學院7.3網(wǎng)側變流器的低電壓穿越技術新能源發(fā)電技術新能源發(fā)電技術的故障穿越技術依據(jù)經(jīng)驗綜合考慮各種因素，卸荷電阻的理論范圍為Chopper電路除了通過開關管直接連接卸荷電阻的形式，還有一些改進的拓撲結構：直流降壓式變換電路（Buck電路）在風機中加裝機側變頻器Chopper電路?浙江大學電氣工程學院7.3網(wǎng)側變流器的低電壓穿越技術直流儲能單元新能源發(fā)電技術新能源發(fā)電技術的故障穿越技術直流儲能單元采用儲能系統(tǒng)將多余的能量儲存起來，在實現(xiàn)并網(wǎng)變流器的低電壓穿越的同時避免了能量的浪費。超級電容儲能系統(tǒng)（supercapacitorenergystoragesystem，SC_ESS）由超級電容器組和雙向Buck/Boost變換器構成，Lsc為雙向Buck/Boost變換器濾波電感。超級電容儲能的直流儲能單元拓撲直流儲能單元飛輪儲能超級電容儲能電池儲能超導儲能?浙江大學電氣工程學院7.3網(wǎng)側變流器的低電壓穿越技術直流儲能單元新能源發(fā)電技術新能源發(fā)電技術的故障穿越技術SC_ESS在低電壓故障下的控制分為三個階段。故障開始后又切除直至Ps=Pg的時刻，直流母線給超級電容充電，在Ps=Pg時刻超級電容端電壓達到最大值。Ps<Pg，直至超級電容端電壓下降到設定切除值，網(wǎng)側輸出有功功率的能力大于新能源發(fā)電設備注入的功率，超級電容按設定功率或者恒定電流進行放電，將LVRT過程中存儲的能量注入電網(wǎng)，保證超級電容在每次LVRT后的一定時間內(nèi)恢復到初始狀態(tài)。SC_ESS停止工作。隨著SC_ESS完成能量輸出，各個變流器環(huán)節(jié)恢復正常工作。?浙江大學電氣工程學院7.3網(wǎng)側變流器的低電壓穿越技術動態(tài)電壓恢復器新能源發(fā)電技術新能源發(fā)電技術的故障穿越技術動態(tài)電壓恢復器(dynamicvoltagerestorer，DVR)是一種具有很好動態(tài)性能的串聯(lián)型電能質(zhì)量控制器。當電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落時，動態(tài)電壓恢復器能夠在幾個毫秒內(nèi)向電網(wǎng)注入一個幅值、相位可控的串聯(lián)補償電壓，從而確保負荷側電壓與故障前的電壓一致。?浙江大學電氣工程學院7.3網(wǎng)側變流器的低電壓穿越技術動態(tài)電壓恢復器新能源發(fā)電技術新能源發(fā)電技術的故障穿越技術DVR電壓控制的主要目的是維持負荷電壓的穩(wěn)定。通常采用電壓反饋控制，將負荷側電壓或者DVR輸出電壓作為反饋信號，保證響應速度的同時使所控制的機端電壓準確跟蹤參考指令。電壓反饋采用傳統(tǒng)的PI控制器，控制器的傳遞函數(shù)為動態(tài)電壓恢復器的電壓反饋控制框圖為?浙江大學電氣工程學院7.4雙饋風機的低電壓穿越技術Crowbar電路新能源發(fā)電技術新能源發(fā)電技術的故障穿越技術抑制雙饋風機轉子過電流的最常用方法是采用撬棒（Crowbar）保護電路，通過在雙饋風機轉子側加裝Crowbar電路來短接雙饋風機的轉子繞組、旁路轉子側變流器，為轉子暫態(tài)電流提供回路。其中二極管橋型Crowbar由于其控制簡單、成本低等特點，而成為主流的Crowbar電路拓撲。所用開關器件類型反并聯(lián)晶閘管帶旁路電阻型被動式主動式二極管橋型全控橋型?浙江大學電氣工程學院7.4雙饋風機的低電壓穿越技術勵磁強化措施新能源發(fā)電技術新能源發(fā)電技術的故障穿越技術勵磁強化措施的基本思路是在雙饋風機的低電壓穿越過程中重新設計轉子電流指令，使之具有抵消雙饋電機定子磁鏈暫態(tài)分量與負序分量的能力。這種“主動消磁”的控制策略可以衰減暫態(tài)磁鏈、抵消負序磁鏈，從而降低電網(wǎng)電壓驟變瞬間雙饋電機產(chǎn)生的過電流效應?；静桓淖儌鹘y(tǒng)矢量控制結構，僅在前向通道添加電壓或電流補償項。加入前饋補償“滅磁”控制虛擬阻尼技術采用比例反饋校正的方式增加轉子側的等效電阻，從而抑制低電壓穿越過程中雙饋風機磁鏈和電流的振蕩。重新設計故障條件下轉子電流參考值，使之產(chǎn)生出與定子磁鏈暫態(tài)直流分量反相位的轉子電流空間矢量及其相應漏磁場分量，以加速定子磁鏈暫態(tài)直流分量的衰減。?浙江大學電氣工程學院7.4雙饋風機的低電壓穿越技術勵磁強化措施新能源發(fā)電技術新能源發(fā)電技術的故障穿越技術與傳統(tǒng)的控制方案相比，加入前饋補償?shù)乃悸敷w現(xiàn)在原來控制器基礎上再加上計及定子勵磁電流變化的補償量，以此對解耦電路作了必要的修正。優(yōu)點：不改變傳統(tǒng)矢量控制結構，易于移植和工程化不足：控制效果依賴變流器容量，只能應對輕度的對稱電壓跌落故障加入前饋補償?浙江大學電氣工程學院7.4雙饋風機的低電壓穿越技術勵磁強化措施新能源發(fā)電技術新能源發(fā)電技術的故障穿越技術考慮雙饋風機中的互感遠大于定轉子的漏感值，電網(wǎng)電壓故障下的轉子電流可以近似表示為為了降低DFIG中的轉子電流，可以將轉子磁鏈控制為定子磁鏈的減小部分。這樣，故障轉子電流可以得到有效抑制?；谏鲜龇治觯岢隽艘环N基于磁鏈跟蹤的LVRT控制策略?！皽绱拧笨刂苾?yōu)點：可以加速磁鏈衰減，顯著降低電磁轉矩波動不足：要求利用轉子側變流器的電壓容量產(chǎn)生出抵消定子磁鏈暫態(tài)分量的轉子電流，控制效果同樣受到轉子側變流器的容量限制?浙江大學電氣工程學院7.4雙饋風機的低電壓穿越技術勵磁強化措施新能源發(fā)電技術新能源發(fā)電技術的故障穿越技術P為比例控制環(huán)節(jié)，轉子側電壓的參考值的計算傳遞函數(shù)為“滅磁”控制urdc和urqc分別為轉子電壓的增益分量，具體為?浙江大學電氣工程學院7.4雙饋風機的低電壓穿越技術勵磁強化措施新能源發(fā)電技術新能源發(fā)電技術的故障穿越技術為加快電流調(diào)節(jié)器的動態(tài)響應實現(xiàn)對故障瞬間電流的有效控制，基于反饋校正理論將虛擬阻尼技術引入雙饋風機的轉子側變流器控制中。虛擬阻尼技術C(s)：電流調(diào)節(jié)器傳遞函G(s)：轉子側變流器電流閉環(huán)被控對象的傳遞函數(shù)H(s)：轉子電流反饋環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)。電流調(diào)節(jié)器采用PI控制，其傳遞函數(shù)為轉子側變流器電流閉環(huán)被控對象的傳遞函數(shù)G(s)為優(yōu)點：有效降低對轉子電動勢對系統(tǒng)的低頻擾動不足：同樣受到雙饋變流器容量的限制，在發(fā)生更為嚴重的電網(wǎng)故障時無法有效實現(xiàn)穿越運行，需采用額外的硬件保護措施。?浙江大學電氣工程學院7.4雙饋風機的低電壓穿越技術勵磁強化措施新能源發(fā)電技術新能源發(fā)電技術的故障穿越技術虛擬阻尼技術轉子電流反饋環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)H(s)為此時，電流閉環(huán)被控對象傳遞函數(shù)可表示為采用比例反饋校正后，等效電阻Ra的串入相當于增加了DFIG轉子側等效電阻，等效電阻Ra并不實際存在于轉子回路中，因此稱為虛擬阻尼。特高壓直流輸電技術是指±800kV及以上電壓等級的直流輸電及相關技術。特高壓直流輸電的主要特點是輸送容量大、輸電距離遠，電壓高，可用于電力系統(tǒng)非同步聯(lián)網(wǎng)。?浙江大學電氣工程學院7.5換相失敗引發(fā)的送端電網(wǎng)電壓故障新能源發(fā)電技術新能源發(fā)電技術的故障穿越技術隨著能源危機和環(huán)境問題日趨嚴峻，以風力發(fā)電和光伏發(fā)電為代表的新能源發(fā)電技術得到了快速發(fā)展。我國的風光能資源分布極為不均勻，資源與負荷中心的逆向分布導致新能源發(fā)電無法就地消納。特高壓直流（UltraHighVoltageDirectCurrent，UHVDC）輸電技術是實現(xiàn)新能源發(fā)電遠距離傳輸?shù)挠行Х绞健?浙江大學電氣工程學院7.5換相失敗引發(fā)的送端電網(wǎng)電壓故障換相失敗引發(fā)的送端電網(wǎng)電壓波動機理新能源發(fā)電技術新能源發(fā)電技術的故障穿越技術換相失?。寒攦砷y臂之間換相結束后，若預計關斷的閥在反向電壓作用的一段時間內(nèi)未能恢復正向電壓阻斷能力，或在反向電壓作用期間換相過程一直未能進行完畢，則在閥電壓由負變正時預計導通的閥將向預計關斷的閥倒換相。在直流系統(tǒng)中通常用關斷角γ來描述換向失敗的裕度，當γ小于晶閘管恢復正向電壓阻斷能力所需的最小關斷角γmin時會發(fā)生換相失敗。?浙江大學電氣工程學院7.5換相失敗引發(fā)的送端電網(wǎng)電壓故障新能源發(fā)電技術新能源發(fā)電技術的故障穿越技術以閥3對閥1換相失敗為例，來說明單次換相失敗過程：若閥3觸發(fā)時換相角較大，閥1在閥電壓過零點后有剩余載流子，則當閥電壓由負轉正后，閥1不加觸發(fā)脈沖亦可重新導通，發(fā)生閥3向閥1的倒換相，閥3關斷。若換相角足夠大，甚至可能在閥1向閥3換相過程尚未完成時，發(fā)生閥3向閥1倒換相。倒換相結束后，閥1和閥2繼續(xù)導通，若無故障控制，仍按原定次序觸發(fā)各閥，在閥4導通后，閥4和閥1在直流側短路，導致直流電壓和功率驟降。換相失敗引發(fā)的送端電網(wǎng)電壓波動機理當在受端換流站近區(qū)發(fā)生電網(wǎng)電壓故障時逆變橋的最小關斷角會快速增大，導致LCC-HVDC系統(tǒng)發(fā)生換相失敗故障。?浙江大學電氣工程學院7.5換相失敗引發(fā)的送端電網(wǎng)電壓故障新能源發(fā)電技術新能源發(fā)電技術的故障穿越技術以下為典型±800kVLCC-HVDC系統(tǒng)的拓撲圖，送/受端換流站采用雙十二脈動換流橋結構。換相失敗引發(fā)的送端電網(wǎng)電壓波動機理?浙江大學電氣工程學院7.5換相失敗引發(fā)的送端電網(wǎng)電壓故障新能源發(fā)電技術新能源發(fā)電技術的故障穿越技術故障期間直流電壓和直流電流快速波動送端換流站從送端電網(wǎng)中吸收的無功功率先快速增加后快速減小送端電網(wǎng)中無功補償設備無法快速投切，導致送端換流站吸收無功功率快速增加時送端電網(wǎng)會出現(xiàn)低電壓故障在送端換流站吸收無功功率快速減少時送端電網(wǎng)則會出現(xiàn)過電壓故障換相失敗引發(fā)的送端電網(wǎng)電壓波動機理?浙江大學電氣工程學院7.5換相失敗引發(fā)的送端電網(wǎng)電壓故障換相失敗下送端電網(wǎng)的新能源發(fā)電設備數(shù)學模型新能源發(fā)電技術新能源發(fā)電技術的故障穿越技術網(wǎng)側濾波器是一個線性電路，其輸出電流可以通過電源疊加定理進行分析。將電網(wǎng)故障下網(wǎng)側變流器的暫態(tài)響應計算分為三個狀態(tài)分量：故障發(fā)生前的穩(wěn)態(tài)（狀態(tài)0）電網(wǎng)電壓變化的狀態(tài)（狀態(tài)1）GSC輸出電壓變化的狀態(tài)（狀態(tài)2）網(wǎng)側變流器數(shù)學模型?浙江大學電氣工程學院7.5換相失敗引發(fā)的送端電網(wǎng)電壓故障新能源發(fā)電技術新能源發(fā)電技術的故障穿越技術在發(fā)生故障前，在dq旋轉坐標系下網(wǎng)側變流器的電壓電流為網(wǎng)側變流器數(shù)學模型—狀態(tài)0Ugd、Ugq、Igd、Igq：在dq軸上的電網(wǎng)電壓分量與輸出到電網(wǎng)的電流分量Uvscd、Uvscq、Ivscd、Ivscq：在dq軸上的網(wǎng)側變流器的電壓分量與輸出的電流分量IRCd和IRCq：在dq軸上輸出到RC濾波支路的電流分量Ugb