新能源發(fā)電技術(shù)課件：不平衡諧波電網(wǎng)下的新能源發(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)不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)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(yùn)行技術(shù)基于重復(fù)控制的新能源系統(tǒng)運(yùn)行技術(shù)

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)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(jī)數(shù)學(xué)模型

在正轉(zhuǎn)兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)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)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(jī)數(shù)學(xué)模型

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

定轉(zhuǎn)子電壓、電流及磁鏈的負(fù)序分量表達(dá)式為：不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)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(jī)數(shù)學(xué)模型

定轉(zhuǎn)子電壓、電流及磁鏈的5次諧波分量表達(dá)式為：

定轉(zhuǎn)子電壓、電流及磁鏈的7次諧波分量表達(dá)式為：不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)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(jī)數(shù)學(xué)模型

忽略定子電阻時(shí)，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件下定子電壓方程可以化簡(jiǎn)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(jì)算DFIG定子輸出有功、無(wú)功功率：不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)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(jī)數(shù)學(xué)模型 DFIG定子輸出有功、無(wú)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(dòng)分量、六倍頻正、余弦波動(dòng)分量；

，

，

，

和

分別為定子輸出無(wú)功功率的直流(平均)分量、二倍頻正、余弦波動(dòng)分量、六倍頻正、余弦波動(dòng)分量。不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)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(jī)數(shù)學(xué)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)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(jī)數(shù)學(xué)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)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(jī)數(shù)學(xué)模型

根據(jù)發(fā)電機(jī)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(dá)式：

電磁轉(zhuǎn)矩可寫(xiě)為：不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)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(jī)數(shù)學(xué)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(fù)序電壓與負(fù)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(fù)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(fù)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)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(xué)模型

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

若處于電網(wǎng)電壓不平衡且存在諧波畸變的非理想運(yùn)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)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(xué)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(xiě)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)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(xué)模型

并網(wǎng)變流器輸出功率的有功分量和無(wú)功分量可分別表示為：

與雙饋發(fā)電機(jī)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(gè)分量的產(chǎn)生機(jī)理與前文中的雙饋發(fā)電機(jī)一致。不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運(yùn)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(shí)現(xiàn)無(wú)靜差控制交流分量需通過(guò)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(hào)提供無(wú)窮大幅值增益的理想積分器，實(shí)現(xiàn)對(duì)交流信號(hào)的無(wú)穩(wěn)態(tài)靜差跟蹤以及快速調(diào)節(jié)。基頻分量負(fù)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(biāo)系不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運(yùn)行技術(shù)諧振控制器的基本原理

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

采用實(shí)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)6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運(yùn)行技術(shù)諧振控制器的基本原理

將復(fù)數(shù)極點(diǎn)調(diào)整為實(shí)數(shù)極點(diǎn)，可將實(shí)系數(shù)積分控制器擴(kuò)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(dāng)調(diào)節(jié)器系數(shù)kp、ki1、ki2=kp選取一致時(shí)，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)6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運(yùn)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(duì)直流量實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差跟蹤。對(duì)比相頻特性可見(jiàn)，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(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，縮短動(dòng)態(tài)調(diào)整時(shí)間。不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運(yùn)行技術(shù)諧振控制器的基本原理

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

對(duì)于任意頻率的交流分量，首先將交流分量進(jìn)行Park變換，轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流分量，采用P+RCI進(jìn)行控制后，進(jìn)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)6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運(yùn)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(biāo)系中，電流d、q軸控制誤差信號(hào)為：

在兩相靜止坐標(biāo)系中，實(shí)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(jiǎn)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)6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運(yùn)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(gè)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(hào)正余弦分量可表示為：

經(jīng)過(guò)拉普拉斯變換后可得（E(s)為e(s)的頻域表達(dá)式）：不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運(yùn)行技術(shù)諧振控制器的基本原理

進(jìn)一步的，對(duì)電流d、q軸控制誤差信號(hào)表達(dá)式和進(jìn)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)6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運(yùn)行技術(shù)諧振控制器的基本原理

根據(jù)上頁(yè)可以對(duì)實(shí)系數(shù)電流調(diào)節(jié)器輸出電壓vα、vβ表達(dá)式進(jìn)行拉普拉斯變換：

改寫(xiě)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)6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運(yùn)行技術(shù)諧振控制器的基本原理

因此在兩相靜止坐標(biāo)系中，實(shí)系數(shù)電流調(diào)節(jié)器可表示為：實(shí)系數(shù)電流調(diào)節(jié)器的比例項(xiàng)與頻率變換無(wú)關(guān)，其中積分項(xiàng)根據(jù)作用頻率進(jìn)行頻率偏移，對(duì)交流信號(hào)具有調(diào)節(jié)能力，即為交流積分控制器的基本表達(dá)形式，可以將積分項(xiàng)稱之為一階廣義積分器(first-ordergeneralizedintegrator,FOGI)，并寫(xiě)為：不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運(yùn)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(dāng)諧振頻率設(shè)置為50Hz時(shí)，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(shí)現(xiàn)交流分量的無(wú)靜差控制，其中諧振頻率的正負(fù)性用于表征被控分量的正負(fù)序性。不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運(yùn)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(guò)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(xiàng)與頻率變換無(wú)關(guān)，而積分項(xiàng)則需要進(jìn)行頻率變換，同時(shí)交叉積分項(xiàng)會(huì)引入額外的一階表達(dá)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)6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運(yùn)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(huì)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(dòng)態(tài)特性。上述兩種對(duì)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)6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運(yùn)行技術(shù)諧振控制器的基本原理當(dāng)同時(shí)使用兩個(gè)諧振頻率相同、極性相反的諧振控制器時(shí)，組合控制器可表示為：

當(dāng)兩個(gè)諧振頻率相同但交流分量極性相反時(shí)，組合控制器的表達(dá)式會(huì)變成統(tǒng)一的二階形式，這種二階諧振控制器的典型表達(dá)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)6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運(yùn)行技術(shù)諧振控制器的基本原理SOGI和SOVI的可同時(shí)為正、反轉(zhuǎn)300Hz交流信號(hào)提供調(diào)節(jié)能力，而對(duì)其他頻率信號(hào)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(duì)成對(duì)出現(xiàn)的電網(wǎng)諧波電壓時(shí)具有更強(qiáng)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)6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運(yùn)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(shí)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)6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運(yùn)行技術(shù)基于諧振控制器的新能源系統(tǒng)運(yùn)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(jī)轉(zhuǎn)矩中存在對(duì)應(yīng)頻率的諧波和脈動(dòng)分量，因此，新能源發(fā)電系統(tǒng)可以有選擇性地針對(duì)其中一項(xiàng)進(jìn)行優(yōu)化控制。

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

目標(biāo)A：正弦平衡的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流；

目標(biāo)B：正弦平衡的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子輸出電流；

目標(biāo)C：平穩(wěn)無(wú)振蕩的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率；

目標(biāo)D：恒定無(wú)脈動(dòng)的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)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)6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運(yùn)行技術(shù)基于諧振控制器的新能源系統(tǒng)運(yùn)行技術(shù)

對(duì)于目標(biāo)A，控制目標(biāo)即為消除轉(zhuǎn)子電流中的負(fù)序分量及諧波分量，各頻率轉(zhuǎn)子電流目標(biāo)指令可以寫(xiě)為：不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運(yùn)行技術(shù)基于諧振控制器的新能源系統(tǒng)運(yùn)行技術(shù)

對(duì)于目標(biāo)B，控制目標(biāo)即為消除定子電流中的負(fù)序分量及諧波分量，各頻率轉(zhuǎn)子電流目標(biāo)指令可以寫(xiě)為：不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運(yùn)行技術(shù)基于諧振控制器的新能源系統(tǒng)運(yùn)行技術(shù)

對(duì)于目標(biāo)C，控制目標(biāo)即為消除有功功率及無(wú)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(wú)功功率正余弦分量四個(gè)分量，通常會(huì)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(biāo)指令計(jì)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)6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運(yùn)行技術(shù)基于諧振控制器的新能源系統(tǒng)運(yùn)行技術(shù)

對(duì)于目標(biāo)D，控制目標(biāo)即為消除電磁轉(zhuǎn)矩中的二倍頻、六倍頻分量，由于可以獨(dú)立調(diào)節(jié)的電流分量有兩項(xiàng)，所以二倍頻的正余弦分量都可以被有效調(diào)節(jié)；對(duì)于轉(zhuǎn)矩六倍頻分量，由于可以獨(dú)立調(diào)節(jié)的電流分量有四項(xiàng)，因此冗余的兩個(gè)電流量可以進(jìn)一步的進(jìn)行無(wú)功功率六倍頻的抑制，形成電磁轉(zhuǎn)矩-無(wú)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)6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運(yùn)行技術(shù)基于諧振控制器的新能源系統(tǒng)運(yùn)行技術(shù)

目標(biāo)D下，各頻率轉(zhuǎn)子電流目標(biāo)指令計(jì)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)6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運(yùn)行技術(shù)基于諧振控制器的新能源系統(tǒng)運(yùn)行技術(shù)

基于PI+SOGI的雙饋發(fā)電機(jī)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)6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運(yùn)行技術(shù)基于諧振控制器的新能源系統(tǒng)運(yùn)行技術(shù)

對(duì)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(shí)設(shè)定不同的控制目標(biāo)。

對(duì)于目標(biāo)a，控制目標(biāo)即為消除輸出電流中的負(fù)序分量及諧波分量，各頻率轉(zhuǎn)子電流目標(biāo)指令可以寫(xiě)為：不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運(yùn)行技術(shù)基于諧振控制器的新能源系統(tǒng)運(yùn)行技術(shù)

對(duì)于目標(biāo)b，控制目標(biāo)即為消除并網(wǎng)變流器有功功率及無(wú)功功率中的二倍頻、六倍頻分量，同樣地對(duì)于不平衡電壓導(dǎo)致的功率二倍頻分量只能選擇有功功率或無(wú)功功率中之一進(jìn)行波動(dòng)抑制，原理同前文。而功率六倍頻分量中的波動(dòng)分量，則可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)有功功率和無(wú)功功率的波動(dòng)平抑。不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運(yùn)行技術(shù)基于諧振控制器的新能源系統(tǒng)運(yùn)行技術(shù)

目標(biāo)b下，各頻率轉(zhuǎn)子電流目標(biāo)指令計(jì)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)6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運(yùn)行技術(shù)基于諧振控制器的新能源系統(tǒng)運(yùn)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)6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運(yùn)行技術(shù)諧振控制拓展應(yīng)用（1）直接諧振控制技術(shù)準(zhǔn)確提取電壓正序、負(fù)序、諧波分量在實(shí)際運(yùn)行中較為困難，實(shí)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(jī)參數(shù)，對(duì)電機(jī)參數(shù)具有普適性，無(wú)需提取電網(wǎng)電壓的正、負(fù)序分量，可提高實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。實(shí)際使用中，直接將被控制目標(biāo)作為交流控制器如SOGI的輸入，而不采用電流指令計(jì)算的方式。不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運(yùn)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(fēng)電機(jī)組運(yùn)行為例為例，對(duì)于機(jī)側(cè)變流器：

目標(biāo)A：要求即轉(zhuǎn)子電流正弦無(wú)負(fù)序分量，則SOGI調(diào)節(jié)器的被控對(duì)象可設(shè)置為：

目標(biāo)B：要求即定子電流平衡無(wú)負(fù)序分量，則SOGI調(diào)節(jié)器的被控對(duì)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)6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運(yùn)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(biāo)C：要求和

即雙饋電機(jī)定子有功、無(wú)功功率平穩(wěn)無(wú)脈動(dòng)，則SOGI調(diào)節(jié)器的被控對(duì)象可設(shè)置為：

目標(biāo)D：要求和

即雙饋電機(jī)定子有功、無(wú)功功率平穩(wěn)無(wú)脈動(dòng)，則SOGI調(diào)節(jié)器的被控對(duì)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)6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運(yùn)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(duì)其他頻率信號(hào)無(wú)明顯調(diào)節(jié)作用，可以將同時(shí)含有直流量和二倍電網(wǎng)頻率交流量的復(fù)合信號(hào)直接作為SOGI調(diào)節(jié)器的被控對(duì)象，而無(wú)需提取相應(yīng)的波動(dòng)分量。為了簡(jiǎn)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)6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運(yùn)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(jì)在電網(wǎng)電壓不平衡條件下機(jī)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)6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運(yùn)行技術(shù)諧振控制拓展應(yīng)用（2）降階諧振控制技術(shù)

機(jī)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(xiàng)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(hào)可分解為兩個(gè)反向旋轉(zhuǎn)矢量加和的形式，由于二階廣義積分器SOGI對(duì)正、反向旋轉(zhuǎn)的100Hz交流信號(hào)均具有同樣的調(diào)節(jié)能力，故在正轉(zhuǎn)兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，其輸出信號(hào)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)6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運(yùn)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(jìn)行坐標(biāo)變換，可得兩相靜止坐標(biāo)系中轉(zhuǎn)子電壓指令，并可寫(xiě)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(biāo)系中會(huì)產(chǎn)生正序三次諧波分量和負(fù)序基頻分量。由于正序三次諧波分量的存在，將會(huì)導(dǎo)致定子電流中含有三次諧波分量，導(dǎo)致雙饋電機(jī)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)6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運(yùn)行技術(shù)諧振控制拓展應(yīng)用（2）降階諧振控制技術(shù)

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

變換至靜止坐標(biāo)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(fù)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(dòng)同時(shí)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)6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運(yùn)行技術(shù)諧振控制拓展應(yīng)用（2）降階諧振控制技術(shù)

實(shí)際應(yīng)用中，針對(duì)電網(wǎng)電壓不平衡問(wèn)題，可采用降階諧振控制器代替SOGI的方式進(jìn)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(shí)際應(yīng)用時(shí)通常需要實(shí)系數(shù)化。

經(jīng)過(guò)控制器分母實(shí)數(shù)化以后可以看到，降階諧振器被分解為兩個(gè)SOGI控制器，其中復(fù)系數(shù)SOGI則可以通過(guò)交叉反饋解耦的方式實(shí)現(xiàn)。不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運(yùn)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(guò)ROGI控制后的輸出可以寫(xiě)為：

經(jīng)過(guò)控制器分母實(shí)數(shù)化以后可以看到，降階諧振器被分解為兩個(gè)SOGI控制器，其中復(fù)系數(shù)SOGI則可以通過(guò)交叉反饋解耦的方式實(shí)現(xiàn)。不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運(yùn)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(shí)系數(shù)實(shí)現(xiàn)方法如圖，即為機(jī)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)6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運(yùn)行技術(shù)諧振控制拓展應(yīng)用（3）雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)協(xié)同控制技術(shù)

在實(shí)際運(yùn)行中，雙饋風(fēng)電機(jī)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(biāo)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)目標(biāo)協(xié)同控制方式。

多目標(biāo)機(jī)網(wǎng)側(cè)協(xié)同控制方法：兼顧發(fā)電機(jī)自身運(yùn)行性能，并靈活的選擇并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組的整體電能質(zhì)量或輸出功率的優(yōu)化。機(jī)側(cè)變流器通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)矩抑制，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)自身優(yōu)化，此時(shí)發(fā)電機(jī)側(cè)輸出非正弦電流及功率波動(dòng)，網(wǎng)側(cè)變流器則補(bǔ)償機(jī)側(cè)變流器的畸變電流或功率波動(dòng)。不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運(yùn)行技術(shù)諧振控制拓展應(yīng)用（3）雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)協(xié)同控制技術(shù)

這種情況下，機(jī)側(cè)變流器的控制目標(biāo)為：確保雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)，即：

網(wǎng)側(cè)變流器的控制目標(biāo)為：

目標(biāo)i：確保雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)(含有機(jī)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(fēng)電系統(tǒng)總輸出電流正弦無(wú)負(fù)序分量，則交流調(diào)節(jié)器的被控對(duì)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)6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運(yùn)行技術(shù)諧振控制拓展應(yīng)用（3）雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)協(xié)同控制技術(shù)

目標(biāo)ii：確保雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)總輸出有功功率恒定；

要求

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

目標(biāo)iii：確保雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出無(wú)功功率恒定；

要求

，要求雙饋風(fēng)電系統(tǒng)輸出的無(wú)功功率平穩(wěn)無(wú)脈動(dòng)，則ROGI調(diào)節(jié)器的被控對(duì)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)6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運(yùn)行技術(shù)諧振控制拓展應(yīng)用（3）雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)組基于ROGI直接諧振的多目標(biāo)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(jī)網(wǎng)側(cè)多目標(biāo)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)6.2基于諧振控制的新能源系統(tǒng)運(yùn)行技術(shù)諧振控制拓展應(yīng)用（3）雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)協(xié)同控制技術(shù)基于ROGI直接諧振的多目標(biāo)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)6.3基于重復(fù)控制的新能源系統(tǒng)運(yùn)行技術(shù)重復(fù)控制的基本原理現(xiàn)實(shí)情況中，當(dāng)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)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(wú)功功率中也將出現(xiàn)高次波動(dòng)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^(guò)對(duì)輸入誤差信號(hào)以及重復(fù)控制器輸出信號(hào)的恰當(dāng)延時(shí)的多頻率交流控制器，其可對(duì)重復(fù)頻率整數(shù)倍的多個(gè)頻率點(diǎn)實(shí)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)6.3基于重復(fù)控制的新能源系統(tǒng)運(yùn)行技術(shù)重復(fù)控制的基本原理對(duì)于某個(gè)交流頻率分量f0，對(duì)其進(jìn)行延時(shí)處理，延時(shí)時(shí)間為該分量的周期；然后將輸出構(gòu)建正反饋，經(jīng)過(guò)正反饋控制后，該控制器會(huì)將該交流分頻率分量顯著放大，而其他頻率點(diǎn)(f0非整數(shù)倍)的分量比例就會(huì)相應(yīng)減??；該環(huán)節(jié)表現(xiàn)為只對(duì)頻率為f0及頻率為f0整數(shù)倍的交流信號(hào)有增益的控制作用；重復(fù)控制器的表達(dá)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)6.3基于重復(fù)控制的新能源系統(tǒng)運(yùn)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(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合中，由于延時(shí)環(huán)節(jié)

難以用模擬電路實(shí)現(xiàn)，因此重復(fù)控制通常通過(guò)離散域下的數(shù)字控制實(shí)現(xiàn)，其離散域的控制表達(dá)式可以寫(xiě)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(hào)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)6.3基于重復(fù)控制的新能源系統(tǒng)運(yùn)行技術(shù)重復(fù)控制的基本原理

自然對(duì)數(shù)展開(kāi)，可得：1、重復(fù)控制包含多個(gè)無(wú)窮多個(gè)諧振控制器，諧振頻率點(diǎn)為整數(shù)倍

，因此其可對(duì)多個(gè)交流頻率分量進(jìn)行控制。2、重復(fù)控制包含一個(gè)無(wú)法靈活調(diào)節(jié)的PI控制，其會(huì)對(duì)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(dú)立，且與諧振器參數(shù)不獨(dú)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)6.3基于重復(fù)控制的新能源系統(tǒng)運(yùn)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(shí)際應(yīng)用環(huán)境中達(dá)到理想的周期性交流信號(hào)調(diào)節(jié)能力，通常需要對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)。 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(diǎn)分布在虛軸上，導(dǎo)致實(shí)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(gè)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(huì)對(duì)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)6.3基于重復(fù)控制的新能源系統(tǒng)運(yùn)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(lái)調(diào)節(jié)控制的補(bǔ)償強(qiáng)度。當(dāng)

較小時(shí)，誤差信號(hào)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(qiáng)；通常

設(shè)定為小于或等于1的常數(shù)。

實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合中的重復(fù)控制調(diào)節(jié)器表達(dá)式通常可以寫(xiě)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(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。

不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)6.3基于重復(fù)控制的新能源系統(tǒng)運(yùn)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)

的引入還可以解決

非整數(shù)的問(wèn)題，導(dǎo)致傳統(tǒng)重復(fù)控制調(diào)節(jié)器無(wú)法直接離散化，此時(shí)需要將

設(shè)計(jì)為：

其中D為Q的分?jǐn)?shù)部分，此時(shí)

不僅能夠解決上述問(wèn)題，同時(shí)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。

不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)6.3基于重復(fù)控制的新能源系統(tǒng)運(yùn)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)

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(diǎn)上具有較高增益，因此其可同時(shí)實(shí)現(xiàn)300Hz，600Hz以及900Hz等高次諧波分量的控制。

不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)6.3基于重復(fù)控制的新能源系統(tǒng)運(yùn)行技術(shù)重復(fù)控制器的改進(jìn)設(shè)計(jì)

可以看出傳統(tǒng)的重復(fù)控制器還有以下缺點(diǎn)：

第一，在各個(gè)控制頻率處的控制帶寬不足，從而干擾導(dǎo)致其對(duì)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(dǎo)致對(duì)較高頻率的周期性交流信號(hào)調(diào)節(jié)能力不足。

不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)6.3基于重復(fù)控制的新能源系統(tǒng)運(yùn)行技術(shù)重復(fù)控制器的改進(jìn)設(shè)計(jì)

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

首先擴(kuò)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(shí)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(dá)式: 不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)6.3基于重復(fù)控制的新能源系統(tǒng)運(yùn)行技術(shù)重復(fù)控制器的改進(jìn)設(shè)計(jì)

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

進(jìn)一步推導(dǎo)為

: 不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)6.3基于重復(fù)控制的新能源系統(tǒng)運(yùn)行技術(shù)重復(fù)控制器的改進(jìn)設(shè)計(jì)

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(hào)調(diào)節(jié)能力。

不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)6.3基于重復(fù)控制的新能源系統(tǒng)運(yùn)行技術(shù)重復(fù)控制器的改進(jìn)設(shè)計(jì)

引入帶寬補(bǔ)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(jìn)一步的，離散域BRC表達(dá)式可表示為：

不平衡/諧波電網(wǎng)下新能源發(fā)電控制技術(shù)6.