双馈风力发电机的虚拟惯量控制及稳定性分析
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第 ３６卷 第 １Ｏ期 ２０１８年 ｌ０月
可 再 生能
Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ
Ｖｏ１．３６ Ｎｏ．１０ ０ｃｔ． ２０１８
双 馈 风 力 发 电机 的虚 拟 惯 量 控 制 及 稳 定 性 分 析
赵 勇 （山东职业学 院 铁道供 电与电气工 程系 ，山东 济南 ２５０１０４）
摘 要 ：针对传统矢量定 向控制下双馈异步风 电机组表 现为电流源特性无法 向电网提供转 子的固有惯性 ，继 而加剧现有 电力 系统转 动惯 量降低的问题 ，研 究了具有并 网友好性 的虚 拟同步发电机技术在风力发 电系统 中 的应用 。以双馈风力发 电机为研究对象 ，在建立风机小信号等效模型 的基础上 ，研究分析其虚拟 同步发 电机控 制策 略 ，使双馈风 电机组具有更 大的惯量和频率支撑能力 ，采用定子 电压外 环和转子电流内环的双闭环控制 ， 提高 瞬时值跟踪能力 。根据建立 的频域模型分析 了虚拟 同步发电机参数对稳定性的影响 ，并给 出了参数设计方 法。最后 ，利用搭 建的仿真模型验证 了所提方法的有效性和可行性。 关键 词 ：双馈异步风力发电机 ；虚拟同步发 电机 ；小信号模 型 ；双 闭环控制 ；稳定性分析 中图分类号 ：ＴＫ８１；ＴＭ４６ 文献标志码 ：Ａ 文章编号 ：１６７ｌ一５２９２（２０１８）１０—１５２３—０６
一
（４）
＋
进一 步推 导 ，可得 定 子 电压与 转子 电 流关 系 表 达 式为
０ 引 言 近年来 ，随着 能源 短缺 不 断加剧 以及 环境 问
题 的 日益 严 峻 。基 于 电压 源 型 变 流 器 （Ｖｏｌｔａｇｅ Ｓｏｕｒｃｅ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ．ＶＳＣ）的风 力发 电得 到 了推 广 和 应用 ，其装机容量 、电压等级不 断上升Ｉ１】。传统采 用 矢 量定 向控制 的 ＶＳＣ具 有 响应 速度 快 、控 制 灵 活等优势 ，但会 出现惯性不足。电网的频率稳定 性 、运 行安 全性 逐渐 降低 的 问题嘲。
针对 上 述新 问题 以及 现有研 究 的不 足 ，本文 在 建立 ＤＦＩＧ小 信 号数 学 模 型 的基 础上 ，研 究 了 虚 拟 同步发 电机 控制 策 略在 ＤＦＩＧ转子 侧 变 流器
控 制 中 的应用 ，并 建 立转 子侧 变 流器 的 ＶＳＧ控 制 的频 域模 型 ，利 用广 义根 轨 迹法 分 析 ＶＳＧ主要 控 制 参 数 对 系 统 稳 定 性 的 影 响 。最 后 ，利 用 ＭＡＴＡＬＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中搭 建 的 ＤＦＩＧ单 机 并 网仿 真 模 型 ，验证 了控制 方法 的 可行性 和参 数分 析 的有 效 性 １ ＤＦＩＧ 等 效数 学模 型
目前 ，双馈 异 步风 力发 电机 变流 器 常采用 矢 量 控 制 技术 ，具体 有 定 子 电压 定 向 （Ｓｔａｔｏｒ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｏｒｉｅｎｔｅｄ，ＳＶＯ）矢 量 控 制 技 术 和 定 子 磁 链 定 向 （Ｓｔａｔｏｒ Ｆｌｕｘ Ｏｒｉｅｎｔｅｄ，ＳＦＯ）矢 量控 制技 术 两种 。本 文 中 ＤＦＩＧ采 用 定 子 电压 定 向矢 量 控 制策 略 。在 ｄ－ｑ旋转 坐标 系 中 ，采 用 ｑ轴定 向定子 电压 矢 量 ， 此时 ．定 子和转 子 的 电压方 程分 别 为＿ｌ】］
式 中 ： ，￡ 分 别 为 定 、转wk.baidu.com子 绕 组 电感 、绕 组 间
的互感 。
由于 ＤＦＩＧ定子电压频率和幅值受转子励磁
电压和电流影响，因此 ，本文提出采用改进的电压
控 制策 略对 定 子 电压进行 闭环控 制 。空载 情况 下 ，
由式 （１）和式 （３）可 得 ：
Ｉｄ
＝ Ｌｊ
随 着 虚 拟 同 步 发 电 机 技 术 （Ｖｉｒ ｔｕａｌ Ｓｙｎ— ｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ，ＶＳＧ）的发 展 ｌ３】＇［４１，部 分 学 者 提 出 了风 电机组 变流 器 的 ＶＳＧ控 制 策略 ＿５＿。文 献［６］ 指 出 ．采 用 ＶＳＧ控 制 的并 网变 流器 无 需锁 相环 ， 可通过 自身调节实现并网。文献［７］将虚拟惯量引 入 双馈 异 步 电机 （Ｄｏｕｂｌｙ Ｆｅｄ Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ， ＤＦＩＧ）的控制 中 。但未对虚拟 同步发 电机控制下 的双 馈异 步 电机 的稳 定性 进行 分 析 ，且未 给 出参 数的整体方法 。文献［８】建立了 ＤＦＩＧ的数学模型 ， 并 引入 了虚 拟 陨性 控制 部分 ，但 未对 虚 拟 同步发 电机 控制 的关 键参 数进 行量 化 分析 。此 外 ，文献 ［９】和 ［１０］指 出 ，虚 拟 同步 发 电机 控 制 的变 流 器 在 弱 网条件 下 运行 时存 在功率 振 荡 问题 。
Ｉ ｓａ＝ ＋Ｒｓｉ
１Ｉ ．
ｕ５ｑ＝ ＋Ｒｊ￣＋Ｗｓｑ，
（１）
ｌ“ ＝ ＋尺 一
｛ １ Ｕ， ｂ
帜 机
（２）
式 中 ： ，Ｕ ，“ ，Ｕ 分别 为定 子 电压 、转 子 电压 的 ｄ，ｑ轴 分量 ；Ｒ 和 分别 为定 、转 子绕 组 的电阻 ；
为定子 电压频率 ； ＝ 一 为转子电压频率 ，其
收稿 日期 ：２０１８—０７—２６。 基 金项目 ：２０１８年度 山东省科研计划课题 （ＪＩ８ＫＢ０３０）；中国职业技术教育学会科研课题 （１７１０６８９）。 作 者简介 ：赵 勇（１９７４一），男 ，硕 士研究生 ，讲 师，主要研究方 向为智 能微网 、可再生能源发电控制技术及并 网接入技术等。
Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｏｙｏｎｇ７４３＠１ ２６．ＣＯＢ
· １５２３·
可 再 生 能 源
中 ∞ 为 ＤＦＩＧ转 子转 速 ；ｌｆ， ，ｔｆ， ， ｍ， 分别 为定 、 转子 磁链 的 ｄ，ｑ轴分量 ，其 表 达式分 别 为
ｓｄ＝ ｓｄ＋ ｒｄ
ｔｆｒ
ｒｄ＝￡
ｓｄ
（３）
＝Ｌ ，Ｊ
可 再 生能
Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ
Ｖｏ１．３６ Ｎｏ．１０ ０ｃｔ． ２０１８
双 馈 风 力 发 电机 的虚 拟 惯 量 控 制 及 稳 定 性 分 析
赵 勇 （山东职业学 院 铁道供 电与电气工 程系 ，山东 济南 ２５０１０４）
摘 要 ：针对传统矢量定 向控制下双馈异步风 电机组表 现为电流源特性无法 向电网提供转 子的固有惯性 ，继 而加剧现有 电力 系统转 动惯 量降低的问题 ，研 究了具有并 网友好性 的虚 拟同步发电机技术在风力发 电系统 中 的应用 。以双馈风力发 电机为研究对象 ，在建立风机小信号等效模型 的基础上 ，研究分析其虚拟 同步发 电机控 制策 略 ，使双馈风 电机组具有更 大的惯量和频率支撑能力 ，采用定子 电压外 环和转子电流内环的双闭环控制 ， 提高 瞬时值跟踪能力 。根据建立 的频域模型分析 了虚拟 同步发电机参数对稳定性的影响 ，并给 出了参数设计方 法。最后 ，利用搭 建的仿真模型验证 了所提方法的有效性和可行性。 关键 词 ：双馈异步风力发电机 ；虚拟同步发 电机 ；小信号模 型 ；双 闭环控制 ；稳定性分析 中图分类号 ：ＴＫ８１；ＴＭ４６ 文献标志码 ：Ａ 文章编号 ：１６７ｌ一５２９２（２０１８）１０—１５２３—０６
一
（４）
＋
进一 步推 导 ，可得 定 子 电压与 转子 电 流关 系 表 达 式为
０ 引 言 近年来 ，随着 能源 短缺 不 断加剧 以及 环境 问
题 的 日益 严 峻 。基 于 电压 源 型 变 流 器 （Ｖｏｌｔａｇｅ Ｓｏｕｒｃｅ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ．ＶＳＣ）的风 力发 电得 到 了推 广 和 应用 ，其装机容量 、电压等级不 断上升Ｉ１】。传统采 用 矢 量定 向控制 的 ＶＳＣ具 有 响应 速度 快 、控 制 灵 活等优势 ，但会 出现惯性不足。电网的频率稳定 性 、运 行安 全性 逐渐 降低 的 问题嘲。
针对 上 述新 问题 以及 现有研 究 的不 足 ，本文 在 建立 ＤＦＩＧ小 信 号数 学 模 型 的基 础上 ，研 究 了 虚 拟 同步发 电机 控制 策 略在 ＤＦＩＧ转子 侧 变 流器
控 制 中 的应用 ，并 建 立转 子侧 变 流器 的 ＶＳＧ控 制 的频 域模 型 ，利 用广 义根 轨 迹法 分 析 ＶＳＧ主要 控 制 参 数 对 系 统 稳 定 性 的 影 响 。最 后 ，利 用 ＭＡＴＡＬＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中搭 建 的 ＤＦＩＧ单 机 并 网仿 真 模 型 ，验证 了控制 方法 的 可行性 和参 数分 析 的有 效 性 １ ＤＦＩＧ 等 效数 学模 型
目前 ，双馈 异 步风 力发 电机 变流 器 常采用 矢 量 控 制 技术 ，具体 有 定 子 电压 定 向 （Ｓｔａｔｏｒ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｏｒｉｅｎｔｅｄ，ＳＶＯ）矢 量 控 制 技 术 和 定 子 磁 链 定 向 （Ｓｔａｔｏｒ Ｆｌｕｘ Ｏｒｉｅｎｔｅｄ，ＳＦＯ）矢 量控 制技 术 两种 。本 文 中 ＤＦＩＧ采 用 定 子 电压 定 向矢 量 控 制策 略 。在 ｄ－ｑ旋转 坐标 系 中 ，采 用 ｑ轴定 向定子 电压 矢 量 ， 此时 ．定 子和转 子 的 电压方 程分 别 为＿ｌ】］
式 中 ： ，￡ 分 别 为 定 、转wk.baidu.com子 绕 组 电感 、绕 组 间
的互感 。
由于 ＤＦＩＧ定子电压频率和幅值受转子励磁
电压和电流影响，因此 ，本文提出采用改进的电压
控 制策 略对 定 子 电压进行 闭环控 制 。空载 情况 下 ，
由式 （１）和式 （３）可 得 ：
Ｉｄ
＝ Ｌｊ
随 着 虚 拟 同 步 发 电 机 技 术 （Ｖｉｒ ｔｕａｌ Ｓｙｎ— ｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ，ＶＳＧ）的发 展 ｌ３】＇［４１，部 分 学 者 提 出 了风 电机组 变流 器 的 ＶＳＧ控 制 策略 ＿５＿。文 献［６］ 指 出 ．采 用 ＶＳＧ控 制 的并 网变 流器 无 需锁 相环 ， 可通过 自身调节实现并网。文献［７］将虚拟惯量引 入 双馈 异 步 电机 （Ｄｏｕｂｌｙ Ｆｅｄ Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ， ＤＦＩＧ）的控制 中 。但未对虚拟 同步发 电机控制下 的双 馈异 步 电机 的稳 定性 进行 分 析 ，且未 给 出参 数的整体方法 。文献［８】建立了 ＤＦＩＧ的数学模型 ， 并 引入 了虚 拟 陨性 控制 部分 ，但 未对 虚 拟 同步发 电机 控制 的关 键参 数进 行量 化 分析 。此 外 ，文献 ［９】和 ［１０］指 出 ，虚 拟 同步 发 电机 控 制 的变 流 器 在 弱 网条件 下 运行 时存 在功率 振 荡 问题 。
Ｉ ｓａ＝ ＋Ｒｓｉ
１Ｉ ．
ｕ５ｑ＝ ＋Ｒｊ￣＋Ｗｓｑ，
（１）
ｌ“ ＝ ＋尺 一
｛ １ Ｕ， ｂ
帜 机
（２）
式 中 ： ，Ｕ ，“ ，Ｕ 分别 为定 子 电压 、转 子 电压 的 ｄ，ｑ轴 分量 ；Ｒ 和 分别 为定 、转 子绕 组 的电阻 ；
为定子 电压频率 ； ＝ 一 为转子电压频率 ，其
收稿 日期 ：２０１８—０７—２６。 基 金项目 ：２０１８年度 山东省科研计划课题 （ＪＩ８ＫＢ０３０）；中国职业技术教育学会科研课题 （１７１０６８９）。 作 者简介 ：赵 勇（１９７４一），男 ，硕 士研究生 ，讲 师，主要研究方 向为智 能微网 、可再生能源发电控制技术及并 网接入技术等。
Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｏｙｏｎｇ７４３＠１ ２６．ＣＯＢ
· １５２３·
可 再 生 能 源
中 ∞ 为 ＤＦＩＧ转 子转 速 ；ｌｆ， ，ｔｆ， ， ｍ， 分别 为定 、 转子 磁链 的 ｄ，ｑ轴分量 ，其 表 达式分 别 为
ｓｄ＝ ｓｄ＋ ｒｄ
ｔｆｒ
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ｓｄ
（３）
＝Ｌ ，Ｊ