新能源發(fā)電技術 課件 年珩 第5-8章- 儲能控制技術-弱電網下新能源并網系統的穩(wěn)定性分析與振蕩抑制

第五章儲能控制技術儲能控制技術?浙江大學電氣工程學院本章內容：儲能電池數學模型儲能變流器控制技術儲能變流器黑啟動控制技術

第五章儲能控制技術儲能控制技術?浙江大學電氣工程學院5.1儲能電池數學模型簡單電池模型

簡單電池模型由理想電池和等價電阻串聯組成：

圖中，E0為開路電壓，V0為儲能電池的端電壓。

該模型不考慮電池內阻隨荷電狀態(tài)和電解液濃度而變化的特性，一般應用于不限電量和不考慮荷電狀態(tài)的電路仿真實驗中。儲能控制技術?浙江大學電氣工程學院5.1儲能電池數學模型

Thevenin電池模型 Thevenin電池模型由電壓E0，內阻R0，電容Cp和過壓電阻Rp組成：

圖中，Cp為平行金屬板間的電容，Rp為非線性阻抗，即極化阻抗；該模型的所有元件值都是電池在不同狀態(tài)條件下的函數。儲能控制技術?浙江大學電氣工程學院5.1儲能電池數學模型三階動態(tài)等效模型

主要由主支路和寄生支路組成：

主反應支路由電阻R1、R2、電容C和電壓源Em構成，考慮了電極反應、能量散發(fā)和歐姆效應；寄生支路由Rp、Ep和一個二極管組成，考慮了充電過程的析氣效應等副反應。儲能控制技術?浙江大學電氣工程學院5.1儲能電池數學模型其他等效模型 RC模型：結構相對簡單，但精度很差； PNGV模型：具有很高精度，但結構非常復雜，溫度、電流和SOC之間的耦合度很高。RC模型PNGV模型儲能控制技術?浙江大學電氣工程學院5.1儲能電池數學模型各模型適用情況

在并非針對儲能電池特性進行研究的仿真中，一般采用簡單等效電路；

對于Thevenin模型和三階等效電路模型，為了精確反應電池內部反應情況，其具有非常高的耦合度和復雜的計算過程；

模型能滿足研究需求，但是要大量時間用于調整參數。儲能控制技術?浙江大學電氣工程學院5.1儲能電池數學模型動態(tài)模型

將可控電壓源和固定電阻串聯，可兼顧電池模型的準確性和易用性：

儲能電池內阻的變化轉化為端電壓的動態(tài)變化，從而簡化內部化學變化。儲能控制技術?浙江大學電氣工程學院5.1儲能電池數學模型動態(tài)模型

可控電壓源的充電電壓可表示為：

放電電壓可表示為：E0：儲能電池起始電壓K：極化阻抗Q：儲能電池容量i*：低頻動態(tài)電流

儲能控制技術?浙江大學電氣工程學院5.2儲能變流器控制技術主電路模型igabc、vgabc：交流測的三相電流和電壓Vdc：儲能變流器直流側電壓Rgabc：包括電抗器電阻在內的每相線路電阻C：直流母線電容Iload：直流側的電流Lgabc：每相進線電抗器的電感儲能控制技術?浙江大學電氣工程學院5.2儲能變流器控制技術三相靜止坐標系下式中，Sgabc為三相PWM變換器中各相橋臂的開關函數，定義上橋臂功率元件導通時為1、下橋臂功率元件導通時為0。儲能控制技術?浙江大學電氣工程學院5.2儲能變流器控制技術三相靜止坐標系下儲能變流器交流側三相電流之和應為零：

將上式代入變流器數學模型可得：儲能控制技術?浙江大學電氣工程學院5.2儲能變流器控制技術三相靜止坐標系下儲能變流器交流側的三相線電壓與各相橋臂開關函數Sga、Sgb、Sgc關系為：轉換為相電壓儲能控制技術?浙江大學電氣工程學院5.2儲能變流器控制技術三相靜止坐標系下

將開關函數與相電壓的關系式代入變流器數學模型，可得：

由于該式的推導過程對單儲能變流器的運行條件未做任何假定，故在電網電壓波動、三相不平衡等情況下均能有效適用。?浙江大學電氣工程學院5.2儲能變流器控制技術幅值守恒原則下的坐標變換關系

由三相靜止坐標系到兩相靜止αβ坐標系的變換簡稱為3s/2s變換，其變換矩陣和矢量關系如下：

從兩相靜止αβ坐標系到兩相同步速ω1旋轉坐標系的變換簡稱為2s/2r變換，其變換矩陣和矢量關系如下：儲能控制技術?浙江大學電氣工程學院5.2儲能變流器控制技術

根據3s/2s與2s/2r變換，可得由三相靜止坐標系到兩相同步速旋轉dq坐標系間的變換矩陣為：

三相靜止(a，b，c)坐標系、兩相靜止(α，β)坐標系以及兩相同步速ω1旋轉(d，q)坐標系中，空間矢量F(廣義地代表電壓、電流、磁鏈等)的空間位置關系如圖：儲能控制技術幅值守恒原則下的坐標變換關系?浙江大學電氣工程學院兩相靜止坐標系下

若三相進線電抗器的電感、電阻相等，即Lga=Lgb=Lgc=Lg，Rga=Rgb=Rgc=Rg，αβ坐標系下儲能變流器數學模型為：ugα

、ugβ

:電網電壓的α

軸、β

軸分量igα

、igβ

:變流器輸入電流的α

軸、β

軸分量vgα、vgβ

:變流器中三相交流側電壓的α

軸、β

軸分量Sα、Sβ

:開關函數的α

軸、β

軸分量5.2儲能變流器控制技術儲能控制技術?浙江大學電氣工程學院兩相同步旋轉坐標系下

若三相進線電抗器的電感、電阻相等，即Lga=Lgb=Lgc=Lg，Rga=Rgb=Rgc=Rg，dq坐標系下儲能變流器數學模型為：ugd、ugq:電網電壓的d軸、q軸分量igd、igq:變流器輸入電流的d軸、q軸分量vgd、vgq

:變流器中三相交流側電壓的d軸、q軸分量Sd、Sq:開關函數的d軸、q軸分量儲能控制技術5.2儲能變流器控制技術?浙江大學電氣工程學院兩相同步旋轉坐標系下

令Ug=ugd+jugq為電網電壓矢量，當坐標系的d軸定向于電網電壓矢量時，則有ugd=|Ug|=Ug，ugq=0，其中Ug為電網相電壓幅值。

變流器數學模型可改寫為：儲能控制技術5.2儲能變流器控制技術?浙江大學電氣工程學院儲能變流器矢量控制技術

矢量控制是常見的變流器控制策略之一，儲能變流器的控制系統包含功率外環(huán)控制和電流內環(huán)控制兩個部分。5.2儲能變流器控制技術儲能控制技術?浙江大學電氣工程學院

變流器dq坐標系下數學模型：

儲能變流器的d軸、q軸電流不僅受vgd、vgq的控制，還受到電流交叉耦合項ω1Lgigq、ω1Lgigd，電阻壓降Rgigd、Rgigq以及電網電壓ugd的影響。

為了實現對d軸、q軸電流的有效控制，需要消除d軸、q軸電流耦合以及電壓擾動。儲能變流器矢量控制技術5.2儲能變流器控制技術儲能控制技術?浙江大學電氣工程學院

，

定義為：為了消除控制靜差，通過比例積分調節(jié)器來設計如下電流控制器:儲能變流器矢量控制技術5.2儲能變流器控制技術儲能控制技術?浙江大學電氣工程學院

由此可得儲能變流器的電壓指令：

在儲能變流器的控制中引入了電流狀態(tài)反饋量ω1Lgigq、ω1Lgigd來實現解耦，同時引入電阻壓降項Rgigd、Rgigq和電網擾動電壓項ugd進行前饋補償。

實現d軸、q軸電流的獨立控制，并提高系統的動態(tài)性能。儲能變流器矢量控制技術5.2儲能變流器控制技術儲能控制技術?浙江大學電氣工程學院

儲能變流器采用功率、電流雙閉環(huán)控制，通過電流狀態(tài)反饋實現兩軸電流間的解耦控制，通過功率前饋實現對電網功率擾動的補償。儲能變流器矢量控制技術5.2儲能變流器控制技術儲能控制技術?浙江大學電氣工程學院功率外環(huán)控制器采取經典的PI控制器，將瞬時功率與給定功率比較后送入PI控制器，進而得到有功電流與無功電流的數值。傳統矢量控制控制目標為輸出功率，動態(tài)響應速度快，對應的儲能變流器具有調峰控制和緊急功率控制能力。通過添加電壓下垂控制環(huán)節(jié)和頻率下垂控制環(huán)節(jié)，也可使儲能變流器具有調壓控制和調頻控制能力。不足的是，矢量控制依賴鎖相環(huán)，電網電壓頻率擾動會影響其動態(tài)響應，進而影響矢量控制性能。儲能變流器矢量控制技術5.2儲能變流器控制技術儲能控制技術?浙江大學電氣工程學院傳統矢量控制的儲能變流器由于幾乎沒有轉動慣量，無法為電網提供穩(wěn)定的電壓和頻率支撐，也無法提供必要的慣性和阻尼。傳統控制策略大多需要鎖相環(huán)來提供電網電壓的幅值和相位基準，無法實現自同步并網。虛擬同步機(VirtualSynchronousGenerator,VSG)控制策略的本質是通過控制逆變器模擬同步發(fā)電機的運行原理，從而獲得類似同步發(fā)電機一樣的運行特性。儲能變流器虛擬同步機控制技術5.2儲能變流器控制技術儲能控制技術?浙江大學電氣工程學院

虛擬同步機控制的基本拓撲結構：儲能變流器虛擬同步機控制技術5.2儲能變流器控制技術儲能控制技術Vdc：直流母線電壓vga,vgb,vgc：逆變器交流側輸出的三相電壓L1,R1,R2,C：LC濾波器參數iga,igb,igc：電網三相電流?浙江大學電氣工程學院

虛擬同步機控制策略的有功控制環(huán)和無功控制環(huán)分別模擬了同步發(fā)電機的調速器和勵磁調節(jié)功能。虛擬同步機的有功環(huán)和無功環(huán)的數學模型為：儲能變流器虛擬同步機控制技術5.2儲能變流器控制技術儲能控制技術P*、Q*：VSG輸出有功和無功功率的參考值P、Q：VSG輸出有功和無功功率的反饋值Ug*、Ug：電網電壓幅值的額定值和反饋值E：VSG輸出電勢的幅值ω*、ω：電網電角速度的額定值和實際值J：虛擬轉動慣量K：模擬勵磁調節(jié)的慣性系數Dp：阻尼系數Dq：無功-電壓下垂系數?浙江大學電氣工程學院 VSG算法的基本控制框圖如圖：儲能變流器虛擬同步機控制技術5.2儲能變流器控制技術儲能控制技術

通過有功-頻率和無功-電壓的控制作用，VSG控制策略可以獲得與傳統同步發(fā)電機相似的運行特性，從而為電網提供慣性和阻尼支持。?浙江大學電氣工程學院

引入dq旋轉坐標系下的電流控制環(huán)以提高穩(wěn)定性和電流控制能力，將VSG輸出電勢的角度θ設為d軸方向。儲能變流器虛擬同步機控制技術5.2儲能變流器控制技術儲能控制技術E：VSG輸出的電勢矢量Ug：電網電壓矢量ugd、ugq：電網電壓矢量的d,q軸分量igd、igq：電網電流的d,q軸分量igd*、igq*：電網電流的d,q軸分量的參考值PI：比例-積分控制器?浙江大學電氣工程學院有功—頻率控制環(huán)節(jié)可以響應電網頻率的變化，并為電網提供頻率和慣量支撐，可以實現儲能變流器一次調頻的功能。無功—電壓控制環(huán)節(jié)中的電壓下垂控制可以實現儲能變流器的一次調壓功能；且控制無需鎖相環(huán)定向，避免了電網擾動對鎖相環(huán)的動態(tài)性能的影響。虛擬同步機控制作為一種慣性控制策略，可以有效為電網提供慣性支撐。儲能變流器虛擬同步機控制技術5.2儲能變流器控制技術儲能控制技術?浙江大學電氣工程學院電池的荷電狀態(tài)：電池的可利用容量與額定容量的百分比。電池的循環(huán)壽命：電池在容量衰減至某一規(guī)定值之前經歷的總充放電次數。荷電狀態(tài)反饋：使儲能系統在補償功率波動的同時保證其荷電狀態(tài)不超出既定的范圍。在儲能系統SOC過高（充電）或過低（放電）時動態(tài)調整充放電系數，以此來減小該儲能裝置的出力。計及儲能電池荷電狀態(tài)的儲能變流器改進控制技術5.2儲能變流器控制技術儲能控制技術?浙江大學電氣工程學院

將儲能系統SOC劃分為5個區(qū)間：

Dm為儲能系統的充放電系數，設定最小值（QSOC_min）為0.1，較低值（QSOC_low）為0.2，較高值（QSOC_high）為0.8和最大值（QSOC_max）為0.9。計及儲能電池荷電狀態(tài)的儲能變流器改進控制技術5.2儲能變流器控制技術儲能控制技術?浙江大學電氣工程學院

采用線性分段函數來設置充放電曲線，既可以實現平滑出力，還能避免復雜函數所帶來的控制難題：

在儲能系統起始的功率參考值上乘充放電系數Dm便可得到儲能系統的實際功率參考值。計及儲能電池荷電狀態(tài)的儲能變流器改進控制技術5.2儲能變流器控制技術儲能控制技術?浙江大學電氣工程學院

計及SOC變化的儲能系統控制框圖如圖：計及儲能電池荷電狀態(tài)的儲能變流器改進控制技術5.2儲能變流器控制技術儲能控制技術?浙江大學電氣工程學院

基于dq旋轉坐標系的雙閉環(huán)控制策略：外環(huán)采用V/f控制方式實現電壓的無靜差控制；內環(huán)采用電感電流反饋方式，提高系統的動態(tài)響應特性，同時在短路故障時起到限流的作用。儲能變流器矢量控制黑啟動技術5.3儲能變流器黑啟動控制技術儲能控制技術?浙江大學電氣工程學院

將abc相電流和電壓通過坐標變換方程，由三相坐標系轉換至兩相同步旋轉dq坐標系。

dq電流分量、電壓分量相互耦合，需要對其進行解耦控制：儲能變流器矢量控制黑啟動技術5.3儲能變流器黑啟動控制技術儲能控制技術K：PI調節(jié)器的比例系數id*，iq*：濾波電感電流的參考值Kp、Ki

：PI調節(jié)器的比例、積分系數u2d*、u2q*：輸出電壓的參考值?浙江大學電氣工程學院

在兩相同步旋轉dq坐標系下，逆變器的電路方程如下：儲能變流器矢量控制黑啟動技術5.3儲能變流器黑啟動控制技術儲能控制技術?浙江大學電氣工程學院儲能變流器矢量控制黑啟動技術5.3儲能變流器黑啟動控制技術儲能控制技術

將控制方程代入模型，實現對dq電流及電壓分量的解耦控制：?浙江大學電氣工程學院儲能變流器矢量控制黑啟動技術5.3儲能變流器黑啟動控制技術儲能控制技術

通過調節(jié)輸出電壓的參考值u2d*和u2q*，可以實現對電壓的精準控制。在儲能系統啟動時，將電壓參考值由0緩慢增加至額定值，實現儲能系統的零起升壓啟動。?浙江大學電氣工程學院儲能變流器虛擬同步機黑啟動技術5.3儲能變流器黑啟動控制技術儲能控制技術

儲能變流器采用VSG控制策略時，具備自主調頻、自主調壓、慣性、阻尼等優(yōu)良特質，對外呈現電壓源型外特性，適用于黑啟動應用場合。

同步發(fā)電機的簡化轉子運動方程如下：Pset：有功設定Po：實際有功輸出Dp：頻率有功下垂系數J：轉動慣量θ：電角度ω：電角速度ω0：額定電角速度?浙江大學電氣工程學院儲能變流器虛擬同步機黑啟動技術5.3儲能變流器黑啟動控制技術儲能控制技術

按下垂控制算法生成電壓參考值，為避免大容量儲能系統由多個儲能單元VSG離網并聯時形成環(huán)流及振蕩，可通過虛擬阻抗方法進行抑制。

可在控制中虛擬一個感性的阻抗實現解耦：Qset：無功設定Qo：實際無功輸出Dq：無功電壓下垂系數V0：額定電壓Xvir：虛擬的感性阻抗uod、uoq、iod、ioq：輸出電流的D、Q軸分量?浙江大學電氣工程學院儲能變流器虛擬同步機黑啟動技術5.3儲能變流器黑啟動控制技術儲能控制技術

通過電壓外環(huán)、電流內環(huán)實現輸出端口電壓的控制，提高控制精度并限制過流。VSG整體控制框圖如圖：?浙江大學電氣工程學院儲能變流器虛擬同步機黑啟動技術5.3儲能變流器黑啟動控制技術儲能控制技術

多臺儲能變流器采用VSG模式并聯運行時，由于下垂和虛擬阻抗的存在，導致頻率、電壓發(fā)生偏差，在系統中會造成非預期的頻率、電壓誤差。

以單臺儲能變流器為例，其端口處的穩(wěn)態(tài)頻率偏差Δf為：?浙江大學電氣工程學院儲能變流器虛擬同步機黑啟動技術5.3儲能變流器黑啟動控制技術儲能控制技術

電壓向量圖可表示為：、、：下垂和虛擬阻抗產生的電壓偏差相量

穩(wěn)態(tài)電壓偏差Δu為：?浙江大學電氣工程學院儲能變流器虛擬同步機黑啟動技術5.3儲能變流器黑啟動控制技術儲能控制技術

儲能變流器只補償穩(wěn)態(tài)下虛擬阻抗造成的電壓偏差，采用電流低通濾波后補償的方法，控制框圖如右圖所示：

對于虛擬阻抗造成的電壓偏差部分由儲能變流器就地補償；下垂部分造成的頻率、電壓偏差由上層PMS二次調頻調壓統一補償。?浙江大學電氣工程學院儲能變流器虛擬同步機黑啟動技術5.3儲能變流器黑啟動控制技術儲能控制技術

對于下垂部分造成的偏差，需要使以下變量趨近于零。

采集廠用母線的交流電壓，提取正序分量并計算系統運行頻率、電壓，與設定頻率、電壓的偏差Δf、Δu經PI調節(jié)器處理后作為補充二次調頻、調壓指令Pset_sup、Qset_sup：?浙江大學電氣工程學院儲能變流器預同步并網技術5.3儲能變流器黑啟動控制技術儲能控制技術傳統儲能變流器基于矢量控制的控制依賴于鎖相環(huán)的精確程度，通過鎖相環(huán)來檢測電網電壓的幅值和相位，從而實現與電網電壓的同步，平滑并網。虛擬同步機控制策略在并網前構造一組虛擬阻抗來模擬并網時線路上的阻抗，通過電網電壓，逆變器側反電勢及虛擬阻抗計算得到虛擬電流，進一步計算得到虛擬功率，從而實現虛擬同步機的自同步并網。其中，虛擬電流計算如下：Lv：虛擬電感Rv：虛擬電阻Ivabc：三相虛擬電流?浙江大學電氣工程學院儲能變流器預同步并網技術5.3儲能變流器黑啟動控制技術儲能控制技術

利用虛擬電流通過計算得到虛擬功率：

虛擬同步機在并網前工作在自同步工作模式，其功率參考值給定為0，功率反饋值選為虛擬功率，電壓下垂控制系數Dq給定為0；當虛擬電流的值為0時，說明此時逆變器側反電勢已經與電網電壓準確同步，可以進行并網操作。

在虛擬同步機成功并網后，切換為正常工作模式，功率參考值按需求給定，功率反饋值選為實際功率。?浙江大學電氣工程學院儲能變流器預同步并網技術5.3儲能變流器黑啟動控制技術儲能控制技術

自同步虛擬同步機控制策略的控制框圖如下：第六章不平衡/諧波電網下新能源發(fā)電控制技術不平衡/諧波電網下新能源發(fā)電控制技術?浙江大學電氣工程學院本章內容：不平衡、諧波電網下新能源并網發(fā)電系統基于諧振控制的新能源系統運行技術基于重復控制的新能源系統運行技術

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

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/諧波電網下新能源并網發(fā)電系統雙饋發(fā)電機數學模型

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/諧波電網下新能源并網發(fā)電系統雙饋發(fā)電機數學模型

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/諧波電網下新能源并網發(fā)電系統雙饋發(fā)電機數學模型

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/諧波電網下新能源并網發(fā)電系統雙饋發(fā)電機數學模型 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/諧波電網下新能源并網發(fā)電系統雙饋發(fā)電機數學模型

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/諧波電網下新能源并網發(fā)電系統雙饋發(fā)電機數學模型

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/諧波電網下新能源并網發(fā)電系統雙饋發(fā)電機數學模型

根據發(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/諧波電網下新能源并網發(fā)電系統雙饋發(fā)電機數學模型

直流分量由同頻率電壓電流相互作用產生，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/諧波電網下新能源并網發(fā)電系統并網變流器數學模型

兩相同步速旋轉坐標系下變流器電壓與電網電壓表達式：

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

電網電壓不平衡及諧波畸變下，直流環(huán)節(jié)電壓可以寫為：

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

并網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、諧波電網下的并網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，其中各個分量的產生機理與前文中的雙饋發(fā)電機一致。不平衡/諧波電網下新能源發(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，實現對交流信號的無穩(wěn)態(tài)靜差跟蹤以及快速調節(jié)?；l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可表示為：

采用實系數積分控制器的矢量控制方案：不平衡/諧波電網下新能源發(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運行技術諧振控制器的基本原理

將復數極點調整為實數極點，可將實系數積分控制器擴展為復系數積分控制器，得到如下電流矢量控制方案：

當調節(jié)器系數kp、ki1、ki2=kp選取一致時，采用P+RCI調節(jié)器和P+CCI調節(jié)器可以獲得相同的電流調節(jié)器控制特性。不平衡/諧波電網下新能源發(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運行技術諧振控制器的基本原理

比較P+RCI和P+CCI兩種調節(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，對直流量實現無靜差跟蹤。對比相頻特性可見，P+RCI調節(jié)器在零頻段存在相位滯后，而P+CCI調節(jié)器在零頻段基本為0°。復系數積分器可有效改善調節(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)調整時間。不平衡/諧波電網下新能源發(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，實系數電流調節(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運行技術諧振控制器的基本原理

根據歐拉公式，正余弦量可表示為兩個復數域指數函數的和差。電流d、q軸控制誤差信號正余弦分量可表示為：

經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運行技術諧振控制器的基本原理

根據上頁可以對實系數電流調節(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，實系數電流調節(jié)器可表示為：實系數電流調節(jié)器的比例項與頻率變換無關，其中積分項根據作用頻率進行頻率偏移，對交流信號具有調節(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運行技術諧振控制器的基本原理

復系數電流調節(jié)器可表示為：

經過全頻域拓展后可表示為：

復系數交流電流調節(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相位滯后現象，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交流信號提供調節(jié)能力，而對其他頻率信號不具有調節(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的電網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運行技術諧振控制器的基本原理諧振控制器根據階數不同，可分為降階諧振器和二階諧振器；根據諧振控制器的演變類型不同，將由實系數積分器演變得到的諧振器稱之為廣義積分器，而將由復系數積分器演變得到的諧振器稱之為矢量積分器。

類型階數廣義積分器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運行技術基于諧振控制器的新能源系統運行技術

諧波及不平衡電網下，新能源系統輸出電流、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運行技術基于諧振控制器的新能源系統運行技術

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運行技術基于諧振控制器的新能源系統運行技術

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運行技術基于諧振控制器的新能源系統運行技術

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運行技術基于諧振控制器的新能源系統運行技術

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節(jié)；對于轉矩六倍頻分量，由于可以獨立調節(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-無功功率的聯合控制。不平衡/諧波電網下新能源發(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運行技術基于諧振控制器的新能源系統運行技術

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運行技術基于諧振控制器的新能源系統運行技術

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運行技術基于諧振控制器的新能源系統運行技術

對于網側變流器，同樣可在電網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運行技術基于諧振控制器的新能源系統運行技術

對于目標b，控制目標即為消除并網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，則可以同時實現有功功率和無功功率的波動平抑。不平衡/諧波電網下新能源發(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運行技術基于諧振控制器的新能源系統運行技術

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運行技術基于諧振控制器的新能源系統運行技術

基于PI+SOGI的并網變流器控制結構框圖：不平衡/諧波電網下新能源發(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，對電機參數具有普適性，無需提取電網電壓的正、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調節(jié)器的被控對象可設置為：不平衡/諧波電網下新能源發(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調節(jié)器的被控對象可設置為：不平衡/諧波電網下新能源發(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節(jié)作用，可以將同時含有直流量和二倍電網頻率交流量的復合信號直接作為SOGI調節(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調節(jié)器的指令設置為零，即 .不平衡/諧波電網下新能源發(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，可設計在電網電壓不平衡條件下機側變流器PI+SOGI直接諧振控制系統，如圖所示。不平衡/諧波電網下新能源發(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，在實際應用時通常需要實系數化。

經過控制器分母實數化以后可以看到，降階諧振器被分解為兩個SOGI控制器，其中復系數SOGI則可以通過交叉反饋解耦的方式實現。不平衡/諧波電網下新能源發(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 ,那么經過ROGI控制后的輸出可以寫為：

經過控制器分母實數化以后可以看到，降階諧振器被分解為兩個SOGI控制器，其中復系數SOGI則可以通過交叉反饋解耦的方式實現。不平衡/諧波電網下新能源發(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的實系數實現方法如圖，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運行技術諧振控制拓展應用（3）雙饋風力發(fā)電機協同控制技術

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

多目標機網側協同控制方法：兼顧發(fā)電機自身運行性能，并靈活的選擇并網風電機組的整體電能質量或輸出功率的優(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運行技術諧振控制拓展應用（3）雙饋風力發(fā)電機協同控制技術

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(含有機側和網側變流器)總輸出電流正弦平衡；

要求

，即雙饋風電系統總輸出電流正弦無負序分量，則交流調節(jié)器的被控對象可設置為不平衡/諧波電網下新能源發(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運行技術諧振控制拓展應用（3）雙饋風力發(fā)電機協同控制技術

目標ii：確保雙饋風力發(fā)電機總輸出有功功率恒定；

要求

，要求雙饋風電系統輸出的有功功率平穩(wěn)無脈動，則ROGI調節(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

，要求雙饋風電系統輸出的無功功率平穩(wěn)無脈動，則ROGI調節(jié)器的被控對象可設置為：不平衡/諧波電網下新能源發(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運行技術諧振控制拓展應用（3）雙饋風力發(fā)電機協同控制技術融合直接諧振技術、降階諧振方法、協同控制策略，給出了電網電壓不平衡下的DFIG機組基于ROGI直接諧振的多目標協同控制技術。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側多目標分配協同。不平衡/諧波電網下新能源發(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運行技術諧振控制拓展應用（3）雙饋風力發(fā)電機協同控制技術基于ROGI直接諧振的多目標協同控制技術不平衡/諧波電網下新能源發(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運行技術重復控制的基本原理現實情況中，當雙饋風力發(fā)電機組運行于弱電網或者微網環(huán)境下，而往往由于分布式發(fā)電單元等的存在，電網電壓除了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高次波動分量。重復控制調節(jié)器(repetitivecontroller，RC)，是一種基于傳統內模控制原理通過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倍的多個頻率點實現交流分量有效控制。不平衡/諧波電網下新能源發(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非整數倍)的分量比例就會相應減??；該環(huán)節(jié)表現為只對頻率為f0及頻率為f0整數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，因此重復控制通常通過離散域下的數字控制實現，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，

，

為控制系統采樣頻率，

為待控制諧波信號的基礎頻率。不平衡/諧波電網下新能源發(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運行技術重復控制的基本原理

自然對數展開，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節(jié)的PI控制，其會對直流分量控制產生影響，但由于其PI控制參數自身不獨立，且與諧振器參數不獨立，因此其不適合參與直流分量的誤差調節(jié)。不平衡/諧波電網下新能源發(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運行技術重復控制的基本原理

為了使得重復控制調節(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處在臨界穩(wěn)定狀態(tài)，為了改善參數變化或工況調節(jié)下系統穩(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的常數環(huán)節(jié)。雖然會對調節(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運行技術重復控制的基本原理 2）重復控制調節(jié)器增益系數

增益系數

用來調節(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，但系統穩(wěn)定性得到加強；通常

設定為小于或等于1的常數。

實際應用場合中的重復控制調節(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，以確保重復控制調節(jié)器能夠穩(wěn)定工作；

用于調節(jié)重復控制調節(jié)器的控制頻率。

不平衡/諧波電網下新能源發(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運行技術重復控制的基本原理 2）重復控制調節(jié)器增益系數

的引入還可以解決

非整數的問題，導致傳統重復控制調節(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節(jié)器的穩(wěn)定性。

不平衡/諧波電網下新能源發(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運行技術重復控制的基本原理 2）重復控制調節(jié)器增益系數

重復控制調節(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300Hz，600Hz以及900Hz等高次諧波分量的控制。

不平衡/諧波電網下新能源發(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運行技術重復控制器的改進設計

可以看出傳統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節(jié)能力不足。

不平衡/諧波電網下新能源發(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運行技術重復控制器的改進設計

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，需要在傳統重復控制調節(jié)器的基礎上引入帶寬參數，并合理設定參數值，以確保在電網頻率偏移時具有良好的穩(wěn)態(tài)控制精度。

傳統重復控制調節(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

進一步推導為

: 不平衡/諧波電網下新能源發(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節(jié)能力。

不平衡/諧波電網下新能源發(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運行技術重復控制器的改進設計

引入帶寬補償后的重復控制器可以表示為：

是BRC調節(jié)器的增益系數，進一步的，離散域BRC表達式可表示為：

不平衡/諧波電網下新能源發(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運行技術重復控制器的改進設計

考慮到重復控制調節(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節(jié)器的有效調節(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的重復控制調節(jié)器BRC為:不平衡/諧波電網下新能源發(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運行技術重復控制器的改進設計

由于傳統重復控制調節(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)電機傳遞函數中的分母部分造成。針對由控制對象DFIG傳遞函數所造成的幅值響應下降而進行有效補償的環(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在數值上遠大于Rr，故略去Rr不平衡/諧波電網下新能源發(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運行技術重復控制器的改進設計

為了有效補償由傳統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的基礎上串聯幅值補償環(huán)節(jié)，表達式如下：不平衡/諧波電網下新能源發(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運行技術基于重復控制的新能源系統運行技術

為實現在廣義諧波電網條件下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，實現定子電流正弦；而轉子電流采用PI調節(jié)器閉環(huán)調節(jié)以實現基本的DFIG輸出有功功率及無功功率控制。不平衡/諧波電網下新能源發(fā)電控制技術?浙江大學電氣工程學院思考題1.分析雙饋風電系統接入不平衡、諧波電網下輸出功率中的主要分量組成及各主要分量的產生來源。2.電網中含有不平衡及五、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。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化實現方法，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在聯系和技術特點，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容：新能源發(fā)電并網技術規(guī)范電網電壓故障下新能源發(fā)電設備的暫態(tài)數學模型網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的頻率變化是受到電網的有功功率平衡決定的，當發(fā)電量大于負荷時電網頻率會升高，當發(fā)電量小于負荷時電網頻率會下降。因此根據電網頻率實時調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其允許運行最高頻率而定《GB/T19963-2021風電場接入電力系統技術規(guī)定》?浙江大學電氣工程學院7.1能源發(fā)電并網技術規(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電壓驟降電網電壓驟升剩余電壓(p.u.)并網運行時間(s)剩余電壓(p.u.)并網運行時間(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電力系統的電壓變化是受到電網的無功功率平衡決定的。無功過多時電網電壓會升高，無功不足時電網電壓會降低。各國并網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正常運行。?浙江大學電氣工程學院7.1能源發(fā)電并網技術規(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：自并網點電壓升高出現的時刻起，風電場動態(tài)無功電流上升時間不大于40ms；自并網點電壓恢復至標稱電壓110%以下的時刻起，風電場應在40ms內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)出的有功功率與網側變流器輸出的有功功率相等（Ps=Pg）時網側變流器的直流母線電壓可以保持恒定。當Ps>Pg時，網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)數學模型網側變流器暫態(tài)數學模型新能源發(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)數學模型雙饋風機暫態(tài)數學模型新能源發(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?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)數學模型雙饋風機暫態(tài)數學模型新能源發(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)值電網電壓跌落50%

電網電壓驟升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)數學模型雙饋風機暫態(tài)數學模型新能源發(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)數學模型雙饋風機暫態(tài)數學模型新能源發(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穩(wěn)態(tài)運行時，DFIG的反電勢保持恒定電網電壓故障后，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)數學模型雙饋風機暫態(tài)數學模型新能源發(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)數學模型雙饋風機暫態(tài)數學模型新能源發(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)數學模型雙饋風機暫態(tài)數學模型新能源發(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對轉子電流的影響，電網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)數學模型雙饋風機暫態(tài)數學模型新能源發(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

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