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基于电网的双馈风力发电机组的虚拟同步控制
王硕，IEEE学生会员，胡加炳，IEEE高级会员，袁晓明，IEEE高级会员
摘要—本文提出了一种基于双馈感应发电机（DFIG）的风力涡轮机（WTs）的虚拟同步控制（VSynC），特别是在集成到具有低短路比（SCR）的弱交流电网中时，可以提供惯性贡献。与基于广泛使用的锁相环同步技术的传统矢量控制（VC）不同，VSynC能够通过有功功率控制直接将DFIG与电网同步。还设计了阻尼控制和电流限制来改善基于DFIG的WT的稳定性和动态响应。特征值分析表明，当连接到低SCR交流电网时，基于VSynC的DFIG在稳定性方面优于典型的基于VC的优势。在这种情况下，基于VSynC的DFIG的功率传输能力不受限制，这意味着即使将SCR降至1，也可以实现最大理论功率，即1 pu。相比之下，基于VC的DFIG的最大可发送功率受到严格限制。此外，VSynC使DFIG自然地提供了所需的惯性响应，因此提高了电网频率的稳定性。还进行了VSynC和典型的基于VC的惯性控制之间的比较研究，仿真结果表明，基于VSynC的DFIG附加在弱交流电网上具有出色的惯性响应。
关键词-双馈感应发电机（DFIG），惯性响应，锁相环（PLL），短路比（SCR），稳定性，同步，虚拟同步控制（VSynC），弱电网，风力涡轮机（WT）。
专有名词
ESG，Es 同步发电机和双馈感应发电机（DFIG）的内部势矢量。
delta;sg，delta;dfig SG和DFIG的幂角。
Tm，Te 机械和电磁扭矩。
Ut，Us 终端和无限总线电压的向量。
It，Is 定子和转子电流矢量。
Psi;s,Psi;r 定子和转子磁链矢量。
Rs，Rr 定子和转子电阻。
Ls，Lr 定子和转子的自感。
Lm 互感。
omega;base 角频率基准值。
omega;，omega;1，omega;0 内部电势，电网电压和额定角频率（单位）。
Ur，theta;r 转子励磁电压的幅值和相角。
2014年11月30日收到手稿； 2015年2月3日修订；2015年3月9日接受。出版日期2015年4月8日；当前版本的日期为2015年10月29日。这项工作得到了2012CB215100资助的中国国家基础研究计划（973计划）的支持，部分得到了51322704资助的中国国家自然科学奖优秀青年学者的支持，部分得到了国家自然科学基金重大计划的支持。授予51190104授予中国教育部，部分由中国教育部授予NCET-12-0221授予的“大学新世纪优秀人才计划”。 建议由副编辑邵瑞明（Riming Shao）出版。
作者在先进电磁学国家重点实验室工作，华中科技大学电气与电子工程学院工程技术学院，武汉430074（电子邮件：wangshuo@hust.edu.cn; j.hu@hust.edu.cn; yuanxm@hust.edu （.cn）。
本文的一个或多个附图的彩色版本可在http://ieeexplore.ieee.org在线获得。
数字对象标识符10.1109 / JESTPE.2015.2418200
I.介绍
风力电源将在不久的将来成为中国重要的电源。以酒泉为例，甘肃省的风力发电基地，到2014年底装机容量超过10吉瓦，预计到2020年将达到30吉瓦。但是，大多数风电场都位于距离强电网（甘肃电网）1000公里的地方，这导致大型风力涡轮机（WT）的弱电网集成。集成到薄弱电网中的如此高的风电渗透率对电网的安全和稳定运行提出了多个挑战[1]，[2]。关于风电渗透率持续快速增长的主要关注之一是其对未来电网频率稳定性的潜在威胁，这是由于安装的WT对机电时间尺度上的干扰（即大的负载波动或发电机组损耗）不负责任，经常发生在电网中[2]。
在中国，可再生能源的高普及率对系统安全性，尤其是频率稳定性的影响并不独特。 2009年，EirGrid和SONI发起了一套名为“促进可再生能源的推广”的研究，旨在研究将大量风电场整合到爱尔兰和北爱尔兰的电力系统中的技术挑战。研究的一项重要发现表明，频率事件之后的系统完整性可能在瞬时高风速侵入时受到损害。研究确定，如果系统实时运行中的系统非同步渗透率保持低于50％，这是由于随着风的增加，系统惯性平均水平可能下降，传输系统运营商可以安全地管理系统。渗透[3]。对2030 GB发电量组合的预测表明，在英国政府关于可再生能源发电和温室气体目标的推动下，可再生能源发电特别是风能的增长最为显着，达到70.9吉瓦气体排放。由非同步发电的大规模集成引起的系统惯性的减小将导致增加动态频率响应要求，以确保系统安全[4]，[5]。此外，[6]中报告了专门设计用于研究美国西部和东部互连网由于大损耗发电事件而引起的频率响应的研究结果，这些事件在未来可能的系统条件下产生高水平的风力。和[7]。结果表明，风力的响应能力可以改善电网的频率响应。
简而言之，在不久的将来迫切需要风力发电的动态频率支持能力，以确保不损害系统频率稳定性。另外，来自风力的贡献的惯性可以进一步增强风力进入电网的渗透性。
据我们所知，文献中有两种主要的方法来实现风电的动态频率支持。一类可以认为是基于典型矢量控制（VC）和广泛使用的锁相环（PLL）同步技术的一些修改。例如，在[8]-[13]中，提出了一些技术，在此处统一简称为df / dt控制，这些技术通过提供与转矩或跟踪功率参考。但是，长期以来一直被认为是任何并网电压源转换器（VSC）的前提，PLL可能会对系统稳定性产生负面影响。 从[14]可以得出结论，增加的PLL增益会降低系统稳定性。Hernefors等。[15]建议PLL的带宽（BW）不大于所需的带宽。此外，PLL技术使安装的WT的稳定运行在某种程度上依赖于强大的网格。 当大型WT位于弱电网中时，功率波动可能会导致电网电压的幅度和频率变化增加，这可能会对PLL及其控制系统的性能产生不利影响[16]-[18]。根据[19]，已开发的模型行为表明，随着所连接的交流系统的短路比（SCR）的降低，由于PLL和交流滤波器行为而引起的谐振和非线性变得更加突出，并有可能使VSC更难以控制。结果，最大可传输有功功率随着SCR的减小而减小，在SCR 1的条件下降至0.4 pu。同时，在文献[20]-[22]中报道了在弱电网或孤岛条件下使用PLL技术的转换器系统中的所谓频率正反馈。然而，据我们所知，几乎没有（如果有的话）有关反映基于DFIG的WT与典型的基于PLL的VC的稳定性及其连接到非常弱的ac系统时功率传输能力有限的问题的报告，实际上，它很大程度上受PLL的动态性能影响。此外，当访问非常弱的交流系统时，也没有关于上述基于VC的DFIG具有相应的惯性控制（即df / dt控制）的相应响应性能的公开报告。这些上述问题将构成本文的主要贡献之一。
其他类别的方法可以统一总结为虚拟同步。虚拟同步发电机（VSG）的概念已提出，并将虚拟旋转惯量添加到非同步发电机中，即风力，光伏等，并在欧洲项目VSYNC中付诸实践。通过直接向其添加短期能量存储，并为其功率电子接口连接到电网的合适控制机制，可以为任何非同步发电机获得虚拟惯性。这样，发电机可以像VSG一样运行，在短时间间隔内表现出SG的某些所需特性，并有助于稳定电网频率[23]-[26]。此外，为克服与弱交流电网连接的VSC的PLL同步技术相关的困难，由于弱电网中SG的良好性能，有相当大的趋势开发新的控制技术来模仿SG的动态行为，从而消除了需要PLL。在[17]中，提出了一种不使用PLL的HVdc系统控制方法，该方法可以在连接到弱交流电网时保持稳定性，并实现黑启动以恢复供电。Yuan等。文献[18]提出了一种电压源控制方法，它代替了传统的基于PLL的电流源控制方法，该方法使全容量WT发电机依靠功率不平衡产生的内部频率与电网同步。张等。[27]提出了所谓的功率同步控制，这也使VSC终端实现了与电网的固有同步。Zhong和Weiss [28]通过建立SG模型来覆盖所有动态特性而无需对信号进行任何假设，从而发展了将逆变器作为SG称为静态同步发电机的想法。上面列出的研究都是针对并网VSC的。然而，没有关于利用虚拟同步的概念控制以模仿SG行为并因此提供动态频率支持能力的基于DFIG的WT的可用报告。本文将参考SG中众所周知的同步机制，为基于DFIG的WT提供一种虚拟同步控制（VSynC）方法。提出的VSynC使基于DFIG的WT实现与电网的固有同步，更重要的是，自然地提供了所需的惯性响应，这是本文的另一贡献。
本文的其余部分安排如下。在第二部分中，说明了基于DFIG的WT的VSynC的原理和实现。第三节通过对拟议的VSynC和典型VC的比较研究，介绍了控制器的设计和稳定性分析。在第四节中，通过仿真研究验证了基于VSynC的DFIG连接到弱交流系统时的优越稳定性和动态频率支持能力。最后，在第五节中得出结论。
II.DFIG的虚拟同步控制
A.原理
为了更好地理解针对基于DFIG的WT提出的VSynC，本节首先简要总结了以下内容：
图1 超同步条件下定子静止参考系中DFIG的矢量图
SG中具有同步机制。在SG中，内部电位矢量与转子位置紧密相连。
此外，转子动力学主要取决于机械和电磁转矩之间的相互作用，这可以通过众所周知的摆动来描述。发电机模式下的方程为
其中p表示极对，omega;是电角速度，内部电位的角频率Tm和Te分别是机械输入转矩和电磁输出转矩。结果，一旦SG在瞬态期间例如与电网不同步，例如，大的负载变化或电网中发生的发电机损失，则施加在SG上的最终不平衡转矩将自动调节内部频率omega;，直到再次实现同步。由于速度调节而释放的动能无疑将在同步过程中提供暂时的动力支持。
另一方面，关于WT驱动的DFIG，图1显示了超同步条件下定子固定参考系中的矢量图。定子采用发电机惯例，而转子采用电动机惯例。 在图1中，定义为Es j（Lm / Lr）r的Es代表DFIG定子的内部电势，Es的大小取决于转子磁通的大小。选择定义的同步旋转参考系的d轴以使其与定子端子电压矢量Ut对齐，并且将delta;dfig定义为功率角，即将两个矢量Es和Ut分开的电角。因为内部电势Es总是正交于Psi;r，所以用omega;表示以区别于电网频率omega;1的Es角频率等于Psi;r。 转子磁通Psi;r的角速度可以通过调整转子励磁电压Ur来控制，该电压由转子侧变流器（RSC）控制确定。
结果，当施加在DFIG上的不平衡功率发生时，转子励磁电压Ur的旋转角速度可以被自动调节，这可以同时实现如上所述调节Es的内部频率omega;的目标。因此，omega;可以直接产生
图2 提出的（b）VSynC和（a）基于PLL的同步方法之间DFIG定子内部电势的比较响应
通过虚拟挥杆方程为
其中，Pref是由产生的有功功率的参考值外部速度控制器和Pe代表DFIG的定子和转子的总输出有功功率。此外，Tj表示固有惯性常数，其作用类似于SG的惯性常数，通常用H表示。大型常规发电厂的SG的典型惯性常数在2–9 s范围内，现代大型WT的物理惯性常数或多或少等于常规发电厂的平均值[29]。本文将惯性常数Tj取为10，这是为了模拟SG的H 5 s的惯性响应行为。
根据上述思想，可以通过omega;与omega;r之间的差来获得转差频率omega;slip，并且由转差频率的积分进一步生成由theta;r表示的转子励磁电压的相角，如下所示：
其中omega;r是DFIG转子的电角速度。
为了提供建议的VSynC与典型的基于PLL的VC的比较，通过矢量图简要说明了两种方法下WT中包含的内部电势在机电时标上的动态特性，如图2所示。
如图2（a）所示，dpll表示由PLL输出的相角确定的旋转d轴，该d轴在稳定状态下与电网电压Ut的旋转空间矢量重叠。功率角delta;dfig仅由控制系统确定。结果，WT的内部电势Es的位置由有功功率控制环路和PLL综合确定。 带有上标撇号的其他变量用于表示扰动后的变量。当电网中发生干扰（例如负载突然增加）时，PLL将捕获相角的变化并快速跟踪电网电压矢量。 内在电位也会根据PLL提供的相位参考迅速变为E * s。结果，功率角几乎没有变化，即delta;lowast; dfigdelta;dfig。简而言之，PLL的快速精确响应几乎保持了内部潜力WT，ES始终与电网保持同步，这使得WT几乎不受干扰，因此可以正常工作
图3 有功功率控制图
图4 交流电压控制图
作为恒功率源，电压幅度变化被忽略。
相比之下，基于提出的VSynC的内部电势基于功率不平衡，通过有功功率控制独立地与电网同步。如图2（b）所示，一旦电网发生干扰，立即导致功率角增加。delta;rsquo; dfig＞ delta;dfig，由于内部电势Es的频率独立，DFIG因此将其输出功率增加以支持电力短缺。同时，功率不平衡逐渐导致通过（2）和（3）所示的有功功率控制来调节转子励磁电压的角频率，并进一步影响内部电势以使DFIG与电网同步，直到再次达到平衡。在此同步过程中，由于施加在DFIG上的转矩不平衡，还调节了转子速度，因此，转子中存储的动能的释放导致在最初的几秒钟内输出功率显着增加，这使得对电网的短期频率稳定性有积极的贡献。
B.实作
本节介绍基于DFIG的WT的VSynC的基本控制结构，包括有功功率控制，交流/无功功率控制，辅助阻尼控制和电流限制控制。
1)有功功率和交流电压/无功功率控制：如图3所示，有功功率控制是确保不基于PLL技术的，基于DFIG的WT与电网同步的核心控制，体现了（2）和（3）所述的主要思想。有功功率参考值与其实际输出之间的功率不平衡会通过虚拟惯量
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