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在弱交流电网对称故障过程中双馈感应式风力发电机的小信号动态特性
摘要：基于双馈感应式发电机（DFIG）的风力涡轮机（WT）在低电压穿越（LVRT）期间的不稳定性问题尚未受到关注。本文研究了LVRT期间DFIG 、WTs在高阻抗弱交流电网上的小信号特性，并特别关注了转子侧变流器。首先，基于所研究的LVRT策略，高阻抗电网的影响被概括为相位环路（PLL）和转子电流控制器（RCC）之间的相互作用。由于模态分析表明由PLL控制的无阻尼极点，常用于电力系统研究同步发电机的机电子系统与电子子系统之间相互作用的复扭矩系数方法被广泛应用于分析PLL-RCC相互作用对PLL相位运动的影响。然后，关于PLL同步DFIG系统的小信号稳定性可以由复杂的相位系数识别。突出显示了PLL和RCC参数的影响，以及系统在LVRT期间的操作条件。最后，通过实验验证分析结果。
关键词：双馈感应电机（DFIG），高阻抗电网，低电压穿越（LVRT），锁相环路（PLL），转子电流控制器，小信号稳定
命名：
等效电网电压矢量和阻抗。
Grid，定子和转子电流矢量。
端子（定子）和转子电压矢量。
PLL的PI控制器参数。
RCC的PI控制器参数。
符号
符号
L，R，Z 电感，电阻，阻抗。
Psi; 通量。
Sigma; 泄漏因子。
上标
c 转换器（PLL）dq帧。
* 参考值。
下标
0 dq 帧中的稳态值。
s，r，m 定子，转子，相互。
手稿于2016年11月7日收到; 2016年12月26日修订;2016年1月10日接受。发布日期2017年1月19日;当前版本的日期2017年5月18日。这项工作得到了国家重点研究部分支持以及Grant 2016YFB0900104下的开发计划，部分由国家自然科学基金资助项目51277196。
TEC-00904-2016。 （通讯作者：王伟生。）
J. Hu，B. Wang和Q. Hu与高级国家重点实验室合作
电磁工程与技术学院和电气工程学院
华中科技大学电子工程学院，
武汉430074（电子邮件：j.hu@hust.edu.cn; wangbo_zju@hust.edu.cn;
qihu@hust.edu.cn）。
W. Wang，H. Tang和Y. Chi与中国电力研究院搜索研究所，北京100192（电子邮件：wangws@epri.sgcc.com.cn;
tanghy@epri.sgcc.com.cn; chiyn@epri.sgcc.com.cn）。
本白皮书中的一个或多个数字的彩色版本可在线获取
在http://ieeexplore.ieee.org。
数字对象标识符10.1109 / TEC.2017.2655540
图1 基于DFIG的风电机组并网故障时的LVRT策略（GSC控制器被省略）
I.导语
根据电网标准[1], [2]，在短线路电网故障时，风力发电机需要保持连接并注入无功电流，它设置可控的应力（瞬态过电流和电压）和稳定性作为安全低电压穿越（LVRT）的先决条件。现代双馈感应发电机（DFIG）的风力涡轮机（WT），这篇论文的目标平台，是根据电网标准和设计而设计的技术进步。然而，随着不断增加渗透，位于偏远地区的大型风力发电厂通过高阻抗的长输电线连接交流电网，这很少被现有LVRT技术的DFIG WTs所考虑，从而挑战可控压力和稳定性的要求。
对DFIG WT的LVRT的广泛研究集中在重要的应力问题上（包括转子绕组过电流和直流母线过电压）[3]，[4]，这是由定子和转子之间的耦合引起的，转子侧变流器（RSC）的有限控制电压。但是，在故障期间可能存在的稳定性问题还没有很好地描述。DFIG直接连接到电网，而背靠背换流器通常在很大程度上依赖于终端电压信息工作。由于控制回路通常在动态行为中起着至关重要的作用，基于PLL的矢量控制在DFIG WT的现场LVRT策略中得到了广泛的应用[5]，并且也是本文考虑的场景，这与我们有关。高阻抗电网中容易受到干扰的端子电压带来了不希望有的动态控制回路，并可能导致故障期间DFIG WT脱扣的小信号振荡不稳定性。另外，由于暂态稳定性取决于初始状态，所以在电网故障清除时，失控振荡会进一步触发瞬态不稳定问题。因此，安全的LVRT技术需要注意当WT连接到高阻抗时故障期间的稳定性问题。
弱电网故障时控制回路的稳定性问题已被学术界和风电企业所关注。[6]中介绍了风电场在故障期间的电网将电流注入高阻抗的稳定性问题。在[7]中被发现与频率驱动的PLL有关，如果电流参考值超出一定限制，则将其设为无穷大或零。在[8]中，不稳定的原因被解释为高阻抗网格引起的PLL正反馈效应，并由于深电压凹陷而加重。在[9]中提出了一种改善严重故障期间PLL的稳定性的先进方法。但是，作品在[6]-[9]中都集中在PLL对稳定性的影响上，交流电流控制的效果被忽略了。[10]涉及深电压下陷期间用于4型WT的电网侧转换器的不稳定性问题，包括电网侧电流控制器的影响。然而，不像在类型4的情况下将发电机与电网解耦WT，DFIG直接连接到电网。因此，小信号基于DFIG的WT在故障期间的行为，其中RSC起作用一个重要的角色，并不包含在上面的任何作品中。
当涉及到正常生成条件的扩展范围时，覆盖DFIG的小信号行为的工作也值得我们关注。论文[11]-[15]研究了机电和直流母线电压时间尺度的小信号行为，并对动态电流控制器进行了研究。[16]涵盖了RSC电流回路的稳定性分析，并考虑了反电动势的实际补偿条件。但是，它忽略了PLL和AC电网的动态阻抗。[17]和[18]介绍了包括PLL和电流控制器在内的控制的影响，但没有明确地解决RSC参数的问题及其对稳定性行为的影响。由于控制策略和操作点之间的控制策略和操作点之间的差异，以及其固有的非线性，主要是在实现控制的参考帧转换中，基于正常生成的条件下，对准确的结果进行了关键的动态分析。为了DFIG的正常操作而设计的一些其它控制策略。[19]-[21]消除了旋转体回路或PLL，以及一些替代的控制结构[22]-[23]，还没有广泛地应用在LVRT中。
据作者所知，在故障期间，DFIG WT的小信号行为尚未得到充分研究。本文旨在研究小信号行为如何的DFIG WTs受控制参数以及严重电网故障期间的工作点，以及相互作用PLL和转子电流控制器（RCC）之间突出显示。虽然通过试验和误差模拟可以很容易地找到目标影响，但是通过物理洞察力进行定量研究
不稳定机制有利于控制设计程序。以前的作品是关于小信号稳定性分VSC-HVDC系统以及VSC的一般术语通常采用状态空间或阻抗分析方法--[24]，[25]。但是，它仍然不直观说明弱电网控制回路之间的相互关系。复合扭矩系数法（CTCM）在电力系统稳定分析中被广泛接受为一种物理解释机械和同步发电机（SG）的电子子系统之间的相互作用的方法[26]-[29]。更好地理解控制回路之间的相互作用，CTCM的概念在[10]-[12]中扩展为解释控制回路的耦合。这篇论文的大部分内容
也致力于这种方法，推广CTCM从SG的机械运动到稳定性分析PLL的相位运动。具体来说，PLL的动态是类似于SG的，电流调节的影响类似于电气控制，因此被区分。通过这种推广，所研究的小信号稳定性发展中的复杂阶段可以识别DFIG系统系数（CPC）。
本文的其余部分安排如下。在第二节中，所研究的DFIG系统在故障期间一起被探索与RCC和PLL的相互作用。在第三节中，提出了反映PLL-RCC相互作用的分析模型为发达的CPC方法。在第四节中，基于所提出的模型，分析了控制参数对小信号稳定性的影响，并对操作点进行了分析。在第五节中，通过实验验证分析结果。最后，在第六节中得出结论。
II.双馈电机的WT系统的研究和建模
系统描述
图1显示了对称电压跌落过程中研究的双馈型IGBT以及高阻抗电网。在文本中我们考虑对称电网严重故障的情况发生在量化的弱电网的长传输中短路比（SCR）低于2.5。当电网持续故障时，故障点的交流源被建模为等效残余电压，角频率。阻抗在终端和故障点之间，它扮演着一个重要的角色，由电网阻抗（长传输）线路和配电阻抗（风电场的升压变压器和电源线）组成。由于电网阻抗发生偏离在各种故障情况和网络配置情况下的故障前值，对于一般性讨论，阻抗建模为戴维宁阻抗，即。分流滤波器由电容器Cf表示。
对于大多数电网标准而言，WT需要注入与故障期间电压偏差成比例的有功电流[1]，[30]。深电压下的原理图LVRT策略本文考虑的下垂也在图1中示出。转子侧变换器（RSC）起到了注入反应电流的作用，而电网侧变流器（GSC）负责主DC总线电压。定子电压定向矢量控制基于锁相环（PLL），不失一般性，用于d轴和q轴之间的解耦控制电流。无功转子电流参考值由表看上去的方法给出，RSC的剩余电流容量可以被分配到有功电流参考以减轻机械应力[31]。商用DFIG转换器通常是有能力的在LVRT期间略微超载。考虑到深陷条件和强励磁控制要求，对于DFIG，无功电流参考设置为1.0 p.u. 结果，RSC的PLL和转子电流控制器（RCC）成为研究DFIG系统LVRT期间的主要关注点。
B.系统模型
通常，PLL中的端子电压的q轴分量参考轴用于驱动PLL使DFIG同步交流电网。所使用的二阶PI基PLL由下式给出：
其中s是拉普拉斯算子，theta;是反馈角， omega;1为频率前馈
如图1所示。角度theta;c定义了转换器dq轴，其在稳定状态下与所定义的电网dq轴一致如omega;g=omega;1和theta;g=omega;1/ s。转换器dq轴中的向量将用附加的上标c表示。角速度这两个轴之间的差值是omega;delta;，并且相位差被给出为 ：
这意味着稳定状态下的零值，即
但是，必须考虑相位差delta;为了在系统动态模型中包含PLL的动态特性。
网格中的向量与向量之间的转换关系转换器的dq轴被给出为 ：
其中F代表通用空间矢量，如U，I和psi;。
DFIG的电压和磁链方程可概括为：
基于PI的RCC设计在转换器dq轴中消除 dq交叉耦合和前馈反电动势来改善动态性能如图1所示，[16]可以描述为：
其中alpha;f是一阶低通滤波器的截止频率。由于RCC的带宽比通常选择的开关频率低得多，相似。
在研究的LVRT策略中，RSC负责DFIG，GSC只处理流过直流母线的滑动功率，受RSC动态的干扰。这样GSC的动态过程实际上是由RSC进行的。因此，RSC在DFIG系统的动态行为中起着重要作用。如讨论GSC的影响超出了本文的范围，GSC在下面的分析中省略。基于这种简化，注入高阻抗交流电网的电流为 ：
根据叠加定理，终端电压为等效电网电压和阻抗Z1的电压降之和 。
其中delta;1是由网格dq轴确定的Ueq相位操作点。通过考虑式（5）和式（7）用Cf来求解delta;1，忽略和忽略开关和功率损耗DFIG电阻，重得式（8）里的稳态量：
其中.那么从（9）中解出来，给定，得：
这表明随着大电网的残余电网电压较低阻抗在稳定状态下令角度delta;1增大。
C.PLL和RCC之间的相互作用
根据（1），（3）和（4），PLL可以表示为图2中的蓝色虚线框。同时，基于（4）-（6），RCC与DFIG一起的动态可以表示为图2中的红色虚线框。因此，PLL与RCC之相互作用可以粗略地用图2中的红色粗线表示。
图2 电网高阻抗下，PLL和RCC之间的相互作用
更具体地说，一方面，RCC的影响是可以的从（5）和（6）推导出来 ：
这给出了转换器dq轴中转子电流的动态特性。这表明端电压，定子磁通的变化，并在转换器dq轴中观察到转子电流参考动态调节转子电流至RCC。作为终端电压并且转换器dq轴中的定子磁通是通过帧获得的，随着来自PLL的delta;变换，RCC的动态受到影响。
另一方面，定子电流与电流之间的关系和转子电流可以从（5）推导出来
这表明定子电流直接受到影响通过转子电流。因此，根据（7），（8）和（12），
转子电流的动态可以传播到端电压它通过高电网阻抗来确定PLL的动态特性。
因此，RCC的动态也会影响PLL。
结果，从PLL的输出到PLL的输入的闭环，被高阻抗电网封闭包围，如图2所示。根据(8)随着电网阻抗的增加，电压在阻抗上的下降变得更大，这意味着更强的相互作用。因此，双馈电机WT连接到高阻抗电网可能会遇到在LVRT期间由PLL和RCC的相互作用导致的不需要的动态行为，这将在下一节中探讨
III．用复和扭矩系数法建模
为了研究RSC控制回路对双馈感应式电机在LVRT中的小信号行为的影响，应首先开发分析模型。
CTCM的初步分析和回顾
图3 CTCM从(A)传统的转子运动到(B)相移的广义应用
对于高阶DFIG系统，可以通过用模态分析法改变电网电压降深来研究故障期间的小信号行为。获得所研究的系统的线性化的状态空间方程：
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