基于改進(jìn)自抗擾的電壓控制型雙饋風(fēng)電機(jī)組故障穿越策略

謝 震，崔 建，李 喆，張 興

（合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，安徽省合肥市 230009）

0 引言

隨著可再生能源的發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電也得到了快速發(fā)展，其中以雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)（doubly-fed induction generator，DFIG）為基礎(chǔ)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)因其出色的特性得到廣泛研究和應(yīng)用［1］。從定向角度可將DFIG 機(jī)側(cè)控制模式分為電流控制型和電壓控制型，二者因并網(wǎng)方式不同，在弱電網(wǎng)下呈現(xiàn)不同的并網(wǎng)特性［2-4］。在弱電網(wǎng)下，電流控制型DFIG 由于鎖相環(huán)與電流控制耦合，控制性能會(huì)發(fā)生惡化，而電壓控制型DFIG（VC-DFIG）采用自同步并網(wǎng)方式，不依賴(lài)于鎖相環(huán)，因此避免了上述影響［5-6］。

電壓控制型雙饋風(fēng)電機(jī)組的功率外環(huán)采用自同步的并網(wǎng)方式，更適合在弱電網(wǎng)下運(yùn)行。對(duì)于虛擬同步發(fā)電機(jī)（virtual synchronous generator，VSG）控制下的DFIG，近年來(lái)有不少相關(guān)研究［7-12］。文獻(xiàn)［7］針對(duì)VSG 控制下的DFIG 并網(wǎng)時(shí)存在功率耦合的問(wèn)題，結(jié)合自適應(yīng)虛擬阻抗策略實(shí)現(xiàn)功率解耦。文獻(xiàn)［8］針對(duì)VSG 控制下的DFIG 存在小擾動(dòng)穩(wěn)定性問(wèn)題，通過(guò)阻抗建模對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行分析，提出可通過(guò)適當(dāng)增大虛擬慣量時(shí)間常數(shù)和阻抗系數(shù)提高其并網(wǎng)穩(wěn)定性。文獻(xiàn)［9］研究了VSG 控制下的DFIG在弱電網(wǎng)下的運(yùn)行能力，通過(guò)特征值分析和仿真得出其在弱電網(wǎng)下具有較好的穩(wěn)定性和頻率支撐能力。

上述文獻(xiàn)僅對(duì)VC-DFIG 在正常電網(wǎng)中的控制進(jìn)行了研究。對(duì)于電網(wǎng)故障下電磁暫態(tài)引起的轉(zhuǎn)子過(guò)流問(wèn)題，如果沒(méi)有相應(yīng)的保護(hù)措施或控制方案，可能會(huì)對(duì)電機(jī)的正常運(yùn)行造成影響，甚至損壞轉(zhuǎn)子側(cè)變流器［13］。針對(duì)故障下的電磁暫態(tài)問(wèn)題，目前已有較多文獻(xiàn)提出了針對(duì)電流控制型DFIG 的故障穿越控制策略［14-19］，但對(duì)于VC-DFIG 電網(wǎng)故障暫態(tài)問(wèn)題的研究還較少。文獻(xiàn)［20-21］針對(duì)VSG 控制下的DFIG故障電流問(wèn)題，提出將虛擬電阻和限流相結(jié)合，保證了VSG 在電網(wǎng)對(duì)稱(chēng)故障下的正常工作。文獻(xiàn)［22］針對(duì)VSG 控制下的DFIG 在電網(wǎng)故障下暫態(tài)分量失控的問(wèn)題，提出在VSG 中增加氣隙磁通反饋并結(jié)合相應(yīng)的限流策略，保證了VSG 控制下的DFIG 在故障期間能夠正常工作，也加速了暫態(tài)分量的衰減。文獻(xiàn)［23-24］針對(duì)虛擬同步控制策略下DFIG在電網(wǎng)對(duì)稱(chēng)故障時(shí)存在的轉(zhuǎn)子過(guò)流問(wèn)題，提出在轉(zhuǎn)子電壓處補(bǔ)償一定的暫態(tài)分量，有效抑制了轉(zhuǎn)子過(guò)電流，但是所提策略依賴(lài)于模型的準(zhǔn)確性，魯棒性較差。

針對(duì)VC-DFIG 在電網(wǎng)對(duì)稱(chēng)故障下的轉(zhuǎn)子過(guò)電流問(wèn)題，可通過(guò)抑制引起轉(zhuǎn)子過(guò)電流的擾動(dòng)來(lái)解決。對(duì)于擾動(dòng)的抑制問(wèn)題，文獻(xiàn)［25］基于比例-積分-微分（PID）的控制思想提出自抗擾控制（active disturbance rejection control，ADRC），其由3 個(gè)部分組成：跟蹤微分器、非線(xiàn)性反饋和擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器（extended state observer，ESO）。ESO 是ADRC 的核心部分，其通過(guò)輸出信息對(duì)擾動(dòng)進(jìn)行主動(dòng)估計(jì)和補(bǔ)償，從而達(dá)到消除擾動(dòng)的目的［26］。文獻(xiàn)［27］針對(duì)永磁同步電機(jī)中存在負(fù)載轉(zhuǎn)矩和參數(shù)變化的擾動(dòng)問(wèn)題，提出基于ADRC 的位置-電流雙閉環(huán)策略，有效減小了負(fù)載轉(zhuǎn)矩和參數(shù)變化對(duì)電機(jī)性能的影響，但是其針對(duì)的擾動(dòng)是小范圍的恒定擾動(dòng)。目前，有關(guān)ADRC 應(yīng)用于雙饋風(fēng)電機(jī)組的研究還比較少，針對(duì)VC-DFIG 電網(wǎng)對(duì)稱(chēng)故障下的ADRC 擾動(dòng)估計(jì)和補(bǔ)償能力還不清楚，有必要對(duì)其進(jìn)行研究。

本文首先介紹了VC-DFIG 的控制結(jié)構(gòu)，對(duì)其在電網(wǎng)對(duì)稱(chēng)故障下的轉(zhuǎn)子側(cè)電壓進(jìn)行分析，得出故障下引起轉(zhuǎn)子過(guò)電流的主要擾動(dòng)。然后，針對(duì)故障下的轉(zhuǎn)子過(guò)流問(wèn)題，分析現(xiàn)有暫態(tài)補(bǔ)償策略及其不足，提出基于改進(jìn)自抗擾的轉(zhuǎn)子電流控制方案。最后，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性分析，通過(guò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證所提策略的優(yōu)越性。

1 VC-DFIG 控制結(jié)構(gòu)

本文研究的VC-DFIG 控制結(jié)構(gòu)如圖1 所示。其中，控制環(huán)節(jié)分為2 個(gè)部分：功率外環(huán)和定子電壓環(huán)、轉(zhuǎn)子電流內(nèi)環(huán)。功率外環(huán)輸出同步角速度和電壓幅值，定子電壓環(huán)和轉(zhuǎn)子電流環(huán)使得VC-DFIG具有控制電壓和電流的能力［7］。

圖1 VC-DFIG 控制結(jié)構(gòu)Fig.1 Control structure of VC-DFIG

2 電網(wǎng)對(duì)稱(chēng)故障下VC-DFIG 的轉(zhuǎn)子側(cè)電壓分析

式中：Ls、Lr、Lm分別為定子電感、轉(zhuǎn)子電感和互感；ψs為定子磁鏈；ωr為轉(zhuǎn)子角速度；Rr為轉(zhuǎn)子電阻；ir為轉(zhuǎn)子電流；σ為漏磁系數(shù)且σ=1-L2m/(LsLr)。

式（1）等號(hào)右邊的第1 項(xiàng)為反電動(dòng)勢(shì)er（見(jiàn)式（2）），與定子磁鏈有關(guān)；第2 項(xiàng)為轉(zhuǎn)子回路的阻抗壓降。

假設(shè)系統(tǒng)在t=0 時(shí)發(fā)生電網(wǎng)對(duì)稱(chēng)跌落，跌落深度為p，故障前VC-DFIG 的穩(wěn)定運(yùn)行電壓為V，可得［23］：

式中：τs=Ls/Rs為時(shí)間常數(shù)，其中Rs為定子電阻。

式（3）等號(hào)右邊第1 項(xiàng)為故障下定子的穩(wěn)態(tài)磁鏈Ψsf，與故障期間的穩(wěn)態(tài)電壓有關(guān)；第2 項(xiàng)為故障下定子的暫態(tài)磁鏈Ψst，可以使故障瞬間定子磁鏈保持連續(xù)。故障期間，定子的穩(wěn)態(tài)磁鏈和暫態(tài)磁鏈都會(huì)在轉(zhuǎn)子側(cè)感應(yīng)出對(duì)應(yīng)的反電動(dòng)勢(shì)erf和ert：

因?yàn)檗D(zhuǎn)差率s受轉(zhuǎn)子側(cè)變流器容量的影響，一般在-0.3～0.3 范圍內(nèi)變化，對(duì)比式（4）和式（6）可知，故障下轉(zhuǎn)子開(kāi)路電壓中ert為主要部分，此時(shí)VCDFIG 的轉(zhuǎn)子電壓、電流滿(mǎn)足：

式中：urt為暫態(tài)電壓；irt為暫態(tài)電流。

故障下因控制環(huán)節(jié)無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)做出響應(yīng)，無(wú)法產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的暫態(tài)電壓，即urt=0。由式（7）可知，此時(shí)ert直接作用于轉(zhuǎn)子回路的阻抗上，因回路阻抗一般比較小，將會(huì)產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)子過(guò)電流。

3 VC-DFIG 的故障穿越策略

3.1 基于暫態(tài)補(bǔ)償?shù)目刂撇呗?/h3>

由上述分析可知，轉(zhuǎn)子過(guò)電流是由定子暫態(tài)磁鏈在轉(zhuǎn)子回路感應(yīng)出的暫態(tài)反電動(dòng)勢(shì)所導(dǎo)致的，可在轉(zhuǎn)子電壓指令值上補(bǔ)償一定的暫態(tài)分量來(lái)減小轉(zhuǎn)子電流沖擊。暫態(tài)磁鏈Ψst可由全磁鏈Ψs和穩(wěn)態(tài)磁鏈Ψsf獲得，其表示如下：

式中：k為補(bǔ)償系 數(shù)。當(dāng)k=1 時(shí)，urn=ert，ert得到完全補(bǔ)償；當(dāng)k＜1 時(shí)，ert得到欠補(bǔ)償；當(dāng)k＞1 時(shí)，ert得到過(guò)補(bǔ)償。

由暫態(tài)補(bǔ)償量urt的表達(dá)式可看出，其與補(bǔ)償系數(shù)、電機(jī)參數(shù)以及電網(wǎng)狀態(tài)有關(guān)。由于其直接補(bǔ)償在轉(zhuǎn)子電壓上，如果補(bǔ)償系數(shù)、電機(jī)模型或參數(shù)發(fā)生變化，會(huì)對(duì)補(bǔ)償效果造成影響，甚至可能會(huì)影響原控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，導(dǎo)致魯棒性較差。

3.2 基于改進(jìn)ADRC 的控制策略

由上述分析可知，暫態(tài)補(bǔ)償策略的補(bǔ)償效果受到多方面因素的影響，存在不確定性。關(guān)于擾動(dòng)抑制問(wèn)題，文獻(xiàn)［25］提出了一種新型控制結(jié)構(gòu)，即ADRC。

3.2.1 ADRC 工作原理

對(duì)于一個(gè)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，如果某一擾動(dòng)對(duì)輸出造成影響，其作用將會(huì)通過(guò)輸出信息反映出來(lái)。ADRC 工作核心將系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)型之外的因素視為一個(gè)總擾動(dòng)，通過(guò)ESO 在輸出信息中對(duì)擾動(dòng)估計(jì)并補(bǔ)償。設(shè)計(jì)ESO 的步驟一般如下。

以一階系統(tǒng)為例，其可表示為：

式中：x1為系統(tǒng)的狀態(tài)量；b為系統(tǒng)參數(shù)；u為控制輸入量；y為控制輸出量；w(t)為外部擾動(dòng)作用；f(x1，w(t)，t)為總和擾動(dòng)，其包括建模和未建模、外部擾動(dòng)，將其擴(kuò)張為新的狀態(tài)變量x2=f(x1，w(t)，t)。

式中：fal(e1，α1，δ1)為非線(xiàn)性函數(shù)；b0為控制放大系數(shù)，可 由 系 統(tǒng) 模 型 參 數(shù) 獲 ??；x?1和x?2分 別 為 輸 出 量和擾動(dòng)量的估計(jì)值；β1和β2為觀測(cè)器增益系數(shù)；α1、α2、α為非線(xiàn)性因子，其取值一般小于1；δ1、δ2、δ為線(xiàn)性段間隔長(zhǎng)度，其取值一般小于0.1。

3.2.2 基于ADRC 的轉(zhuǎn)子電流環(huán)設(shè)計(jì)

同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子電流d、q軸分量如下［7］：

式中：ψsd和ψsq分別為定子磁鏈的d、q軸分量；ωsl為轉(zhuǎn)差角頻率且ωsl=ωs-ωr。

對(duì)式（14）的輸入、輸出線(xiàn)性化可得：

式中：dd和dq分別為d、q軸未知擾動(dòng)，其主要為作用于被控量但未在模型中表示的擾動(dòng)，如參數(shù)變化引起的擾動(dòng)；fd和fq分別為d、q軸總擾動(dòng)，模型主要由阻抗壓降、定子電壓、定子磁鏈、兩回路的耦合量、參數(shù)誤差引起的擾動(dòng)、未知擾動(dòng)構(gòu)成。

上述轉(zhuǎn)子電流控制環(huán)路的控制輸入量為轉(zhuǎn)子電壓ur，輸出量為轉(zhuǎn)子電流ir，相對(duì)階數(shù)為一階。為估計(jì)總擾動(dòng)fd和fq，將總擾動(dòng)擴(kuò)張為新的狀態(tài)變量，設(shè)計(jì)的二階ESO 如下：

式 中：i?rd、i?rq和f?d、f?q分 別 為 轉(zhuǎn) 子 電 流 和 擾 動(dòng) 量 觀 測(cè) 值的d、q軸分量；ed和eq分別為輸出量轉(zhuǎn)子電流觀測(cè)值與反饋值誤差的d、q軸分量；α3和α4為非線(xiàn)性因子；β3和β4為觀測(cè)器增益，其值的選取主要依據(jù)帶寬和經(jīng)驗(yàn)整定法；δ3和δ4為線(xiàn)性段間隔長(zhǎng)度。

若擾動(dòng)估計(jì)準(zhǔn)確，系統(tǒng)將變?yōu)楹?jiǎn)單的一階積分型串聯(lián)系統(tǒng)，其狀態(tài)誤差反饋控制律可設(shè)計(jì)如下：

式中：urd0和urq0分別為對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子d、q軸狀態(tài)誤差反饋控制律；Kpd和Kpq分別為d、q軸控制器增益。則其控制量如式（20）所示。

但是對(duì)于電網(wǎng)對(duì)稱(chēng)故障引起的短時(shí)間內(nèi)工頻衰減振蕩的大擾動(dòng)，ESO 可能存在擾動(dòng)估計(jì)能力不足的問(wèn)題，難以對(duì)擾動(dòng)進(jìn)行有效的估計(jì)和補(bǔ)償。由式（21）可知，此時(shí)擾動(dòng)的估計(jì)值和實(shí)際擾動(dòng)值偏差較大，由擾動(dòng)引起的轉(zhuǎn)子電流也不能較好地抑制。

3.2.3 改進(jìn)ADRC 的控制策略

為改進(jìn)常規(guī)ADRC 存在電網(wǎng)對(duì)稱(chēng)故障下擾動(dòng)估計(jì)補(bǔ)償不足的問(wèn)題，將由定子磁鏈模型獲取的暫態(tài)分量作為已知擾動(dòng)引入擾動(dòng)估計(jì)，則式（15）重新表示為：

式中：fd1和fq1分別為由ESO 根據(jù)輸出反饋所估計(jì)的擾動(dòng)的d、q軸分量；fd0和fq0分別為由定子磁鏈獲取的d、q軸暫態(tài)分量，其作為固定擾動(dòng)加入擾動(dòng)補(bǔ)償中；k1為補(bǔ)償系數(shù)，其選取原則與暫態(tài)補(bǔ)償策略一致；Ψstd和Ψstq分別為暫態(tài)磁鏈的d、q軸分量。

將擾動(dòng)項(xiàng)fd1和fq1視為新的狀態(tài)量，可將式（22）重新表述如下：

式中：wd和wq分別為d、q軸有界函數(shù)；yd和yq分別為d、q軸輸出量。

為對(duì)擾動(dòng)fd1和fq1進(jìn)行觀測(cè)，設(shè)計(jì)二階ESO 如下：

式 中：f?d1和f?q1分 別 為 剩 余 未 被 補(bǔ) 償 擾 動(dòng) 的 觀 測(cè) 值 的d、q軸分量。

改進(jìn)ADRC 控制策略下，由式（20）、式（22）可知控制器輸入設(shè)計(jì)為如下形式：

如式（29）所示，電網(wǎng)對(duì)稱(chēng)故障瞬間，擾動(dòng)補(bǔ)償量 從f?d變 為f?d1+fd0，擾 動(dòng) 補(bǔ) 償 速 度 變 快，擾 動(dòng) 補(bǔ) 償量與實(shí)際擾動(dòng)量的偏差由原先的fd-f?d變?yōu)閒df?d1-fd0，所提改進(jìn)策略進(jìn)一步減小了擾動(dòng)補(bǔ)償量與實(shí)際擾動(dòng)量的偏差，轉(zhuǎn)子過(guò)電流得到進(jìn)一步的抑制。

由上述分析可知，常規(guī)ADRC 本身具有一定擾動(dòng)抑制能力。假設(shè)當(dāng)暫態(tài)分量fd0和fq0因電機(jī)模型或參數(shù)變大時(shí)，增大量為fd01和fq01，則式（22）變?yōu)椋?/p>

若這部分變化引起輸出量的變化，ESO 能夠從輸 出 信 息 中 提 取 相 應(yīng) 的 擾 動(dòng) 量f?d01和f?q01，將 式（28）代入式（30）可得此時(shí)轉(zhuǎn)子電流的表達(dá)式如下：

由式（31）可知，ESO 能夠抑制因電機(jī)參數(shù)或模型導(dǎo)致暫態(tài)分量偏差所引起的擾動(dòng)，降低其對(duì)系統(tǒng)的影響。由式（26）至式（28）可得基于改進(jìn)ADRC的控制框圖如圖2 所示。

圖2 基于改進(jìn)ADRC 的控制策略框圖Fig.2 Block diagram of control strategy based on improved ADRC

4 穩(wěn)定性分析

因d軸與q軸是對(duì)稱(chēng)且互相獨(dú)立的，只需對(duì)其中一軸的穩(wěn)定性進(jìn)行分析即可，以下主要針對(duì)d軸的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

4.1 ESO 穩(wěn)定性分析

對(duì)fal(ed，α1，δ1)和fal(ed，α2，δ2)做適當(dāng)變化可得：

式中：ρ1(ed)和ρ2(ed)為誤差縮放系數(shù)，跟隨誤差變化。

選取α1=α2、δ1=δ2，則定義：

根據(jù)式（36）可知0 ＜ρ(ed)＜4.47，β1ρ(ed)和β2ρ(ed)是在一定范圍內(nèi)變化的函數(shù)，可根據(jù)勞斯判據(jù)方法對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性分析［28］。

根據(jù)式（35）可得其特征方程為s2+β1ρ(ed)s+β2ρ(ed)=0，列出其勞斯表，詳見(jiàn)附錄A。由勞斯判據(jù)可得ESO 的穩(wěn)定條件為：

由于ESO 觀測(cè)器帶寬的值均為正，即ρ（ed）＞0，故ESO 是穩(wěn)定的。

4.2 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

由式（22）和式（30）可得d軸控制系統(tǒng)表達(dá)式為：

式 中 ：Δ=s3+β1ρs2+(2β2ρ+b0β1ρKpd)s+b0β2ρKpd，其中ρ=ρ(ed)。

由 式（39）可 得 其 特 征 方 程 為s3+β1ρs2+(2β2ρ+b0β1ρKpd)s+b0β2ρKpd=0，列 出 其 勞 斯表，詳見(jiàn)附錄A。由勞斯判據(jù)可得系統(tǒng)穩(wěn)定性條件為：

當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)，式（41）中等號(hào)右邊全收斂為零，則有：

當(dāng)β2遠(yuǎn)大于wd時(shí)，ESO 的觀測(cè)誤差會(huì)足夠小，這時(shí)有|ed1|＜1，1 ＜ρ(ed)＜4.47。由此可得：

由式（40）和式（43）可知，d軸閉環(huán)控制系統(tǒng)是穩(wěn)定的。同理，q軸也是穩(wěn)定的。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證所提策略的優(yōu)越性，在11 kW 雙饋風(fēng)電機(jī)組實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)相關(guān)實(shí)物圖如附錄B 圖B1 所示。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所用的DFIG 參數(shù)如表1 所示。在某一時(shí)刻，電網(wǎng)電壓發(fā)生對(duì)稱(chēng)跌落，跌落深度為50%，持續(xù)時(shí)間為500 ms。本次實(shí)驗(yàn)對(duì)電機(jī)運(yùn)行在次同步和超同步2 種工況下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)波形如圖3 所示，具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)附錄B。

表1 DFIG 參數(shù)Table 1 Parameters of DFIG

1）次同步工況（轉(zhuǎn)速為900 r/min）

電網(wǎng)對(duì)稱(chēng)故障前，有功功率給定為0.4 p.u.，無(wú)功功率給定為0.18 p.u.。圖3（a）為無(wú)策略加入下的VC-DFIG 實(shí)驗(yàn)波形。從圖中可以看出，電網(wǎng)電壓跌落期間的最大轉(zhuǎn)子沖擊電流約為12.6 A，轉(zhuǎn)子過(guò)電流為9 A，電磁轉(zhuǎn)矩波振蕩幅度約為0.27～0.45 p.u.。圖3（b）為 常 規(guī)ADRC 策 略 下 的VC-DFIG 實(shí) 驗(yàn) 波形。從圖中可以看出，故障瞬間轉(zhuǎn)子最大沖擊電流約為8.6 A，過(guò)電流抑制比約為44%，電磁轉(zhuǎn)矩振蕩幅度降到0.304～0.396 p.u.，有功、無(wú)功故障下的振蕩也得到一定抑制，說(shuō)明該策略具有一定的轉(zhuǎn)子過(guò)電流抑制能力。圖3（c）為基于暫態(tài)補(bǔ)償?shù)腣CDFIG 實(shí)驗(yàn)波形。從圖中可以看出，故障瞬間轉(zhuǎn)子最大沖擊電流降至6.5 A，轉(zhuǎn)子過(guò)電流抑制比約為67.7%，暫態(tài)衰減時(shí)間約為210 ms，電磁轉(zhuǎn)矩振蕩范圍縮小至0.31～0.38 p.u.，對(duì)有功、無(wú)功功率在故障期間的振蕩抑制更加明顯。對(duì)比圖3（a）和（c）可知，轉(zhuǎn)子電壓故障期間的穩(wěn)態(tài)脈動(dòng)是由暫態(tài)補(bǔ)償量引起的。圖3（d）為本文所提改進(jìn)ADRC 策略下的VCDFIG 實(shí)驗(yàn)波形。從圖中可以看出，故障瞬間的轉(zhuǎn)子最大沖擊電流降至5.4 A，轉(zhuǎn)子過(guò)電流抑制比約為80%，暫態(tài)衰減時(shí)間約為170 ms，電磁轉(zhuǎn)矩振蕩范圍降至0.31～0.37 p.u.。對(duì)比圖3（b）和（c）可發(fā)現(xiàn)，所提策略進(jìn)一步抑制轉(zhuǎn)子過(guò)電流的同時(shí)也加快了暫態(tài)衰減速度。對(duì)比圖3（c）和（d）故障期間的轉(zhuǎn)子電壓可發(fā)現(xiàn)，所提策略控制下的轉(zhuǎn)子電壓幾乎沒(méi)有穩(wěn)態(tài)脈動(dòng)現(xiàn)象，能有效抑制暫態(tài)分量變化帶來(lái)的擾動(dòng)，體現(xiàn)了所提策略良好的魯棒性。圖3（e）為電感失配20% 時(shí)改進(jìn)ADRC 策略下的VC-DFIG 實(shí)驗(yàn)波形。當(dāng)Lm減小時(shí)，故障下的暫態(tài)分量會(huì)隨之變小，此時(shí)故障瞬間轉(zhuǎn)子最大沖擊電流為5.8 A，轉(zhuǎn)子過(guò)電流抑制比約為75%，暫態(tài)衰減時(shí)間約為180 ms，電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)范圍變?yōu)?.310～0.375 p.u.，其與圖3（d）的實(shí)驗(yàn)結(jié)果接近。實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比說(shuō)明，改進(jìn)ADRC 策略對(duì)暫態(tài)磁鏈依賴(lài)度較低，具有良好的魯棒性。

圖3 次同步50%電網(wǎng)電壓對(duì)稱(chēng)跌落下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Experimental results of sub-synchronous 50% symmetric drop of grid voltage

2）超同步工況（轉(zhuǎn)速為1 050 r/min）

圖4（a）至（c）分別為超同步工況無(wú)策略加入下的VC-DFIG、基于暫態(tài)補(bǔ)償?shù)腣C-DFIG 和本文所提控制策略的VC-DFIG 實(shí)驗(yàn)波形圖。由圖4（a）可以看出，電網(wǎng)對(duì)稱(chēng)故障瞬間轉(zhuǎn)子最大沖擊電流為12.6 A，電磁轉(zhuǎn)矩振蕩范圍為0.26～0.44 p.u.。由圖4（b）可以看出，故障瞬間轉(zhuǎn)子最大沖擊電流降至6.3 A，轉(zhuǎn)子過(guò)電流抑制比約為70%，暫態(tài)衰減時(shí)間為190 ms，電磁轉(zhuǎn)矩振蕩區(qū)間為0.31～0.38 p.u.，轉(zhuǎn)子電壓在故障期間也存在穩(wěn)態(tài)脈動(dòng)現(xiàn)象。由圖4（c）可以看出，其故障瞬間轉(zhuǎn)子最大沖擊電流降低至5.5 A，轉(zhuǎn)子過(guò)電流抑制比約為78%，暫態(tài)衰減時(shí)間約為160 ms，電磁轉(zhuǎn)矩振蕩區(qū)間進(jìn)一步縮小為0.32～0.38 p.u.，轉(zhuǎn)子電壓在故障期間幾乎無(wú)脈動(dòng)現(xiàn)象發(fā)生，有功、無(wú)功功率在故障瞬間的振蕩也得到進(jìn)一步抑制。對(duì)比圖4（b）和（c）可知，所提策略能進(jìn)一步抑制轉(zhuǎn)子過(guò)電流，同時(shí)縮短快暫態(tài)衰減時(shí)間，與次同步工況下得出結(jié)論一致，驗(yàn)證了改進(jìn)ADRC 控制策略的優(yōu)越性。

圖4 超同步50%電網(wǎng)電壓對(duì)稱(chēng)跌落下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Experimental results for super-synchronous 50% symmetric drop of grid voltage

6 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)VC-DFIG 在電網(wǎng)對(duì)稱(chēng)故障下的轉(zhuǎn)子過(guò)電流問(wèn)題，以往的暫態(tài)補(bǔ)償策略是在轉(zhuǎn)子電壓處補(bǔ)償一定的暫態(tài)分量，但是補(bǔ)償效果受電網(wǎng)穩(wěn)定性和電機(jī)參數(shù)影響較大，魯棒性較差。對(duì)此本文提出了一種改進(jìn)ADRC 的故障穿越控制策略。一方面，所提策略對(duì)常規(guī)ADRC 在故障下的擾動(dòng)估計(jì)不足進(jìn)行了改進(jìn)，將定子磁鏈獲取的暫態(tài)分量作為已知擾動(dòng)引入擾動(dòng)補(bǔ)償，進(jìn)一步減小了電網(wǎng)對(duì)稱(chēng)故障下擾動(dòng)補(bǔ)償量與實(shí)際擾動(dòng)量的偏差，提升故障下的擾動(dòng)補(bǔ)償速度和能力。另一方面，其通過(guò)二階ESO 對(duì)擾動(dòng)進(jìn)行估計(jì)補(bǔ)償，降低了故障下模型參數(shù)對(duì)實(shí)際控制效果的影響，具有較好的魯棒性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所提策略在電網(wǎng)對(duì)稱(chēng)故障下具有良好的轉(zhuǎn)子過(guò)電流抑制能力和較好的魯棒性。

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