『电气技术』英国谢菲尔德大学王涛特稿：非理想电网下双馈风电系统运行技术
团队介绍
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王涛
王涛 ， 工学博士 ， 英国谢菲尔德大学博士后 。 主要研究方向为风力发电系统高性能控制 ， 永磁电机驱动控制 ， 先进控制技术在电气系统中的应用等 。 曾参与英国工程和自然科学研究委员会（EPSRC）项目、国家863计划、国家重点研发计划、青海省重大科技专项等科技项目10余项 ， 在IEEETransaction、IET、电工技术学报、电力系统自动化等国内外学术刊物发表学术论文15篇 ， 申请英国发明专利1项 。
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诸自强
诸自强 ， 工学博士 ， 英国谢菲尔德大学教授 ， 英国皇家工程院院士 ， IEEEfellow ， IETfellow 。 现为谢菲尔德大学电机与驱动课题组组长 ， 并担任谢菲尔德西门子风电研究中心、中车电机驱动技术研究中心、美的电机和控制研究中心的研究负责人 。 研究方向为永磁无刷电机的设计与驱动 ， 及其在交通、新能源等领域的应用 。
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年珩
年珩 ， 工学博士 ， 浙江大学教授 ， 博士生导师 ， 国家优秀青年基金获得者 。 2013年至2014年在美国伦斯勒理工大学任访问学者 。 研究方向为风力发电系统的设计和控制、新能源发电系统阻抗建模及其稳定性分析等 。 发表IEEE/IET论文40余篇 ， 申请发明专利20余项 。
导语双馈风力发电系统在谐波和不平衡电网下 ， 可利用各类增强控制技术提升机组的运行性能或改善并网点电能质量；在电网电压跌落时 ， 需采用各类软、硬件保护技术 ， 确保机组不脱网运行 ， 并向电网提供无功支撑 。
本文围绕上述两个方面 ， 对非理想电网下双馈风力发电系统控制技术进行综述 ， 对比分析了现有各类技术方案 ， 并对其发展趋势和潜在研究热点进行了讨论和展望 。
研究背景
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近年来 ， 随着能源和环境问题不断凸显 ， 风力发电产业和技术都取得了巨大发展 ， 风电装机容量持续快速增长 。 在各类风力发电机类型中 ， 双馈感应发电机以其造价低廉、变流器容量小、控制灵活等优势 ， 长期占据主流地位 。 同时 ， 由于电源和负荷日趋复杂多样 ， 电网呈现出显著的非理想特性 ， 主要可分为谐波、不平衡等持续性轻微非理想特性 ， 以及电压跌落等短时严重非理想特性 。
由于双馈风电机组定子绕组直接接入电网 ， 故对各类非理想电网特性十分敏感 。 同时双馈风电机组逆变器容量一般仅为机组容量30%左右 ， 在严重非理想电网下机组控制能力有限 。 因此 ， 非理想电网下的双馈风电机组控制技术受到了广泛关注 。
主要内容本文对谐波畸变、不平衡、电压跌落等非理想电网下的双馈风电机组运行技术进行综述 ， 对现有各类技术方案的运行原理、设计思路和相互关联进行梳理和比较 ， 并对相关技术的发展趋势和潜在研究热点进行探讨和预测 。
首先 ， 考虑谐波、不平衡等持续性轻微非理想电网特性 。 依据控制目标的不同 ， 可将谐波和不平衡电网下双馈风电机组的运行技术分为两类：一类以提升机组自身运行性能为目标 ， 对谐波和不平衡电网进行“抵御”；另一类以改善并网点电能质量为目标 ， 对谐波和不平衡电网进行主动补偿 。
谐波和不平衡电网下双馈风电机组自身运行性能下降 ， 这主要表现在输出电流畸变和不平衡、转矩和直流母线电压波动、损耗增加和发热不均等方面 。 针对这些问题已出现多种新型补偿技术 ， 它们通过对波动分量的有效控制 ， 实现一系列可选的补偿目标 ， 例如定子电流平衡无畸变、电磁转矩无波动、直流母线电压无波动等 。
根据技术路线的不同 ， 可将这些技术分为三类 ， 即基于PI带宽扩展的补偿技术、基于宽频控制器的补偿技术 ， 以及直接谐振控制技术 ， 如图1所示 。
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