弱電網環(huán)境下雙饋風機同步控制動態(tài)特性與協(xié)調控制策略的深度剖析一、引言1.1研究背景與意義隨著全球對清潔能源的需求不斷增長，風電作為一種重要的可再生能源，在能源結構中的地位日益凸顯。近年來，風電裝機容量持續(xù)攀升，在2025年，全球風電累計裝機容量預計突破1500吉瓦，中國作為風電發(fā)展的主力市場之一，風力發(fā)電累計裝機容量在2022年就已達到36544萬千瓦，展現(xiàn)出強大的發(fā)展?jié)摿?。風電的廣泛應用不僅有助于減少對傳統(tǒng)化石能源的依賴，降低碳排放，還能推動能源結構的優(yōu)化和可持續(xù)發(fā)展。在風電領域，雙饋風機憑借其結構簡單、控制方便、成本較低等優(yōu)勢，成為目前風電場中廣泛應用的一種風力發(fā)電機，市場份額達68%，占據(jù)絕對主導地位。雙饋風機采用的雙饋電機轉子電路具有較好的轉換性能和傳動性能，能夠實現(xiàn)較為靈活的功率調節(jié)和控制。通過控制轉子側變流器和網側變流器，可以實現(xiàn)對發(fā)電機有功功率和無功功率的獨立控制，從而提高風電系統(tǒng)的運行效率和穩(wěn)定性。然而，隨著風電裝機容量的不斷增加，許多風電場需要接入弱電網。弱電網通常具有短路容量小、線路阻抗大等特點，這使得電網對風電接入的承載能力和調節(jié)能力相對較弱。在弱電網環(huán)境下，雙饋風機的同步控制動態(tài)特性會受到較大影響。當電網電壓出現(xiàn)波動時，雙饋風機的同步控制可能會出現(xiàn)困難，導致發(fā)電機輸出功率不穩(wěn)定，甚至可能引發(fā)系統(tǒng)振蕩。若電網頻率發(fā)生變化，雙饋風機的轉速控制也會面臨挑戰(zhàn)，影響其正常運行。這些問題不僅會降低雙饋風機自身的性能和可靠性，還可能對整個風電系統(tǒng)以及電網的安全穩(wěn)定運行構成威脅，使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性和調節(jié)性能得不到充分的保障，進而導致風電系統(tǒng)的故障率增加，電網的供電質量下降。因此，深入研究弱電網下雙饋風機的同步控制動態(tài)特性及其協(xié)調控制策略具有至關重要的意義。從理論層面來看，能夠進一步豐富和完善風電系統(tǒng)控制理論，揭示弱電網與雙饋風機之間的相互作用機制，為后續(xù)的研究提供更堅實的理論基礎。通過建立精確的數(shù)學模型和分析方法，深入探究雙饋風機在弱電網環(huán)境下的運行特性，有助于推動電力系統(tǒng)領域相關理論的發(fā)展。從實際應用角度出發(fā)，研究成果可以為雙饋風機的設計、運行和維護提供科學依據(jù)和技術支持，提高其在弱電網下的運行效率和可靠性，保障風電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，促進清潔能源的高效利用。在風電場的規(guī)劃和建設中，可以根據(jù)研究結果合理選擇雙饋風機的型號和配置，優(yōu)化控制系統(tǒng)參數(shù)，提高風電場的整體性能。在運行過程中，能夠為操作人員提供更準確的控制策略和故障診斷方法，及時發(fā)現(xiàn)和解決問題，降低運維成本。這對于推動我國乃至全球風電產業(yè)的健康發(fā)展，實現(xiàn)能源的可持續(xù)供應，都具有重要的現(xiàn)實意義，同時也有助于提升電力系統(tǒng)的智能化調度水平，增強電網對新能源的消納能力，為構建清潔低碳、安全高效的能源體系做出貢獻。1.2國內外研究現(xiàn)狀在弱電網下雙饋風機的研究領域，國內外學者已取得了一系列具有重要價值的成果。國外方面，[具體作者1]深入剖析了雙饋風機在弱電網中的運行特性，通過構建詳細的數(shù)學模型，精準地揭示了電網阻抗對雙饋風機功率控制的影響機制。研究發(fā)現(xiàn)，隨著電網阻抗的增大，雙饋風機的功率波動明顯加劇，尤其是在電網電壓出現(xiàn)擾動時，功率振蕩的幅度和頻率都顯著增加，嚴重影響了風機的穩(wěn)定運行。基于此，[具體作者1]提出了一種基于虛擬阻抗控制的策略，通過在控制環(huán)節(jié)中引入虛擬阻抗，有效地改善了雙饋風機在弱電網下的功率控制性能，降低了功率波動。[具體作者2]則著重研究了雙饋風機的鎖相環(huán)技術在弱電網環(huán)境下的優(yōu)化，創(chuàng)新性地提出了一種自適應鎖相環(huán)算法。該算法能夠根據(jù)電網電壓的波動情況實時調整鎖相環(huán)的參數(shù)，顯著提高了鎖相環(huán)在弱電網下的動態(tài)響應速度和穩(wěn)定性，使得雙饋風機能夠更快速、準確地跟蹤電網電壓的相位變化，從而增強了風機與電網的同步性能。國內的研究同樣成果豐碩。[具體作者3]針對弱電網下雙饋風機的次同步振蕩問題展開了深入研究，采用了特征值分析和時域仿真相結合的方法，全面分析了次同步振蕩的產生機理和影響因素。研究表明，電網的弱阻尼特性以及雙饋風機的控制參數(shù)設置不當，都可能引發(fā)次同步振蕩，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成嚴重威脅。為了抑制次同步振蕩，[具體作者3]提出了一種基于附加阻尼控制的策略，通過在轉子側變流器中加入附加阻尼控制器，有效地增加了系統(tǒng)的阻尼，成功抑制了次同步振蕩的發(fā)生。[具體作者4]則在雙饋風機的協(xié)調控制策略方面取得了重要進展，提出了一種考慮電網電壓調節(jié)和功率調節(jié)的協(xié)調控制策略。該策略通過優(yōu)化控制算法，實現(xiàn)了雙饋風機在弱電網下對電網電壓和功率的協(xié)同控制，顯著提高了風機的響應速度和運行效率，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。盡管國內外在弱電網下雙饋風機的研究已取得諸多成果，但仍存在一些不足之處。部分研究在建立模型時，對電網的復雜性考慮不夠全面，往往忽略了一些實際因素的影響，導致模型與實際情況存在一定偏差，從而影響了研究結果的準確性和可靠性?，F(xiàn)有研究在協(xié)調控制策略方面，雖然提出了多種方法，但在不同控制目標之間的權衡和優(yōu)化還不夠完善，難以實現(xiàn)雙饋風機在各種復雜工況下的最優(yōu)運行。而且針對弱電網下雙饋風機的同步控制動態(tài)特性的綜合研究還相對較少，缺乏對各影響因素之間相互作用關系的深入分析。本文將針對上述不足展開研究，通過建立更精確的考慮多種實際因素的雙饋風機和弱電網模型，深入分析同步控制動態(tài)特性，全面考慮各影響因素之間的相互作用，提出更完善的協(xié)調控制策略，以實現(xiàn)雙饋風機在弱電網下的穩(wěn)定、高效運行，為風電系統(tǒng)的發(fā)展提供更有力的支持。1.3研究內容與方法本文圍繞弱電網下雙饋風機的同步控制動態(tài)特性及其協(xié)調控制策略展開研究，具體內容如下：雙饋風機同步控制動態(tài)特性研究：全面分析雙饋風機在弱電網中的同步控制動態(tài)特性，深入探討影響其同步控制動態(tài)特性的關鍵因素，如電網阻抗、電壓波動、頻率變化等。通過理論推導，建立精確的雙饋風機在弱電網中的同步控制動態(tài)特性數(shù)學模型，為后續(xù)的研究提供堅實的理論基礎。利用該模型，詳細分析各因素對同步控制動態(tài)特性的影響規(guī)律，包括對風機轉速、功率輸出、電磁轉矩等方面的影響。雙饋風機協(xié)調控制策略研究：基于對雙饋風機同步控制動態(tài)特性的深入研究，提出一套全面且有效的協(xié)調控制策略。該策略涵蓋電網電壓調節(jié)控制和功率調節(jié)控制兩個關鍵方面。在電網電壓調節(jié)控制方面，通過引入先進的控制算法，使雙饋風機能夠根據(jù)電網電壓的實時變化，自動調整自身的運行狀態(tài)，以維持電網電壓的穩(wěn)定。在功率調節(jié)控制方面，優(yōu)化控制策略，實現(xiàn)雙饋風機有功功率和無功功率的精準調節(jié)，提高風機的運行效率和穩(wěn)定性。通過對控制策略進行優(yōu)化調節(jié)，大幅提高雙饋風機的響應速度，使其能夠快速適應電網的變化，增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。雙饋風機模型建立和仿真分析：依據(jù)實際情況，運用專業(yè)的建模工具和方法，建立高保真的雙饋風機模型。在建模過程中，充分考慮風機的機械特性、電氣特性以及弱電網的實際運行條件，確保模型的準確性和可靠性。利用Matlab/Simulink等仿真軟件，對建立的雙饋風機模型進行仿真分析。通過設置不同的工況和參數(shù)，模擬雙饋風機在弱電網下的各種運行情況，驗證所提出的同步控制動態(tài)特性模型和協(xié)調控制策略的有效性和可行性。對仿真結果進行深入分析，總結雙饋風機在弱電網下的運行規(guī)律和特點，為實際工程應用提供有價值的參考。在研究過程中，本文采用多種研究方法相結合的方式，以確保研究的全面性和深入性：理論分析：通過對雙饋風機同步控制動態(tài)特性的理論分析和精確計算，深入探討其控制原理和運行機制，明確協(xié)調控制策略的制定原則和關鍵要點。運用電力系統(tǒng)分析、自動控制原理等相關理論，對雙饋風機在弱電網下的運行特性進行詳細推導和分析，為后續(xù)的研究提供堅實的理論支撐。建模與仿真：利用Matlab/Simulink等先進的仿真軟件，建立雙饋風機和弱電網的精確模型。通過對模型進行仿真實驗，模擬各種實際運行工況，深入研究雙饋風機的同步控制動態(tài)特性和協(xié)調控制策略的性能表現(xiàn)。在仿真過程中，靈活調整模型參數(shù)，分析不同因素對系統(tǒng)性能的影響，為優(yōu)化控制策略提供依據(jù)。案例分析：收集和整理實際風電場中雙饋風機在弱電網下的運行數(shù)據(jù)和案例，進行深入分析和研究。通過對實際案例的分析，驗證理論研究和仿真結果的準確性和可靠性，同時發(fā)現(xiàn)實際運行中存在的問題和挑戰(zhàn)，為進一步改進和完善控制策略提供實際參考。二、雙饋風機工作原理與弱電網特性2.1雙饋風機基本結構與工作原理雙饋風機主要由風輪、齒輪箱、雙饋異步發(fā)電機、功率變換器以及控制系統(tǒng)等部分構成。從結構上看，雙饋異步發(fā)電機的定子和轉子都設有繞組。定子繞組直接與電網相連，能夠將發(fā)電機產生的電能輸送到電網中。而轉子繞組則通過滑環(huán)和電刷與功率變換器相連接，這種連接方式使得轉子繞組能夠接受來自功率變換器的勵磁電流，進而實現(xiàn)對發(fā)電機運行狀態(tài)的靈活控制。風輪作為捕獲風能的關鍵部件，在風力作用下開始旋轉，將風能轉化為機械能，通過低速軸傳遞給齒輪箱。齒輪箱對轉速進行提升后，再將機械能傳遞給發(fā)電機的轉子，帶動轉子旋轉。功率變換器由網側變流器和轉子側變流器組成，網側變流器負責與電網進行能量交換，維持直流母線電壓穩(wěn)定，并實現(xiàn)功率因數(shù)的調節(jié)；轉子側變流器則通過控制轉子勵磁電流的幅值、頻率和相位，來實現(xiàn)對發(fā)電機輸出功率的精確控制，確保發(fā)電機能夠在不同風速下穩(wěn)定運行，滿足電網的要求。控制系統(tǒng)實時監(jiān)測風機的運行狀態(tài)，根據(jù)風速、電網電壓、頻率等參數(shù)的變化，對功率變換器發(fā)出相應的控制指令，實現(xiàn)對風機的智能化控制。雙饋風機的工作過程可分為三個階段：啟動階段、變速調節(jié)階段和發(fā)電階段。在啟動階段，風力機剛啟動時，轉子和發(fā)電機都處于靜止狀態(tài)。此時，通過變頻器向轉子繞組提供感應電流，使轉子具有正向的磁場，進而產生轉矩。這個轉矩能夠克服風力機的摩擦力和風力的阻力，促使風力機開始旋轉。在變速調節(jié)階段，一旦風力機啟動并開始旋轉，雙饋風力發(fā)電機的轉子就會感應出電動勢，從而產生電流。這個電流通過功率互換裝置轉換為電能，然后輸送到電網中。變頻器可以調整功率互換裝置的輸出頻率，從而實現(xiàn)對旋轉速度的調節(jié)，以適應不同的風速。在發(fā)電階段，當風力機的轉速達到額定值時，雙饋風力發(fā)電機開始正常工作，將風能高效地轉換為電能。此時，功率互換裝置通過變頻器輸出恒定頻率的電能，并將其穩(wěn)定地輸送到電網中?？刂葡到y(tǒng)會持續(xù)監(jiān)測和調整風機的功率輸出，以確保其接入電網的穩(wěn)定性和安全性，保障電力的可靠供應。雙饋風機的工作原理基于電磁感應定律。當風力帶動風輪旋轉時，風輪通過齒輪箱帶動發(fā)電機的轉子以轉速n旋轉。由于轉子繞組中通入了經過功率變換器調節(jié)的勵磁電流，該電流產生的旋轉磁場與定子繞組之間存在相對運動，從而在定子繞組中感應出電動勢。根據(jù)電磁感應原理，感應電動勢的大小與轉子轉速、勵磁電流的大小和頻率等因素密切相關。通過控制功率變換器，可以精確調節(jié)轉子勵磁電流的幅值、頻率和相位，進而實現(xiàn)對定子感應電動勢的有效控制，使得發(fā)電機輸出的電能滿足電網的要求。在實際運行中，當風速發(fā)生變化時，風輪的轉速也會相應改變。此時，控制系統(tǒng)會根據(jù)風速和發(fā)電機的運行狀態(tài)，實時調整功率變換器的輸出，改變轉子勵磁電流，使發(fā)電機能夠在不同的轉速下保持穩(wěn)定的發(fā)電狀態(tài)，實現(xiàn)對風能的高效利用和電能的穩(wěn)定輸出。2.2弱電網的定義與特性分析在電力系統(tǒng)中，弱電網并沒有一個絕對統(tǒng)一的嚴格定義，不過目前業(yè)內普遍采用短路比（SCR）和電網強度指標（GSI）來對其進行界定。短路比（SCR）指的是并網點的短路容量（Ssc）與風電場額定容量（Prated）的比值，其計算公式為SCR=\frac{Ssc}{Prated}。當SCR的值處于0到10這個區(qū)間時，對應的系統(tǒng)就被認定為弱電網；若SCR的值在0到2之間，此時的系統(tǒng)則屬于極弱電網。電網強度指標（GSI）的定義為GSI=\frac{U_{n}}{\sqrt{3}I_{sc}Z_{eq}}，其中U_{n}代表電網額定電壓，I_{sc}表示短路電流，Z_{eq}是從并網點看進去的等效阻抗。GSI的值越小，就表明電網越弱。一般來說，當GSI小于某個特定閾值時，即可判斷該電網為弱電網。弱電網具有一些顯著的特性。從短路比方面來看，短路比是衡量電網強度的重要指標，在弱電網中，短路比相對較低。這意味著并網點的短路容量較小，電網對功率波動和電壓變化的承受能力較弱。當雙饋風機向電網注入或吸收功率時，由于短路容量小，電網電壓很容易受到影響而產生較大波動。當雙饋風機輸出功率突然增加時，電網無法迅速有效地平衡這部分功率變化，就會導致并網點電壓下降；反之，若雙饋風機吸收功率增加，電壓則可能上升。在電網阻抗特性上，弱電網通常具有較大的電網阻抗。電網阻抗由電阻、電感和電容等組成，在弱電網中，由于輸電線路較長、導線截面積較小或者存在較多的串聯(lián)電抗元件等原因，使得等效的電網阻抗增大。較大的電網阻抗會對雙饋風機的運行產生多方面影響。在功率傳輸過程中，阻抗會導致有功功率和無功功率的損耗增加，降低了能源傳輸效率。根據(jù)功率損耗公式P_{loss}=I^{2}R（其中I為電流，R為電阻）和Q_{loss}=I^{2}X（其中X為電抗），電流通過電網阻抗時會產生有功和無功損耗，電網阻抗越大，損耗也就越大。電網阻抗還會影響雙饋風機的控制性能，由于阻抗的存在，使得雙饋風機與電網之間的電氣聯(lián)系變得更加復雜，增加了控制系統(tǒng)對風機運行狀態(tài)精確控制的難度。弱電網的這些特性會對雙饋風機的運行產生諸多不利影響。在電壓穩(wěn)定性方面，弱電網的電壓更容易受到干擾而出現(xiàn)波動和跌落。當電網電壓波動時，雙饋風機的同步控制會面臨挑戰(zhàn)。風機的控制系統(tǒng)需要不斷調整以維持與電網的同步，但由于弱電網的特性，這種調整可能會變得困難。若電網電壓跌落幅度過大，雙饋風機可能會因為無法滿足低電壓穿越要求而脫網，嚴重影響風電場的正常運行和電力供應的穩(wěn)定性。在頻率穩(wěn)定性方面，弱電網對頻率變化的調節(jié)能力較弱。雙饋風機的運行與電網頻率密切相關，當電網頻率發(fā)生變化時，風機的轉速控制和功率輸出也會受到影響。若電網頻率下降，雙饋風機為了維持與電網的同步，可能需要增加轉子的轉速，這可能導致風機的機械應力增大，甚至超出其設計承受范圍，影響風機的使用壽命和安全性；同時，頻率變化還可能導致雙饋風機的功率輸出不穩(wěn)定，影響電力系統(tǒng)的電能質量。三、弱電網下雙饋風機同步控制動態(tài)特性3.1同步控制關鍵技術在雙饋風機的同步控制中，鎖相環(huán)（PLL）技術是最為關鍵的核心技術之一，它在實現(xiàn)雙饋風機與電網的同步運行方面發(fā)揮著不可或缺的重要作用。鎖相環(huán)的工作原理基于自動控制理論，主要由鑒相器（PD）、濾波器（LF）和壓控振蕩器（VCO）三部分組成。鑒相器的作用是接收輸入信號和壓控振蕩器的輸出信號，通過比較兩者之間的相位差，輸出與相位差成正比的誤差電壓信號。當電網電壓信號作為輸入信號進入鑒相器，與壓控振蕩器輸出的信號進行相位比較時，如果兩者相位不一致，鑒相器就會產生一個誤差電壓，這個電壓的大小反映了相位差的程度。濾波器會對鑒相器輸出的誤差電壓信號進行濾波處理，其目的是濾除高頻噪聲和干擾成分，將誤差電壓信號轉化為平滑的控制電壓信號。因為在實際運行中，鑒相器輸出的信號可能會受到各種噪聲的干擾，若不進行濾波處理，這些噪聲會影響壓控振蕩器的控制精度，導致鎖相環(huán)無法準確跟蹤電網電壓的相位變化。經過濾波器處理后的平滑控制電壓信號作用于壓控振蕩器，壓控振蕩器根據(jù)這個控制電壓來調整其輸出信號的頻率和相位，使輸出信號逐漸接近輸入信號的頻率和相位。壓控振蕩器的輸出信號會再次輸入鑒相器，與輸入信號進行新一輪的相位比較，形成閉環(huán)反饋控制。通過這樣不斷地循環(huán)迭代，鎖相環(huán)能夠實現(xiàn)對輸入信號頻率和相位的精確跟蹤和鎖定，最終使雙饋風機的輸出電壓與電網電壓在頻率和相位上保持同步，確保雙饋風機能夠穩(wěn)定地向電網輸送電能。在弱電網環(huán)境下，鎖相環(huán)技術面臨著諸多嚴峻的挑戰(zhàn)。由于弱電網的短路容量較小，當電網中出現(xiàn)負載變化、故障等情況時，電壓波動和閃變的幅度會比強電網更為顯著。而鎖相環(huán)的性能對電網電壓的穩(wěn)定性極為敏感，電壓的大幅波動和閃變會導致鎖相環(huán)的輸出信號出現(xiàn)誤差，使其難以準確地跟蹤電網電壓的相位和頻率變化。當電網電壓發(fā)生跌落時，鎖相環(huán)可能會因為無法及時準確地捕捉到電壓的相位信息，而導致輸出的相位信號出現(xiàn)偏差，進而影響雙饋風機與電網的同步運行，使雙饋風機的功率輸出出現(xiàn)波動，甚至可能引發(fā)脫網事故。弱電網中存在的諧波成分也會對鎖相環(huán)的性能產生嚴重的負面影響。諧波是指頻率為基波整數(shù)倍的正弦波分量，它們會疊加在電網的基波電壓上，使電網電壓波形發(fā)生畸變。鎖相環(huán)在這種畸變的電壓信號下工作時，由于其內部的鑒相器是基于正弦波信號進行相位比較的，諧波的存在會干擾鑒相器的正常工作，導致鑒相誤差增大，從而使鎖相環(huán)無法準確地鎖定電網電壓的相位，降低了雙饋風機的同步控制精度，影響了雙饋風機的正常運行和電能質量。除了鎖相環(huán)技術，功率變換器控制技術也是雙饋風機同步控制中的關鍵環(huán)節(jié)。功率變換器由網側變流器和轉子側變流器組成，它們通過對雙饋風機轉子勵磁電流的精確控制，來實現(xiàn)對雙饋風機輸出功率的調節(jié)和同步控制。網側變流器負責與電網進行能量交換，維持直流母線電壓穩(wěn)定，并實現(xiàn)功率因數(shù)的調節(jié)。在實際運行中，網側變流器需要根據(jù)電網的運行狀態(tài)和雙饋風機的功率需求，實時調整其輸出電流的幅值、頻率和相位，以確保與電網的良好匹配。當電網電壓出現(xiàn)波動時，網側變流器需要迅速調整自身的控制策略，通過改變輸出電流的相位和幅值，來維持直流母線電壓的穩(wěn)定，同時保證功率因數(shù)在合理范圍內，減少對電網的無功功率影響。轉子側變流器則通過控制轉子勵磁電流的幅值、頻率和相位，來實現(xiàn)對發(fā)電機輸出功率的精確控制。在弱電網下，由于電網的電氣特性發(fā)生變化，轉子側變流器的控制面臨著更大的挑戰(zhàn)。電網阻抗的增大可能會導致轉子側變流器輸出的電流受到影響，出現(xiàn)諧波增加、電流波動等問題。為了應對這些挑戰(zhàn)，需要采用先進的控制算法，如矢量控制、直接轉矩控制等，來提高轉子側變流器的控制精度和動態(tài)響應性能。矢量控制通過將交流電流分解為勵磁電流和轉矩電流兩個分量，分別進行獨立控制，從而實現(xiàn)對發(fā)電機輸出功率的精確調節(jié)；直接轉矩控制則直接對電機的轉矩和磁鏈進行控制，具有響應速度快、控制精度高等優(yōu)點。這些先進的控制算法能夠使轉子側變流器更好地適應弱電網的運行條件，提高雙饋風機的同步控制性能和運行穩(wěn)定性。3.2影響同步控制動態(tài)特性的因素在弱電網環(huán)境下，雙饋風機的同步控制動態(tài)特性受到多種因素的顯著影響，這些因素相互交織，共同作用于雙饋風機的運行過程。電網電壓波動是影響雙饋風機同步控制動態(tài)特性的關鍵因素之一。在弱電網中，由于其短路容量較小，對電壓波動的抑制能力較弱，因此當電網中出現(xiàn)負載變化、故障等情況時，電壓波動和閃變的幅度會比強電網更為顯著。雙饋風機的運行依賴于電網電壓的穩(wěn)定，當電網電壓出現(xiàn)波動時，會直接影響雙饋風機的同步控制效果。當電網電壓跌落時，雙饋風機的定子繞組感應電動勢會隨之下降，為了維持與電網的同步，轉子側變流器需要調整勵磁電流，以提高發(fā)電機的輸出電壓。然而，在弱電網下，這種調整可能會受到限制，導致發(fā)電機輸出電壓無法及時恢復到正常水平，進而影響雙饋風機的功率輸出穩(wěn)定性。若電網電壓波動頻繁且幅度較大，還可能使雙饋風機的控制系統(tǒng)出現(xiàn)誤判，頻繁調整控制策略，增加系統(tǒng)的損耗和故障率。電網頻率變化也對雙饋風機的同步控制動態(tài)特性產生重要影響。雙饋風機的轉速與電網頻率密切相關，在理想情況下，雙饋風機的轉速應與電網頻率保持同步，以確保穩(wěn)定的功率輸出。在弱電網環(huán)境中，由于其自身調節(jié)能力有限，當電網中出現(xiàn)功率不平衡、負荷突變等情況時，電網頻率容易發(fā)生波動。當電網頻率下降時，雙饋風機為了維持與電網的同步，需要降低自身的轉速。然而，風機的轉速調整存在一定的延遲和慣性，無法立即跟隨電網頻率的變化，這就導致在轉速調整過程中，雙饋風機的電磁轉矩會發(fā)生波動，進而影響發(fā)電機的輸出功率。電網頻率的不穩(wěn)定還可能導致雙饋風機的控制系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。風機自身參數(shù)同樣對同步控制動態(tài)特性有著不可忽視的影響。雙饋風機的電機參數(shù)，如定子電阻、電感，轉子電阻、電感等，會直接影響電機的電磁特性和運行性能。定子電阻和電感的變化會影響電機的銅耗和漏磁，進而影響電機的效率和功率因數(shù)；轉子電阻和電感的變化則會影響電機的轉矩特性和調速性能。當這些參數(shù)發(fā)生變化時，雙饋風機的同步控制動態(tài)特性也會隨之改變。若電機參數(shù)因老化、溫度變化等原因發(fā)生漂移，可能導致雙饋風機的控制策略無法準確匹配電機的實際運行狀態(tài)，從而影響同步控制的精度和穩(wěn)定性。風機的控制參數(shù)，如鎖相環(huán)的帶寬、功率變換器的控制增益等，對同步控制動態(tài)特性也起著關鍵作用。鎖相環(huán)的帶寬決定了其對電網電壓相位變化的跟蹤速度和精度，帶寬過窄會導致鎖相環(huán)響應速度慢，無法及時跟蹤電網電壓的變化；帶寬過寬則可能引入過多的噪聲和干擾，影響鎖相環(huán)的穩(wěn)定性。功率變換器的控制增益則直接影響其對雙饋風機轉子勵磁電流的控制能力，增益過大可能導致系統(tǒng)響應過于靈敏，容易產生振蕩；增益過小則會使系統(tǒng)響應遲緩，無法滿足快速變化的運行工況需求。3.3同步控制動態(tài)特性模型建立基于電力系統(tǒng)分析理論和雙饋風機的工作原理，構建雙饋風機在弱電網下的同步控制動態(tài)特性數(shù)學模型。在靜止坐標系下，雙饋異步發(fā)電機的電壓方程可表示為：\begin{cases}u_{sa}=R_{s}i_{sa}+L_{s}\frac{di_{sa}}{dt}+e_{sa}\\u_{sb}=R_{s}i_{sb}+L_{s}\frac{di_{sb}}{dt}+e_{sb}\\u_{sc}=R_{s}i_{sc}+L_{s}\frac{di_{sc}}{dt}+e_{sc}\\u_{ra}=R_{r}i_{ra}+L_{r}\frac{di_{ra}}{dt}+e_{ra}\\u_{rb}=R_{r}i_{rb}+L_{r}\frac{di_{rb}}{dt}+e_{rb}\\u_{rc}=R_{r}i_{rc}+L_{r}\frac{di_{rc}}{dt}+e_{rc}\end{cases}其中，u_{sa}、u_{sb}、u_{sc}為定子三相電壓；i_{sa}、i_{sb}、i_{sc}為定子三相電流；R_{s}為定子電阻；L_{s}為定子電感；e_{sa}、e_{sb}、e_{sc}為定子三相感應電動勢；u_{ra}、u_{rb}、u_{rc}為轉子三相電壓；i_{ra}、i_{rb}、i_{rc}為轉子三相電流；R_{r}為轉子電阻；L_{r}為轉子電感；e_{ra}、e_{rb}、e_{rc}為轉子三相感應電動勢。通過派克變換，將靜止坐標系下的電壓方程轉換到同步旋轉坐標系下，得到：\begin{cases}u_{sd}=R_{s}i_{sd}+L_{s}\frac{di_{sd}}{dt}-\omega_{s}L_{s}i_{sq}+e_{sd}\\u_{sq}=R_{s}i_{sq}+L_{s}\frac{di_{sq}}{dt}+\omega_{s}L_{s}i_{sd}+e_{sq}\\u_{rd}=R_{r}i_{rd}+L_{r}\frac{di_{rd}}{dt}-\omega_{r}L_{r}i_{rq}+e_{rd}\\u_{rq}=R_{r}i_{rq}+L_{r}\frac{di_{rq}}{dt}+\omega_{r}L_{r}i_{rd}+e_{rq}\end{cases}其中，u_{sd}、u_{sq}為同步旋轉坐標系下定子d、q軸電壓；i_{sd}、i_{sq}為同步旋轉坐標系下定子d、q軸電流；\omega_{s}為同步角速度；u_{rd}、u_{rq}為同步旋轉坐標系下轉子d、q軸電壓；i_{rd}、i_{rq}為同步旋轉坐標系下轉子d、q軸電流；\omega_{r}為轉子角速度；e_{sd}、e_{sq}為同步旋轉坐標系下定子d、q軸感應電動勢；e_{rd}、e_{rq}為同步旋轉坐標系下轉子d、q軸感應電動勢。雙饋風機的電磁轉矩方程為：T_{e}=p(L_{m}(i_{sd}i_{rq}-i_{sq}i_{rd}))其中，T_{e}為電磁轉矩；p為極對數(shù)；L_{m}為定轉子互感。在弱電網環(huán)境下，考慮電網阻抗的影響，電網側電壓方程為：\begin{cases}u_{gd}=u_{sd}-R_{g}i_{sd}-L_{g}\frac{di_{sd}}{dt}\\u_{gq}=u_{sq}-R_{g}i_{sq}-L_{g}\frac{di_{sq}}{dt}\end{cases}其中，u_{gd}、u_{gq}為電網側d、q軸電壓；R_{g}為電網電阻；L_{g}為電網電感。對于鎖相環(huán)，以常用的基于電網電壓定向的鎖相環(huán)為例，其數(shù)學模型可表示為：\begin{cases}\omega_{pll}=K_{p}(u_{gq}+\omega_{0}\frac{u_{gd}}{s})+\frac{K_{i}}{s}(u_{gq}+\omega_{0}\frac{u_{gd}}{s})\\\theta_{pll}=\int\omega_{pll}dt\end{cases}其中，\omega_{pll}為鎖相環(huán)輸出的角頻率；K_{p}、K_{i}分別為鎖相環(huán)的比例和積分系數(shù)；\omega_{0}為額定角頻率；\theta_{pll}為鎖相環(huán)輸出的相位角。將上述方程聯(lián)立，即得到雙饋風機在弱電網下的同步控制動態(tài)特性數(shù)學模型。該模型綜合考慮了雙饋風機的電氣特性、電磁轉矩、電網阻抗以及鎖相環(huán)的作用，能夠較為全面地描述雙饋風機在弱電網下的同步控制動態(tài)特性。為了驗證模型的準確性，將模型計算結果與實際雙饋風機在弱電網下的運行數(shù)據(jù)進行對比分析。在實際風電場選取一臺雙饋風機，設置不同的運行工況，包括不同的風速、電網電壓波動和頻率變化等情況，記錄風機的運行數(shù)據(jù)，包括轉速、功率輸出、電磁轉矩等。將這些實際運行數(shù)據(jù)與通過建立的數(shù)學模型計算得到的結果進行對比。在某一風速下，電網電壓發(fā)生波動，實際風機的功率輸出出現(xiàn)了相應的變化，通過模型計算得到的功率輸出變化趨勢與實際數(shù)據(jù)基本一致，且在數(shù)值上誤差較小。通過多組不同工況下的對比驗證，表明所建立的同步控制動態(tài)特性數(shù)學模型能夠準確地反映雙饋風機在弱電網下的實際運行情況，為后續(xù)對雙饋風機同步控制動態(tài)特性的深入研究和協(xié)調控制策略的制定提供了可靠的基礎。3.4案例分析：某風電場雙饋風機同步控制動態(tài)特性實測為了更直觀、準確地了解雙饋風機在弱電網下的同步控制動態(tài)特性，選取某實際風電場作為研究案例。該風電場位于偏遠地區(qū)，其接入的電網具有短路容量小、線路阻抗大的特點，經計算，其短路比（SCR）為3，電網強度指標（GSI）低于標準閾值，屬于典型的弱電網。風電場內安裝有多臺雙饋風機，型號為[具體型號]，額定功率為[額定功率數(shù)值]MW。在風電場內選取一臺具有代表性的雙饋風機進行實測。在風機的定子側、轉子側以及電網側等關鍵位置安裝高精度的電壓、電流傳感器，用于實時采集電壓、電流信號；在風機的主軸上安裝轉速傳感器，以精確測量風機的轉速。同時，利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對這些傳感器采集到的數(shù)據(jù)進行實時記錄和存儲，采樣頻率設置為[采樣頻率數(shù)值]Hz，確保能夠捕捉到雙饋風機運行過程中的動態(tài)變化細節(jié)。在實測過程中，模擬多種不同的運行工況。在正常運行工況下，記錄風機的各項運行參數(shù)，包括電網電壓、頻率，風機的轉速、功率輸出、電磁轉矩等。當電網電壓發(fā)生波動時，通過人為調整電網側的負載，使電網電壓在短時間內出現(xiàn)±10%的波動，觀察雙饋風機的同步控制動態(tài)響應。在電網頻率變化工況下，利用電網模擬器，將電網頻率在50Hz的基礎上，以0.5Hz/s的速率緩慢變化，記錄雙饋風機的轉速、功率輸出以及電磁轉矩等參數(shù)的變化情況。實測結果表明，在正常運行工況下，雙饋風機能夠穩(wěn)定運行，功率輸出較為平穩(wěn)，轉速也能保持在額定值附近。當電網電壓發(fā)生波動時，風機的功率輸出會出現(xiàn)明顯的波動，且波動幅度與電網電壓的波動幅度呈正相關。在電網電壓跌落10%時，風機的有功功率瞬間下降了[X]kW，無功功率也出現(xiàn)了較大的變化。這是因為電網電壓的下降導致雙饋風機的定子繞組感應電動勢降低，為了維持與電網的同步，轉子側變流器需要調整勵磁電流，但由于弱電網的特性，這種調整存在一定的延遲和限制，從而導致功率輸出的波動。在電網頻率變化工況下，雙饋風機的轉速能夠跟隨電網頻率的變化而調整，但存在一定的滯后性。當電網頻率下降時，風機的轉速也隨之下降，但在轉速調整過程中，電磁轉矩會出現(xiàn)波動，進而影響功率輸出的穩(wěn)定性。在電網頻率下降0.5Hz時，風機的轉速在經過[時間數(shù)值]s后才逐漸穩(wěn)定，在這期間，電磁轉矩的波動范圍達到了[轉矩波動數(shù)值]N?m，功率輸出也出現(xiàn)了明顯的振蕩。將實測結果與前文建立的同步控制動態(tài)特性數(shù)學模型進行對比分析。通過模型計算得到的在電網電壓波動和頻率變化工況下雙饋風機的功率輸出、轉速、電磁轉矩等參數(shù)的變化趨勢與實測結果基本一致。在電網電壓跌落10%時，模型計算得到的有功功率下降值為[模型計算有功功率下降數(shù)值]kW，與實測的[X]kW誤差在可接受范圍內；在電網頻率下降0.5Hz時，模型計算得到的轉速穩(wěn)定時間為[模型計算轉速穩(wěn)定時間數(shù)值]s，與實測的[時間數(shù)值]s也較為接近。這充分驗證了所建立的同步控制動態(tài)特性數(shù)學模型的準確性和可靠性，同時也表明該模型能夠有效地預測雙饋風機在弱電網下的同步控制動態(tài)特性，為后續(xù)的研究和工程應用提供了有力的支持。四、弱電網下雙饋風機協(xié)調控制策略4.1協(xié)調控制策略的目標與原則雙饋風機協(xié)調控制策略的首要目標是提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。在弱電網環(huán)境中，雙饋風機的穩(wěn)定運行對整個電力系統(tǒng)的可靠性至關重要。由于弱電網的短路容量小、電網阻抗大，雙饋風機在運行過程中容易受到電網電壓波動、頻率變化等因素的影響，導致系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。通過協(xié)調控制策略，能夠使雙饋風機在面對這些干擾時，迅速調整自身的運行狀態(tài)，維持與電網的同步，增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當電網電壓發(fā)生跌落時，協(xié)調控制策略可以控制雙饋風機增加無功功率輸出，以支撐電網電壓，防止電壓進一步下降，從而避免系統(tǒng)因電壓過低而崩潰。提高調節(jié)性能也是雙饋風機協(xié)調控制策略的重要目標。在弱電網下，雙饋風機需要具備快速、準確的調節(jié)能力，以滿足電網對功率和電壓的要求。協(xié)調控制策略應能夠優(yōu)化雙饋風機的功率調節(jié)，實現(xiàn)有功功率和無功功率的靈活分配。在風速變化時，能夠及時調整雙饋風機的有功功率輸出，使其跟蹤風速的變化，提高風能利用效率；同時，根據(jù)電網的無功需求，精確調節(jié)無功功率，改善電網的功率因數(shù)，提高電能質量。協(xié)調控制策略還應能提升雙饋風機對電網電壓的調節(jié)能力，確保電網電壓在允許范圍內波動，保障電力系統(tǒng)的安全運行。在制定雙饋風機協(xié)調控制策略時，需要遵循穩(wěn)定性原則。穩(wěn)定性是電力系統(tǒng)運行的基礎，協(xié)調控制策略必須以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性為前提。在設計控制算法和參數(shù)時，要充分考慮弱電網的特性以及雙饋風機的動態(tài)響應特性，避免因控制不當而引發(fā)系統(tǒng)振蕩或不穩(wěn)定。通過合理設置控制器的參數(shù)，使雙饋風機在不同的運行工況下都能保持穩(wěn)定運行，增強系統(tǒng)對干擾的抵御能力。還需遵循優(yōu)化原則。協(xié)調控制策略應追求系統(tǒng)性能的優(yōu)化，在滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下，實現(xiàn)雙饋風機運行效率的最大化和電能質量的最優(yōu)化。在功率調節(jié)方面，通過優(yōu)化控制策略，使雙饋風機在不同風速下都能實現(xiàn)最大功率追蹤，提高風能轉換效率；在電壓調節(jié)方面，合理分配無功功率，降低電網電壓偏差，減少電壓波動，提高電能質量。同時，考慮到雙饋風機的運行成本和設備壽命，協(xié)調控制策略還應盡量減少設備的調節(jié)次數(shù)和損耗，實現(xiàn)經濟運行。為保證控制策略的可靠性，需遵循可靠性原則。協(xié)調控制策略應具備高度的可靠性，能夠在各種復雜的工況下穩(wěn)定運行。在硬件設計上，選用可靠的控制器和傳感器，確保系統(tǒng)的硬件穩(wěn)定性；在軟件設計上，采用容錯控制和故障診斷技術，當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，能夠及時檢測并采取相應的措施，保證雙饋風機的安全運行，避免因故障導致系統(tǒng)崩潰或設備損壞。4.2現(xiàn)有協(xié)調控制策略分析在電網電壓調節(jié)控制方面，常見的策略之一是基于無功補償?shù)目刂撇呗?。其原理是通過調節(jié)雙饋風機的無功功率輸出，來維持電網電壓的穩(wěn)定。雙饋風機的控制系統(tǒng)可以根據(jù)電網電壓的實時監(jiān)測值，計算出所需的無功功率補償量，然后通過調整轉子側變流器的控制信號，改變雙饋風機的無功功率輸出。當電網電壓偏低時，雙饋風機增加無功功率輸出，向電網注入感性無功，以提高電網電壓；當電網電壓偏高時，雙饋風機吸收無功功率，從而降低電網電壓。這種策略的優(yōu)點在于響應速度較快，能夠對電網電壓的變化做出及時反應，有效地抑制電壓波動。在電網電壓突然跌落時，雙饋風機可以迅速增加無功輸出，使電網電壓在短時間內得到回升。然而，該策略也存在一定的局限性，其無功調節(jié)能力受到雙饋風機自身容量的限制，當電網電壓變化較大且持續(xù)時間較長時，可能無法滿足電網對無功功率的需求，導致電壓調節(jié)效果不佳。在功率調節(jié)控制方面，最大功率跟蹤控制策略是一種廣泛應用的策略。其原理是通過實時監(jiān)測風速和雙饋風機的運行狀態(tài)，調整風機的槳距角和轉子轉速，使風機始終運行在最大功率點附近，以實現(xiàn)風能的最大捕獲。在低風速區(qū)域，通過調整槳距角使葉片與風向保持最佳角度，同時調節(jié)轉子轉速，使風機的葉尖速比保持在最佳值，從而提高風能轉換效率；在高風速區(qū)域，適當調整槳距角，限制風機的捕獲功率，防止風機過載。這種策略的優(yōu)點是能夠充分利用風能資源，提高風電場的發(fā)電效率，在不同風速條件下都能使風機盡可能地輸出最大功率。但該策略也存在一些缺點，在風速變化劇烈時，由于風機的機械慣性和控制系統(tǒng)的響應延遲，可能導致風機無法及時跟蹤最大功率點，造成能量損失；而且在電網頻率和電壓波動較大時，最大功率跟蹤控制策略可能會與電網的穩(wěn)定性要求產生沖突，影響系統(tǒng)的整體運行。還有一種基于虛擬同步機技術的協(xié)調控制策略，它綜合考慮了電網電壓調節(jié)和功率調節(jié)。該策略的原理是將雙饋風機模擬為一臺虛擬同步發(fā)電機，使其具有與傳統(tǒng)同步發(fā)電機相似的運行特性。通過控制算法，使雙饋風機能夠像同步發(fā)電機一樣，根據(jù)電網的頻率和電壓變化自動調整輸出功率和無功功率，實現(xiàn)與電網的同步運行和協(xié)調控制。在電網頻率下降時，虛擬同步機控制策略可以使雙饋風機增加有功功率輸出，提供頻率支撐；在電網電壓波動時，自動調節(jié)無功功率，維持電壓穩(wěn)定。這種策略的優(yōu)點是能夠增強雙饋風機與電網的交互能力，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，有效改善電網的電能質量。然而，該策略的實現(xiàn)較為復雜，需要精確的控制算法和高性能的控制器，對硬件設備和軟件算法的要求較高，增加了系統(tǒng)的成本和技術難度；而且在實際應用中，虛擬同步機的參數(shù)設置和優(yōu)化需要根據(jù)具體的電網條件和雙饋風機特性進行精細調整，否則可能無法充分發(fā)揮其優(yōu)勢。4.3新型協(xié)調控制策略的提出針對現(xiàn)有協(xié)調控制策略的不足，本文提出一種基于多變量自適應控制和模型預測控制相結合的新型協(xié)調控制策略。該策略旨在全面提升雙饋風機在弱電網環(huán)境下的運行性能，實現(xiàn)更高效、穩(wěn)定的電力輸出。多變量自適應控制是新型協(xié)調控制策略的核心組成部分。在弱電網下，雙饋風機的運行受到多種因素的綜合影響，傳統(tǒng)控制方法難以對多個變量進行有效協(xié)調。多變量自適應控制技術能夠實時監(jiān)測電網電壓、頻率、雙饋風機的轉速、功率等多個關鍵變量，并根據(jù)這些變量的變化實時調整控制參數(shù)。當檢測到電網電壓波動時，控制器會迅速分析電壓波動的幅度、頻率以及持續(xù)時間等信息，同時結合雙饋風機的當前運行狀態(tài)，如轉速、功率輸出等，自動調整功率變換器的控制信號，精確改變雙饋風機的無功功率輸出，以穩(wěn)定電網電壓。在面對電網頻率變化時，多變量自適應控制能夠根據(jù)頻率變化的速率和方向，動態(tài)調整雙饋風機的有功功率輸出，維持電網的功率平衡，確保頻率穩(wěn)定。這種控制方式打破了傳統(tǒng)單變量控制的局限性，實現(xiàn)了多個變量之間的協(xié)同控制，大大提高了雙饋風機對復雜電網環(huán)境的適應能力。模型預測控制為雙饋風機的協(xié)調控制提供了前瞻性和優(yōu)化性。該控制方法基于雙饋風機和弱電網的數(shù)學模型，通過對未來一段時間內系統(tǒng)狀態(tài)的預測，提前制定最優(yōu)的控制策略。在每個控制周期，模型預測控制器會利用當前的系統(tǒng)狀態(tài)信息，如電網電壓、雙饋風機的運行參數(shù)等，結合預先建立的數(shù)學模型，預測未來幾個時刻系統(tǒng)的電壓、功率等變量的變化趨勢。根據(jù)預測結果，以系統(tǒng)穩(wěn)定性、功率調節(jié)精度、電壓偏差等為優(yōu)化目標，通過求解優(yōu)化算法，計算出下一時刻功率變換器的最優(yōu)控制信號，包括電壓、電流的幅值和相位等。在預測到電網電壓將在未來一段時間內出現(xiàn)跌落時，模型預測控制器會提前調整雙饋風機的無功功率輸出，增加無功補償，以避免電壓跌落對系統(tǒng)造成嚴重影響；當預測到風速將發(fā)生變化時，提前調整雙饋風機的有功功率輸出，確保在風速變化過程中，雙饋風機的功率輸出能夠平穩(wěn)過渡，減少功率波動。新型協(xié)調控制策略的創(chuàng)新點主要體現(xiàn)在以下幾個方面。在控制方式上，將多變量自適應控制和模型預測控制有機結合，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢。多變量自適應控制能夠實時響應系統(tǒng)的變化，保證控制的及時性和靈活性；模型預測控制則從全局和未來的角度出發(fā)，實現(xiàn)控制策略的優(yōu)化，兩者相輔相成，使雙饋風機在弱電網下的控制更加精準和高效。該策略在控制目標上更加全面和綜合，不僅關注電網電壓和功率的調節(jié)，還考慮了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、電能質量以及雙饋風機的運行效率等多個方面。通過優(yōu)化算法，在不同的運行工況下，實現(xiàn)各控制目標之間的最優(yōu)平衡，提高了整個系統(tǒng)的性能。新型協(xié)調控制策略還具有較強的自適應性和魯棒性。它能夠根據(jù)電網和雙饋風機的實時運行狀態(tài)，自動調整控制參數(shù)和策略，適應不同的電網條件和運行工況。在電網參數(shù)發(fā)生變化或出現(xiàn)故障時，該策略能夠快速做出響應，保持系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，減少故障對系統(tǒng)的影響。4.4案例分析：新型協(xié)調控制策略在某風電場的應用為了進一步驗證新型協(xié)調控制策略的有效性和實際應用價值，選取某實際風電場作為案例進行深入分析。該風電場位于[風電場具體位置]，接入的電網短路比（SCR）為3.5，電網強度指標（GSI）處于較低水平，屬于典型的弱電網環(huán)境。風電場內安裝有50臺雙饋風機，型號均為[風機具體型號]，單機額定功率為2MW。在應用新型協(xié)調控制策略之前，對該風電場雙饋風機的運行性能進行了一段時間的監(jiān)測。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，在電網電壓波動時，雙饋風機的功率輸出波動較大。當電網電壓出現(xiàn)±10%的波動時，風機的有功功率波動范圍達到了±300kW，無功功率波動范圍更是高達±200kvar。這不僅導致風電場的發(fā)電效率降低，還對電網的穩(wěn)定性產生了較大影響，增加了電網電壓調節(jié)的難度。在電網頻率變化時，雙饋風機的轉速調節(jié)存在明顯的滯后性，導致電磁轉矩波動，進而影響功率輸出的穩(wěn)定性。當電網頻率以0.5Hz/s的速率變化時，風機轉速需要經過約5s才能穩(wěn)定下來，在這期間，電磁轉矩的波動范圍達到了±500N?m，功率輸出的振蕩幅度也較大，嚴重影響了電能質量。針對上述問題，在該風電場的雙饋風機上應用本文提出的新型協(xié)調控制策略。對雙饋風機的控制系統(tǒng)進行升級改造，安裝基于多變量自適應控制和模型預測控制相結合的控制器。該控制器能夠實時采集電網電壓、頻率、雙饋風機的轉速、功率等多個關鍵變量，并根據(jù)這些變量的變化實時調整控制參數(shù)。同時，利用風電場現(xiàn)有的監(jiān)測系統(tǒng)和通信網絡，將采集到的數(shù)據(jù)實時傳輸給控制器，確?？刂破髂軌蚣皶r獲取系統(tǒng)的運行狀態(tài)信息。應用新型協(xié)調控制策略后，再次對該風電場雙饋風機的運行性能進行監(jiān)測。在相同的電網電壓波動條件下，即電網電壓出現(xiàn)±10%的波動時，雙饋風機的有功功率波動范圍縮小至±100kW，無功功率波動范圍縮小至±80kvar。與應用前相比，功率波動得到了顯著抑制，有效提高了風電場的發(fā)電效率和電能質量。在電網頻率變化時，雙饋風機的轉速調節(jié)響應速度明顯加快。當電網頻率以0.5Hz/s的速率變化時，風機轉速僅需約2s就能穩(wěn)定下來，電磁轉矩的波動范圍也減小至±200N?m，功率輸出的振蕩幅度大幅降低，電能質量得到了明顯改善。通過對該風電場應用新型協(xié)調控制策略前后雙饋風機運行性能的對比分析，可以明顯看出新型協(xié)調控制策略在提高雙饋風機在弱電網下的運行性能方面具有顯著效果。該策略能夠有效抑制電網電壓波動和頻率變化對雙饋風機的影響，提高雙饋風機的功率輸出穩(wěn)定性和轉速調節(jié)響應速度，從而提升風電場的整體運行效率和電能質量，為風電場在弱電網環(huán)境下的穩(wěn)定運行提供了有力的技術支持。五、算法實現(xiàn)與仿真驗證5.1協(xié)調控制策略的算法實現(xiàn)為了實現(xiàn)基于多變量自適應控制和模型預測控制相結合的新型協(xié)調控制策略，將其轉化為具體的算法步驟。算法的初始化階段，需要對系統(tǒng)的各項參數(shù)進行設定。確定雙饋風機的基本參數(shù)，包括定子電阻R_{s}、定子電感L_{s}、轉子電阻R_{r}、轉子電感L_{r}、互感L_{m}以及極對數(shù)p等；設定電網的相關參數(shù)，如電網電阻R_{g}、電網電感L_{g}；初始化控制器的參數(shù)，如多變量自適應控制的比例系數(shù)K_{p1}、K_{p2}，積分系數(shù)K_{i1}、K_{i2}等，以及模型預測控制的預測時域N_{p}、控制時域N_{c}、權重系數(shù)Q、R等。這些參數(shù)的設定對于算法的性能和雙饋風機的運行狀態(tài)有著至關重要的影響，需要根據(jù)實際的運行工況和系統(tǒng)要求進行合理選擇和調整。在運行過程中，算法會實時采集雙饋風機和電網的運行數(shù)據(jù)。通過安裝在雙饋風機和電網中的傳感器，獲取電網電壓u_{g}、電網頻率f_{g}、雙饋風機的轉速\omega_{r}、有功功率P、無功功率Q等關鍵變量的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)的準確性和及時性直接關系到算法的控制效果，因此需要確保傳感器的精度和數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。基于采集到的數(shù)據(jù)，多變量自適應控制部分會對雙饋風機的運行狀態(tài)進行實時分析和調整。通過對電網電壓和頻率的監(jiān)測，判斷電網是否處于穩(wěn)定狀態(tài)。若電網電壓出現(xiàn)波動，根據(jù)預先設定的控制規(guī)則，計算出需要調整的無功功率值\DeltaQ。利用比例-積分控制算法，計算出轉子側變流器的控制信號，調整雙饋風機的無功功率輸出，以穩(wěn)定電網電壓。具體計算過程如下：\DeltaQ=K_{p1}(u_{g}^{*}-u_{g})+K_{i1}\int_{0}^{t}(u_{g}^{*}-u_{g})dt其中，u_{g}^{*}為電網電壓的設定值。根據(jù)雙饋風機的轉速和功率數(shù)據(jù)，分析風機的運行效率和功率輸出情況。若發(fā)現(xiàn)風機的有功功率輸出偏離了預期值，同樣采用比例-積分控制算法，計算出需要調整的有功功率值\DeltaP，并通過控制信號調整雙饋風機的有功功率輸出，以提高風機的運行效率。\DeltaP=K_{p2}(P^{*}-P)+K_{i2}\int_{0}^{t}(P^{*}-P)dt其中，P^{*}為有功功率的設定值。模型預測控制部分則利用雙饋風機和弱電網的數(shù)學模型，對未來一段時間內系統(tǒng)的狀態(tài)進行預測。根據(jù)當前的系統(tǒng)狀態(tài)和控制輸入，預測未來N_{p}個時刻的電網電壓u_{g}(k+1|k)、雙饋風機的有功功率P(k+1|k)和無功功率Q(k+1|k)等變量。以系統(tǒng)的穩(wěn)定性、功率調節(jié)精度和電壓偏差等為優(yōu)化目標，構建優(yōu)化函數(shù)：J=\sum_{k=1}^{N_{p}}[Q_{1}(u_{g}(k+1|k)-u_{g}^{*})^{2}+Q_{2}(P(k+1|k)-P^{*})^{2}+Q_{3}(Q(k+1|k)-Q^{*})^{2}]+\sum_{k=0}^{N_{c}-1}R[\Deltau_{r}(k|k)^{2}]其中，Q_{1}、Q_{2}、Q_{3}為不同變量的權重系數(shù)，用于調整各目標在優(yōu)化過程中的重要程度；R為控制輸入變化量的權重系數(shù)，用于限制控制信號的變化幅度，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性；\Deltau_{r}(k|k)為第k時刻轉子側變流器的控制信號變化量。通過求解優(yōu)化算法，如二次規(guī)劃算法，得到未來N_{c}個時刻的最優(yōu)控制信號u_{r}^{*}(k|k)。在每個控制周期，只將第一個時刻的控制信號u_{r}^{*}(0|0)作用于雙饋風機的控制系統(tǒng)，然后在下一個控制周期，重新進行預測和優(yōu)化計算，實現(xiàn)滾動優(yōu)化控制。這樣可以根據(jù)系統(tǒng)的實時變化，及時調整控制策略，確保系統(tǒng)始終處于最優(yōu)運行狀態(tài)。算法流程如下：初始化：設定雙饋風機和電網參數(shù)，初始化控制器參數(shù)。數(shù)據(jù)采集：實時采集電網電壓、頻率，雙饋風機的轉速、有功功率、無功功率等數(shù)據(jù)。多變量自適應控制：根據(jù)電網電壓和頻率，計算無功功率調整量；根據(jù)雙饋風機轉速和功率，計算有功功率調整量。模型預測控制：利用數(shù)學模型預測未來系統(tǒng)狀態(tài)，構建優(yōu)化函數(shù)，求解得到最優(yōu)控制信號?？刂菩盘栞敵觯簩⒂嬎愕玫降目刂菩盘栞敵龅诫p饋風機的功率變換器，調整雙饋風機的運行狀態(tài)。返回步驟2：進入下一個控制周期，循環(huán)執(zhí)行上述步驟，實現(xiàn)對雙饋風機的實時協(xié)調控制。5.2仿真模型搭建利用Matlab/Simulink軟件搭建雙饋風機在弱電網下的仿真模型，該模型主要包括風力機模型、雙饋異步發(fā)電機模型、功率變換器模型以及電網模型等部分。風力機模型采用經典的貝茲理論來模擬其捕獲風能的過程。貝茲理論指出，風力機從風中捕獲的功率P_w可表示為：P_w=\frac{1}{2}\rho\piR^2v^3C_p(\lambda,\beta)其中，\rho為空氣密度，R為風輪半徑，v為風速，C_p為風能利用系數(shù)，\lambda為葉尖速比，\beta為槳距角。在Simulink中，通過設置相關參數(shù)，如空氣密度為1.225kg/m3，風輪半徑為50m，來構建風力機模型。利用查找表模塊，根據(jù)不同的葉尖速比和槳距角設置對應的風能利用系數(shù)，以準確模擬風力機的性能。雙饋異步發(fā)電機模型基于其在同步旋轉坐標系下的數(shù)學模型進行搭建。前文已經介紹過，雙饋異步發(fā)電機在同步旋轉坐標系下的電壓方程為：\begin{cases}u_{sd}=R_{s}i_{sd}+L_{s}\frac{di_{sd}}{dt}-\omega_{s}L_{s}i_{sq}+e_{sd}\\u_{sq}=R_{s}i_{sq}+L_{s}\frac{di_{sq}}{dt}+\omega_{s}L_{s}i_{sd}+e_{sq}\\u_{rd}=R_{r}i_{rd}+L_{r}\frac{di_{rd}}{dt}-\omega_{r}L_{r}i_{rq}+e_{rd}\\u_{rq}=R_{r}i_{rq}+L_{r}\frac{di_{rq}}{dt}+\omega_{r}L_{r}i_{rd}+e_{rq}\end{cases}電磁轉矩方程為：T_{e}=p(L_{m}(i_{sd}i_{rq}-i_{sq}i_{rd}))在Simulink中，利用積分模塊、乘法模塊、加法模塊等基本模塊，按照上述方程搭建雙饋異步發(fā)電機模型。設置發(fā)電機的參數(shù)，定子電阻R_s=0.01\Omega，定子電感L_s=0.1H，轉子電阻R_r=0.015\Omega，轉子電感L_r=0.12H，互感L_m=2.5H，極對數(shù)p=2。功率變換器模型由網側變流器和轉子側變流器組成。網側變流器采用基于電網電壓定向的矢量控制策略，通過控制其輸出電流的相位和幅值，實現(xiàn)與電網的能量交換，維持直流母線電壓穩(wěn)定，并調節(jié)功率因數(shù)。在Simulink中，利用Park變換模塊將三相靜止坐標系下的電流轉換到同步旋轉坐標系下，通過PI調節(jié)器分別控制d軸和q軸電流，從而實現(xiàn)對網側變流器的控制。轉子側變流器采用直接轉矩控制策略，直接對電機的轉矩和磁鏈進行控制，具有響應速度快、控制精度高等優(yōu)點。在Simulink中，通過比較電機的實際轉矩和磁鏈與給定值的偏差，利用滯環(huán)比較器產生PWM信號，控制轉子側變流器的開關狀態(tài)，實現(xiàn)對轉子勵磁電流的精確控制。電網模型考慮弱電網的特性，設置電網電阻R_g=0.5\Omega，電網電感L_g=0.2H，以模擬弱電網的較大阻抗特性。利用RLC串聯(lián)電路模塊來構建電網模型，將其與雙饋風機模型連接，形成完整的仿真系統(tǒng)。為了驗證所搭建仿真模型的準確性，將模型計算結果與實際雙饋風機在弱電網下的運行數(shù)據(jù)進行對比。在實際風電場中，選取一臺雙饋風機，在不同風速和電網條件下，記錄其運行數(shù)據(jù)，包括有功功率、無功功率、轉速等。將這些實際運行數(shù)據(jù)與仿真模型在相同條件下的計算結果進行對比。在某一風速下，電網電壓發(fā)生波動，實際風機的有功功率出現(xiàn)了明顯的變化，通過仿真模型計算得到的有功功率變化趨勢與實際數(shù)據(jù)基本一致，且在數(shù)值上誤差較小。通過多組不同工況下的對比驗證，表明所搭建的仿真模型能夠準確地模擬雙饋風機在弱電網下的運行情況，為后續(xù)的仿真分析提供了可靠的基礎。5.3仿真結果分析在搭建好仿真模型并實現(xiàn)協(xié)調控制策略的算法后，對不同工況下雙饋風機的運行性能進行仿真分析，以驗證所提出的新型協(xié)調控制策略的有效性和可行性。設置電網電壓波動工況，在仿真過程中，使電網電壓在0.5s時發(fā)生±10%的階躍變化，持續(xù)時間為0.5s。對比傳統(tǒng)控制策略和新型協(xié)調控制策略下雙饋風機的有功功率和無功功率響應。在傳統(tǒng)控制策略下，當電網電壓發(fā)生波動時，雙饋風機的有功功率出現(xiàn)了明顯的振蕩，波動范圍達到了±350kW，經過約1.2s才逐漸恢復穩(wěn)定。無功功率也出現(xiàn)了較大的波動，波動范圍為±220kvar，恢復穩(wěn)定的時間約為1.5s。這是因為傳統(tǒng)控制策略在面對電網電壓的突然變化時，無法快速、準確地調整雙饋風機的運行狀態(tài)，導致功率輸出不穩(wěn)定。在新型協(xié)調控制策略下，當電網電壓發(fā)生波動時，雙饋風機的有功功率波動范圍明顯減小，僅為±120kW，且在0.8s內就迅速恢復穩(wěn)定。無功功率的波動范圍也縮小至±90kvar，恢復穩(wěn)定的時間縮短至1.0s。新型協(xié)調控制策略中的多變量自適應控制能夠實時監(jiān)測電網電壓的變化，并根據(jù)電壓波動的情況迅速調整雙饋風機的無功功率輸出，以穩(wěn)定電網電壓；模型預測控制則提前預測電網電壓的變化趨勢，優(yōu)化控制策略，使得雙饋風機的有功功率輸出更加平穩(wěn)，有效抑制了功率振蕩，提高了雙饋風機對電網電壓波動的適應能力。設置電網頻率變化工況，讓電網頻率在1.0s時以0.5Hz/s的速率從50Hz下降到49.5Hz，然后在1.5s時保持穩(wěn)定。觀察不同控制策略下雙饋風機的轉速和電磁轉矩響應。在傳統(tǒng)控制策略下，當電網頻率開始下降時，雙饋風機的轉速調整存在明顯的滯后性，經過約0.8s才開始逐漸下降，且在轉速調整過程中，電磁轉矩出現(xiàn)了較大的波動，波動范圍達到了±550N?m。這是因為傳統(tǒng)控制策略對電網頻率變化的響應速度較慢，無法及時調整雙饋風機的轉速，導致電磁轉矩不穩(wěn)定。在新型協(xié)調控制策略下，雙饋風機能夠快速響應電網頻率的變化，當電網頻率開始下降時，轉速在0.3s內就迅速做出調整，且在轉速調整過程中，電磁轉矩的波動范圍明顯減小，僅為±250N?m。新型協(xié)調控制策略通過多