前馈电流基准控制（FCRC）方法

本章提出了一种**前馈电流基准控制（Feedforward Current References Control, FCRC）**方法，旨在精确跟踪故障后的转子电流基准，从而提升双馈风机（DFIG）在电网故障下的暂态控制性能。

A. 传统PI控制器的局限性

1. 传统电流环控制结构

在同步旋转坐标系（dq坐标系）下，DFIG转子侧变换器（RSC）的传统内环电流控制采用PI控制器。其控制框图如下所示：

输入: 转子电流基准值和实际值。

控制器: PI控制器根据误差产生控制电压。

前馈项: 是一个前馈分量，通常设计为等于反电动势，以解耦和消除其对控制系统的扰动。

被控对象: DFIG模型，可等效为一个反电动势与转子电阻和暂态电感的串联。

2. 传统PI控制的问题

在电网不对称故障或严重对称故障期间，为了实现低电压穿越（LVRT），转子电流基准在dq坐标系下会包含频率为50Hz（暂态分量）和100Hz（负序分量）的交流分量。

传统的PI控制器主要用于跟踪直流信号，以实现零稳态误差。对于交流信号，其跟踪性能会显著下降。

如波特图所示，即使增加PI控制器的带宽，在50Hz和100Hz处仍然存在显著的幅值和相位误差。这意味着：

实际转子电流 无法精确跟踪其交流基准值。

基于修正电流基准的LVRT控制策略（如文献[15]-[22]所述）的控制目标无法精确实现，导致系统暂态性能（如转矩脉动抑制）被削弱。

B. FCRC方法的基本原理

1. 电流环路的等效电路模型

为了直观理解电流环路的行为，可以将其等效为一个物理电路。根据控制框图中的方程：

可以将电流环路等效为下图所示的电路：

电流源: 电流基准被建模为一个理想电流源。

DFIG支路: DFIG模型由电压源、电阻和电感串联而成，流过实际电流。

误差电流支路: PI控制器被等效为一个电阻和电容的串联电路，流过误差电流。前馈电压是该支路的一个受控电压源。

根据这个模型可以清晰地理解：

直流跟踪: 当是直流时，电容相当于开路，误差电流支路阻抗无穷大，因此稳态时，实现零稳态误差跟踪。

交流跟踪: 当是交流时，电容呈现有限阻抗，部分电流将从误差支路分流，导致，即。

2. 实现零误差跟踪的思路

要实现精确的交流跟踪（即），必须阻止电流流过误差电流支路。有两种方法：

增加误差支路的阻抗: 在特定频率下使误差支路的阻抗为无穷大。这可以通过在支路中串联一个LC谐振电路来实现，这正是PI+谐振（PI-R）控制器的原理。

使误差支路两端电压为零: 这是本文提出的FCRC方法的核心。如果使误差支路上的PI控制器部分（）的电压降为零，那么无论频率如何，都不会有误差电流流过。这可以通过调整前馈电压实现。

3. FCRC的设计

为了使误差电流为零，即，DFIG支路所需的电压为：

我们将前馈电压设计为等于这个所需的电压：

这个新的前馈项由两部分组成：

反电动势前馈: （与传统方法相同）

转子电流基准前馈:

加入FCRC后，系统的控制框图如下：

此时，电流环路的闭环传递函数为：

传递函数恒为1，意味着在理想情况下，系统可以在任何频率下实现无误差、无延迟的完美跟踪。

完整的FCRC控制方案如下图所示，红色部分为新增的FCRC前馈路径。

C. 稳定性分析

传统PI控制的闭环传递函数为：

无论是传统PI控制还是加入了FCRC的控制，其特征方程（传递函数的分母）是完全相同的：

结论: 系统的闭环极点没有改变。因此，所提出的FCRC方法不会影响原电流环路的稳定性。它只改变了系统的零点，从而优化了跟踪性能。

D. 对参数偏差和频率变化的鲁棒性分析

1. 对DFIG参数偏差的鲁棒性

在实际应用中，DFIG的参数（如、）可能因为温度、磁饱和等因素而发生变化。假设控制器中使用的参数为、，而实际参数为、。此时，闭环传递函数变为：

由于在50Hz和100Hz下，感抗远大于电阻，分析主要关注的偏差。

仿真分析表明，即使存在 ±20% 的偏差：

幅值跟踪误差在 0.23dB (约2.6%) 以内。

相位跟踪误差小于 5.07°。

结论: 即使存在较大的参数偏差，系统仍然保持了优秀的跟踪能力。这是因为PI控制器本身保证了系统的鲁棒性，而前馈项主要用于提升跟踪性能。

2. 对电网频率变化的鲁棒性

从理想传递函数可以看出，其性能在理论上与频率无关。这意味着：

FCRC方法对电网频率的大范围变化具有很强的鲁棒性。

这点优于PI-R控制器，因为谐振控制器对频率非常敏感，其性能在频率偏离谐振点时会急剧下降。