電網電壓諧波下雙饋感應風電系統抑制併網功率波動控制方法
2023-05-11 03:34:01
電網電壓諧波下雙饋感應風電系統抑制併網功率波動控制方法
【專利摘要】本發明公開了一種電網電壓諧波下雙饋感應風電系統抑制併網功率波動控制方法，本方法涉及對串聯網側變換器的控制、並聯網側變換器的控制以及電機側變換器的控制；本方法通過一系列的計算，最後通過空間矢量調製產生串聯網側變換器PWM驅動信號、並聯網側變換器PWM驅動信號和電機側變換器PWM驅動信號。本方法實現了電網電壓諧波下雙饋風力發電系統定、轉子三相電流無畸變、電機功率和電磁轉矩無波動的控制目標，保證了發電機的安全穩定運行，同時使得系統總輸出有功、無功功率波動程度大大減小，提高了電網電壓諧波下DFIG系統所並電網穩定性。
【專利說明】電網電壓諧波下雙饋感應風電系統抑制併網功率波動控制方法
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及雙饋感應風力發電系統技術改進，特別是涉及電網電壓諧波下雙饋感應風電系統抑制併網功率波動的控制方法，屬於電力控制【技術領域】。
【背景技術】
[0002]對於接入弱電網的遠距離風電場而言，由於受長交流輸電線以及非線性負荷等因素的影響，位於電網末端的風電場母線公共接入點(point of common coupling,PCC)處往往含有較重程度的低次諧波電壓(尤其是5、7次諧波)，這將對併網運行的大型變速恆頻風電機組帶來顯著影響。對於風力發電主流機型的雙饋感應發電機(doubly fed inductiongenerator, DFIG)而言，其定子直接與電網相連，這將導致DFIG定、轉子電流出現較大程度畸變，同時引起DFIG輸出功率和電磁轉矩脈動，嚴重影響發電機的安全穩定運行並降低發電系統的輸出電能質量。另一方面，諧波電壓條件下DFIG系統網側變流器也將產生較大程度的功率脈動，這將會導致DFIG系統總輸出功率波動程度加劇，進一步惡化系統的整體輸出電能質量。目前已有學者就電網電壓諧波下DFIG系統的運行行為與控制策略展開了研究，如已公開的下列文獻:
[0003](I)Gaillard A,Poure P and Saadate S.Active filtering capability of WECSwith DFIG for grid power quality improvement[J].1EEE International Symposium onIndustrial Electronics, ISIE2008, Cambridge, pp.2365-2370, June30, 2008.[0004](2)Hu J, Nian H, Xu H, et al.Dynamic modeling and improved control ofDFIG under distorted grid voltage conditions[J].1EEE Transactions on EnergyConversion,2011,26 (I):163-175.[0005]文獻(I)提出將網側變流器用做有源濾波器來補償定子輸出的諧波電流，使得輸送到電網的電流不存在畸變，但由於定子諧波電壓的存在，DFIG輸出功率、電磁轉矩以及系統併網功率仍然存在波動，發電機安全穩定運行能力以及發電系統輸出電能質量並未得到改善。
[0006]文獻(2)提出在正向同步旋轉軸系下採用比例積分諧振控制器來實現對轉子基波電流和諧波電流的無靜差跟蹤控制，進而可實現消除定、轉子諧波電流或消除定子輸出功率六倍頻波動等功能。其中，控制目標4實現電磁轉矩以及定子輸出無功功率同時無波動，在一定程度上緩解了系統傳動軸系的壓力，但定子輸出的有功功率存在波動；控制目標3雖然實現了定子輸出有功以及無功功率同時無六倍頻波動，然而電磁轉矩卻存在波動，所提控制方案由於轉子側變換器控制變量的限制均不能同時實現定子輸出有功、無功功率以及電磁轉矩無波動。值得注意的是，在上述2個控制目標下，由於並聯網側變換器的存在，使得整個系統饋入電網的功率仍然存在較大程度波動，這將對DFIG系統所並電網的運行穩定性產生不利影響。
【發明內容】
[0007]針對現有技術存在的上述不足，本發明的目的在於提供一種電網電壓諧波下雙饋感應風電系統抑制併網功率波動的控制方法，該控制方法在保證發電機安全穩定運行的同時亦實現了對DFIG系統併網有功、無功功率波動的抑制。
[0008]本發明的技術方案是這樣實現的:
[0009]電網電壓諧波下雙饋感應風電系統抑制併網功率波動控制方法，其特徵在於，本方法涉及對串聯網側變換器的控制、並聯網側變換器的控制以及電機側變換器的控制；
[0010]所述串聯網側變換器的控制步驟為:
[0011]Al)利用電壓霍爾傳感器採集電網三相電壓信號Ugabe以及雙饋感應發電機定子三相電壓信號usab。；利用電壓霍爾傳感器採集直流側電壓信號Udc ；
[0012]A2)將採集的電網三相電壓信號Ugabe經過數字鎖相環PLL後得到電網正序電壓電角度9g+以及同步電角速度ω ；
[0013]A3)將採集的電網三相電壓信號Ugabe和發電機定子三相電壓信號Usabe分別經過靜止三相abc坐標軸繫到靜止兩相α β坐標軸系恆功率變換，轉換為靜止兩相α β坐標軸系下電壓信號uga e, usa e ；
[0014]Α4)採用電網正序電壓定向方式，將步驟A3所得Ugae經相序分離模塊，分別提取出正向同步旋轉坐標軸系下電網電壓基波正序分量u+gdq+、5倍同步角速度反向旋轉坐標軸系下電網電壓5次諧波分量u5-gdq5_和7倍同步角速度正向旋轉坐標軸系下電網電壓7次諧波分量u7+gdq7+ ；
[0015]A5)採用電網正序電壓定向方式，將步驟A3所得Usae經靜止兩相α β坐標軸繫到正向同步角速度旋轉坐標軸系的恆功率變換後，得到定子電壓在正向同步旋轉坐標系下dq軸分量u+sdq ；
[0016]A6)在正向同步旋轉坐標軸系下,將步驟A4得到u+gdq+和步驟A5得到u+sdq差值送入電壓調節器進行調節；
[0017]A7)將步驟A6電壓調節器的輸出作為串聯網側變換器抑制定子諧波電壓的控制電壓
Useriesdq
[0018]AS)將步驟A7所得到的串聯網側變換器控制電壓IWiesdq經正向同步角速度旋轉坐標軸繫到靜止兩相α β坐標軸系的恆功率變換，得到靜止兩相α β坐標軸系下控制電
Useries α β
[0019]Α9)將步驟AS所得到的串聯網側變換器控制電壓Useriesa 0和直流側電壓Udc通過空間矢量調製產生串聯網側變換器PWM驅動信號；
[0020]所述並聯網側變換器的控制步驟為:
[0021]BI)利用電壓霍爾傳感器採集電網三相電壓信號u一。，電流霍爾傳感器採集雙饋感應發電機定子三相電流信號isab。以及並聯網側變換器的三相電流信號igabc ；
[0022]B2)利用電壓霍爾傳感器採集直流側電壓信號Udc ；
[0023]B3)將採集得到的電網三相電壓信號Ugab。、雙饋感應發電機定子三相電流信號isab。、並聯網側變換器的三相電流信號igab。分別經靜止三相abc坐標軸繫到靜止兩相α β坐標軸系恆功率變換後，轉換為靜止兩相α β坐標軸系下電壓、電流信號，即Ugae，isa0,
iga g ;[0024]B4)將步驟B3得到的Uga e，isa e，iga 0分別經靜止兩相a β坐標軸繫到正向同步角速度旋轉坐標系的恆功率變換後，得到電網電壓以及定子、並聯網側變換器電流在正向同步旋轉坐標軸系下dq軸分量u+gdq, i+sdq+, i+gdq ；
[0025]B5)並聯網側變換器的直流母線電壓調節採用PI調節器控制，其調節器輸出和直流母線電壓給定值Gd構成直流母線電壓平均有功功率給定值P*g_av ；
[0026]B6)並聯網側變換器採用正序電網電壓定向於d軸，則u+g+=u+gd+;將步驟A4、B4、B5所得u+gdq+、u5-gdq5_、u7+gdq7+、i+sdq+、P*g_av送入並聯網側變換器參考電流指令計算模塊，獲得正向同步旋轉坐標軸系下包含基波正序和諧波成分在內的並聯網側變換器參考電流指令i+*gdq:
[0027]B7)將步驟B6所得i+*gdq和B4所得i+gdq的差值送入電流控制器進行調節；
[0028]B8)根據步驟B4、B6所得的i+gdq, u+gdq, i+*gdq計算得到並聯網側變換器控制電壓u+cdq ；
[0029]B9)將B8所得並聯網側變換器控制電壓u+cdq經正向同步角速度旋轉坐標軸繫到靜止兩相α β坐標軸系的恆功率變換，可得到靜止兩相α β坐標軸系下控制電壓U。。e ；
[0030]B10)將步驟Β9所得到的並聯網側變換器控制電壓Uea 0和直流側電壓Udc通過空間矢量調製產生並聯網側變換器PWM驅動信號；
[0031]電機側變換器的控制策略
[0032]Cl)電機側變換器採用傳統矢量控制策略，其控制電壓和直流側電壓Udc通過空間矢量調製產生電機側變換器PWM驅動信號。
[0033]所述的步驟Α(4)包括以下子步驟:
[0034]Α4.1)將Uga 0經靜止兩相α β坐標軸繫到正向同步角速度旋轉坐標軸系的恆功率變換，再經過6 ω陷波器濾波後得到電網電壓正序分量在正向同步旋轉坐標軸系下dq軸分量 u+gdq+ ；
[0035]A4.2)將Uga 0經靜止兩相α β坐標軸系分別到5倍同步角速度反向旋轉坐標軸系、7倍同步角速度正向旋轉坐標軸系的恆功率變換，再經過6ω、12ω陷波器濾波後分別得到電網電壓5次、7次諧波分量在5倍同步角速度反向旋轉坐標軸系、7倍同步角速度正向旋轉坐標軸系下dq軸分量u5-gdq5_, u7+gdq7+。
[0036]步驟A(6)所述的電壓調節器由一個傳統PI控制器加上一個諧振頻率為6倍電網頻率的諧振調節器組合而成，其傳遞函數為:
[0037]
【權利要求】
1.電網電壓諧波下雙饋感應風電系統抑制併網功率波動控制方法，其特徵在於，本方法涉及對串聯網側變換器的控制、並聯網側變換器的控制以及電機側變換器的控制；所述串聯網側變換器的控制步驟為: Al)利用電壓霍爾傳感器採集電網三相電壓信號ugab。以及雙饋感應發電機定子三相電壓信號usab。；利用電壓霍爾傳感器採集直流側電壓信號Udc ； A2)將採集的電網三相電壓信號Ugab。經過數字鎖相環PLL後得到電網正序電壓電角度θ8+以及同步電角速度ω ； A3)將採集的電網三相電壓信號Ugabe和發電機定子三相電壓信號usab。分別經過靜止三相abc坐標軸繫到靜止兩相α β坐標軸系恆功率變換，轉換為靜止兩相α β坐標軸系下電壓信號Uga 0, Usa 0 ； A4)採用電網正序電壓定向方式，將步驟A3所得Ugae經相序分離模塊，分別提取出正向同步旋轉坐標軸系下電網電壓基波正序分量u+gdq+、5倍同步角速度反向旋轉坐標軸系下電網電壓5次諧波分量u5-gdq5_和7倍同步角速度正向旋轉坐標軸系下電網電壓7次諧波分量u7+gdq7+ ； A5)採用電網正序電壓定向方式，將步驟A3所得Usae經靜止兩相α β坐標軸繫到正向同步角速度旋轉坐標軸系的恆功率變換後，得到定子電壓在正向同步旋轉坐標系下dq軸分量u+sdq ； A6)在正向同步旋轉坐標軸系下,將步驟A4得到u+gdq+和步驟A5得到u+sdq差值送入電壓調節器進行調節； A7)將步驟A6 電壓調節器的輸出作為串聯網側變換器抑制定子諧波電壓的控制電壓U.,.seriesaq ， AS)將步驟A7所得到的串聯網側變換器控制電壓Us^sdq經正向同步角速度旋轉坐標軸繫到靜止兩相α β坐標軸系的恆功率變換，得到靜止兩相α β坐標軸系下控制電壓U0.以series α β > Α9)將步驟AS所得到的串聯網側變換器控制電壓Uswiesae和直流側電壓Ud。通過空間矢量調製產生串聯網側變換器PWM驅動信號； 所述並聯網側變換器的控制步驟為: BI)利用電壓霍爾傳感器採集電網三相電壓信號u一。，電流霍爾傳感器採集雙饋感應發電機定子三相電流信號isab。以及並聯網側變換器的三相電流信號igabc ； B2)利用電壓霍爾傳感器採集直流側電壓信號Udc ； B3)將採集得到的電網三相電壓信號u一。、雙饋感應發電機定子三相電流信號isab。、並聯網側變換器的三相電流信號igab。分別經靜止三相abc坐標軸繫到靜止兩相α β坐標軸系恆功率變換後，轉換為靜止兩相α β坐標軸系下電壓、電流信號，即1^0，13。0，18。0 ；Β4)將步驟Β3得到的Uga e, isa 0, iga 0分別經靜止兩相α β坐標軸繫到正向同步角速度旋轉坐標系的恆功率變換後，得到電網電壓以及定子、並聯網側變換器電流在正向同步旋轉坐標軸系下dq軸分量u+gdq, i+sdq+, i+gdq ； B5)並聯網側變換器的直流母線電壓調節採用PI調節器控制，其調節器輸出和直流母線電壓給定值Mte構成直流母線電壓平均有功功率給定值P*g_av ； B6)並聯網側變換器採用正序電網電壓定向於d軸，則u+g+=u+gd+ ;將步驟A4、B4、B5所得u+gdq+、u5-gdq5-、u7+gdq7+、i+sdq+、P*g_av送入並聯網側變換器參考電流指令計算模塊，獲得正向同步旋轉坐標軸系下包含基波正序和諧波成分在內的並聯網側變換器參考電流指令i+*gdq: B7)將步驟B6所得i+*gdq和B4所得i+gdq的差值送入電流控制器進行調節； B8)根據步驟B4、B6所得的i+gdq，u+gdq, i+*gdq計算得到並聯網側變換器控制電壓u+cdq ； B9)將B8所得並聯網側變換器控制電壓u+cdq經正向同步角速度旋轉坐標軸繫到靜止兩相α β坐標軸系的恆功率變換，可得到靜止兩相α β坐標軸系下控制電壓U。。e ； ΒΙΟ)將步驟Β9所得到的並聯網側變換器控制電壓U。。0和直流側電壓Udc通過空間矢量調製產生並聯網側變換器PWM驅動信號； 電機側變換器的控制策略 Cl)電機側變換器採用傳統矢量控制策略，其控制電壓和直流側電壓Ud。通過空間矢量調製產生電機側變換器PWM驅動信號。
2.根據權利要求1所述的電網電壓諧波下雙饋感應風電系統抑制併網功率波動控制方法，其特徵在於，所述的步驟A (4)包括以下子步驟: Α4.1)將Ugae經靜止兩相α β坐標軸繫到正向同步角速度旋轉坐標軸系的恆功率變換，再經過6 ω陷波器濾波後得到電網電壓正序分量在正向同步旋轉坐標軸系下dq軸分量u+gdq+ ； A4.2)將Ugae經靜止兩相α β坐標軸系分別到5倍同步角速度反向旋轉坐標軸系、7倍同步角速度正向旋轉坐標軸系的恆功率變換，再經過6 ω、12 ω陷波器濾波後分別得到電網電壓5次、7次諧波分量在5倍同步角速度反向旋轉坐標軸系、7倍同步角速度正向旋轉坐標軸系下dq軸分量u5-gdq5_, u7+gdq7+。
3.根據權利要求1所述的電網電壓諧波下雙饋感應風電系統抑制併網功率波動控制方法，其特徵在於，步驟A(6)所述的電壓調節器由一個傳統PI控制器加上一個諧振頻率為6倍電網頻率的諧振調節器組合而成，其傳遞函數為:
4.根據權利要求1所述的電網電壓諧波下雙饋感應風電系統抑制併網功率波動控制方法，其特徵在於，所述的步驟B (6)包括以下步驟: Β6.1)計算並聯網側變換器電流參考指令的基波正序分量，即令並聯網側變換器基波正序電流指令為:
5.根據權利要求1所述的電網電壓諧波下雙饋感應風電系統抑制併網功率波動控制方法，其特徵在於，所述的步驟B (7)所述的電流控制器由一個傳統PI控制器加上一個諧振頻率為6倍電網頻率的諧振調節器組合而成，其傳遞函數為:
【文檔編號】H02J3/38GK103545845SQ201310547482
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年11月6日 優先權日:2013年11月6日
【發明者】姚駿, 陳知前, 李清, 餘夢婷 申請人:重慶大學