一种电网电压不平衡时双馈风力发电机组直流侧电压的控制方法

摘要

一种电网电压不平衡时双馈风力发电机组直流侧电压的控制方法，其特征在于：该控制方法在电网电压不平衡时，建立一种双馈风力发电机组的网侧变换器在正、负序同步旋转坐标系下考虑并网电抗器有功功率波动的数学模型，并根据该模型中的直流侧电压与网侧变换器交流侧端口输出的有功功率的对应关系而提出的一种消除直流侧电压2倍频波动的控制方法。该控制方法有效消除了电网电压不平衡时双馈风力发电机组直流侧电压的2倍频波动，提高了直流侧电容的使用寿命，同时抑制了馈入电网的电流谐波分量，特别适用于电网电压不平衡时双馈风力发电机组的控制领域。

说明书

技术领域

本发明涉及一种双馈风力发电机组直流侧电压的控制方法，特别是涉及一 种电网电压不平衡时的双馈风力发电机组直流侧电压的控制方法。

背景技术

随着风电装机容量的快速提高，风电机组与电网之间的相互影响日趋突出， 国家电网公司颁布的风电场接入电网技术规定要求风电机组能够承受电压不平 衡度最大4％的不平衡电网电压。双馈风力发电机组作为目前主流的风电机组类 型，双馈机组在电网电压不平衡时的研究正受到越来越多的关注，需要寻求一 种电网电压不平衡时的双馈机组的控制方法。

电网不对称故障或非对称负载等因素均会导致电网电压的不平衡，电网电 压不平衡时产生的电压和电流的负序分量会造成直流侧电压的2倍频波动，进 而在双馈机组的网侧变换器的交流侧产生3次谐波电流注入电网，同时直流侧 电压的2倍频波动会造成直流侧电容频繁的充放电，给电容器带来很大的应力， 降低电容器的使用寿命，严重时甚至会影响整个变换器的稳定运行。工业经验 表明，通过简单的增大直流侧电容值来抑制直流侧电压波动的方法大大降低了 系统经济性和直流侧电压的跟踪性能，因此亟需一种更为实际和有效的电网电 压不平衡时的直流侧电压无波动的稳定控制方法。

经对国内外专利及相关科技文献进行检索，目前尚未发现与本发明内容相 类似的专利及文献报道，但与本发明最接近的科技文献主要有：

胡胜、林新春、康勇、邹旭东，一种双馈风力发电机在电网电压不平衡条 件下的改进控制策略，《电工技术学报》，2011年7期，P.21-29。

该文提出了一种双馈风力发电机在不平衡电网电压条件下的改进控制策 略，它可以根据控制目标的不同，实现定转子电流、有功无功功率和电磁转矩 脉动的抑制；但该文的控制方法没有考虑并网电抗器在电网电压不对称时吸收 的有功功率存在的2倍频波动，因此在实际运行中不能消除直流侧电压的2倍 频波动。

在工程实际运用中，当电网电压的不平衡时，为减轻对直流侧电容的应力， 消除对变换器稳定运行的不利影响，需增强电网电压不平衡条件下直流侧电压 的无波动稳定控制能力，亟需提出一种电网电压不平衡时双馈风力发电机组直 流侧电压的控制方法。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供的一种电网电压不平衡时双 馈风力发电机组直流侧电压的控制方法。该控制方法的原理为：在电网电压不 平衡时，建立一种双馈风力发电机组的网侧变换器在正、负序同步旋转坐标系 下考虑并网电抗器有功功率波动的数学模型，并根据该模型中的直流侧电压与 网侧变换器交流侧端口输出的有功功率的对应关系而提出的一种消除直流侧电 压2倍频波动的控制方法。

为了实现上述发明目的，本发明的技术方案是这样来实现的：

1)直流侧电容功率平衡方程

$C\frac{{\mathrm{du}}_{\mathrm{dc}}}{\mathrm{dt}}+P_r=P_c$

P_c＝P_g+P_l

其中：C为直流侧电容值；u_dc为直流侧电容电压；P_r为双馈风力发电机转 子侧输出瞬时有功功率；P_c为网侧变换器交流侧端口瞬时有功功率；P_g为网侧 变换器馈入电网的瞬时有功功率；P_l为并网电抗器吸收的瞬时有功功率。

2)正负序同步旋转坐标轴系下的各有功功率方程

$\left(\begin{array}{c}{P}_{g0}\\ P_{\mathrm{gc}2}\\ P_{\mathrm{gs}2}\\ P_{l0}\\ P_{\mathrm{lc}2}\\ P_{\mathrm{ls}2}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cccc}{u_{\mathrm{gd}}}^p& {u_{\mathrm{gq}}}^p& {u_{\mathrm{gd}}}^n& {u_{\mathrm{gq}}}^n\\ {u_{\mathrm{gd}}}^n& {u_{\mathrm{gq}}}^n& {u_{\mathrm{gd}}}^p& {u_{\mathrm{gq}}}^p\\ {u_{\mathrm{gq}}}^n& -{u_{\mathrm{gd}}}^n& -{u_{\mathrm{gq}}}^p& {u_{\mathrm{gd}}}^p\\ R_g{i_{\mathrm{gd}}}^p& R_g{i_{\mathrm{gq}}}^p& R_g{i_{\mathrm{gd}}}^n& R_g{i_{\mathrm{gq}}}^n\\ {2\mathrm{\omega L}}_g{i_{\mathrm{gq}}}^n& -{2\mathrm{\omega L}}_g{i_{\mathrm{gd}}}^n& {2R}_g{i_{\mathrm{gd}}}^p& {2R}_g{i_{\mathrm{gq}}}^p\\ -{2\mathrm{\omega L}}_g{i_{\mathrm{gd}}}^n& -{2\mathrm{\omega L}}_g{i_{\mathrm{gq}}}^n& {-2R}_g{i_{\mathrm{gq}}}^p& {2R}_g{i_{\mathrm{gd}}}^p\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{i_{\mathrm{gd}}}^p\\ {i_{\mathrm{gq}}}^p\\ {i_{\mathrm{gd}}}^n\\ {i_{\mathrm{gq}}}^n\end{array}\right)$

其中：P_g0为网侧变换器馈入电网的有功功率的直流分量；P_gc2、P_gs2为有功 功率的余、正弦2倍电网频率波动分量；P_l0为并网电抗器吸收的有功功率的直 流分量；P_lc2、P_ls2为并网电抗器吸收的有功功率的余、正弦2倍电网频率波动分 量；u_gd^p、u_gq^p为正序电网电压d、q轴分量；u_gdⁿ、u_gqⁿ为负序电网电压d、q轴 分量；i_gd^p、i_gq^p为正序电网电流d、q轴分量；i_gdⁿ、i_gqⁿ为负序电网电流的d、q 轴分量；R_g、L_g为并网电抗器电阻和电感；ω为电网频率。

3)负序d、q轴电流指令值计算方程

由1)获得的直流侧电容功率平衡方程可知，为控制直流侧电压无2倍频分 量，需要控制电网侧变换器交流侧端口输出的有功功率P_c无2倍频分量，即满 足下式：

$\left(\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{gc}2}+P_{\mathrm{lc}2}=0\\ P_{\mathrm{gs}2}+P_{\mathrm{ls}2}=0\end{array}\right)$

根据2)获得的有功功率方程，则有

$\left(\begin{array}{c}({u_{\mathrm{gd}}}^n{i_{\mathrm{gd}}}^p+{u_{\mathrm{gq}}}^n{i_{\mathrm{gq}}}^p+{u_{\mathrm{gd}}}^p{i_{\mathrm{gd}}}^n+{u_{\mathrm{gq}}}^p{i_{\mathrm{gq}}}^n)\\ +2[R_g({i_{\mathrm{gd}}}^p{i_{\mathrm{gd}}}^n+{i_{\mathrm{gq}}}^p{i_{\mathrm{gq}}}^n)+{\mathrm{\omega L}}_g({i_{\mathrm{gd}}}^p{i_{\mathrm{gq}}}^n-{i_{\mathrm{gq}}}^p{i_{\mathrm{gd}}}^n)]=0\\ ({u_{\mathrm{gq}}}^n{i_{\mathrm{gd}}}^p-{u_{\mathrm{gd}}}^n{i_{\mathrm{gq}}}^p-{u_{\mathrm{gq}}}^p{i_{\mathrm{gd}}}^n+{u_{\mathrm{gd}}}^p{i_{\mathrm{gq}}}^n)\\ +2[R_g({i_{\mathrm{gd}}}^p{i_{\mathrm{gq}}}^n-{i_{\mathrm{gq}}}^p{i_{\mathrm{gd}}}^n)-{\mathrm{\omega L}}_g({i_{\mathrm{gd}}}^p{i_{\mathrm{gd}}}^n+{i_{\mathrm{gq}}}^p{i_{\mathrm{gq}}}^n)]=0\end{array}\right)$

正序旋转坐标系下的d轴按正序电网电压定向，简化上式为

$\left(\begin{array}{c}{u_{\mathrm{gd}}}^n{i_{\mathrm{gd}}}^p+{u_{\mathrm{gd}}}^p{i_{\mathrm{gd}}}^n+2(R_g{i_{\mathrm{gd}}}^p{i_{\mathrm{gd}}}^n+{\mathrm{\omega L}}_g{i_{\mathrm{gd}}}^p{i_{\mathrm{gq}}}^n)=0\\ {u_{\mathrm{gq}}}^n{i_{\mathrm{gd}}}^p+{u_{\mathrm{gd}}}^p{i_{\mathrm{gq}}}^n+2(R_g{i_{\mathrm{gd}}}^p{i_{\mathrm{gq}}}^n-{\mathrm{\omega L}}_g{i_{\mathrm{gd}}}^p{i_{\mathrm{gd}}}^n)=0\end{array}\right)$

由上式计算出负序电流指令值，即有

$\left(\begin{array}{c}{i_{\mathrm{gd}}}^{n^{*}}=-\frac{{u_{\mathrm{gd}}}^p{u_{\mathrm{gd}}}^n{i_{\mathrm{gd}}}^p-2{\left({i_{\mathrm{gd}}}^p\right)}^2(R_g{u_{\mathrm{gd}}}^n-{\mathrm{\omega L}}_g{u_{\mathrm{gq}}}^n)}{{\left({u_{\mathrm{gd}}}^p\right)}^2+{4R}_g{i_{\mathrm{gd}}}^p({u_{\mathrm{gd}}}^p+R_g{i_{\mathrm{gd}}}^p)+{\left({2\mathrm{\omega L}}_g{i_{\mathrm{gd}}}^p\right)}^2}\\ {i_{\mathrm{gq}}}^{n^{*}}=-\frac{{u_{\mathrm{gd}}}^p{u_{\mathrm{gq}}}^n{i_{\mathrm{gd}}}^p+2{\left({i_{\mathrm{gd}}}^p\right)}^2(R_g{u_{\mathrm{gq}}}^n+{\mathrm{\omega L}}_g{u_{\mathrm{gd}}}^n)}{{\left({u_{\mathrm{gd}}}^p\right)}^2+{4R}_g{i_{\mathrm{gd}}}^p({u_{\mathrm{gd}}}^p+R_g{i_{\mathrm{gd}}}^p)+{\left({2\mathrm{\omega L}}_g{i_{\mathrm{gd}}}^p\right)}^2}\end{array}\right)$

上式表明，在正负序同步旋转轴系下网侧变换器负序电流指令值的计算仅 需简单的代数运算，避免了复杂高阶矩阵逆的求解。

4)电网电压和电流的正、负序分量的检测

采用T/4延时法(T为电网周期)：将三相静止ABC轴系下的三相电量值变换 到两相静止αβ轴系下，同时获得延时T/4后的值；利用这两组值进行代数运算 得到αβ坐标系下的各正、负序分量；利用αβ-dq的坐标变换，得到正、负序dq 坐标系下的各分量值。

电网电压αβ坐标系下的正、负序分量

$\left(\begin{array}{c}{u_{\mathrm{g\alpha }}}^p\left(t\right)\\ {u_{\mathrm{g\beta }}}^p\left(t\right)\\ {u_{\mathrm{g\alpha }}}^n\left(t\right)\\ {u_{\mathrm{g\beta }}}^n\left(t\right)\end{array}\right)=\frac{1}{2}\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 0& -1\\ 0& 1& 1& 0\\ 1& 0& 0& 1\\ 0& 1& -1& 0\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{g\alpha }}\left(t\right)\\ u_{\mathrm{g\beta }}\left(t\right)\\ u_{\mathrm{g\alpha }}(t-T/4)\\ u_{\mathrm{g\beta }}(t-T/4)\end{array}\right)$

电网电压αβ坐标系下的正、负序分量

$\left(\begin{array}{c}{u_{\mathrm{gd}}}^p\left(t\right)\\ {u_{\mathrm{gq}}}^p\left(t\right)\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\cos \theta & \sin \theta \\ -\sin \theta & \cos \theta \end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{u_{\mathrm{g\alpha }}}^p\left(t\right)\\ {u_{\mathrm{g\beta }}}^p\left(t\right)\end{array}\right)$$\left(\begin{array}{c}{u_{\mathrm{gd}}}^n\left(t\right)\\ {u_{\mathrm{gq}}}^n\left(t\right)\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\cos (-\theta )& \sin (-\theta )\\ -\sin (-\theta )& \cos (-\theta )\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{u_{\mathrm{g\alpha }}}^n\left(t\right)\\ {u_{\mathrm{g\beta }}}^n\left(t\right)\end{array}\right)$

电网电流αβ坐标系下的正、负序分量

$\left(\begin{array}{c}{i_{\mathrm{g\alpha }}}^p\left(t\right)\\ {i_{\mathrm{g\beta }}}^p\left(t\right)\\ {i_{\mathrm{g\alpha }}}^n\left(t\right)\\ {i_{\mathrm{g\beta }}}^n\left(t\right)\end{array}\right)=\frac{1}{2}\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 0& -1\\ 0& 1& 1& 0\\ 1& 0& 0& 1\\ 0& 1& -1& 0\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{g\alpha }}\left(t\right)\\ i_{\mathrm{g\beta }}\left(t\right)\\ i_{\mathrm{g\alpha }}(t-T/4)\\ i_{\mathrm{g\beta }}(t-T/4)\end{array}\right)$

电网电流αβ坐标系下的正、负序分量

$\left(\begin{array}{c}{i_{\mathrm{gd}}}^p\left(t\right)\\ {i_{\mathrm{gq}}}^p\left(t\right)\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\cos \theta & \sin \theta \\ -\sin \theta & \cos \theta \end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{i_{\mathrm{g\alpha }}}^p\left(t\right)\\ {i_{\mathrm{g\beta }}}^p\left(t\right)\end{array}\right)$$\left(\begin{array}{c}{i_{\mathrm{gd}}}^n\left(t\right)\\ {i_{\mathrm{gq}}}^n\left(t\right)\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\cos (-\theta )& \sin (-\theta )\\ -\sin (-\theta )& \cos (-\theta )\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{i_{\mathrm{g\alpha }}}^n\left(t\right)\\ {i_{\mathrm{g\beta }}}^n\left(t\right)\end{array}\right)$

5)正负序电流控制方程

正序旋转坐标系下的d轴按正序电网电压定向后的正序电流的控制方程为

$\left(\begin{array}{c}{u_{\mathrm{cd}}}^p={u_{\mathrm{gd}}}^p-R_g{i_{\mathrm{gd}}}^p+{\mathrm{\omega L}}_g{i_{\mathrm{gq}}}^p-\mathrm{PI}({i_{\mathrm{gd}}}^{p^{*}}-{i_{\mathrm{gd}}}^p)\\ {u_{\mathrm{cq}}}^p=-R_g{i_{\mathrm{gq}}}^p-{\mathrm{\omega L}}_g{i_{\mathrm{gd}}}^p-\mathrm{PI}({i_{\mathrm{gq}}}^{p^{*}}-{i_{\mathrm{gq}}}^p)\end{array}\right)$

负序电流的控制方程为

$\left(\begin{array}{c}{u_{\mathrm{cd}}}^n={u_{\mathrm{gd}}}^n-R_g{i_{\mathrm{gd}}}^n-{\mathrm{\omega L}}_g{i_{\mathrm{gq}}}^n-\mathrm{PI}({i_{\mathrm{gd}}}^{n^{*}}-{i_{\mathrm{gd}}}^n)\\ {u_{\mathrm{cq}}}^n={u_{\mathrm{gq}}}^n-R_g{i_{\mathrm{gq}}}^n+{\mathrm{\omega L}}_g{i_{\mathrm{gd}}}^n-\mathrm{PI}({i_{\mathrm{gq}}}^{n^{*}}-{i_{\mathrm{gq}}}^n)\end{array}\right)$

本发明提出的一种电网电压不平衡时的双馈风力发电机组直流侧电压的控 制方法，它能解决以下关键技术问题：

1.结合附图5、附图6中的波形：采用传统控制方法时不仅网侧变换器输 出至电网的有功功率有一定的2倍频波动，直流侧电压也存在显著的2倍频波 动，这种2倍频的电压波动将导致直流侧电容频繁的充放电，大大降低了电容 的使用寿命；而本发明提出的直流侧电压的控制方法，通过控制网侧变换器交 流侧端口输出的有功功率无2倍频分量，能消除直流侧电压的2倍频波动，从 而有利于提高电容的使用寿命，同时网侧变换器输出至电网的有功功率的2倍 频波动也相对降低，其波动幅值与并网电抗器上的有功功率波动值相同。

2.结合附图7、附图8中网侧电流的频谱图，本发明提出的直流侧电压的 控制方法，在消除直流侧电压2倍频波动的同时，有效抑制了馈入电网的电流 谐波分量，在输出功率2MW和10％的电网电压不平衡度条件下，网侧相电流的 总谐波畸变率由5.62％降低至2.67％，其中非零序3次谐波分量从5.33％下降到 了1.01％。

附图说明

图1为本发明提出的一种电网电压不平衡时的双馈风力发电机组直流侧电 压的控制方法的示意图。

图2为本发明采用的延时法分离正负序的原理示意图。

图3为本发明采用的正序电流控制示意图。

图4为本发明采用的负序电流控制示意图。

图5为采用本发明控制方法在电网电压不平衡时的网侧电流、直流侧电压、 有功功率、无功功率的波形图。

图6为采用传统控制方法在电网电压不平衡时的网侧电流、直流侧电压、 有功功率、无功功率的波形图。

图7为采用本发明控制方法在电网电压不平衡时的网侧电流频谱图。

图8为采用传统控制方法在电网电压不平衡时的网侧电流频谱图。

在附图5、附图6中，0～1.5s电网电压正常，2MW双馈风力发电机组运行 于额定状态；1.5s时发生10％的电网电压不平衡度；持续600ms后电网电压重 新恢复平衡。

在附图7、附图8中的频谱图是在输出功率2MW和10％的电网电压不平衡 度时对网侧电流分析的结果。

具体实施方式

以下结合附图对本发明提出的一种电网电压不平衡时的双馈风力发电机组 直流侧电压的控制方法作进一步说明。

在附图1中，一种电网电压不平衡时双馈风力发电机组的直流侧电压的控 制方法，通过以下技术方案加以实施。

1)信号检测部分

电网三相电压U_abc信号检测：利用霍尔电压传感器检测电压信号，经调理电 路和滤波器处理后送入控制器的AD转换通道，实现对电压信号的检测；

网侧三相电流I_abc信号检测：利用霍尔电流传感器检测电流信号，经调理电 路和滤波器处理后送入控制器的AD转换通道，实现对电流信号的检测。

2)正负序电压电流分离计算部分

正序电网电压频率和角度计算：使用软件PLL算法提取正序电网电压的频 率和角度；

电网电压的正负序分离计算：按照附图2和电网电压和电流的正、负序分 量的检测中提供的正负序分离公式计算电网电压的正负序分量；

网侧电流的正负序分离计算：按照附图2和电网电压和电流的正、负序分 量的检测中提供的正负序分离公式将电压量用电流量替代后计算网侧电流的正 负序分量。

3)负序电流指令值计算部分

按照负序d、q轴电流指令值计算方程中提供的负序电流指令值计算公式得 到控制直流侧电压无波动时的负序dq轴电流控制指令值。

4)控制算法部分

正序电流控制算法部分：按照附图3的控制框图及公式，利用直流侧电压 控制环获得正序d轴电流控制指令值，利用无功电流指令值获得正序q轴电流 控制指令值，通过控制方程获得正序dq轴控制电压值；

负序电流控制算法部分：根据得到负序dq轴电流控制指令值，按照附图4 的控制框图及公式，通过控制方程获得负序dq轴控制电压值；

总控制电压值计算：将正负序dq轴控制电压值分别经dq-αβ的坐标变换后 相加即得到αβ轴下的总控制电压值；

SVPWM计算：通过αβ轴下的控制电压，按照SVPWM调制方式得到PWM 控制信号，实现对网侧变换器的控制。