CN101272119B - 抑制双馈式风力发电机组定子电流不平衡及畸变的方法 - Google Patents

Abstract

抑制双馈式风力发电机组定子电流不平衡及畸变的方法，经检测计算得到定子电压、电流中基波正序分量及非正序分量；用主控有功功率和无功功率给定值与定子侧电压、电流基波正序分量计算的有功功率和无功功率比较调节后，经坐标变换，得到静止坐标系下的转子正序电流给定值；由非正序分量经过运算，得到抑制定子电流不平衡及畸变的转子三相电流控制量给定值，与转子基波正序电流的给定值相叠加，经过调节输出转子电压给定值，用于控制转子侧变流器向双馈发电机的转子绕组馈入所需的励磁电流。由此通过检测定子电压、电流的基波正序分量与非正序分量，对转子电流进行叠加控制，以抑制定子电流不平衡及畸变所带来的不利影响。

Description

抑制双馈式风力发电机组定子电流不平衡及畸变的方法

技术领域

本发明涉及一种抑制双馈式风力发电机组定子电流不平衡及畸变的方法，属于双馈式风力发电机组的控制领域。

背景技术

双馈式风力发电技术是当前大型风力发电机组中获得广泛应用的主流技术，这种技术通过电力电子变流装置对发电机转子电流进行控制，使风力发电机实现变速恒频运行，在大大提高了发电效率的同时，实现了发电机输出有功功率和无功功率的独立调节。与直驱式变速恒频风力发电技术相比，电力电子变流装置的容量小，机组的总成本也大大降低。

双馈式风力发电机组结构如图1所示，它包括：桨叶PI，发电机GE，变桨系统PS(含变桨控制器、变桨驱动电机及其驱动控制系统)，齿轮箱GB，变流器系统CS，风机主控系统TS，变压器TR，滤波器FL等组件。变流器系统CS(如图2所示)包括转子侧变流器CR、网侧变流器CG、变流器控制器CC及相应保护回路PR等。其中，用于风力发电机组的背靠背变流器CR&CG在本领域是已知的，并且多种结构方式均可使用。转子侧变流器CR连接到发电机GE，实现机组控制，调节功率输出；网侧变流器CG连接电网GR，在实现能量双向流的同时，控制直流母线电压的稳定，以及对网侧的功率因数进行调节；变流器控制器CC与变流器相连，以接收指示变流器的电流、电压数据，根据所测得的数据，进行相应的运行操作或保护。根据电路的基本原理，任一三相交流电压(电流)总可以分解为正序、负序、零序以及其它分量如谐波分量的和。为分析方便，这里将基波正序分量简称为正序分量，除去基波正序分量的其它分量之和，简称为非正序分量，如下式(1)所示，e＝e₊+e^e(1)，其中e₊表示电压或电流的正序分量；e^e表示电压或电流的非正序分量。当交流电压或电流三相平衡(即三相的幅值相等、相位互差120°、正方向旋转)时，只含有正序分量；

当电压或电流三相不平衡或畸变时，在电压或电流中除正序分量外还将含有其它的非正序分量。

一般地，双馈式风力发电机组的系统设计一般都按照电网电压平衡考虑，即只有正序对称分量，此时e＝e₊。根据双馈式发电机的结构和工作原理，做如下些假设以突出重点和便于分析：①忽略空间谐波，设三相绕组对称并且在空间上互差120度电角度，其所产生的磁势沿气隙圆周按照正弦规律分布；②忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是恒定(定常线性对称)的；③忽略铁芯损耗；④不考虑频率和温度变化对各绕组电阻的影响；⑤如无特别说明，转子侧的参数都是经过折算到定子侧的参数，折算后的定转子绕组匝数相等。

定、转子电压方程为：

公式(2)

由上式可知，双馈式发电机的定转子电压分别由定转子绕组等效电阻压降、感应电动势中的变压器电动势和感应电动势中的旋转电动势等三部分共同组成。定子电压方程展开为：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{sa}}\\ u_{\mathrm{sb}}\\ u_{\mathrm{sc}}\end{array}\right]=r_s\×\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{sa}}\\ i_{\mathrm{sb}}\\ i_{\mathrm{sc}}\end{array}\right]+L_{\mathrm{ss}}\×\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{sa}}\\ i_{\mathrm{sb}}\\ i_{\mathrm{sc}}\end{array}\right]+L_{\mathrm{sr}}\×\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ra}}\\ i_{\mathrm{rb}}\\ i_{\mathrm{rc}}\end{array}\right]+{\mathrm{\ω}}_r\×\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ra}}\\ i_{\mathrm{rb}}\\ i_{\mathrm{rc}}\end{array}\right]\×\frac{d{L}_{\mathrm{sr}}}{\mathrm{d\θ}}$ 公式(3)

式中：u_sa、u_sb、u_sc分别为定子三相电压；i_sa、i_sb、i_sc分别为定子三相电流；i_ra、i_rb、i_rc分别为转子三相电流；r_s为定子内电阻；ω_r为角速度。下标s表示定子侧参数；下标r表示转子侧参数。θ为转子位置角，L_ms为与定子每相绕组交链的最大互感磁通对应的互感值，L_ls为定子每相漏感。上述方程中对电流和电压的波形未作假定，均为瞬时值，适用于不平衡及畸变系统的分析和推导。

$L_{\mathrm{ss}}=\left[\begin{array}{ccc}{L}_{1s}+L_{\mathrm{ms}}& -\frac{1}{2}{L}_{\mathrm{ms}}& -\frac{1}{2}{L}_{\mathrm{ms}}\\ -\frac{1}{2}{L}_{\mathrm{ms}}& L_{1s}+L_{\mathrm{ms}}& -\frac{1}{2}{L}_{\mathrm{ms}}\\ -\frac{1}{2}{L}_{\mathrm{ms}}& -\frac{1}{2}{L}_{\mathrm{ms}}& L_{1s}+L_{\mathrm{ms}}\end{array}\right]$ 公式(4)

公式(5)

在双馈式风电机组中，发电机并网后，发电机的定子与电网直接相连，定子出口电压等于电网电压。转子侧变流器CR的控制，由公式(2)，通过实时控制定子磁链的变化可以控制定子输出的三相电流。机组控制中，定子磁链的变化通常是以控制转子电流为手段，以定子输出电网的有功功率和无功功率为控制的目标。具体控制原理示意图如图3所示。

图3所示的转子侧变流器控制系统中采用了功率外环，两个通道分别控制双馈电机DFIG的有功功率P和无功功率Q。在功率闭环中，由检测到的定子电压、电流(只有正序分量)计算得到实际有功功率和无功功率，有功功率和无功功率给定值P^*和Q^*(根据风力机运行特性得到)与实际值比较后经功率调节器运算，得到d、q坐标系下的转子电流给定值i_dr ^*及i_qr ^*，经过旋转到静止的坐标变换便可获得静止坐标系下的转子三相电流正序分量给定值i_ra ^*、i_rb ^*、i_rc ^*，与转子实测三相电流值比较后，通过转子电流调节器输出转子电压给定值u_ra、u_rb、u_rc，用于控制转子侧变流器的输出，向双馈发电机的转子绕组馈入所需的励磁电流，实现机组的运行控制。

如上所述，图3中示意的是将d、q坐标系下的转子电流正序分量给定值i_dr ^*及i_qr ^*，先经过坐标变换至静止坐标系下的转子三相电流基波正序分量给定值i_ar ^*、i_br ^*、i_cr ^*，再与转子电流实测值进行比较与调节，得到三相转子电压的给定u_ar、u_br、u_cr；也可以将d、q坐标系下的转子电流正序分量给定值i_dr ^*及i_qr ^*，先与三相转子电流测量值转换到d、q坐标系的分量进行比较和调节，再进行坐标变换得到静止坐标系的三相转子电压给定u_ra、u_rb、u_rc。这种在系统电压三相平衡下实施的控制方法，这里称之为---平衡控制方法。

但是，以上说明的平衡控制方法通常都是未考虑双馈发电机所接入电网的不对称性，即假设电网是三相对称、稳定的无穷大系统。而事实上，目前我国大多数的风电场都建设在风力资源丰富而地理位置偏僻的地区，一般接入到系统较为薄弱的电网末端，电压不平衡问题十分突出。当电网电压存在一定的不平衡和波形畸变，由于双馈发电机定子直接与电网相连接，这将导致发电机定子电流出现三相不平衡及波形畸变。此时定子电压、电流中除了平衡下的正序分量，还会包含其它非正序分量，在电力系统中，电网电压很小的不平衡或畸变就会造成发电机定子电流中出现较大的不平衡及畸变，引起定子绕组发热、发电机发生转矩脉动以及向电网输送功率振荡等问题。当定子电流不平衡足够大时，风电机组将不得不从电网中解列。但从电网安全运行的角度，又要求风力发电机组可以承受一定程度的不平衡电压(稳态最大2％、暂态最大5％)。

考虑实际运行工况及不平衡或畸变的定子电流带来的发热、震动等不利影响，需通过适当的控制策略加以抑制。针对双馈式风力发电机组，本发明提出了一种用于抑制双馈式风电机组运行中发电机定子电流不平衡及畸变的方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对双馈式风力发电机组现有控制技术中忽略系统电压不平衡或畸变而带来的的发热、震动等问题，提出了一种用于抑制双馈式风力发电机组定子电流不平衡及畸变的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：1、抑制双馈式风力发电机组定子电流不平衡及畸变的方法，该方法由运算芯片内的软件来实现，其功能模块主要包括有功无功计算模块、功率调节模块、2r/3s坐标变换模块、转子电流调节模块、定子电压电流基波正序分量检测模块、转子电流控制量计算模块，其步骤如下：

(1)、读取机组主控中的功率给定值，该功率给定值包括给定有功功率P^*，给定无功功率Q^*；

(2)、采集电机的转子三相电流i_ra、i_rb、i_rc、以及转子位置角θ；

(3)、采集电机的定子三相电压u_sa、u_sb、u_sc，电机的定子三相电流i_sa、i_sb、i_sc，并将其输入定子电压电流基波正序分量检测模块；

(4)、定子电压电流基波正序分量检测模块将定子三相电压u_sa、u_sb、u_sc、定子三相电流i_sa、i_sb、i_sc检测后得到定子三相电压中的基波正序分量u_sa+、u_sb+、u_sc+、定子三相电流中的基波正序分量i_sa+、i_sb+、i_sc+，以及定子三相电压的非正序分量u_sa ^e  u_sb ^e、u_sc ^e、定子三相电流的非正序分量i_sa ^e、i_sb ^e、i_sc ^e；

(5)、有功无功计算模块将定子基波正序电压u_sa+、u_sb+、u_sc+、定子基波正序电流i_sa+、i_sb+、i_sc+进行有功、无功计算，得到有功功率P₊、无功功率Q₊；

(6)、功率调节模块将P^*-P₊、Q^*-Q₊进行功率调节运算，得到d、q坐标系下的转子基波正序电流给定值i_dr ^*、i_qr ^*，再由2r/3s坐标变换模块对基波正序电流给定值i_dr ^*、i_qr ^*进行坐标变换，得到转子三相电流的基波正序分量给定值i_ra ^*、i_rb ^*、i_rc ^*；

(7)、转子电流控制量计算模块将定子非正序三相电压u_sa ^e、u_sb ^e、u_sc ^e矩阵与定转子互感矩阵L_sr的逆矩阵相乘，得到用于消除定子电压非正序分量所对应的转子三相电流控制量给定值Δi_ra ^e、Δi_rb ^e、Δi_rc ^e；

(8)、将(7)中的转子三相电流控制量给定值Δi_ra ^e、Δi_rb ^e、Δi_rc ^e分别与转子三相电流基波正序分量给定值i_ra ^*、i_rb ^*、i_rc ^*叠加，得到修正后的转子三相电流给定值i_ra ^*′、i_rb ^*′、i_rc ^*′；

(9)、用修正后的转子三相电流给定值i_ra ^*′、i_rb ^*′、i_rc ^*′分别减去步骤

(2)中采集获得的转子三相电流i_ra、i_rb、i_rc，并将得到的结果通过转子电流调节模块调节，得到用于控制变流器输出的转子三相电压给定值u_ra、u_rb、u_rc。

本发明转子电流的控制指令由两部分组成，一、由平衡控制方法获得的定子电压正序分量对应的转子电流控制指令i_rabc ^*＝[i_ra ^*，i_rb ^*，i_rc ^*]，二、与定子电压非正序分量或定子电流非正序分量对应的转子电流控制指令

当系统电压平衡时，本发明如同常规平衡控制方法，即转子电流的控制指令只有第一部分i_rabc ^*，第二部分Δi_rabc ^e为零；当系统电压存在不平衡或畸变时，在平衡控制方法的基础上，根据定子电压、电流的非正序分量，生成第二部分的转子电流控制指令Δi_rabc ^e，用于抑制定子电流不平衡和畸变，两部分转子电流控制量相叠加，得到发电机转子电流的总控制指令，进行实时控制。

本发明在定子侧加入的正序分量检测模块分别检测出电压(电流)中的正序分量及非正序分量，并运用正序分量执行通常的平衡控制方法：由定子正序电压电流进行功率计算，得到实际的有功功率和无功功率，与有功功率和无功功率给定值P^*和Q^*比较后经功率调节器，得到d、q坐标系下的转子正序电流给定值i_dr ^*及i_qr ^*，进行旋转到静止的坐标变换便可获得静止坐标系下的转子电流对应正序分量的控制给定值i_ra ^*、i_rn ^*、i_rc ^*。若检测到定子电流非正序分量不为零，还要通过控制转子电流在定子侧产生与定子电压或定子电流非正序分量相抵消的部分，以达到使定子侧电流的非正序分量i_sabc ^e＝[i_sa ^e，i_sb ^e，i_sc ^e]为0的控制目标。即在转子电流控制给定中，除了定子电压正序分量所对应的转子电流正序分量的控制指令外，还需要叠加另一部分转子电流的控制量Δi_rabc ^e用于消除定子电压、电流的非正序分量。

本发明的有益效果如下：根据本发明所提出的控制方法，在系统电压平衡工况下，实施平衡控制方法，在不平衡或畸变工况下，实施平衡控制方法的基础上加入转子电流中定子电压非正序分量所对应的控制部分，以抑制定子电流不平衡及畸变所带来的例如机组发热、转矩脉动等不利影响；在一定范围内的电压波动或不平衡及畸变期间，保持机组与电网的同步和正常运行，优化了机组控制性能、提高了机组的运行效率、延长了机组的使用寿命。

附图说明

图1为双馈式风电机组风力发电机组组成结构示意图。

图2为双馈式风电机组风力发电机组变流器示意图。

图3为双馈式风电机组风力发电机组常用控制策略示意图。

图4为本发明用于抑制双馈式风力发电机组定子电流不平衡及畸变的方法的控制策略示意图。

图5为本发明用于抑制双馈式风力发电机组定子电流不平衡及畸变的方法的流程图。

图6为本双馈式风电机组转子侧控制器工作示意图。

具体实施方式

下面参照附图并结合实施例对本发明作进一步详细描述。但是本发明不限于所给出的例子。

如图5为本发明用于抑制双馈式风力发电机组定子电流不平衡及畸变的方法的流程图，该方法由运算芯片内的软件来实现，其功能模块主要包括有功无功计算模块、功率调节模块、2r/3s坐标变换模块、转子电流调节模块、定子电压电流基波正序分量检测模块、转子电流控制量计算模块，其步骤如下：

(1)、读取机组主控中的功率给定值，该功率给定值包括给定有功功率P^*，给定无功功率Q^*；

(2)、采集电机的转子三相电流i_ra、i_rb、i_rc、以及转子位置角θ，电流采集可通过电流互感器实现，转子位置角采集属于现有成熟的技术；

(3)、采集电机的定子三相电压u_sa、u_sb、u_sc，电机的定子三相电流i_sa、i_sb、i_sc，并将其输入定子电压、电流正序分量检测模块，电压的采样可以通过电压传感器实现；

(4)、定子电压电流正序分量检测模块将定子三相电压u_sa、u_sb、u_sc、定子三相电流i_sa、i_sb、i_sc检测后得到定子三相电压正序分量u_sa+、u_sb+、u_sc+、定子三相电流正序分量i_sa+、i_sb+、i_sc+，以及定子三相电压非正序分量u_sa ^e、u_sb ^e、u_sc ^e、定子三相电流非正序分量i_sa ^e、i_sb ^e、i_sc ^e，定子电压电流基波正序分量检测模块属于现有技术；

(5)、有功无功计算模块将定子电压正序分量u_sa+、u_sb+、u_sc+、定子电流正序分量i_sa+、i_sb+、i_sc+进行有功无功计算，得到有功功率P₊、无功功率Q₊；

(6)、功率调节模块将P^*-P₊、Q^*-Q₊进行功率调节运算，得到d、q坐标系下的转子正序电流给定值i_dr ^*、i_qr ^*，再由2r/3s坐标变换模块对正序电流给定值i_dr ^*、i_qr ^*进行坐标变换，得到转子正序三相电流给定值i_ra ^*、i_rb ^*、i_rc ^*，坐标变换属于本领域常规技术，在此不进行详细描述；

(7)、转子电流控制量计算模块将定子非正序三相电压u_sa ^e、u_sb ^e、u_sc ^e的矩阵与定转子互感矩阵L_sr的逆矩阵相乘，得到定子三相电压非正序分量所对应的转子三相电流控制量给定值Δi_ra ^e、Δi_rb ^e、Δi_rc ^e；或者转子电流控制量计算模块将定子非正序三相电流i_sa ^e、i_sb ^e、i_sc ^e矩阵与定转子互感矩阵L_sr的逆矩阵相乘，得到用于消除定子电流中非正序分量所需的转子三相电流控制量给定值Δi_ra ^e、Δi_rb ^e、Δi_rc ^e；

(8)、将(7)中的转子三相电流控制量给定值Δi_ra ^e、Δi_rb ^e、Δi_rc ^e分别与转子正序三相电流给定值i_ra ^*、i_rb ^*、i_rc ^*叠加，得到修正后的转子三相电流给定值i_ra ^*′、i_rb ^*′、i_rc ^*′；

(9)、用修正后的转子三相电流给定值i_ra ^*′、i_rb ^*′、i_rc ^*′减去步骤(2)中采集获得的转子三相电流i_ra、i_rb、i_rc，并将得到的结果通过转子电流调节模块的电流调节计算，得到用于控制变流器输出的转子三相电压给定值u_ra、u_rb、u_rc，转子电流调节模块的电流调节计算也是现有技术，在本实施例中不进行详细描述。

定、转子互感矩阵L_sr：

如图4所示，为本发明用于抑制双馈式风力发电机组的定子电流不平衡的控制方法示意图，本发明方法中，在定子侧加入：1、电压电流基波正序分量检测模块ME(虚线框)——用以得到定子电压(电流)的基波正序分量及其它非正序分量；2、定子非正序电压或非正序电流对应的转子电流控制量计算模块CA(虚线框)——根据检测到的定子电压电流非正序分量计算得到对应的转子电流控制量。这两个虚线框部分是本发明提出抑制双馈风电机组定子电流不平衡及畸变方法的所添加的重要环节。系统电压平衡的正常工况下，添加部分为零，等同于常规平衡控制方法；当系统电压不平衡时，加入抑制定子电流不平衡及畸变的转子电流控制环节。具有实现方便、通用性良好的特点，更具有重要的现实意义。

如图4、5所示的实施例中，本发明的电流闭环调节部分将功率环节模块输出的d、q坐标系下转子电流给定值i_dr ^*及i_qr ^*，先经过坐标变换至静止坐标系下的三相转子电流给定值i_ra ^*、i_rb、i_rc ^*，叠加上抑制定子电流不平衡及畸变的转子电流的控制量，再与转子电流实测值进行比较与调节，得到三相转子电压的给定u_ra、u_rb、u_rc，这是一种电流闭环调节方式；本发明的电流闭环调节还可以采用另一种方式来实现：将抑制定子电流非正序分量相应的转子电流分量先转换得到d、q坐标系下的分量，分别与功率环节输出的转子电流给定值i_dr ^*及i_qr ^*叠加，叠加生成的转子电流控制的修正指令与三相转子电流测量值转换到d、q坐标系的分量进行比较和调节，调节后再进行坐标变换得到静止坐标系下的三相转子电压给定u_ra、u_rb、u_rc。

如图6所示，是双馈式风电机组控制器工作示意图，其中的方框部分是控制器主要组成部分，它包括模拟采样信号的模拟放大、A/D转换、运算芯片(dsp或其它)、脉冲输出与放大等几部分，它完成与外部信号的通讯、测量量的采集以及内部运算和脉冲的生成与放大，实现对转子侧变流器的控制。

本实施例采用数字控制系统，根据控制器外部测量、通讯等数据，通过控制器内部的采样、计算以及脉冲输出等模块，控制转子侧变流器向电机转子提供所需要的励磁电流，进行机组运行控制。

本发明在双馈式风电机组中的原理及应用说明，不限于本实施例，还可以包括其它的形式，但对于本发明所使用的控制原理及方法具有通用性。

Claims (1)

1.抑制双馈式风力发电机组定子电流不平衡及畸变的方法，该方法由运算芯片内的软件来实现，其功能模块主要包括有功无功计算模块、功率调节模块、2r/3s坐标变换模块、转子电流调节模块、定子电压电流基波正序分量检测模块、转子电流控制量计算模块，其步骤如下：

(1)、读取机组主控中的功率给定值，该功率给定值包括给定有功功率P^*，给定无功功率Q^*；

(2)、采集电机的转子三相电流i_ra、i_rb、i_rc、以及转子位置角θ；

(3)、采集电机的定子三相电压u_sa、u_sb、u_sc，电机的定子三相电流i_sa、i_sb、i_sc，并将其输入定子电压电流基波正序分量检测模块；

(4)、定子电压电流基波正序分量检测模块将定子三相电压u_sa、u_sb、u_sc、定子三相电流i_sa、i_sb、i_sc检测后得到定子三相电压中的基波正序分量u_sa+、u_sb+、u_sc+、定子三相电流中的基波正序分量i_sa+、i_sb+、i_sc+，以及定子三相电压的非正序分量u_sa ^e、u_sb ^e、u_sc ^e、定子三相电流的非正序分量i_sa ^e、i_sb ^e、i_sc ^e；

(5)、有功无功计算模块将定子基波正序电压u_sa+、u_sb+、u_sc+、定子基波正序电流i_sa+、i_sb+、i_sc+进行有功、无功计算，得到有功功率P₊、无功功率Q₊；

(6)、功率调节模块将P^*-P₊、Q^*-Q₊分别进行功率调节运算，得到d、q坐标系下的转子基波正序电流给定值i_dr ^*、i_qr ^*，再由2r/3s坐标变换模块对基波正序电流给定值i_dr ^*、i_qr ^*进行坐标变换，得到转子三相电流的基波正序分量给定值i_ra ^*、i_rb ^*、i_rc ^*；

(7)、转子电流控制量计算模块将定子非正序三相电压u_sa ^e、u_sb ^e、u_sc ^e矩阵与定转子互感矩阵L_sr的逆矩阵相乘，得到用于消除定子电压非正序分量所对应的转子三相电流控制量给定值Δi_ra ^e、Δi_rb ^e、Δi_rc ^e；

(8)、将(7)中的转子三相电流控制量给定值Δi_ra ^e、Δi_rb ^e、Δi_rc ^e分别与转子三相电流基波正序分量给定值i_ra ^*、i_rb ^*、i_rc ^*叠加，得到修正后的转子三相电流给定值i_ra ^*′、i_rb ^*′、i_rc ^*′；

(9)、用修正后的转子三相电流给定值i_ra ^*′、i_rb ^*′、i_rc ^*′分别减去步骤(2)中采集获得的转子三相电流i_ra、i_rb、i_rc，并将得到的结果通过转子电流调节模块调节，得到用于控制变流器输出的转子三相电压给定值u_ra、u_rb、u_rc。

Images