CN101895118A - 变速恒频双馈风力发电系统电网电流的谐波抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变速恒频双馈风力发电系统电网电流的谐波抑制方法，包括以下步骤：采集定子磁链定向的同步旋转坐标系下的dq轴分量；在系统稳态时采集定子磁链定向的同步旋转坐标系下的dq轴分量参考值；提取电网中的交流谐波电流分量；获取为抑制各次谐波电流所需加入的网侧逆变器谐波电流参考值；将各次网侧逆变器谐波电流参考值求和并将其加入到网侧逆变器交流侧电流dq轴分量参考值中，产生相反的电流谐波来消除电网电流中已有的谐波电流。本发明可有效抑制双馈风力发电系统中电网电流中危害最大的低次谐波，改善了电网电流波形，其实现方法简单、便于控制，可广泛应用于在风力发电系统的电网电流谐波抑制应用上。

Description

变速恒频双馈风力发电系统电网电流的谐波抑制方法

技术领域

本发明属于风力发电领域，尤其是一种变速恒频双馈风力发电系统电网电流的谐波抑制方法。

背景技术

针对当前能源危机和环境污染问题的日益严重，作为可再生能源的风力发电在世界范围内得到了迅猛的发展。为使风力机在大的风速范围内按最佳效率运行，现代大型风力发电系统均采用变速恒频发电运行方式，其采用的发电机主要有两种类型：一种是双馈感应发电机(DFIG)，另一种是永磁同步发电机，由于双馈式风力发电系统的功率变流器容量较小(通常为25％～40％)，损耗也较小，已成为目前大功率风力发电的主流机型。双馈异步发电机的结构与绕线式感应电机相类似，在电机的设计和制造过程中，由于电机绕组、气隙和齿槽等非线性因素的影响，即使转子通三相平衡正弦电流，发电机定子电流中也会包含不同程度的由电机固有谐波特性产生的谐波电流分量，另外，通常风力发电系统输入电网电压三相平衡，但是也会包含少量的低次谐波，对于大功率双馈发电机而言，即使该低次谐波较小，也会在电机定子回路中产生较大谐波电流分量。当采用功率变流器控制双馈发电机进入正常并网发电状态时，如图1所示，电网电流由定子电流和网侧逆变器交流侧电流组成，因此定子回路的谐波电流将流入电网，给电网造成谐波污染，尤其是风力发电系统在次同步转差率较高情况下，由于低次转差谐波较大，而基波有功电流较小，故电网电流的总谐波畸变较大，波形较差，同时，当风力发电系统接入变压器容量较小时，较大的电网电流谐波除了会增加线路和变压器损耗外，还会引起输入电网电压畸变，进一步恶化风力发电系统的控制性能。因此，迫切需要一种能够有效抑制变速恒频双馈风力发电系统电网电流谐波的方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种变速恒频双馈风力发电系统电网电流的谐波抑制方法，该方法在变速恒频双馈风力发电系统中输入电网电压三相平衡的情况下，能够有效地抑制电网电流中由电网电压谐波和双馈发电机结构引起的谐波电流分量，提高了双馈风力发电系统的控制性能。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种变速恒频双馈风力发电系统电网电流的谐波抑制方法，包括以下步骤：

(1)采集定子磁链定向的同步旋转坐标系下的dq轴分量；

(2)在系统稳态时采集定子磁链定向的同步旋转坐标系下的dq轴分量参考值；

(3)按下述公式提取电网中的交流谐波电流分量：

ILD_H＝ILD-IGD_REF-ISD_REF

ILQ_H＝ILQ-IGQ_REF-ISQ_REF

式中：ILD_H和ILQ_H为电网中的交流谐波电流分量，ILD和ILQ为电网电流dq轴分量，IGD_REF和IGQ_REF为网侧逆变器交流侧电流dq轴分量参考值，ISD_REF和ISQ_REF为双馈发电机定子电流dq轴分量参考值；

(4)根据电网中的交流谐波电流分量所含低次谐波的幅值大小和正负序情况，消除电网电流中包含的正序低次谐波和负序低次谐波，得到为抑制各次谐波电流所需加入的网侧逆变器谐波电流参考值；

(5)将各次网侧逆变器谐波电流参考值求和得到为抑制各次谐波电流所需加入的网侧逆变器谐波电流的总参考值，然后将其加入到网侧逆变器交流侧电流dq轴分量参考值中，通过网侧逆变器的电流闭环控制，产生相反的电流谐波来消除电网电流中已有的谐波电流。

而且，所述的采集定子磁链定向的同步旋转坐标系下的dq轴分量的方法如下：

(1)读取电网电流、网侧逆变器交流侧电流、双馈发电机转子电流、电网输入三相电压、变频器直流电压和转子位置检测角；

(2)将三相电网电压瞬时值送入数字锁相环中，得到电网电压相位角、定子磁链相位角，并通过下述公式计算转差角度：

σ_R＝γ-ρ_G

式中：σ_R为转差角度，γ为定子磁链相位角，ρ_G为转子位置检测角；

(3)将网侧逆变器交流侧电流和电网电流按照定子磁链相位角进行旋转变换，将双馈发电机转子电流按照转差角度进行旋转变换，分别得到定子磁链定向的同步旋转坐标系下的dq轴分量：电网电流dq轴分量ILD和ILQ，网侧逆变器交流侧电流dq轴分量IGD和IGQ，双馈发电机转子电流dq轴分量IRD和IRQ。

而且，所述的采集定子磁链定向的同步旋转坐标系下的dq轴分量参考值的方法如下：通过对网侧逆变器进行直流电压控制，实现直流电压恒定和网侧逆变器输入单位功率因数，通过对转子侧逆变器进行功率控制，实现双馈风力发电机按主控系统指令输出有功和无功功率，在系统稳态状态下，分别得到定子磁链定向的同步旋转坐标系下的dq轴分量参考值：

网侧逆变器交流侧电流dq轴分量参考值：IGD_REF＝IGD，IGQ_REF＝IGQ；

双馈发电机转子电流dq轴分量参考值：IRD_REF＝IRD，IRQ_REF＝IRQ；

双馈发电机定子电流dq轴分量参考值ISD_REF和ISQ_REF按下述公式计算得到：

$i_{\mathrm{sd}\_\mathrm{ref}}=-\frac{L_m}{L_s}\frac{1}{k}{i}_{\mathrm{rd}\_\mathrm{ref}}-\sqrt{\frac{2}{3}}\frac{1}{k}\frac{u_s}{{\mathrm{\ω}}_e{L}_s}$

$i_{\mathrm{sq}\_\mathrm{ref}}=-\frac{L_m}{L_s}\frac{1}{k}{i}_{\mathrm{rq}\_\mathrm{ref}}$

式中：IRD_REF和IRQ_REF双馈发电机转子电流dq轴分量参考值，Ls和Lm为双馈发电机的定子电感和励磁电感，Us和ω_e为电网线电压和电网频率，k为双馈电机定转子匝比。

而且，所述消除电网电流中包含的正序低次谐波方法为：将交流谐波电流分量按照(n-1)γ角进行旋转变换，经过低通滤波得到电网电流中表现为直流量的正序低次谐波；将正序低次谐波与零参考值比较，进行PI调节，再按(n-1)γ角进行反旋转变换得到为抑制该次谐波电流所需加入的网侧逆变器谐波电流参考值，其中n＝3、5、7。

而且，所述消除电网电流中包含的负序低次谐波的方法为：将交流谐波电流分量按照-(n+1)γ角进行旋转变换，经过低通滤波得到电网电流中表现为直流量的负序低次谐波；将负序低次谐波与零参考值比较，进行PI调节，再按-(n+1)γ角进行反旋转变换得到为抑制该次谐波电流所需加入的网侧逆变器谐波电流参考值，其中n＝3、5、7。

而且，所述的低次谐波包括3次转差次谐波、3次过谐波、5次谐波和7次谐波。

本发明的优点和积极效果是：

1、本谐波抑制方法提取电网电流中的交流谐波电流分量并以相反的谐波角方向反变换为相应的谐波控制量，作为网侧逆变器的谐波电流参考值，通过网侧逆变器控制输出与电网电流中原有谐波分量极性相反的电流谐波以抵消电网电流中原有谐波分量，有效地抑制了电网电流中因电网电压存在谐波和双馈发电机自身产生的谐波电流分量，尤其是对危害较大的3次转差次谐波和过谐波以及5次谐波和7次谐波等低次谐波电流具有明显的抑制效果，解决了在次同步转差率较高情况下现场运行电网电流总谐波含量较高的难题。

2、本谐波抑制方法通过从电网电流dq轴分量ILD和ILQ中减去网侧逆变器交流侧电流dq轴分量参考值IGD_REF和IGQ_REF以及双馈发电机定子电流dq轴分量参考值ISD_REF和ISQ_REF的方法来提取电网电流中的交流谐波电流分量ILD_H和ILQ_H，具有实现方法简单的特点。

3、本谐波抑制方法将电网电流中的交流谐波分量变换到以需要消除谐波频率的速度旋转的dq坐标系下，由于电网电流中的交流谐波分量dq表现为dq轴的直流量，即所要消除谐波分量表现为直流量，其它次谐波均为交流量，便于各次谐波分量的提取和通过PI调节器控制。

4、本发明可有效抑制双馈风力发电系统中电网电流中危害最大的低次谐波，改善了电网电流波形，其实现方法简单、便于控制，可广泛应用于在风力发电系统的电网电流谐波抑制应用上。

附图说明

图1是变速恒频双馈风力发电系统结构图；

图2是变速恒频双馈风力发电系统电网电流的谐波抑制原理图；

图3是电网电流中的3次转差次谐波和过谐波控制原理图；

图4是电网电流5次谐波和7次谐波控制原理图；

图5是使用本方法前变速恒频双馈风力发电系统运行的效果图；

图6是使用本方法后变速恒频双馈风力发电系统运行的效果图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述。

一种变速恒频双馈风力发电系统电网电流的谐波抑制方法，是基于以下原理实现的，如图2所示，电网电流中的谐波信号在以其谐波频率的速度旋转的dq坐标系下表现为dq轴的直流量，通过在每轴采用PI调节器，谐波直流量能被控制到零，这些PI调节器输出再以相反的谐波角方向反变换为相应的谐波控制量，作为网侧逆变器的谐波电流参考值，通过网侧逆变器控制输出与电网电流中原有谐波分量极性相反的电流谐波，实现抵消电网电流中原有谐波分量，从而改善电网电流波形质量的目标。

本方法包括以下步骤：

第1步：采集定子磁链定向的同步旋转坐标系下的dq轴分量，这些dq轴分量包括：电网电流dq轴分量ILD和ILQ，网侧逆变器交流侧电流dq轴分量IGD和IGQ，双馈发电机转子电流dq轴分量IRD和IRQ，其采集的具体方法如下：

(1)读取电网电流、网侧逆变器交流侧电流、双馈发电机转子电流、电网输入三相电压、变频器直流电压和转子位置检测角ρ_G；

(2)将三相电网电压瞬时值送入数字锁相环中，得到电网电压相位角γ_G、定子磁链相位角γ，并通过下述公式计算转差角度σ_R：

σ_R＝γ-ρ_G

其中：γ为定子磁链相位角，ρ_G为转子位置检测角；

(3)将网侧逆变器交流侧电流和电网电流按照定子磁链相位角γ角进行旋转变换，将双馈发电机转子电流按照转差角度σ_R进行旋转变换，分别得到定子磁链定向的同步旋转坐标系下的dq轴分量：电网电流dq轴分量ILD和ILQ，网侧逆变器交流侧电流dq轴分量IGD和IGQ，双馈发电机转子电流dq轴分量IRD和IRQ。

第2步：在系统稳态时采集定子磁链定向的同步旋转坐标系下的dq轴分量参考值，其具体方法为：

通过对网侧逆变器进行直流电压控制，实现直流电压恒定和网侧逆变器输入单位功率因数，通过对转子侧逆变器进行功率控制，实现双馈风力发电机按主控系统指令输出有功和无功功率，在系统稳态状态下，分别得到定子磁链定向的同步旋转坐标系下的dq轴分量参考值：

网侧逆变器交流侧电流dq轴分量参考值IGD_REF＝IGD，IGQ_REF＝IGQ；

双馈发电机转子电流dq轴分量参考值IRD_REF＝IRD，IRQ_REF＝IRQ；

双馈发电机定子电流dq轴分量参考值ISD_REF和ISQ_REF按下述公式计算得到：

$i_{\mathrm{sd}\_\mathrm{ref}}=-\frac{L_m}{L_s}\frac{1}{k}{i}_{\mathrm{rd}\_\mathrm{ref}}-\sqrt{\frac{2}{3}}\frac{1}{k}\frac{u_s}{{\mathrm{\ω}}_e{L}_s}$

$i_{\mathrm{sq}\_\mathrm{ref}}=-\frac{L_m}{L_s}\frac{1}{k}{i}_{\mathrm{rq}\_\mathrm{ref}}$

其中：IRD_REF和IRQ_REF双馈发电机转子电流dq轴分量参考值，Ls和Lm为双馈发电机的定子电感和励磁电感，Us和ω_e为电网线电压和电网频率，k为双馈电机定转子匝比。

第3步：按下述公式提取电网中的交流谐波电流分量ILD_H和ILQ_H：

ILD_H＝ILD-IGD_REF-ISD_REF

ILQ_H＝ILQ-IGQ_REF-ISQ_REF

其中：ILD和ILQ为电网电流dq轴分量，IGD_REF和IGQ_REF为网侧逆变器交流侧电流dq轴分量参考值，ISD_REF和ISQ_REF为双馈发电机定子电流dq轴分量参考值。

第4步：根据交流谐波电流分量中低次谐波的幅值大小和正负序情况，消除电网电流中包含的正序低次谐波和负序低次谐波，得到为抑制低次谐波电流所需加入的网侧逆变器谐波电流参考值，本方法主要针对低次谐波进行抑制控制，低次谐波包括3次转差次谐波和过谐波、5次谐波和7次谐波，其中包括正序低次谐波和负序低次谐波。

在本步骤中，消除电网电流中包含的正序低次谐波方法为：将交流谐波电流分量ILD_H和ILQ_H按照(n-1)γ角进行旋转变换，经过低通滤波得到电网电流中表现为直流量的正序低次谐波ILD_Hn和ILQ_Hn；将正序低次谐波ILD_Hn和ILQ_Hn与零参考值比较，进行PI调节，再按(n-1)γ角进行反旋转变换得到为抑制该次谐波电流所需加入的网侧逆变器谐波电流参考值，其中n＝3、5、7，即通过上述方法消除电网电流中包含的正序3次转差次谐波和过谐波、5次谐波和7次谐波。

消除电网电流中包含的负序低次谐波的方法为：将交流谐波电流分量ILD_H和ILQ_H按照-(n+1)γ角进行旋转变换，经过低通滤波得到电网电流中表现为直流量的负序低次谐波ILD_Hn和ILQ_Hn；将负序低次谐波ILD_Hn和ILQ_Hn与零参考值比较，进行PI调节，再按-(n+1)γ角进行反旋转变换得到为抑制该次谐波电流所需加入的网侧逆变器谐波电流参考值，其中n＝3、5、7，即通过上述方法消除电网电流中包含的负序3次转差次谐波和过谐波、5次谐波和7次谐波。

例如：若要消除电网电流中包含的3次转差次谐波和过谐波，如图3所示，将交流谐波电流分量ILD_H和ILQ_H分别按照-3σ_R角和3σ_R角进行旋转变换，经过低通滤波得到电网电流中表现为直流量的3次转差次谐波和过谐波ILD_H3和ILQ_H3；然后将3次转差次谐波和过谐波ILD_H3和ILQ_H3经过PI调节并分别按照-3σ_R角和3σ_R角进行反旋转变换，即可得到抑制电网电流3次转差次谐波和过谐波的网侧逆变器谐波电流参考值IGD_HARM_S-和IGQ_HARM_S-以及IGD_HARM_S+和IGQ_HARM_S+。

若要消除电网电流中包含的负序5次谐波和正序7次谐波，如图4所示，将交流谐波电流分量ILD_H和ILQ_H分别按照-6γ角和6γ角进行旋转变换，经过低通滤波得到电网电流中表现为直流量的负序5次谐波和正序7次谐波ILD_H5和ILQ_H7；然后将ILD_H5和ILQ_H7经过PI调节并分别按照-6γ角和6γ角进行反旋转变换，即可得到抑制电网电流5次网侧逆变器谐波电流参考值IGD_HARM_5和IGQ_HARM_5和抑制电网电流7次谐波的网侧逆变器谐波电流参考值IGD_HARM_7和IGQ_HARM_7。

第5步：将各次网侧逆变器谐波电流参考值求和得到为抑制各次谐波电流所需加入的网侧逆变器谐波电流的总参考值IGD_REF_HARM和IGQ_REF_HARM，然后将其加入到网侧逆变器电流给定值IGD_REF和IGQ_REF中，通过网侧逆变器的电流闭环控制，产生相反的电流谐波来消除电网电流中已有的谐波电流。

通过采用本方法前后的运行效果图可以看出：使用本方法前，在现有变速恒频双馈风力发电系统中，系统工作在次同步转差率较高(s＝20％)情况下，电网电流波形畸变很大，如图5所示；使用本方法后，电网电流中的低次谐波得到了抑制，电流波形有了很大的改善，有效地抑制了电网电流中因电网电压存在谐波和双馈发电机自身产生的谐波电流分量，如图6所示。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (6)

1.一种变速恒频双馈风力发电系统电网电流的谐波抑制方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)采集定子磁链定向的同步旋转坐标系下的dq轴分量；

(2)在系统稳态时采集定子磁链定向的同步旋转坐标系下的dq轴分量参考值；

(3)按下述公式提取电网中的交流谐波电流分量：

ILD_H＝ILD-IGD_REF-ISD_REF

ILQ_H＝ILQ-IGQ_REF-ISQ_REF

式中：ILD_H和ILQ_H为电网中的交流谐波电流分量，ILD和ILQ为电网电流dq轴分量，IGD_REF和IGQ_REF为网侧逆变器交流侧电流dq轴分量参考值，ISD_REF和ISQ_REF为双馈发电机定子电流dq轴分量参考值；

(4)根据电网中的交流谐波电流分量所含低次谐波的幅值大小和正负序情况，消除电网电流中包含的正序低次谐波和负序低次谐波，得到为抑制各次谐波电流所需加入的网侧逆变器谐波电流参考值；

(5)将各次网侧逆变器谐波电流参考值求和，得到为抑制各次谐波电流所需加入的网侧逆变器谐波电流的总参考值，然后将其加入到网侧逆变器交流侧电流dq轴分量参考值中，通过网侧逆变器的电流闭环控制，产生相反的电流谐波来消除电网电流中已有的谐波电流。

2.根据权利要求1所述的变速恒频双馈风力发电系统电网电流的谐波抑制方法，其特征在于：所述的采集定子磁链定向的同步旋转坐标系下的dq轴分量的方法如下：

(1)读取电网电流、网侧逆变器交流侧电流、双馈发电机转子电流、电网输入三相电压、变频器直流电压和转子位置检测角；

(2)将三相电网电压瞬时值送入数字锁相环中，得到电网电压相位角、定子磁链相位角，并通过下述公式计算转差角度：

σ_R＝γ-ρ_G

式中：σ_R为转差角度，γ为定子磁链相位角，ρ_G为转子位置检测角；

(3)将网侧逆变器交流侧电流和电网电流按照定子磁链相位角进行旋转变换，将双馈发电机转子电流按照转差角度进行旋转变换，分别得到定子磁链定向的同步旋转坐标系下的dq轴分量：电网电流dq轴分量ILD和ILQ，网侧逆变器交流侧电流dq轴分量IGD和IGQ，双馈发电机转子电流dq轴分量IRD和IRQ。

3.根据权利要求1所述的变速恒频双馈风力发电系统电网电流的谐波抑制方法，其特征在于：所述的采集定子磁链定向的同步旋转坐标系下的dq轴分量参考值的方法如下：通过对网侧逆变器进行直流电压控制，实现直流电压恒定和网侧逆变器输入单位功率因数，通过对转子侧逆变器进行功率控制，实现双馈风力发电机按主控系统指令输出有功和无功功率，在系统稳态状态下，分别得到定子磁链定向的同步旋转坐标系下的dq轴分量参考值：

网侧逆变器交流侧电流dq轴分量参考值：IGD_REF＝IGD，IGQ_REF＝IGQ；

双馈发电机转子电流dq轴分量参考值：IRD_REF＝IRD，IRQ_REF＝IRQ；

双馈发电机定子电流dq轴分量参考值ISD_REF和ISQ_REF按下述公式计算得到：

$i_{\mathrm{sd}\_\mathrm{ref}}=-\frac{L_m}{L_s}\frac{1}{k}{i}_{\mathrm{rd}\_\mathrm{ref}}-\sqrt{\frac{2}{3}}\frac{1}{k}\frac{u_s}{{\mathrm{\ω}}_e{L}_s}$

$i_{\mathrm{sq}\_\mathrm{ref}}=-\frac{L_m}{L_s}\frac{1}{k}{i}_{\mathrm{rq}\_\mathrm{ref}}$

式中：IRD_REF和IRQ_REF双馈发电机转子电流dq轴分量参考值，Ls和Lm为双馈发电机的定子电感和励磁电感，Us和ω_e为电网线电压和电网频率，k为双馈电机定转子匝比。

4.根据权利要求1所述的变速恒频双馈风力发电系统电网电流的谐波抑制方法，其特征在于：所述消除电网电流中包含的正序低次谐波方法为：将交流谐波电流分量按照(n-1)γ角进行旋转变换，经过低通滤波得到电网电流中表现为直流量的正序低次谐波；将正序低次谐波与零参考值比较，进行PI调节，再按(n-1)γ角进行反旋转变换得到为抑制该次谐波电流所需加入的网侧逆变器谐波电流参考值，其中n＝3、5、7。

5.根据权利要求1所述的变速恒频双馈风力发电系统电网电流的谐波抑制方法，其特征在于：所述消除电网电流中包含的负序低次谐波的方法为：将交流谐波电流分量按照-(n+1)γ角进行旋转变换，经过低通滤波得到电网电流中表现为直流量的负序低次谐波；将负序低次谐波与零参考值比较，进行PI调节，再按-(n+1)γ角进行反旋转变换得到为抑制该次谐波电流所需加入的网侧逆变器谐波电流参考值，其中n＝3、5、7。

6.根据权利要求1或4或5所述的变速恒频双馈风力发电系统电网电流的谐波抑制方法，其特征在于：所述的低次谐波包括3次转差次谐波、3次过谐波、5次谐波和7次谐波。

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