CN101944840B - 双馈风力发电机网侧变流器消除直流谐波电压的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了电网不对称情况下双馈风力发电机网侧变流器消除直流谐波电压方法。该方法使用相移T/4延时负序快速分离方法，对三相电网电压、电流进行正负序分离，该正负序分离方法计算简单，只含加减乘除运算，响应速度快，只要5m即可计算出正负序分量，延时小，有助于PI参数的设计。为了得到优良的控制效果，采用结构完全对称的正序、负序双dq电流控制。此时，正负序电流指令均为直流分量，采用PI调节器可以实现无静差控制。

Description

双馈风力发电机网侧变流器消除直流谐波电压的控制方法

技术领域

本发明属于风力发电领域的网侧变流器控制策略领域，具体涉及消除电压不对称情况下直流电压谐波的方法。

背景技术

随着地球环境的恶化以及能源的短缺，新能源的开发显得尤为重要。目前的各种新能源中，风力发电的技术最成熟、成本最接近常规能源，近年来得到发展迅猛，为缓解日益严重的能源危机和环境污染发挥了重要的作用。目前的风机主流机型为双馈式变速恒频风力发电机，由于其功率因数可调、效率高、变流器装置容量小等优点，得到了广泛的应用。

在双馈式变速恒频风力发电中，双馈发电机的转子通过两个背靠背PWM变流器接入电网，其中靠近电机和电网的分别称为机侧变流器(Rotor-Side Converter简称RSC)与网侧变流器(Grid-Side Converter简称GSC)。GSC的任务首先是控制直流环节电压稳定，为RSC提供工作条件，其次是调节其与电网的无功交换，实现交流侧功率因数可控。GSC是风电机组的重要组成部分，是其可靠、高效运行的前提和保障。为了提高风机的并网运行能力，对网侧变流器运行控制进行深入研究十分必要。

通常网侧变流器的控制都是建立在三相电压平衡的基础上，由于风场一般较为偏远，通过长距离的输电线路与电网相连，电网薄弱，风机很容易受到电网波动的影响。当电网电压不对称时，以电压平衡为前提的传统控制策略会使网侧变流器出现不正常运行状况。由于不对称电网条件下产生的负序分量，普通控制策略会在直流侧产生偶数次谐波，在交流侧产生奇数次谐波，影响变流器的运行性能，严重时会烧坏器件。

目前电网不对称时GSC的控制算法研究已经成为热点，并且取得了不少有价值的成果。文献《不对称电网故障下PWM整流器的控制策略的研究》(浙江大学硕士学位论文，2006.07.)中对正负序分量分离，但是只在正序同步旋转坐标系中考虑了正序分量，建立了控制模型，而且没有提出正负序分量分离的方法。文献《VSC transmission operating under unbalanced ACconditions-analysis and control design》(IEEE Transactions On PowerDelivery，2005，20(1)：427-434.)在瞬时有功功率和无功功率的基础上，对于两种序分量和直流侧电压采用了两种不同的控制策略，这样稳态电压纹波得以消除，但是这两种控制策略只能在稳态情况下运行。文献《PWM整流器及其控制》(机械工业出版社，2003：478.)中提出的控制策略能够在不对称电网条件下运行，但是没有在控制策略中涉及负序分量，而这正是减少变流器直流电压波动的唯一途径。

发明内容

为克服现有技术存在的上述问题，本发明从减少直流侧2次谐波入手，推导了不对称电网电压下GSC的正、负序双dq模型，建立了基于T/4延时正序负序分离法和正序负序双dq电流控制策略，抑制直流侧电压谐波。

本发明的具体方案如下：从三相电压、电流中采用T/4延时正序负序分离法，直接分离出dq旋转坐标系下的正负序分量，采用结构完全对称的正负序双dq轴电流PI环调节输出合适的参考电压，最后将参考电压变换到αβ坐标系下，通过SVPWM调制出脉宽脉冲，驱动开关器件产生相应的动作。

本发明的技术方案具体包括如下步骤：

(1)在三相三线制系统中，没有零序分量，当电网出现不对称故障时，αβ坐标系下不对称量可以用正负序分量表达为：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_{\mathrm{\α}\left(t\right)}=F_p\cos (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_p)+F_n\cos (-\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_n)\\ F_{\mathrm{\β}\left(t\right)}=F_p\sin (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_p)+F_n\sin (-\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_n)\end{array}\right.$

式中，F_α(t)，F_β(t)为不对称矢量某一时间在αβ坐标轴上的幅值，F_p，F_n为其正负序分量的幅值。θ_p和θ_n分别为正负序分量在αβ坐标系中的初始相角。

(2)不对称矢量延时T/4后，体现在相位上是正序分量滞后了π/2，负序矢量超前了π/2，其中T为不对称矢量的周期。则步骤(1)变为

$\left\{\begin{array}{c}{F}_{\mathrm{\α}(t-\frac{T}{4})}=F_p\cos (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_p-\frac{\mathrm{\π}}{2})+F_n\cos (-\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_n+\frac{\mathrm{\π}}{2})\\ F_{\mathrm{\β}(t-\frac{T}{4})}=F_p\sin (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_p-\frac{\mathrm{\π}}{2})+F_n\sin (-\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_n+\frac{\mathrm{\π}}{2})\end{array}\right.$

式中

为滞后T/4时两相垂直αβ坐标系αβ坐标轴轴上的幅值。

(3)结合步骤(1)和步骤(2)可以得到该不对称分量的正负序分量表达式

$\left\{\begin{array}{c}{F}_{\mathrm{\αp}}=F_p\cos (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_p)=\frac{1}{2}(F_{\mathrm{\α}\left(t\right)}-F_{\mathrm{\β}(t-\frac{T}{4})})\\ F_{\mathrm{\βp}}=F_p\sin (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_p)=\frac{1}{2}(F_{\mathrm{\α}(t-\frac{T}{4})}+F_{\mathrm{\β}\left(t\right)})\\ F_{\mathrm{\αn}}=F_n\cos (-\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_n)=\frac{1}{2}(F_{\mathrm{\α}\left(t\right)}+F_{\mathrm{\β}(t-\frac{T}{4})})\\ F_{\mathrm{\βn}}=F_n\sin (-\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_n)=\frac{1}{2}(-F_{\mathrm{\α}(t-\frac{T}{4})}+F_{\mathrm{\β}\left(t\right)})\end{array}\right.$

式中F_αp，F_βp，F_αn，F_βp是正负序分量分别在αβ轴上的分量，可变换到dq坐标系下。这种方法只涉及波形的加减乘除，响应速度快，有助于PI参数的设计。

(4)由于电网负序电动势的存在，网侧有功功率存在2次谐波分量。即：

$\left\{\begin{array}{c}{p}_{c2}=1.5(e_d^N{i}_d^P+e_q^N{i}_q^P)\≠0\\ p_{s2}=1.5(e_q^N{i}_d^P-e_d^N{i}_q^P)\≠0\end{array}\right.$

p_c2：2次有功余弦项谐波峰值；

p_s2：2次有功正项谐波峰值；

分别为负序电网电压在反向旋转坐标系d、q轴幅值；

分别为正序电网电流在正向旋转坐标系d、q轴幅值；

因此，直流侧电压因电网不平衡将存在2次谐波分量，造成直流环节电压的2次脉动，所以要对上面的两个功率加以限制。假设相关的有功、无功功率指令为

而相关的指令电流为得到：

$\left[\begin{array}{c}{p}_0^{*}\\ q_0^{*}\\ p_{s2}^{*}\\ q_{c2}^{*}\end{array}\right]=\frac{3}{2}\left[\begin{array}{cccc}{e}_d^p& e_q^p& e_d^N& e_q^N\\ e_q^p& {-e}_d^p& e_q^N& {-e}_d^N\\ e_q^N& {-e}_d^N& {-e}_q^p& e_d^p\\ e_d^N& e_q^N& e_d^p& e_q^p\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_d^{P*}\\ i_q^{P*}\\ i_d^{N*}\\ i_q^{N*}\end{array}\right]$

上式中：

分别表示期望平均有功功率，期望平均无功功率，期望2次有功功率正弦峰值，期望2次无功功率余弦峰值；

分别为正序电网电压在正向旋转坐标系d、q轴幅值；

分别为期望正序电网电流在正向旋转坐标系d、q轴幅值；

分别为期望负序电网电流在反向旋转坐标系d、q轴幅值；

(5)当直流电压调节器采用PI调节时，其调节结果与直流电流指令相对应，所以

$p_0^{*}=\left[(K_{\mathrm{vp}}+\frac{K_{\mathrm{vI}}}{s})(v_{\mathrm{dc}}^{*}-v_{\mathrm{dc}})\right]v_{\mathrm{dc}}^{*}$

上式中：K_vp，K_vI分别是网侧电压环PI调节器的比例和积分参数；S表示积分调节器调节周期。

分别是直流电压期望值和实际值；

令

对步骤(4)式求逆变换，可以得到电流控制指令

$\left[\begin{array}{c}{i}_d^{P*}\\ i_q^{P*}\\ i_d^{N*}\\ i_q^{N*}\end{array}\right]={\left[\begin{array}{cccc}{e}_d^p& e_q^p& e_d^N& e_q^N\\ e_q^p& -e_d^p& e_q^N& -e_d^N\\ e_q^N& -e_d^N& -e_q^p& e_d^p\\ e_d^N& e_q^N& e_d^p& e_q^p\end{array}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}\frac{2}{3}{p}_0^{*}\\ 0\\ 0\\ 0\end{array}\right]=\frac{2p_0^{*}}{3D}\left[\begin{array}{c}{e}_d^p\\ e_q^p\\ -e_d^N\\ -e_q^N\end{array}\right]$

其中 $D=[{\left(e_d^P\right)}^2+{\left(e_q^P\right)}^2]-[{\left(e_d^N\right)}^2+{\left(e_q^N\right)}^2]\≠0$

(6)从上式可知，当电网不平衡时，为抑制直流侧电压2次谐波，必须使交流侧电流存在一定量的负序电流。所以直流环节电压无脉动和交流侧电流平衡二者不能同时满足，只能根据需求选择其中之一。网侧dq轴分量存在相互耦合，这会对dq轴电流的解耦控制造成影响。可采用前馈补偿的方式解决该问题。为了得到优良的控制效果，采用结构完全对称的正序、负序双dq电流控制。此时，正负序电流指令均为直流分量，采用PI调节器可以实现无静差控制。包括前馈补偿和电网电压补偿环节的则正、负序电流PI闭环控制算法为：

$\left\{\begin{array}{c}{v}_d^{P*}=e_d^P-(K_{\mathrm{ip}}+\frac{K_{\mathrm{iI}}}{s})[i_d^{P*}-i_d^P]+\mathrm{\ω}{\mathrm{Li}}_q^P\\ v_q^{P*}=e_q^P-(K_{\mathrm{ip}}+\frac{K_{\mathrm{iI}}}{s})[i_q^{P*}-i_q^P]-\mathrm{\ωL}{i}_d^P\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{v}_d^{N*}=e_d^N-(K_{\mathrm{ip}}+\frac{K_{\mathrm{iI}}}{s})[i_d^{N*}-i_d^N]-\mathrm{\ω}{\mathrm{Li}}_q^N\\ v_q^{N*}=e_q^N-(K_{\mathrm{ip}}+\frac{K_{\mathrm{iI}}}{s})[i_q^{N*}-i_q^N]+\mathrm{\ωL}{i}_d^N\end{array}\right.$

上式中：分别是期望正序IGBT端口电压在正向旋转坐标系d、q轴幅值；

分别是期望负序IGBT端口电压在反向旋转坐标系d、q轴幅值；K_ip，K_iI分别是网侧电流环PI调节器的比例和积分参数；S表示积分调节器调节周期。

分别为负序电网电流在反向旋转坐标系d、q轴幅值；

本方法能够有效抑制直流二次谐波，减少直流电压波动，保证RSC侧的电源质量，进而提高了双馈风力发电机在电网电压不对称时工作稳定性和可靠性。

附图说明

图1所示控制策略示意图；

图2为网侧变流器的拓扑结构示意图。

具体实施方式

下面根据说明书附图并结合具体实施例对本发明的技术方案进一步详细表述。

风电机组网侧变流器的拓扑结构如图2所示。图中e_a、e_b、e_c为三相电网电压，i_a、i_b、i_c为网侧变流器的三相输入电流，v_a、v_b、v_c为网侧变流器交流侧的输入电压，L_s和R_s为等效的进线电感和电阻，C_dc和V_dc为直流侧支撑电容和直流侧母线电压，i_loab为直流侧负载电流。电网负序电动势分量会导致网侧电流畸变，通过建立网侧变流器在dq坐标系下的模型，可以很直观地得到这一结论。

对于三相三线制连接的变流器，一般不考虑零序电动势的影响。从简化分析的角度出发，假设变流器交流输出电压只含正序基波分量。在两相垂直静止αβ坐标系中，三相电网电动势复矢量E_αβ为：

$E_{\mathrm{\α\β}}=\frac{2}{3}[e_a+e_b{e}^{j2\mathrm{\π}/3}+e_c{e}^{-j2\mathrm{\π}/3}]$

转化到同步速旋转dq坐标系中

$E_{\mathrm{\α\β}}=e^{\mathrm{j\ωt}}{E}_{\mathrm{dq}}^P+e^{-\mathrm{j\ωt}}{E}_{\mathrm{dq}}^N$

ω——电网电动势角频率；

—dq坐标系中正、负序电动势复矢量。

在αβ坐标系中交流回路电压方程为

$E_{\mathrm{\α\β}}=V_{\mathrm{\α\β}}+L_s\frac{{\mathrm{dI}}_{\mathrm{\α\β}}}{\mathrm{dt}}+R_s{I}_{\mathrm{\α\β}}$

V_αβ-αβ坐标系中交流侧电压复矢量；

I_αβ-αβ坐标系中交流侧电流复矢量；

当电网不平衡时，V_αβ、I_αβ均含有正序、负序分量，可以将其写成

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\α\β}}=e^{\mathrm{j\ωt}}{V}_{\mathrm{dq}}^P+e^{-\mathrm{j\ωt}}{V}_{\mathrm{dq}}^N\\ I_{\mathrm{\α\β}}=e^{\mathrm{j\ωt}}{I}_{\mathrm{dq}}^P+e^{-\mathrm{j\ωt}}{I}_{\mathrm{dq}}^N\end{array}\right.$

式中：

分别为dq坐标系下的变流器交流侧电压的正序、负序矢量，和变流器交流侧电流的正序、负序矢量。且有

分别为同步旋转坐标系下的三相交流侧电压电流的正、负序复矢量，

分别为同步旋转dq坐标系下的三相交流侧电压电流的正、负序幅值。可以得到dq坐标系中GSC的正、负序模型为

$\left\{\begin{array}{c}{E}_{\mathrm{dq}}^P=L_s\frac{d{I}_{\mathrm{dq}}^P}{\mathrm{dt}}+R_s{I}_{\mathrm{dq}}^P+\mathrm{j\ω}{L}_s{I}_{\mathrm{dq}}^P+V_{\mathrm{dq}}^P\\ E_{\mathrm{dq}}^N=L_s\frac{d{I}_{\mathrm{dq}}^N}{\mathrm{dt}}+R_s{I}_{\mathrm{dq}}^N+\mathrm{j\ω}{L}_s{I}_{\mathrm{dq}}^N+V_{\mathrm{dq}}^N\end{array}\right.$

GSC吸收的视在复功率为：

$S=p+\mathrm{jq}=(e^{\mathrm{j\ωt}}{e}_{\mathrm{dq}}^P+e^{-\mathrm{j\ωt}}{E}_{\mathrm{dq}}^N)\stackrel{\‾}{(e^{\mathrm{j\ωt}}{I}_{\mathrm{dq}}^P+e^{-\mathrm{j\ωt}}{I}_{\mathrm{dq}}^N)}$

为

的共轭复矢量；p、q为网侧有功功率、无功功率。

求解上式可以得到

$\left\{\begin{array}{c}p\left(t\right)=p_0+p_{c2}\left(2\mathrm{\ωt}\right)+p_{s2}\left(2\mathrm{\ωt}\right)\\ q\left(t\right)=q_0+q_{c2}\left(2\mathrm{\ωt}\right)+q_{s2}\left(2\mathrm{\ωt}\right)\end{array}\right.$

式中：p₀、q₀——有功、无功功率平均值；

p_c2、q_c2——2次有功余弦、无功余弦项谐波峰值；

p_s2、q_s2——2次有功余弦、无功正弦项谐波峰值；

展开得

$\left\{\begin{array}{c}{p}_0=1.5(e_d^P{i}_d^P+e_q^P{i}_q^P+e_d^N{i}_d^N+e_q^N{i}_q^N)\\ p_{c2}=1.5(e_d^P{i}_d^N+e_q^P{i}_q^N+e_d^N{i}_d^P+e_q^N{i}_q^P)\\ p_{s2}=1.5(e_q^N{i}_d^P-e_d^N{i}_q^P-e_q^P{i}_d^N+e_d^P{i}_q^N)\\ q_0=1.5(e_q^P{i}_d^P-e_d^P{i}_q^P+e_q^N{i}_d^N-e_d^N{i}_q^N)\\ q_{c2}=1.5(e_q^P{i}_d^N-e_d^P{i}_q^N+e_q^N{i}_d^P-e_d^N{i}_q^P)\\ q_{s2}=1.5(e_d^P{i}_d^N+e_q^P{i}_q^N-e_d^N{i}_d^P-e_q^N{i}_q^P)\end{array}\right.$

可以简记为： $\left[\begin{array}{c}p\\ q\end{array}\right]=M_E\left[\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{dq}}^P\\ I_{\mathrm{dq}}^N\end{array}\right],$

M_E表示以电网电压同步旋转dq坐标系下正、负序复矢量。

从上式中可以看出各功率分量与电流分量间的函数关系，可以通过调节电流来控制相应的功率。dq坐标系中，原三相静止坐标系中的正序交流电动势对应为直流电动势，而负序交流电动势则对应为2次谐波电动势。所以当电网电动势不平衡时，电压和电流的正负序分离很重要。

网侧变流器的直流环节电压稳定与否取决于交流侧与直流侧的有功功率是否平衡。如果能有效地控制交流侧输入有功功率，则能保持直流环节电压稳定。由于电网电压基本上恒定，所以对交流侧有功功率、功率因数的控制实际上就是对输入电流有功、无功分量的控制。输入电流波形正弦与否主要与电流控制的有效性和调制方式有关。由此可见，整个网侧变流器的控制系统可以分为两个层次，一是电压外环，另一个是电流内环。电压外环主要控制直流侧电压稳定在指定值，电流内环则是按照电压外环输出的有功电流指令和设定的无功电流指令对电流进行有效控制，形成合适的参考电压。最后将参考电压变换到αβ坐标系下，通过SVPWM调制出脉宽脉冲，驱动开关器件产生相应的动作。

从以上分析可以得出本发明的技术方案具体包括如下步骤：

(1)在三相三线制系统中，没有零序分量，当电网出现不对称故障时，αβ坐标系下不对称量可以用正负序分量表达为：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_{\mathrm{\α}\left(t\right)}=F_p\cos (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_p)+F_n\cos (-\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_n)\\ F_{\mathrm{\β}\left(t\right)}=F_p\sin (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_p)+F_n\sin (-\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_n)\end{array}\right.$

式中，F_α(t)，F_β(t)为不对称矢量某一时间在αβ坐标轴上的投影，F_p，F_n为其正负序分量的幅值。θ_p和θ_n分别为正负序分量在αβ坐标系中的初始相角。

(2)不对称矢量延时T/4后，体现在相位上是正序分量滞后了π/2，负序矢量超前了π/2。则步骤(1)变为

$\left\{\begin{array}{c}{F}_{\mathrm{\α}(t-\frac{T}{4})}=F_p\cos (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_p-\frac{\mathrm{\π}}{2})+F_n\cos (-\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_n+\frac{\mathrm{\π}}{2})\\ F_{\mathrm{\β}(t-\frac{T}{4})}=F_p\sin (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_p-\frac{\mathrm{\π}}{2})+F_n\sin (-\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_n+\frac{\mathrm{\π}}{2})\end{array}\right.$

式中

为滞后T/4时两相垂直坐标系轴上的幅值。

(3)结合步骤(1)和步骤(2)可以得到该不对称分量的正负序分量表达式

$\left\{\begin{array}{c}{F}_{\mathrm{\αp}}=F_p\cos (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_p)=\frac{1}{2}(F_{\mathrm{\α}\left(t\right)}-F_{\mathrm{\β}(t-\frac{T}{4})})\\ F_{\mathrm{\βp}}=F_p\sin (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_p)=\frac{1}{2}(F_{\mathrm{\α}(t-\frac{T}{4})}+F_{\mathrm{\β}\left(t\right)})\\ F_{\mathrm{\αn}}=F_n\cos (-\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_n)=\frac{1}{2}(F_{\mathrm{\α}\left(t\right)}+F_{\mathrm{\β}(t-\frac{T}{4})})\\ F_{\mathrm{\βn}}=F_n\sin (-\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_n)=\frac{1}{2}(-F_{\mathrm{\α}(t-\frac{T}{4})}+F_{\mathrm{\β}\left(t\right)})\end{array}\right.$

式中F_αp，F_βp，F_αn，F_βp是正负序分量在αβ轴上的分量，可变换到dq坐标系下。这种方法只涉及波形的加减乘除，响应速度快，有助于PI参数的设计。

(4)由于电网负序电动势的存在，网侧有功功率存在2次谐波分量。即：

$\left\{\begin{array}{c}{p}_{c2}=1.5(e_d^N{i}_d^P+e_q^N{i}_q^P)\≠0\\ p_{s2}=1.5(e_q^N{i}_d^P-e_d^N{i}_q^P)\≠0\end{array}\right.$

因此，直流侧电压因电网不平衡将存在2次谐波分量，造成直流环节电压的2次脉动，所以要对上面的两个功率加以限制。假设相关的有功、无功功率指令为

而相关的指令电流为

得到：

$\left[\begin{array}{c}{p}_0^{*}\\ q_0^{*}\\ p_{s2}^{*}\\ q_{c2}^{*}\end{array}\right]=\frac{3}{2}\left[\begin{array}{cccc}{e}_d^p& e_q^p& e_d^N& e_q^N\\ e_q^p& {-e}_d^p& e_q^N& {-e}_d^N\\ e_q^N& {-e}_d^N& {-e}_q^p& e_d^p\\ e_d^N& e_q^N& e_d^p& e_q^p\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_d^{P*}\\ i_q^{P*}\\ i_d^{N*}\\ i_q^{N*}\end{array}\right]$

表示平均有功功率指令，与直流侧电压平均值相关。

(5)当直流电压调节器采用PI调节时，其调节结果与直流电流指令相对应，所以

$p_0^{*}=\left[(K_{\mathrm{vp}}+\frac{K_{\mathrm{vI}}}{s})(v_{\mathrm{dc}}^{*}-v_{\mathrm{dc}})\right]v_{\mathrm{dc}}^{*}$

令对步骤(4)式求逆变换，可以得到电流控制指令

$\left[\begin{array}{c}{i}_d^{P*}\\ i_q^{P*}\\ i_d^{N*}\\ i_q^{N*}\end{array}\right]={\left[\begin{array}{cccc}{e}_d^p& e_q^p& e_d^N& e_q^N\\ e_q^p& -e_d^p& e_q^N& -e_d^N\\ e_q^N& -e_d^N& -e_q^p& e_d^p\\ e_d^N& e_q^N& e_d^p& e_q^p\end{array}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}\frac{2}{3}{p}_0^{*}\\ 0\\ 0\\ 0\end{array}\right]=\frac{2p_0^{*}}{3D}\left[\begin{array}{c}{e}_d^p\\ e_q^p\\ -e_d^N\\ -e_q^N\end{array}\right]$

其中 $D=[{\left(e_d^P\right)}^2+{\left(e_q^P\right)}^2]-[{\left(e_d^N\right)}^2+{\left(e_q^N\right)}^2]\≠0$

(6)从上式可知，当电网不平衡时，为抑制直流侧电压2次谐波，必须使交流侧电流存在一定量的负序电流。所以直流环节电压无脉动和交流侧电流平衡二者不能同时满足，只能根据需求选择其中之一。网侧dq轴分量存在相互耦合，这会对dq轴电流的解耦控制造成影响。可采用前馈补偿的方式解决该问题。为了得到优良的控制效果，采用结构完全对称的正序、负序双dq电流控制。此时，正负序电流指令均为直流分量，采用PI调节器可以实现无静差控制。包括前馈补偿和电网电压补偿环节的则正、负序电流PI闭环控制算法为：

$\left\{\begin{array}{c}{v}_d^{P*}=e_d^P-(K_{\mathrm{ip}}+\frac{K_{\mathrm{iI}}}{s})[i_d^{P*}-i_d^P]+\mathrm{\ω}{\mathrm{Li}}_q^P\\ v_q^{P*}=e_q^P-(K_{\mathrm{ip}}+\frac{K_{\mathrm{iI}}}{s})[i_q^{P*}-i_q^P]-\mathrm{\ωL}{i}_d^P\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{v}_d^{N*}=e_d^N-(K_{\mathrm{ip}}+\frac{K_{\mathrm{iI}}}{s})[i_d^{N*}-i_d^N]-\mathrm{\ω}{\mathrm{Li}}_q^N\\ v_q^{N*}=e_q^N-(K_{\mathrm{ip}}+\frac{K_{\mathrm{iI}}}{s})[i_q^{N*}-i_q^N]+\mathrm{\ωL}{i}_d^N\end{array}\right.$

根据前面的分析可以得出控制策略如图1所示：(1)首先，采用T/4延时分离法对三相交流电压电流进行正、负序矢量的分解，得到电压、电流在正、反向旋转d、q坐标系下的实际幅值：

(2)通过网侧变流器的外环电压环进行调节，其输入量是期望直流电压值

与实测直流电压值v_dc之差，输出是

(3)通过步骤5计算得到了平均有功功率期望值

(4)令

及控制期望是减小直流二次谐波的有功、无功功率，同时利用之前计算得到的

带入步骤五中，求出了期望的电网电流在正、反向旋转dq坐标系下的幅值(5)

与

之差输入到对应的电流PI环，

与

之差输入到对应的电流PI环，与

之差输入到对应的电流PI环，

与

之差输入到对应的电流PI环，这四个功率环的输出在按照步骤5的公式与各个补偿项进行运算，就得到了

(6)得到反向旋转坐标系下的

要经过反向旋转后再映射到正向旋转坐标系上，再分别与

相减，得到了最终的

(7)

再由旋转坐标系映射到静止两相坐标系αβ，两相静止坐标系αβ再映射到三相abc坐标系，经过SVPWM的调制算法最终形成了调制脉冲发送到IGBT功率管。

Claims (1)

1.一种电网不对称情况下双馈风力发电机网侧变流器消除直流谐波电压的控制方法，该方法使用相移T/4延时负序快速分离方法，对三相电网电压、电流进行正负序分离，采用结构完全对称的正序、负序双dq电流控制，采用PI调节器实现无静差控制；其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(1)在三相三线制系统中，当电网出现不对称故障时，αβ坐标系下不对称量用正负序分量表达为：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_{\mathrm{\α}\left(t\right)}=F_p\cos (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_p)+F_n\cos (-\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_n)\\ F_{\mathrm{\β}\left(t\right)}=F_p\sin (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_p)+F_n\sin (-\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_n)\end{array}\right.$

式中，F_α(t)，F_β(t)为不对称矢量某一时间在αβ坐标轴上的幅值，F_p，F_n为所述不对称矢量的正负序分量的幅值，ω为电网电动势角频率，θ_p和θ_n分别为正负序分量在αβ坐标系中的初始相角；

(2)不对称矢量延时T/4后，则步骤(1)中的表达式变为

$\left\{\begin{array}{c}{F}_{\mathrm{\α}(t-\frac{T}{4})}=F_p\cos (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_p-\frac{\mathrm{\π}}{2})+F_n\cos (-\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_n+\frac{\mathrm{\π}}{2})\\ F_{\mathrm{\β}(t-\frac{T}{4})}=F_p\sin (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_p-\frac{\mathrm{\π}}{2})+F_n\sin (-\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_n+\frac{\mathrm{\π}}{2})\end{array}\right.$

式中为滞后T/4时αβ坐标系αβ坐标轴上的幅值；

(3)结合步骤(1)和步骤(2)可以得到所述不对称分量的正负序分量表达式

$\left\{\begin{array}{c}{F}_{\mathrm{\αp}}=F_p\cos (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_p)=\frac{1}{2}(F_{\mathrm{\α}\left(t\right)}-F_{\mathrm{\β}(t-\frac{T}{4})})\\ F_{\mathrm{\βp}}=F_p\sin (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_p)=\frac{1}{2}(F_{\mathrm{\α}(t-\frac{T}{4})}+F_{\mathrm{\β}\left(t\right)})\\ F_{\mathrm{\αn}}=F_n\cos (-\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_n)=\frac{1}{2}(F_{\mathrm{\α}\left(t\right)}+F_{\mathrm{\β}(t-\frac{T}{4})})\\ F_{\mathrm{\βn}}=F_n\sin (-\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_n)=\frac{1}{2}(-F_{\mathrm{\α}(t-\frac{T}{4})}+F_{\mathrm{\β}\left(t\right)})\end{array}\right.$

式中F_αp，F_βp，F_αn，F_βp分别是所述不对称分量的正负序分量在αβ轴上的幅值；

(4)由于电网负序电动势的存在，网侧有功功率存在2次谐波分量，即：

$\left\{\begin{array}{c}{p}_{c2}=1.5(e_d^N{i}_d^P+e_q^N{i}_q^P)\≠0\\ p_{s2}=1.5(e_q^N{i}_d^P-e_d^N{i}_q^P)\≠0\end{array}\right.$

式中：

P_c2——2次有功余弦项谐波峰值；

P_s2——2次有功正弦项谐波峰值；

分别为负序电网电压在反向旋转坐标系d、q轴幅值；分别为正序电网电流在正向旋转坐标系d、q轴幅值；因此，直流侧电压因电网不平衡将存在2次谐波分量，造成直流环节电压的2次脉动，需要对上面的两个功率p_c2，p_s2加以限制，假设相关的期望有功、无功功率为

而相关的期望电流为

得到：

$\left[\begin{array}{c}{p}_0^{*}\\ q_0^{*}\\ p_{s2}^{*}\\ q_{c2}^{*}\end{array}\right]=\frac{3}{2}\left[\begin{array}{cccc}{e}_d^p& e_q^p& e_d^N& e_q^N\\ e_q^p& {-e}_d^p& e_q^N& {-e}_d^N\\ e_q^N& {-e}_d^N& {-e}_q^p& e_d^p\\ e_d^N& e_q^N& e_d^p& e_q^p\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_d^{P*}\\ i_q^{P*}\\ i_d^{N*}\\ i_q^{N*}\end{array}\right]$

上式中：

分别表示期望平均有功功率，期望平均无功功率，期望2次有功功率正弦峰值，期望2次无功功率余弦峰值；

分别为正序电网电压在正向旋转坐标系d、q轴幅值；

分别为期望正序电网电流在正向旋转坐标系d、q轴幅值；

分别为期望负序电网电流在反向旋转坐标系d、q轴幅值；

(5)当直流电压调节器采用PI调节时，其调节结果与直流电流指令相对应，所以

$p_0^{*}=\left[(K_{\mathrm{vp}}+\frac{K_{\mathrm{vI}}}{s})(v_{\mathrm{dc}}^{*}-v_{\mathrm{dc}})\right]v_{\mathrm{dc}}^{*}$

上式中：K_vp，K_vI分别是网侧电压环PI调节器的比例和积分参数；S表示积分调节器调节周期；

分别是直流电压期望值和实际值；

令

对步骤(4)式求逆变换，可以得到电流控制指令

$\left[\begin{array}{c}{i}_d^{P*}\\ i_q^{P*}\\ i_d^{N*}\\ i_q^{N*}\end{array}\right]={\left[\begin{array}{cccc}{e}_d^p& e_q^p& e_d^N& e_q^N\\ e_q^p& -e_d^p& e_q^N& -e_d^N\\ e_q^N& -e_d^N& -e_q^p& e_d^p\\ e_d^N& e_q^N& e_d^p& e_q^p\end{array}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}\frac{2}{3}{p}_0^{*}\\ 0\\ 0\\ 0\end{array}\right]=\frac{2p_0^{*}}{3D}\left[\begin{array}{c}{e}_d^p\\ e_q^p\\ -e_d^N\\ -e_q^N\end{array}\right]$

其中 $D=[{\left(e_d^P\right)}^2+{\left(e_q^P\right)}^2]-[{\left(e_d^N\right)}^2+{\left(e_q^N\right)}^2]\≠0$

(6)当电网不平衡时，为抑制直流侧电压2次谐波，采用结构完全对称的正序、负序双dq电流控制，此时，正负序电流指令均为直流分量，采用PI调节器可以实现无静差控制，包括前馈补偿和电网电压补偿环节的正、负序电流PI闭环控制算法为：

$\left\{\begin{array}{c}{v}_d^{P*}=e_d^P-(K_{\mathrm{ip}}+\frac{K_{\mathrm{iI}}}{s})[i_d^{P*}-i_d^P]+\mathrm{\ω}{\mathrm{Li}}_q^P\\ v_q^{P*}=e_q^P-(K_{\mathrm{ip}}+\frac{K_{\mathrm{iI}}}{s})[i_q^{P*}-i_q^P]-\mathrm{\ωL}{i}_d^P\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{v}_d^{N*}=e_d^N-(K_{\mathrm{ip}}+\frac{K_{\mathrm{iI}}}{s})[i_d^{N*}-i_d^N]-\mathrm{\ω}{\mathrm{Li}}_q^N\\ v_q^{N*}=e_q^N-(K_{\mathrm{ip}}+\frac{K_{\mathrm{iI}}}{s})[i_q^{N*}-i_q^N]+\mathrm{\ωL}{i}_d^N\end{array}\right.$

上式中：分别是期望正序IGBT端口电压在正向旋转坐标系d、q轴幅值；

分别是期望负序IGBT端口电压在反向旋转坐标系d、q轴幅值；

K_ip，K_iI分别是网侧电流环PI调节器的比例和积分参数；S表示积分调节器调节周期；

分别为负序电网电流在反向旋转坐标系d、q轴幅值。

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