CN101950975A - 双馈风电变流器控制方法 - Google Patents
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Abstract
双馈风电变流器控制方法,本发明属于风力发电变流控制技术领域,采用电网电压定向矢量控制方法,主要分为以下几个控制阶段:1、建立双馈电机数学模型;2、双馈变流器并网控制;双馈变流器并网控制还分为三个阶段:电网电压鉴相阶段;定子电压建立阶段;双馈电机的并网阶段;这种控制方法可以实现双馈风力发电变流器的平滑并网、并网时无冲击、稳定的运行,本发明还具有控制方法先进、成熟的优点,并且采用电网电压定向矢量控制方法可以做到定向准确,且不受电机参数的影响。
Description
(一)技术领域
本发明属于风力发电变流控制技术领域,具体涉及一种双馈型风电变换器的控制方法。
(二)背景技术
随着常规能源的不断枯竭以及环境严重的污染,作为可再生、无污染的风能,已经备受关注。风电变流器是风力发电系统中的核心部件,其性能的好坏直接关乎到能否高效、稳定、安全的利用风能。风电变流器的控制策略是其性能的关键。
(三)发明内容
本发明根据双馈风力发电机的工作特点,提出了一种能够实现对双馈风电变流器的并网发电控制的方法。
为达到上述目的,本发明专利的技术方案如下:
1)建立双馈电机数学模型:
采用电网电压定向矢量控制方法,定子采用发电机惯例,转子采用电动机惯例,双馈异步电机在同步坐标系下的数学模型为:
Tem=1.5pLm(isqird-isdirq) (5)
usd、usq、isd、isq、ψsd、ψsq分别是定子电压、电流和磁链的d、q轴分量;urd、urq、ird、irq、ψrd、ψrq分别是转子电压、电流、磁链的d、q轴分量;Lm为互感,其中Lm=1.5L12=1.5L21;Ls为定子自感,其中Ls=L1l+Lm;Lr为转子自感,其中Lr=L2l+Lm;ω1、ω2分别为同步角速度和转差角速度;微分算子用D表示,双馈电机采用电网电压定向矢量控制时,由于功率变换器在转子一侧,需要把转子电流通过矢量坐标变换到同步坐标系中,因此,需要知道转子对于定子A相绕组的空间位置角;
双馈电机并网条件是定子电压和电网电压的幅值、频率及相位相等,这样才可以实现无冲击并网,这里将双馈变流器并网控制分为三个阶段:
1、电网电压鉴相阶段;2、定子电压建立阶段;3、双馈电机的并网阶段;
其中:
2、1)电网电压鉴相阶段:
采用软件三相锁相环的方法,锁相环一般由鉴相器、环路滤波器和振荡器构成,首先通过坐标变换将三相电压转换到d-q坐标系下,为使d轴分量与电压矢量完全同相,设定q轴电压参考值vq_ref=0,将q轴电压偏差值vq_err作为鉴相器输出的角度偏差;经过PI调节器输出得到频率,再经过一个积分环节得到角度值。当电网电压中只存在正序基波分量时,其d-q坐标系下稳态值为直流量,通过控制q轴分量为零,可以实现相位频率锁定,当电网电压q轴分量恒定为零时,锁相环已经准确锁定了电网电压相位,由于锁相环内部采用了闭环结构,可以有效抑制电网轻微扰动对相位检测带来的干扰;因此,这种方法也适用于电网电压质量稍差的情况。
2、2)、定子电压建立阶段:
在定子电压的建立阶段,双馈电机定子空载运行,励磁电流全部由转子电流提供,通过控制双馈电机转子电流进而间接控制定子电压,使其满足并网条件,
将式(3)代入式(1),考虑定子电流为零,整理得:
选择电压环控制器:
这里定子电压的参考固定值usdref=U,U为电网电压幅值,usqref=0,当定子电压建立且满足并网条件时,通过控制并网接触器闭合实现双馈电机并网;
2、3)双馈电机的并网阶段
成功实现并网后,双馈电机的定子电压由电网电压决定,为定值,在这一阶段双馈电机的控制方法由定子电压闭环控制切换为定子侧功率闭环控制,并网运行过程中,风力发电机组控制器根据实际风速和电网要求动态调节发电机输出有功和无功功率,双馈电机定子侧功率在同步坐标系下的表达式为:
将式(3)代入式(8),忽略定子电阻上的压降,可以导出转子电流的关系式为
所以定子侧的有功和无功功率是互相解耦的,功率控制器为:
定子电压建立阶段向功率控制阶段转换时,由于无功功率控制器式(10)中,由于-Us/ω1Lm项的存在,可以保持转子电流参考值的连续性,避免冲击。
这种控制方法能实现双馈风力发电变流器的平滑并网,并且能够实现并网时无冲击、稳定的运行,本发明具有控制方法先进、成熟的优点。采用电网电压定向矢量控制方法可以做到定向准确,且不受电机参数的影响。
(四)附图说明:
图1为双馈风力发电系统结构图
图2为软件三相锁相环结构图
图3为双馈风电变流器分阶段并网控制策略框图
(五)具体实施方式
下面结合附图1至附图3对本发明作更详细的描述:
实施例1
本发明提出了一种基于双馈电机数学模型的双馈风力发电变流器并网控制方法,按该方法构成的控制系统如附图所示。该控制方法根据双馈电机数学模型,提出了双馈风力发电变流器并网控制方法。本方法主要采用电网电压定向矢量控制的方法,根据风电变流器的每个工作阶段的特点,提出相应的控制方法。具体实施方法如下:
1、建立双馈电机数学模型
定子采用发电机惯例,转子采用电动机惯例,双馈异步电机在同步坐标系下的数学模型为:
Tem=1.5pLm(isqird-isdirq) (5)
其中,usd、usq、isd、isq、ψsd、ψsq分别是定子电压、电流和磁链的d、q轴分量;urd、urq、ird、irq、ψrd、ψrq分别是转子电压、电流、磁链的d、q轴分量;Lm为互感(Lm=1.5L12=1.5L21);Ls为定子自感(Ls=L1l+Lm);Lr为转子自感(Lr=L2l+Lm);ω1、ω2分别为同步角速度和转差角速度;微分算子用D表示。双馈电机采用电网电压定向矢量控制时,由于功率变换器在转子一侧,需要把转子电流通过矢量坐标变换到同步坐标系中。因此,需要知道转子对于定子A相绕组的空间位置角。一般采用增量式码盘获取转子的位置信息。转子的初始位置可以通过试验测定的方法获取,还可以采用转子位置初始误差自动补偿的方法获取。
2、双馈变流器并网控制
双馈电机并网条件是定子电压和电网电压的幅值、频率及相位相等,这样才可以实现无冲击并网。这里将并网控制分为三个阶段:电网电压鉴相阶段,定子电压建立阶段和双馈电机的并网阶段。
2、1电网电压鉴相阶段
由于采用了电网电压定向矢量控制,需要准确地获取电网电压的相位信息。获取相位信息最简单的方法是捕获电网电压的过零点,但这种方法容易受到干扰,仅适用于理想电网条件。本系统采用软件三相锁相环的方法,如图2所示。锁相环一般由鉴相器、环路滤波器和振荡器构成。首先通过坐标变换将三相电压转换到d-q坐标系下,为使d轴分量与电压矢量完全同相,设定q轴电压参考值vq_ref=0,将q轴电压偏差值vq_err作为鉴相器输出的角度偏差;经过PI调节器输出得到频率,再经过一个积分环节得到角度值。当电网电压中只存在正序基波分量时,其d-q坐标系下稳态值为直流量,通过控制q轴分量为零,可以实现相位频率锁定。当电网电压q轴分量恒定为零时,锁相环已经准确锁定了电网电压相位。由于锁相环内部采用了闭环结构,可以有效抑制电网轻微扰动对相位检测带来的干扰。因此,这种方法也适用于电网电压质量稍差的情况。
2、2定子电压建立阶段
在定子电压的建立阶段,双馈电机定子空载运行,励磁电流全部由转子电流提供。通过控制双馈电机转子电流进而间接控制定子电压,使其满足并网条件。
将式(3)代入式(1),考虑定子电流为零,整理得:
选择电压环控制器:
这里定子电压的参考固定值usdref=U(U为电网电压幅值),usqref=0。当定子电压建立且满足并网条件时,通过控制并网接触器闭合实现双馈电机并网。
2、3双馈电机的并网阶段
成功实现并网后,双馈电机的定子电压由电网电压决定,为定值。在这一阶段双馈电机的控制策略由定子电压闭环控制切换为定子侧功率闭环控制。并网运行过程中,风力发电机组控制器根据实际风速和电网要求动态调节发电机输出有功和无功功率。双馈电机定子侧功率在同步坐标系下的表达式为
将式(3)代入式(8),忽略定子电阻上的压降,可以导出转子电流的关系式为
所以定子侧的有功和无功功率是互相解耦的。功率控制器为
定子电压建立阶段向功率控制阶段转换时,由于无功功率控制器式(10)中(-Us/ω1Lm)项的存在,可以保持转子电流参考值的连续性,避免冲击。
以上一系列过程即实现了双馈风电变流器的并网发电控制。这种控制策略能实现双馈风力发电变流器的平滑并网,并且能够实现稳定的并网运行。本发明已经在1.5MW双馈变流器平台上应用。
Claims (1)
1.双馈风电变流器控制方法,其特征在于:
采用电网电压定向矢量控制方法,
(1)建立双馈电机数学模型:
定子采用发电机惯例,转子采用电动机惯例,双馈异步电机在同步坐标系下的数学模型为:
Tem=1.5pLm(isqird-isdirq) (5)
usd、usq、isd、isq、ψsd、ψsq分别是定子电压、电流和磁链的d、q轴分量;
urd、urq、ird、irq、ψrd、ψrq分别是转子电压、电流、磁链的d、q轴分量;
Lm为互感,其中Lm=1.5L12=1.5L21;Ls为定子自感,其中Ls=L1l+Lm;Lr为转子自感,其中Lr=L2l+Lm;ω1、ω2分别为同步角速度和转差角速度;微分算子用D表示,双馈电机采用电网电压定向矢量控制时,由于功率变换器在转子一侧,需要把转子电流通过矢量坐标变换到同步坐标系中,因此,需要知道转子对于定子A相绕组的空间位置角;
(2)双馈变流器并网控制
双馈电机并网条件是定子电压和电网电压的幅值、频率及相位相等,这样才可以实现无冲击并网,这里将双馈变流器并网控制分为三个阶段:
电网电压鉴相阶段;定子电压建立阶段;双馈电机的并网阶段;
其中:
(2.1)电网电压鉴相阶段:
采用软件三相锁相环的方法,锁相环一般由鉴相器、环路滤波器和振荡器构成,首先通过坐标变换将三相电压转换到d-q坐标系下,为使d轴分量与电压矢量完全同相,设定q轴电压参考值vq_ref=0,将q轴电压偏差值vq_err作为鉴相器输出的角度偏差;经过PI调节器输出得到频率,再经过一个积分环节得到角度值,当电网电压中只存在正序基波分量时,其d-q坐标系下稳态值为直流量,通过控制q轴分量为零,可以实现相位频率锁定,当电网电压q轴分量恒定为零时,锁相环已经准确锁定了电网电压相位,由于锁相环内部采用了闭环结构,可以有效抑制电网轻微扰动对相位检测带来的干扰;因此,这种方法也适用于电网电压质量稍差的情况;
(2.2)定子电压建立阶段:
在定子电压的建立阶段,双馈电机定子空载运行,励磁电流全部由转子电流提供,通过控制双馈电机转子电流进而间接控制定子电压,使其满足并网条件,
将式(3)代入式(1),考虑定子电流为零,整理得:
选择电压环控制器:
这里定子电压的参考固定值usdref=U,U为电网电压幅值,usqref=0,当定子电压建立且满足并网条件时,通过控制并网接触器闭合实现双馈电机并网;
(2.3)双馈电机的并网阶段
成功实现并网后,双馈电机的定子电压由电网电压决定,为定值,在这一阶段双馈电机的控制方法由定子电压闭环控制切换为定子侧功率闭环控制,并网运行过程中,风力发电机组控制器根据实际风速和电网要求动态调节发电机输出有功和无功功率,双馈电机定子侧功率在同步坐标系下的表达式为:
将式(3)代入式(8),忽略定子电阻上的压降,可以导出转子电流的关系式为
所以定子侧的有功和无功功率是互相解耦的,功率控制器为:
定子电压建立阶段向功率控制阶段转换时,由于无功功率控制器式(10)中,由于-Us/ω1Lm项的存在,可以保持转子电流参考值的连续性,避免冲击。
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