CN102055400A - 一种新型的风电全功率变流器的控制方法 - Google Patents

Abstract

一种连接电网的双向全功率变流器系统的控制方法，包括一个网络桥的控制方法和一个电机桥的控制方法。网络桥采用新型的滑模控制(Sliding mode control)，实现对于电网侧控制变量I_s、I_d以及U_m的有效控制。此方法在保证网络桥在正常输出功率的同时，对系统内滤波器电容回路的谐振现象有充分的抑制作用。电机桥采用基于转子位置的矢量控制方法，实现对永磁电机转速ω_{r_ref}和励磁电流的解耦控制。

Description

一种新型的风电全功率变流器的控制方法 

技术领域：

本发明涉及一种连接电网的应用于永磁风力发电机的双向变流器系统的控制方法。此控制方法包括网络桥控制方法和电机桥控制方法。网络桥采用新型的滑模控制(Sliding mode control)，增加了系统的可靠性；而电机桥采用基于转子位置同步坐标轴的矢量控制算法(Field oriented control)控制永磁风力发电机的转速和励磁电流。 

背景技术：

一个应用于永磁风力发电机的全功率变流器的基本硬件拓扑如图1所示，主要由包括低通LCL滤波器的网络桥、包括dv/dt低通保护滤波的器电机桥以及直流环节组成。变流器的控制方法包括网络桥的控制和电机桥的控制。 

网络桥的控制器的目的是将风力发电机产生的能量有效传递输送进入电网，同时根据电网要求输出无功功率，维持电网的稳定运行。一般而言，网络桥需要保持直流环节的直流电压的稳定。电机桥的控制器的目的是对于风力发电机进行控制，保证风力发电机工作在最佳的工作状态下。 

目前传统的网络桥的控制方法采用基于电网电压的矢量控制法，传统的矢量控制法的控制结构如图2所示，矢量控制法仅仅控制输出电流I_s，详细地说，通过采集直流环节的电压进行反馈控制I_{s_q}，同时根据无功功率需求控制I_{s_d}。虽然传统的矢量控制法可以控制输出电流I_s，该控制方法不能有效控制网络侧滤波器的电容回路电流。当控制器的扰动频率与滤波器回路谐振频率重合时，网络桥输出会产生谐振电流，造成网络桥产生振荡、失稳停机甚至造成变流器的损坏。目前的解决方法在于增加滤波器回路的阻尼电阻，尽量避免谐振频率与控制器扰动频率的重合。然而过大的阻尼电阻会对变流器系统的效率、成本以及体积都会产生负面影响。 

发明内容

本发明的目的是： 

提供一种高鲁棒性的网络桥的控制算法，控制流入电网的有功和无功功率。此方法对系统内滤波器电容回路的谐振现象有充分的抑制作用，保证了系统的安全， 

提供一种电机桥的矢量控制算法，控制永磁风力发电机的转速和励磁电流。 

为达到上述目的，本发明的构思是： 

此发明中，网络桥以变流器输出电压为输出变量，同时对变流器输出电流、变流器滤波器端输出电压以及电网端输出电流进行控制。对以上三个变量的控制既能够有效地保证变流器的正常功率输出，也能间 接抑制滤波器电容回路的谐振电流。 

此发明中，电机桥采用基于转子位置同步坐标系的矢量控制算法，以变流器输出电压为输出变量，同时对永磁风力电机转速以及铜损进行解耦控制。 

根据上述的发明构思，本发明的技术方案如下： 

网络桥控制算法与传统变流器的普通矢量控制PWM输出不同，网络桥的控制采用滑模控制方法，以三相变流器的每一相作为一个独立的控制单元。根据滑膜控制的基本设计理念，本发明将网络桥整体电路以状态空间方程(State space)的方式表达。 

$\stackrel{\·}{x}=A\·x+B\·u+D\·v$

x为被控变量， $x=\left[\begin{array}{c}{I}_s\\ I_d\\ U_m\end{array}\right],$ u＝U，v＝U_s， $B=\left[\begin{array}{c}0\\ L_f\\ 0\end{array}\right],$ $A=\left[\begin{array}{ccc}0& 0& \frac{1}{L_s}\\ 0& 0& -\frac{1}{L_d}\\ \frac{1}{C_f}& -\frac{1}{C_f}& 0\end{array}\right],$ $D=\left[\begin{array}{c}-\frac{1}{L_s}\\ 0\\ 0\end{array}\right]$

网络桥电路的变量定义如图2所示，U为变流器输出电压，U_m为网络侧滤波器端电压，U_s为网络侧电压，I_d为变流器输出电流，I_s为流入电网电流，L_s为网络侧电路等效电感，L_d为变流器测电抗器电感，C_f为滤波器电容。 

根据上述的状态空间表达，本发明将表达控制需求的滑模平面函数S(x)定义为， 

$S\left(x\right)=k\·x_{\mathrm{ref}}-k\·x=\left[\begin{array}{ccc}{k}_{\mathrm{is}}& k_{\mathrm{id}}& k_{\mathrm{um}}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{I}_{s\_\mathrm{ref}}\\ I_{d\_\mathrm{ref}}\\ U_{m\_\mathrm{ref}}\end{array}\right]-\left[\begin{array}{ccc}{k}_{\mathrm{is}}& k_{\mathrm{id}}& k_{\mathrm{um}}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{I}_s\\ I_d\\ U_m\end{array}\right]$

为被控变量x的目标参考值， 

为被控变量x的反馈值。 

为达到控制目标，滑模平面函数应尽可能接近零值以确保被控变量x无限趋近被控变量目标参考值。变流器的电压输出U只有双电平输出(U_dc或-U_dc)，当S(x)＜0时，输出电压U为U_dc；当S(x)≥0时，输出电压U为-U_dc。 

控制器根据以上输出控制法则直接决定网络桥绝缘门极双极性晶闸管(IGBT)的开关输出，本发明的最终输出方案采用了滞回比较法。滞回比较采用动态的控制方法，维持开关频率的稳定。 

为了保证网络桥的正常运行，控制参考变量 

给定必须满足： 

1.变流器输出的有功电流满足直流源电压的稳定； 

2.变流器输出无功电流满足电网的输出要求； 

3.并且同时抑制变流器在滤波器支路上的谐振电流。 

电机桥控制算法采用基于转子位置同步坐标系的矢量控制方法，在此坐标系上，采用表面贴永磁工艺的永磁风力发电机的转矩计算的表达为： 

$T_e=\frac{3}{2}\frac{p}{2}{\mathrm{\ψ}}_F{I}_{s\_q}$

由于转子的永磁磁通ψ_F是恒定的，因此可以通过控制同步坐标系下的q方向定子电流I_{s_q}来控制永磁风力发电机的转矩。 

由于永磁风力发电机的转子采用永磁体和d方向电流I_{s_d}在ψ_F的基础上产生励磁或者去磁的效果。考虑到永磁风力发电机的铜损耗(copper loss)可以表达为： 

$P_{\mathrm{loss}}=(I_{s\_d}^2+I_{s\_q}^2)R_s$

为了达到最小的铜损，通常设定励磁电流： 

I_{s_d}＝0 

即不产生励磁或者去磁的效果，保持气隙磁场的稳定。 

本发明于现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点： 

1.滑模控制具有比普通的矢量控制PWM输出控制方法更高的鲁棒性，滑模控制在电网电压测量以及变流器输出电流测量误差较大的时候仍然能够保持较高的稳定性和工作性能。 

2.滑模控制的同时对变流器输出电流I_d，电网输出变流I_s以及输出电压A进行控制，能够有效的抑制由于滤波器的电容回路造成的谐振效应。 

3.开关频率控制模块可以动态调整滞回带宽H_band，得到稳定的滞回输出频率。 

附图说明

图1是变流器硬件系统框图。 

图2是传统的基于适量控制的网络桥控制方法。 

图3是变流器硬件拓扑结构。 

图4是网络桥的控制方法。 

图5是网络桥的控制变量参考值计算模块。 

图6是网络桥电流流向示意图。 

图7是网络桥控制方法的滑模平面函数计算模块。 

图8是网络桥控制方法的网络侧滞回比较模块。 

图9是网络桥控制方法的开关频率控制模块。 

图10是电机桥的控制方法。 

图11是电机桥控制方法的控制变量计算模块。 

图12是电机桥控制方法的电压控制环。 

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图详述如下： 

图1为系统框图。其中网络桥(11)和电机桥(8)具有相同的硬件拓扑结构，如图3所示，采用三相全桥电路，即采用6个IGBT并联续流二极管的开关模块。三相桥臂分别称为a相、b相和c相。每个桥臂的上下开关交互打开，即当上半桥臂导通时，下半桥臂关断；当上半桥臂关断时，下半桥臂导通。上下桥臂开关切换时加入死区时间保护，以避免同时导通的情况发生。 

图4为网络侧控制器的实施方案。本实施方案包括一个控制变量参考值计算模块(1)给出滑膜控制器的参考变量；一个滑模平面函数计算模块(2)最终确定滑模平面函数S(x)；一个滞回比较模块(3)决定开关信号最终决定网络桥的输出；以及一个开关频率控制模块(4)动态调整开关频率。 

图4的网络侧控制器的整体实施方案的控制变量参考值计算模块(1)具体方案如图5所示，控制变量参考值计算模块(1)采用了一个比例积分(PI)控制环。此PI控制环的输入为直流电压U_dc，输出为电流I_s有功电流的参考值I_{sq_ref}，同时根据电网要求给出的电网无功电流参考值I_{rct_ref}直接决定电网无功电流的参考值I_{sd_ref}。对I_{sd_ref}和I_{sp_ref}经行坐标逆变换(dq→αβ，2→3)得到三相的参考电流I_{s_ref}，坐标逆变换矩阵为： 

$\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_s& -\sin {\mathrm{\θ}}_s\\ \cos ({\mathrm{\θ}}_s-2\mathrm{\π}/3)& -\sin ({\mathrm{\θ}}_s-2\mathrm{\π}/3)\\ \cos ({\mathrm{\θ}}_s-4\mathrm{\π}/3)& -\sin ({\mathrm{\θ}}_s-4\mathrm{\π}/3)\end{array}\right]$

其中θ_s为电网参考轴角度，由网侧电压锁相环(PLL)给出。 

控制变量参考值计算模块(1)对实际测量的网络侧电压U_s进行坐标变换(3→2，αβ→dq)给出U_{s_d}和U_{s_q}。坐标变换矩阵为： 

$\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\θ}}_s& \cos ({\mathrm{\θ}}_s-2\mathrm{\π}/3)& \cos ({\mathrm{\θ}}_s-4\mathrm{\π}/3)\\ -\sin {\mathrm{\θ}}_s& -\sin ({\mathrm{\θ}}_s-2\mathrm{\π}/3)& -\sin ({\mathrm{\θ}}_s-4\mathrm{\π}/3)\end{array}\right]$

其中θ_s为电网参考轴角度，由网侧电压锁相环(PLL)给出。 

在U_{s_d}和U_{s_q}的基础上分别考虑网络侧电路等效电感L_s上的电势差I_{sq_ref}·L_s·ω_s和I_{sd_ref}·L_s·ω_s得到网络侧滤波器端电压的二相参考值U_{md_ref}和U_{mq_ref}，经过坐标逆变换(dq→αβ，2→3)得出网络侧滤波器端三相电压参考值U_{m_ref}。 

考虑到图6所示电量中的各电量变量之间的关系I_d＝I_s-I_f，在图5中，U_{md_ref}和U_{mq_ref}除以滤波器电容等效值 

得出滤波器支路电流dq值I_{fd_ref}和I_{fq_ref}。I_{sd_ref}和I_{sq_ref}分别减去I_{fd_ref}和I_{fq_ref}则得出网络桥输出电流参考值I_{dd_ref}和I_{dq_ref}，同样经坐标逆变换(dq→αβ，2→3)后得到I_{d_ref}。I_{d_ref}的作用在于限制变流器输出在滤波器电容回路中的谐振电流。 

图4的网络侧控制器的整体实施方案的滑模平面函数计算模块(2)具体方案如图7所示，滑模平面函数计算模块(2)根据如下公式计算得出了滑模平面函数S(x)。 

$S\left(x\right)=k\·x_{\mathrm{ref}}-k\·x=\left[\begin{array}{ccc}{k}_{\mathrm{is}}& k_{\mathrm{id}}& k_{\mathrm{um}}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{I}_{s\_\mathrm{ref}}\\ I_{d\_\mathrm{ref}}\\ U_{m\_\mathrm{ref}}\end{array}\right]-\left[\begin{array}{ccc}{k}_{\mathrm{is}}& k_{\mathrm{id}}& k_{\mathrm{um}}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{I}_s\\ I_d\\ U_m\end{array}\right]$

k_is、k_if和k_um决定了控制系统中各个变量的加权比重，通过实验或者仿真来确定。 

图4的网络侧控制器的整体实施方案的滞回比较模块(3)具体方案如图8所示，以a相桥臂为例，其输出由S(x)的输出值以及滞回比较阈值S_band决定。当S(x)_{_a}＜-S_band，a相桥臂上半桥IGBT导通，下半桥IGBT关断，输出电压U＝U_dc；当S(x)＜-S_band，当S(x)_{_a}＞S_band，a相桥臂上半桥IGBT关断，下半桥IGBT导通，输出电压U＝-U_dc；当-S_band≤S(x)_{_ a}≤S_band，a相桥臂上下半桥IGBT导通状态不变。上下桥臂开关切换时加入死区时间保护，以避免同时导通的情况发生。b相桥臂和c相桥臂采取类似的滞回控制方法。 

图4的网络侧控制器的整体实施方案的开关频率控制模块(4)具体方案如图9所示。由于滑模控制方法本身的特性，本发明的开关输出频率并不恒定，因此本实施方案选用开关计数器以及定时器的组合通过采集开关波形来计算单位时间内滑模控制的输出开关频率F_sw，在获得F_sw之后，本实施方案利用一个比例控制环来控制滞回比较阈值S_band的输出，保证系统达到要求的开关频率输出。 

图10为电机桥控制器的实施方案。本实施方案包括一个转矩计算模块(5)，目的在于计算出永磁风力发电机的电磁转矩T_e；一个电压环控制器(6)，目的在于计算出永磁风力发电机的定子侧参考电流I_{s_ref}；一个电流环控制器(7)，目的在于决定电机桥的开关信号Sw；以及一个开关频率控制模块(8)负责控制开关频率。 

图10的电机桥控制方法中的转矩计算模块(5)具体方案如图11所示。同时采集三相定子电流I_{s_a}、I_{s_b}和I_{s_c}，并通过分别进行坐标变换(3→2，αβ→dq)，将三相定子电流变换为处于同步坐标系的两相定子电流I_{s_d}和I_{s_q}。坐标变换矩阵为： 

$\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\θ}}_r& \cos ({\mathrm{\θ}}_r-2\mathrm{\π}/3)& \cos ({\mathrm{\θ}}_r-4\mathrm{\π}/3)\\ -\sin {\mathrm{\θ}}_r& -\sin ({\mathrm{\θ}}_r-2\mathrm{\π}/3)& -\sin ({\mathrm{\θ}}_r-4\mathrm{\π}/3)\end{array}\right]$

其中θ_r为转子位置角度，通常由光电编码器给出。 

通过实验测定转子永磁体产生的磁通ψ_F同时考虑电机的级数p，永磁风力发电机的电磁转矩T_e可以通过转矩计算公式得到： 

$T_e=\frac{3}{2}\frac{p}{2}{\mathrm{\ψ}}_F{I}_{s\_q}$

图10的电机桥控制方法中的电压控制(6)具体方案如图12所示。参考速度ω_{r_ref}和测量速度ω_r的误差进入一个PI控制器，得到参考转矩T_{e_ref}。参考转矩T_{e_ref}和通过转矩计算模块(5)得到的计算转矩T_e的误差进入一个PI控制器，得到转子q方向参考电流I_{sq_ref}。为了让永磁发电机工作在最低铜损状态以达到较高的运行效率，I_{sd_ref}总是设定为0。 

已知两相旋转定子参考电流I_{sq_ref}和I_{sq_ref}，采用一个坐标逆变换(dq→αβ，2→3)得到三相的参考电流I_{s_ref}，坐标逆变换矩阵为： 

$\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_r& -\sin {\mathrm{\θ}}_r\\ \cos ({\mathrm{\θ}}_r-2\mathrm{\π}/3)& -\sin ({\mathrm{\θ}}_r-2\mathrm{\π}/3)\\ \cos ({\mathrm{\θ}}_r-4\mathrm{\π}/3)& -\sin ({\mathrm{\θ}}_r-4\mathrm{\π}/3)\end{array}\right]$

其中θ_r为电网参考轴角度，通常由光电编码器给出。 

图10的电机桥控制方法中的电流控制(7)也称作电流环。以a相桥臂为例，其输出由转子参考电流I_{ra_ref}和测量电流I_ra的误差以及滞回比较阈值S_band决定。当S(x)_a＜-S_band，a相桥臂上半桥IGBT导通，下半桥IGBT关断，输出电压U＝U_dc；当S(x)＜-S_band，当S(x)_{_a}＞S_band，a相桥臂上半桥IGBT关断，下半桥IGBT导通，输出电压U＝-U_dc；当-S_band≤S(x)_{_a}≤S_band，a相桥臂上下半桥IGBT导通状态不变。上下桥臂开关切换时加入死区时间保护，以避免同时导通的情况发生。b相桥臂和c相桥臂采取类似的滞回控制方法。 

图10的电机桥控制方法的开关频率控制模块(8)具体方案如图9所示。由于滞回控制方法本身的特性，本发明的开关输出频率并不恒定，因此本实施方案选用开关计数器以及定时器的组合通过采集开关波形来计算单位时间内滑模控制的输出开关频率F_sw，在获得F_sw之后，本实施方案利用一个比例控制环来控制滞回比较阈值S_band的输出，保证系统达到要求的开关频率输出。 

Claims (10)

1.一种连接电网的双向的全功率变流器系统的控制方法。其特征在于包括：

一个网络桥的控制方法，采用新型的滑模控制(Sliding mode control)，将电网的交流能量和直流侧的直流能量互相转换；

一个电机桥的控制方法，采用新基于转子位置同步坐标轴的矢量控制算法控制永磁风力发电机的转速和励磁电流。

2.按照权利要求1所述的网络桥控制方法，其特征在于采用滑模控制方法，由控制变量参考值计算模块、滑模平面函数计算模块、电网侧滞回比较模块和开关频率控制模块组成。

3.按照权利要求2所述的控制变量参考模块，其特征在于通过网络桥的模型给出控制变量的参考值I_{s_ref}、I_{d_ref}以及U_{m_ref}。

4.按照权利要求2所述的滑模平面函数计算模块，其特征在于根据控制变量参考值I_{s_ref}、I_{d_ref}以及U_{m_ref}以及实测控制变量值I_s、I_d以及U_m最终确定滑模平面函数S(x)，实现对于控制变量I_s、I_d以及U_m的有效控制。此方法在保证网络桥在正常输出功率的同时，对系统内滤波器电容回路的谐振现象有充分的抑制作用。

5.按照权利要求2所述的滞回比较模块，其特征在于根据比较S(x)及±S_band决定网络桥的开关输出。

6.按照权利要求2所述的开关频率控制模块，其特征在于根据开关信号反馈实时控制调整滞回比较阈值S_band，达到预设的开关频率。

7.按照权利要求1所述的电机桥控制方法，其特征在于基于转子位置的矢量控制方法，由转矩计算模块、控制外环、控制内环和开关频率控制模块组成。

8.按照权利要求7所述的转矩计算模块，其特征在于根据定子端的电压和电流计算电机转矩T_e。

9.按照权利要求7所述的控制外环，其特征在于采用基于电网电压的同步坐标系，采用最小的励磁电流，并根据控制变量参考值ω_{r_ref}和实测控制变量值T_e最终确定永磁电机定子的三相参考电压I_{s_ref}。

10.按照权利要求7所述的控制内环，其特征在于根据比较定子参考电流I_{s_ref}和定子测量电流I_s及±S_band决定机网侧变流器的开关输出，使电机控制系统满足高动态性能。

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