CN102231527A

CN102231527A - 一种提高风电系统不对称故障穿越能力的控制方法

Info

Publication number: CN102231527A
Application number: CN2011101812648A
Authority: CN
Inventors: 杜雄; 戴朋岑; 周雒维
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2011-06-30
Filing date: 2011-06-30
Publication date: 2011-11-02
Anticipated expiration: 2031-06-30
Also published as: CN102231527B

Abstract

一种提高风电系统不对称故障穿越能力的控制方法。该方法在现有技术基础上，于机侧整流器和网侧逆变器之间接入了超级电容储能系统。在控制方面，对该机侧整流器、对网侧逆变器的进行控制之外，也增加了对超级电容储能系统的控制。本发明通过对机侧整流器和网侧逆变器的协调控制，使得机组能够实现最大风能的跟踪、并网有功无功可调节以及并网三相电流对称，保证了电网正常时机侧整流器和网侧逆变器之间直流母线电压的稳定。通过对加入的超级电容储能系统的控制，保证机组在电网不对称故障期间直流母线电压稳定，特别是在保证并网三相电流对称的同时，消除电网不对称故障期间直流母线电压二倍工频纹波，从而提高了风电系统不对称故障穿越能力。

Description

一种提高风电系统不对称故障穿越能力的控制方法

技术领域

本发明涉及并网的直驱永磁同步风力发电机组的风电系统，在发生不对称故障时提高其穿越能力的控制方法。

背景技术

风力发电产生的电能（风电）是绿色能源。除极小型的风力发电机之外，风力发电机均是先并入电网中，再通过电网向用户供电的。随着并网风电容量的不断上升，其对电网的影响不可忽视，因此电网导则要求风电系统在规定范围的电网故障下不脱网运行。于是，如何保证风电系统在电网故障周期内不脱网，即确保其“穿越”电网故障时期，就成为了风电系统特有的重要课题。目前的风力发电机中，直驱永磁同步风力发电机组（D-PMSG）是发展较快、运用较多的一种。该直驱永磁同步风力发电机组是通过背靠背变流器（包括了机侧整流器和网侧逆变器）并入电网中的——这种风电系统面对电网对称故障，采用现有控制方法就有较好的故障穿越能力；而面对电网不对称故障（单相接地短路故障、相间短路故障和两相接地故障等）时，其穿越能力就还有待提高。由于各种电网不对称故障的共同特征，是电网电压中出现了负序分量，所以，消除这一负序分量对风电系统的影响，是提高风电系统不对称故障穿越能力的关键。在《直驱永磁同步风电机组不对称故障穿越的研究》{杨晓萍，段先锋，钟彦儒. 直驱永磁同步风电机组不对称故障穿越的研究[J]. 电机与控制学报，2010年2月，14（2）：7-12.}中，就提出了一种在电网发生不对称故障时，消除电网电压负序分量对风电系统影响的方法。该方法提出了“按照电网电压正序分量和额定电压的比值”来“减小发电机输出功率的控制策略，并控制网侧逆变器电流保持对称”。在确保“逆变器电流不含负序分量，保持三相对称”方面，该方法的确取得了不错的效果。然而，该方法却没有消除背靠背变流器内直流电压中的二倍频纹波（即机侧整流器和网侧逆变器之间的直流母线电压中的二倍工频纹波）。原因是，在运用该方法情况下，如果消除了“直流电压中的二倍频分量”，其“逆变器电流中就会有负序分量”，又“会使三相电流不对称”，进而“会威胁逆变器的安全”。本领域技术人员清楚，直流电压含有的二倍工频纹波，对背靠背变流器的安全运行，仍然是有一定程度不利影响的。该现有技术“在消除直流电压的二倍频纹波和保持三相电流对称这两个方面，选择了后者”的作法，只是“两害相权取其轻”的不得以作法而已。

发明内容

本发明的目的是，提供一种同时还能安全地消除机侧整流器和网侧逆变器之间的直流母线电压中二倍工频纹波的提高风电系统不对称故障穿越能力的控制方法。

为实现所述发明目的，提供这样一种提高风电系统不对称故障穿越能力的控制方法，该控制方法针对的风电系统包括直驱永磁同步风力发电机组、电网和连接在直驱永磁同步风力发电机组和电网之间的包括了机侧整流器和网侧逆变器的背靠背变流器；其中，机侧整流器采用转速外环、电流内环的双闭环控制结构，以对直驱永磁同步风力发电机组进行最大风能跟踪的控制；网侧逆变器采用电压外环、电流内环的双闭环控制结构，以让电压外环保证电网正常情况下直流母线电压的稳定，让电流内环保证并网有功功率无功功率可调节和并网三相电流始终对称。其改进之处是，在机侧整流器和网侧逆变器之间接入有超级电容储能系统，该超级电容储能系统由超级电容模块和buck-boost型的双向DC/DC电路组成；所述双向DC/DC电路由储能电感、并联的功率开关管І和续流二极管І，以及并联的功率开关管Ⅱ和续流二极管Ⅱ组成，其中，储能电感的一端连接在该超级电容模块的正极，该储能电感的另一端连接在功率开关管Ⅱ和续流二极管Ⅱ的一个并联点上构成公共点І；功率开关管І和续流二极管І的一个并联点连接在该公共点І上，另一个并联点与机侧整流器和网侧逆变器之间的直流母线正极连接；超级电容模块的负极连接在功率开关管Ⅱ和续流二极管Ⅱ的另一个并联点上构成公共点Ⅱ，该公共点Ⅱ连接至机侧整流器和网侧逆变器之间的直流母线负极；在控制方法中还包括对该超级电容储能系统的控制，其控制过程如下；

当电网正常，超级电容模块处于额定电压时，控制超级电容储能系统不工作，双向DC/DC电路中的两个功率开关管都处于断开状态；

当电网发生不对称故障时，对超级电容储能系统按照如下步骤控制：

（1）将机侧整流器的输入瞬时有功功率P_in 减去网侧逆变器的输出瞬时有功功率P_out ，得到目标功率值ΔP，控制超级电容储能系统输出瞬时有功功率P _sc跟踪目标功率值ΔP，让背靠背变流器直流侧有功功率达到平衡，以消除直流侧母线电压二倍工频纹波；

（2）将目标功率值ΔP与实际的超级电容储能系统输出的瞬时有功功率P _sc的差值，经过比例积分调节器，得到电感电流参考值i_L ^* ；

（3）将电感电流参考值i_L ^* 与储能电感的实际电感电流值i_L 的差值，经过比例积分调节器得到开关占空比信号d₁；

（4）将开关占空比信号d₁经过脉宽调制器，然后，一路直接地、另一路再通过非门，而分别得到两个功率开关管的开关信号，以让超级电容储能系统输出瞬时有功功率P _sc跟踪目标功率值ΔP；

当电网不对称故障被消除直至超级电容模块恢复至额定电压的时段，对超级电容储能系统按照如下步骤控制：

（1）将超级电容模块的额定电压值V_sc-ref 与超级电容模块的实际电压值V_sc 的差值，经过比例积分调节器得到电感电流参考值i_L ^* ；

（2）将电感电流参考值i_L ^* 与储能电感的实际电感电流值i_L 的差值，经过比例积分调节器得到开关占空比信号d₂；

（3）将开关占空比信号d₂经过脉宽调制器，一路直接地、另一路再通过非门，而分别得到两个功率开关管的开关信号，以让超级电容电压恢复至额定值。

本发明的一个优点是：由于超级电容储能系统的引入，无论电网是否发生不对称故障，机侧整流器的控制和网侧逆变器的控制都可按照现有技术进行，无需作出改变。

当电网系统正常，超级电容模块处于额定电压时，控制超级电容储能系统不工作，这能减少超级电容储能系统的使用时间，延长超级电容储能系统的使用寿命；当电网发生不对称故障时，如对比文献中所述：“相应的直流电压呈现出二倍频的纹波，这是由于电网电压包含负序分量，逆变器注入电网的有功功率包含有二倍频的周期分量所致”，而导致直流母线电压呈现出二倍频的纹波最直接的原因是直流母线上的有功功率不平衡，由步骤（1）可知，此时控制超级电容储能系统吞吐有功功率跟踪机侧整流器输入有功功率与网侧逆变器输出有功功率之间的瞬时差值，以此来消除不对称故障时直流母线上的有功功率不平衡，就能达到消除直流母线电压二倍工频纹波的目标；当电网不对称故障消除后，控制超级电容储能系统释放电网不对称故障时吸收的能量，使超级电容模块电压恢复至额定值，这样可以避免超级电容模块因为电压过高而损坏，保证了超级电容储能系统的安全使用。

本发明所述的一种应用超级电容储能系统提高直驱永磁同步风力发电机组不对称故障穿越能力的控制方法，采用现有技术对机侧整流器和网侧逆变器进行控制，使得直驱永磁同步风力发电机组能够实现最大风能的跟踪、并网有功功率和无功功率可调节以及并网三相电流始终对称，通过对加入的超级电容储能系统的控制，能在不影响并网三相电流对称的同时（三相电流不对称，可能会导致逆变器因电流过大而损坏，“威胁逆变器的安全”，也会降低并网电能的质量），消除电网不对称故障期间直流母线电压二倍工频纹波，比已有技术方法更具有优势，因而提高了直驱永磁同步风力发电机组不对称故障穿越能力。

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1——含超级电容储能的直驱永磁同步风力发电机组结构图；

图2——机侧整流器的控制框图；

图3——网侧逆变器的控制框图；

图4——超级电容储能系统在电网不对称故障状态时的控制框图；

图5——电网发生不对称故障时，机侧整流器和网侧逆变器之间的直流母线上的有功功率不平衡之差值的仿真波形图；

图6——超级电容储能系统在电网不对称故障消除后直至超级电容恢复至额定电压的时段的控制框图；

图7——电网发生不对称故障时，采用本发明控制方法得到的机侧整流器和网侧逆变器之间的直流母线电压的仿真波形图；

图8——电网发生不对称故障时，采用《直驱永磁同步风电机组不对称故障穿越的研究》中的控制方法得到的机侧整流器和网侧逆变器之间的直流母线电压的仿真波形图；

图9——电网发生不对称故障时，采用本发明控制方法后的并网三相电流的仿真波形图。

具体实施方式

一种提高风电系统不对称故障穿越能力的控制方法，该控制方法针对的风电系统包括直驱永磁同步风力发电机组（D-PMSG）、电网和连接在直驱永磁同步风力发电机组（D-PMSG）和电网之间的包括了机侧整流器和网侧逆变器的背靠背变流器；其中，机侧整流器采用转速外环、电流内环的双闭环控制结构，以对直驱永磁同步风力发电机组进行最大风能跟踪的控制；网侧逆变器采用电压外环、电流内环的双闭环控制结构，以让电压外环保证电网正常情况下直流母线电压的稳定，让电流内环保证并网有功功率无功功率可调节和并网三相电流始终对称——对机侧整流器和网侧逆变器的控制均是在dq两相同步旋转坐标系中对其d轴、q轴的电流、电压的控制。本发明中（参考图1），在机侧整流器和网侧逆变器之间接入有超级电容储能系统，该超级电容储能系统由超级电容模块和buck-boost型的双向DC/DC电路组成；所述双向DC/DC电路由储能电感L、并联的功率开关管І（G1）和续流二极管І（D1），以及并联的功率开关管Ⅱ（G2）和续流二极管Ⅱ（D2）组成，其中，储能电感L的一端连接在该超级电容模块的正极，该储能电感L的另一端连接在功率开关管Ⅱ（G2）和续流二极管Ⅱ（D2）的一个并联点上构成公共点І（1）；功率开关管І（G1）和续流二极管І（D1）的一个并联点连接在该公共点І（1）上，另一个并联点与机侧整流器和网侧逆变器之间的直流母线正极连接；超级电容模块的负极连接在功率开关管Ⅱ（G2）和续流二极管Ⅱ（D2）的另一个并联点上构成公共点Ⅱ（2），该公共点Ⅱ（2）连接至机侧整流器和网侧逆变器之间的直流母线负极；在控制方法中还包括对该超级电容储能系统的控制。

为说明电网发生不对称故障时，本发明在安全地消除机侧整流器和网侧逆变器之间的直流母线电压中二倍工频纹波的同时，仍然确保了并网三相电流的对称。在本具体实施方式中，将连同本发明对该机侧整流器的控制和对网侧逆变器的控制，以及涉及元件一并介绍。

本领域技术人员清楚，背靠背变流器中涉及的机侧整流器和网侧逆变器均由三相半桥电路构成，而三相半桥电路主要由六个功率开关管构成，对机侧整流器和网侧逆变器的控制，实质就是以开关信号驱动它们的各自电路中的六个功率开关管。

各控制过程的步骤分别如下。

一、对该机侧整流器的控制（参考图2）：

（1）在机侧整流器采用的转速外环、电流内环的双闭环控制结构中，根据最大功率跟踪原理获取直驱永磁同步风力发电机组（D-PMSG）的参考转速ω _m ^* ；

本领域技术人员清楚，在该双闭环控制结构中，转速外环将使实际转速ω _m 跟踪参考转速ω _m ^* ，电流内环将使实际电流值跟踪参考电流值；

（2）将参考转速ω _m ^* 与实际转速ω _m 的差值，经过比例积分调节器PI得到有功功率的参考值P^* ；

特别说明，本发明中采用的比例积分调节器均是现有的比例积分调节器（即PI调节器）；后面将提到的脉宽调制器，也为现有的脉宽调制器。本领域技术人员清楚，在选用具体的PI调节器和脉宽调制器时，还应根据具体电路来选择适当的参数——鉴于这种参数选择，对本领域技术人员而言，纯属常规选择，故在本说明书中不赘述；

（3）将d轴参考电流值i_ds ^* 设定为0（即对直驱永磁同步风力发电机进行零d轴控制），并将其与实际d轴电流值i_ds 的差值，经过比例积分调节器PI，再减去q轴解耦量ω _e L₁i_qs 得到d轴参考电压值u_ds ^* ；

其中，ω _e 为直驱永磁同步风力发电机的电气角速度，L₁ 为直驱永磁同步风力发电机的定子电感，i_ds 为d轴实际电流值；

（4）将有功功率的参考值P^* 除以1.5 ω _m p Ψ，得到q轴参考电流值i_qs ^* ；

在1.5 ω _m p Ψ中，ω _m 为直驱永磁同步风力发电机的机械角速度，p为直驱永磁同步风力发电机的极对数，Ψ为直驱永磁同步风力发电机的永磁磁链；

（5）将q轴参考电流值i_qs ^* 与实际q轴电流值i_qs 的差值，经过比例积分调节器PI再减去d轴解耦量（ω _e L₁i_ds+ ω _e Ψ）得到q轴参考电压值u_qs ^* ；

（6）将得到的d、q轴参考电压值u_qs ^* 、u_ds ^* ，经过空间矢量调制，得到机侧整流器中各开关管的开关信号，以控制机侧整流器实现风电系统的最大风能跟踪。

二、对网侧逆变器的控制（参考图3）：

（1）网侧逆变器采用的电压外环、电流内环的双闭环控制结构中，将直流母线参考电压值u_dc ^* 与实际直流母线电压值u_dc 的差值，经过比例积分调节器PI得到有功功率的参考值P_g ^* ；

本领域技术人员清楚，在该双闭环控制结构中，电压外环将使实际直流母线电压值u_dc 跟踪直流母线参考电压值u_dc ^* ，电流内环将使实际电流值跟踪参考电流值；

（2）将有功功率的参考值P_g ^* 、根据电网需要设定的无功功率参考值Q_g ^* 以及测得的电网电压正序d、q轴分量e_dp 、e_qp ，代入下式：

分别得到只含有正序分量的d、q轴参考电流值id*、iq*，以通过让三相电流参考值对称来实现并网三相电流对称；

（3）将d轴参考电流值i_d ^* 与实际d轴电流值i_d 的差值，经过比例积分调节器PI、再引入q轴解耦量ω L ₂ i_q 和电网电压d轴前馈量e_d ，得到d轴参考电压值u_d ^* ；

在ω L ₂ i_q 中，ω为电网角频率，L₂ 为网侧电感；

（4）将q轴参考电流值i_q ^* 与实际q轴电流值i_q 的差值，经过比例积分调节器PI、再引入d轴解耦量ω L ₂ i_d 和电网电压q轴前馈量e_q ，得到q轴参考电压值u_q ^* ；

（5）将得到的d、q轴参考电压值u_q ^* 、u_d ^* ，经过空间矢量调制，得到网侧逆变器中各开关管的开关信号，以控制网侧逆变器实现并网有功功率与无功功率可调节以及并网三相电流对称；

三、对超级电容储能系统的控制：

当电网正常，超级电容模块处于额定电压时，控制超级电容储能系统不工作，双向DC/DC电路中的两个功率开关管（G1、G2）都处于断开状态——本领域技术人员清楚，如果此时储能电感L的实际电感电流值i_L 不为零，则电感电流i_L 将通过续流二极管（D1、D2）释放为零。

当电网发生不对称故障时，对超级电容储能系统按照如下步骤控制（参考图4）：

（1）将机侧整流器的输入瞬时有功功率P_in 减去网侧逆变器的输出瞬时有功功率P_out ，得到目标功率值ΔP（即机侧整流器和网侧逆变器之间的直流母线上的有功功率不平衡之差值——参见图5），控制超级电容储能系统输出瞬时有功功率P _sc跟踪目标功率值ΔP，让背靠背变流器直流侧有功功率达到平衡，以消除直流侧母线电压二倍工频纹波；

特别说明，由于各种电网不对称故障的共同特征，是电网电压中出现了负序分量，而消除负序分量对风电系统的影响，是提高风电系统不对称故障穿越能力的关键，因此，通过图5显示目标功率值ΔP的波形时，通过仿真波形考察本案其他问题时，均仅以单相接地短路的不对称故障之仿真波形为例。

（2）将目标功率值ΔP与实际的超级电容储能系统输出的瞬时有功功率P _sc的差值，经过比例积分调节器PI，得到电感电流参考值i_L ^* ；

（3）将电感电流参考值i_L ^* 与储能电感L的实际电感电流值i_L 的差值，经过比例积分调节器PI得到开关占空比信号d₁；

（4）将开关占空比信号d₁经过脉宽调制器PWM，然后，一路直接地、另一路再通过非门，而分别得到两个功率开关管（G1、G2）的开关信号，以让超级电容储能系统输出瞬时有功功率P _sc跟踪目标功率值ΔP；

当电网不对称故障被消除直至超级电容模块恢复至额定电压的时段，对超级电容储能系统按照如下步骤控制（参考图6）：

（1）将超级电容模块的额定电压值V_sc-ref 与超级电容模块的实际电压值V_sc 的差值，经过比例积分调节器PI得到电感电流参考值i_L ^* ；

（2）将电感电流参考值i_L ^* 与储能电感L的实际电感电流值i_L 的差值，经过比例积分调节器PI得到开关占空比信号d₂；

（3）将开关占空比信号d₂经过脉宽调制器PWM，一路直接地、另一路再通过非门，而分别得到两个功率开关管（G1、G2）的开关信号，以让超级电容电压恢复至额定值。

本发明通过（用仿真软件MATLAB）仿真对比的方式进行过验证，图5是验证时的一幅仿真图，它显示了电网发生不对称故障时，机侧整流器和网侧逆变器之间的直流母线上的有功功率不平衡之差值，如图5所示，此有功功率不平衡之差值含有二倍工频纹波，由简单的电路知识可推知，机侧整流器和网侧逆变器之间的直流母线上的有功功率不平衡之差值ΔP与实际直流母线电压值u_dc 的关系如下式(其中c为直流母线上的滤波电容)：

这必然会导致机侧整流器和网侧逆变器之间的直流母线电压同样含有二倍工频纹波。图7和图8是在图5所显示的相同不对称故障发生时，采用本发明控制方法和采用现有技术控制方法的效果对比。在图7和图8中，横坐标为穿越不对称故障的时间，单位为秒；纵坐标为机侧整流器和网侧逆变器之间的直流母线电压值U_dc ，采用标幺值显示，其基准值是1200V，单位为pu。

从图7中可以看出，在穿越不对称故障时，本发明控制方法在机侧整流器和网侧逆变器之间的直流母线电压的波动约为稳态值的1%，也即基本消除了二倍工频纹波；从图8中可以看出，运用《直驱永磁同步风电机组不对称故障穿越的研究》中的控制方法在机侧整流器和网侧逆变器之间的直流母线电压的波动约为稳态值的30%（因该现有技术本身也没有考虑要消除二倍工频纹波）。两者相比较，说明本发明在穿越不对称故障时，不但仍然确保了并网三相电流对称（参考图9，从图9中可以看出，并网三相电流I_a 、 I_b 、 I_c 几乎为同幅值的正弦波）而且同时还能消除该直流母线电压的二倍工频纹波。

Claims

1.一种提高风电系统不对称故障穿越能力的控制方法，该控制方法针对的风电系统包括直驱永磁同步风力发电机组（D-PMSG）、电网和连接在直驱永磁同步风力发电机组（D-PMSG）和电网之间的包括了机侧整流器和网侧逆变器的背靠背变流器；其中，机侧整流器采用转速外环、电流内环的双闭环控制结构，以对直驱永磁同步风力发电机组进行最大风能跟踪的控制；网侧逆变器采用电压外环、电流内环的双闭环控制结构，以让电压外环保证电网正常情况下直流母线电压的稳定，让电流内环保证并网有功功率无功功率可调节和并网三相电流始终对称；其特征在于，在所述机侧整流器和网侧逆变器之间接入有超级电容储能系统，该超级电容储能系统由超级电容模块和buck-boost型的双向DC/DC电路组成；所述双向DC/DC电路由储能电感（L）、并联的功率开关管І（G1）和续流二极管І（D1），以及并联的功率开关管Ⅱ（G2）和续流二极管Ⅱ（D2）组成，其中，所述储能电感（L）的一端连接在该超级电容模块的正极，该储能电感（L）的另一端连接在所述功率开关管Ⅱ（G2）和续流二极管Ⅱ（D2）的一个并联点上构成公共点І（1）；所述功率开关管І（G1）和续流二极管І（D1）的一个并联点连接在该公共点І（1）上，另一个并联点与所述机侧整流器和网侧逆变器之间的直流母线正极连接；所述超级电容模块的负极连接在所述功率开关管Ⅱ（G2）和续流二极管Ⅱ（D2）的另一个并联点上构成公共点Ⅱ（2），该公共点Ⅱ（2）连接至所述机侧整流器和网侧逆变器之间的直流母线负极；在所述控制方法中还包括对该超级电容储能系统的控制，其控制过程如下；

当电网正常，超级电容模块处于额定电压时，控制超级电容储能系统不工作，双向DC/DC电路中的两个功率开关管（G1、G2）都处于断开状态；

（2）将目标功率值ΔP与实际的超级电容储能系统输出的瞬时有功功率P _sc的差值，经过比例积分调节器（PI），得到电感电流参考值i_L ^* ；

（3）将电感电流参考值i_L ^* 与所述储能电感（L）的实际电感电流值i_L 的差值，经过比例积分调节器（PI）得到开关占空比信号d₁；

（4）将开关占空比信号d₁经过脉宽调制器（PWM），然后，一路直接地、另一路再通过非门，而分别得到两个功率开关管（G1、G2）的开关信号，以让超级电容储能系统输出瞬时有功功率P _sc跟踪目标功率值ΔP；

（1）将超级电容模块的额定电压值V_sc _-ref 与超级电容模块的实际电压值V_sc 的差值，经过比例积分调节器（PI）得到电感电流参考值i_L ^* ；

（2）将电感电流参考值i_L ^* 与所述储能电感（L）的实际电感电流值i_L 的差值，经过比例积分调节器（PI）得到开关占空比信号d₂；

（3）将开关占空比信号d₂经过脉宽调制器（PWM），一路直接地、另一路再通过非门，而分别得到两个功率开关管（G1、G2）的开关信号，以让超级电容电压恢复至额定值。