CN102651548B - 一种风力发电系统网侧变流器直流母线电压波动抑制方法 - Google Patents

Abstract

一种风力发电系统网侧变流器直流母线电压波动抑制方法，涉及风力发电以及电力电子领域。该方法首先将电网电压信号E_abc和电流信号I_abc进行Clarke变换得到αβ坐标系下E_α、E_β和I_α、I_β。将直流侧电压参考与采样得到直流侧电压信号V_dc相减之后得到直流侧电压误差信号ΔV_dc，将误差信号ΔV_dc送入电压调节器模块3和模块4得到I_dc，在将I_dc分别与E_α和E_β相乘得到电流参考信号和将电流参考信号与电流反馈信号相减送入电流调节器得到调制信号将送入SVPWM模块调制后得到功率开关驱动信号。该方法消除了传统控制策略中电压/电流的正序负序提取、参考电流矩阵运算和锁相环等复杂控制结构，只需采用简单控制结构即可实现电网电压畸变且不平衡情况下，风力发电系统网侧变流器直流母线电压波动的有效抑制。

Description

一种风力发电系统网侧变流器直流母线电压波动抑制方法

技术领域

本发明涉及风力发电系统网侧变流器的控制，尤其是在电网发生畸变和不平衡情况下网侧变流器直流母线电压波动抑制方法。

背景技术

目前风力发电系统主要采用变速恒频运行，变速恒频系统主要包括永磁同步发电机和双馈感应发电机两种类型。无论采用哪种拓扑，功率变流器通常采用背靠背变流器结构，背靠背结构变流器最大优点在于直流侧电容解耦，从而使得前级和后级变流器能够独立控制。

随着风电穿透力的增加，风力发电系统与电网之间的关系越来越紧密。由于电网经常会受到各种扰动，这其中短路故障对风力发电系统的影响最大。目前电网准则要求：风力发电系统需具有一定的低电压运行能力，这就使得低电压穿越技术(LVRT)成为一个研究热点。无论是机侧变流器穿越控制技术还是网侧变流器穿越控制技术，目前主要集中于假设电网无谐波情况下对称故障和不对称故障的研究，很少涉及到在电网畸变情况下发生不对称故障时的研究。在工业电网中，电网中的谐波是普遍存在的。在风力发电系统中，即使电网不发生故障，电网中的谐波也会对风力发电系统造成不利的影响，对于风力发电系统的网侧变换器而言，其主要控制目标是维持直流侧电压恒定以及有功和无功的控制。在背靠背变流器的拓扑中，无论是在正常情况下运行还是在故障情况下运行，维持直流侧电压恒定是风力发电系统正常运行的必要条件；而在电网发生畸变和不平衡时，直流侧电压将会产生脉动分量，直流侧的这个脉动就会导致变流器侧输出电压的波动，从而导致输出功率的波动，这将会严重影响电能质量。而且，直流侧波动还会缩减直流侧电容的使用寿命，更严重的是：如果直流侧电压波动很大，将会造成直流侧过电压，从而导致系统跳闸，使得风机与电网断开连接，致使风力发电系统低压穿越运行失败。

如果对网侧变流器采取适当的控制，不仅可以有效抑制直流侧电压振荡，还可以提高风力发电系统低压穿越运行能力，因此在风力发电系统电网畸变和不平衡的情况下，控制直流侧母线电压恒定是及其重要的。目前所检索到的与本专利密切相关的文献和专利有：

《IEEE Transactions on Industrial Electronics》杂志1999年46卷第5期（第953-959页）《Dual current control scheme for PWM converter underunbalanced input voltage conditions》（文献I）一文中，H.-S.Song and K.Nam,所提出的方法是基于功率平衡的双电流旋转矢量控制，该方法是基于功率平衡单电流矢量控制基础上提出的，基于功率平衡原理，使得输入功率与直流侧输出功率平衡，通过功率矩阵算出电流正序和负序参考，而双电流内环分别对电流正序分量和负序分量进行独立控制。该方法解决单电流矢量控制的不足，对负序同样进行控制，有效抑制直流侧电压脉动，但是该方法缺点在于，控制结构和算法复杂，需要电网电压和电流的正负序提取电路，电压和电流正负序提取电路通常采用陷波器进行提取，这会引入延迟影响到系统的动态响应，而且该方法忽略滤波电感和电阻上的损耗，所以即使完全消除输入功率的脉动分量也无法消除直流侧电压中的波动。

《IEEE Transactions on Industry Applications》杂志2010年46卷第1期（268-277页）《New Stationary Frame Control Scheme for Three-Phase PWMRectifiers UnderUnbalanced Voltage Dips Conditions》（文献ΙΙ）一文中，Daniel Roiu等人介绍了一种基于功率平衡静止坐标系下的改进式电流矢量控制：该方法同样基于功率平衡原理，相比于文献I，该方法考虑了滤波电感和电阻上的损耗，而且在静止坐标系下对电流直接进行控制，无需电流正负序提取电路，也不需要对正负序电流分别独立进行控制。该方法优点在于它克服了文献I中存在的不足，考虑了电感和电阻上的损耗，使其抑制直流侧电压波动控制效果明显好于前者，而且还进一步简化了控制结构。但是该方法缺点在于参考电流计算矩阵中引入了更多的变量，使得控制算法更加复杂，而且仍然需要电网电压正负序提取电路。

中国专利号CN101615854B，授权公告日2011年4月20日，名称为《电网电压不平衡下三相电压型PWM整流器的控制方法》（文献ΙΙI），该专利公开了一种基于功率平衡的静止坐标系下的控制方法，该方法的控制原理和文献I相同，两者之间的区别在于文献I是在两相同步旋转坐标系下进行控制，而专利III是在两相静止坐标系下进行的控制，这种方法的优点在于不需要大量的dq变换，减小了计算量，在静止坐标系下的控制不需要电流正序和负序提取，简化了结构，但是这种方法与文献I一样仍然没有考虑电感和电阻上的损耗问题，其不足是它的控制效果有限。

从上述几种传统控制方法中可以看出，其缺点主要在于控制算法和结构极其复杂，需要大量的变换计算，控制结构多采用正负序提取电路，这会引起延时，将严重影响系统动态性能。而且传统控制方法仅仅考虑电网无谐波情况下不对称故障的情况，没有考虑电网存在谐波的情况。在工业电网中，电网电压中不可避免地存在谐波，谐波的存在不仅会造成风力发电系统网侧变流器电流畸变，而且还会使得直流侧电压存在脉动分量，严重时将会导致直流侧过电压和网侧过电流问题。在电网畸变不平衡现象同时发生时，如果仍然采用传统方法，那么将会导致控制算法和结构更加复杂。

发明内容

本发明的目的在于提出一种在电网畸变和不平衡情况下风力发电系统网侧变流器直流母线电压波动抑制的一种简单有效的控制方法。该方法无需矩阵变换等复杂控制算法，也无需电压或电流的正负序提取和锁相环电路，就可以简化系统控制结构，在电网畸变和不平衡情况下，维持风力发电系统网侧变流器直流母线电压恒定，避免了直流侧过电压导致风力发电系统脱网运行。

本发明的技术方案是：

一种风力发电系统网侧变流器直流母线波动抑制方法，该方法包括如下步骤：

(i)首先利用电压霍尔传感器采样三相电网电压信号E_abc和直流侧电压信号V_dc，利用电流霍尔传感器采样三相电流信号I_abc，将三相电网电压信号E_abc经过Clarke变换模块1得到αβ坐标系下的电网电压信号E_α和E_β，将三相电流信号I_abc经过Clarke变换模块2得到αβ坐标系下的电流信号I_α和I_β；

(ii)将直流侧电压参考与电压霍尔传感器采样得到的直流侧电压信号V_dc相减得到直流侧电压的误差信号ΔV_dc，将该误差信号ΔV_dc送入调节器模块3和4，调节器模块3为PI调节器，传递函数为其中k_vp和k_vi为PI调节器的比例系数和积分系数，调节器模块4传递函数为其中N(s)和D(s)为多项式，n代表直流侧电压中交流分量的谐波次数；

(iii)将调节器模块3的输出和调节器模块4的输出相加得到I_dc，再将I_dc与E_α相乘得到电流参考信号将I_dc和E_β信号相乘得到电流参考信号

(iv)将电流参考信号与αβ坐标系下的电流信号I_α相减得到电流误差信号ΔI_α，再将电流参考信号与αβ坐标系下的电流信号I_β相减得到电流误差信号ΔI_β，将误差信号ΔI_α送入电流调节器模块5，将误差信号ΔI_β送入电流调节器模块6，调节器模块5和模块6的传递函数表达式为其中k_ip为电流调节器中的比例系数，N(s)和D(s)为多项式，n代表电流中交流分量的谐波次数；

(v)将电流调节器模块5和模块6的输出直接送入SVPWM调制模块7，经过SVPWM调制模块7调制后得到网侧变流器功率器件驱动信号S_a、S_b和S_c。

本发明所述的调节器模块3和4包括PI调节器和无限大增益控制器，无限大增益控制器能够实现对直流侧电压中交流脉动分量的有效抑制。

本发明的控制方法是基于αβ坐标系下进行控制的。该方法主要针对电网畸变和不平衡情况下，风力发电系统网侧变流器直流母线电压波动抑制的一种控制方法，该方法摒弃了以往的控制思路，以往大多数控制无论是基于功率平衡控制还是瞬时无功功率理论，它都是基于功率角度上考虑来消除直流侧电压纹波，属于通过消除功率脉动来消除直流侧电压的波动的一种间接控制方法，而本发明所采用的思路是一种直接电压控制方法，其核心思想是：根据电网畸变和不平衡时所引起直流侧电压波动的交流成分，在电压外环加入相对应的交流频率无限大增益控制器来实现对直流侧电压中交流成分的有效抑制。

本发明的有益效果是：该方法无需大量矩阵变换等复杂的计算，也无需电压和电流的正负序提取电路和锁相电路，仅通过直流侧电压外环中叠加的无限大增益控制器(控制器中的参数n对应直流侧电压中交流分量的谐波次数)即可实现直流侧电压脉动分量的有效抑制，从而使系统控制结构和控制算法得到最大程度的简化。即使在电网畸变和不平衡同时发生情况下，本发明提出的控制方法仍然可以实现风力发电系统网侧变流器直流母线电压恒定无脉动。

附图说明

图1风力发电系统主电路原理图；

图2本发明提出的风力发电系统网侧变流器控制原理图；

图3电网电压仿真波形；

图4传统控制策略下网侧变流器直流母线电压仿真波形；

图5本发明提出控制策略下网侧变流器直流母线电压仿真波形。

具体实施方式

下面结合附图和实施实例对本发明的具体实施方式作进一步详细具体的说明。

在分析原理之前，首先对直流侧电压中的脉动分量产生原理作简要分析，假设电网电压不平衡，且存在-5次谐波，电网电压表达式为：

其中：E_p1和为电网电压正序基波分量相电压峰值和初始相角；

E_n1和为负序基波分量相电压峰值和初始相角；

E_n5和为-5次谐波分量相电压峰值和初始相角；

从图1所示中可以看出，风力发电机连接背靠背变流器为电网输出能量，直流侧电压是该变换器中间的直流母线。

为了便于分析，假设将上述三相电压信号经过Clarke变换之后可以得到：

$\left[\begin{array}{c}{e}_{\mathrm{\α}}\\ e_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=C_{\mathrm{Clarke}}\left[\begin{array}{c}{e}_a\\ e_b\\ e_c\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{E}_{p1}\sin \mathrm{\ωt}+E_{n1}\sin \mathrm{\ωt}+E_{n5}\sin \mathrm{\ωt}\\ -E_{p1}\cos \mathrm{\ωt}+E_{n1}\cos \mathrm{\ωt}+E_{n5}\cos \mathrm{\ωt}\end{array}\right]---\left(2\right)$

其中： $C_{\mathrm{Clarke}}=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right];$

在将(2)经过park变换之后可以得到：

$\left[\begin{array}{c}{e}_d\\ e_q\end{array}\right]=C_{\mathrm{park}}\left[\begin{array}{c}{e}_{\mathrm{\α}}\\ e_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{E}_{n1}\sin 2\mathrm{\ωt}+E_{n5}\sin 6\mathrm{\ωt}\\ -E_{p1}+E_{n1}\cos 2\mathrm{\ωt}+E_{n5}\cos 6\mathrm{\ωt}\end{array}\right]---\left(3\right)$

其中： $C_{\mathrm{park}}=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\ωt}& \sin \mathrm{\ωt}\\ -\sin \mathrm{\ωt}& \cos \mathrm{\ωt}\end{array}\right];$

可以看出将三相电压经过Clarke变换和park变换之后得到三相电压dq分量，其中含有直流分量、2次和6次谐波分量。

在两相旋转dq坐标系下的电压、电流以及开关函数复指令表达式为：

$e_{\mathrm{\α\β}}=e^{\mathrm{j\ωt}}{e}_{\mathrm{dq}}^{p1}+e^{-\mathrm{j\ωt}}{e}_{\mathrm{dq}}^{n1}+e^{-j5\mathrm{\ωt}}{e}_{\mathrm{dq}}^{n5}---\left(4\right)$

$i_{\mathrm{\α\β}}=e^{\mathrm{j\ωt}}{i}_{\mathrm{dq}}^{p1}+e^{-\mathrm{j\ωt}}{i}_{\mathrm{dq}}^{n1}+e^{-j5\mathrm{\ωt}}{i}_{\mathrm{dq}}^{n5}---\left(5\right)$

$s_{\mathrm{\α\β}}=e^{\mathrm{j\ωt}}{s}_{\mathrm{dq}}^{p1}+e^{-\mathrm{j\ωt}}{s}_{\mathrm{dq}}^{n1}+e^{-j5\mathrm{\ωt}}{s}_{\mathrm{dq}}^{n5}---\left(6\right)$

根据αβ坐标系下的电流和开关函数的复矢量表达式可以得出：

$\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α\β}}=i_{\mathrm{\α}}+{\mathrm{ji}}_{\mathrm{\β}}=e^{\mathrm{j\ωt}}(i_d^{p1}+{\mathrm{ji}}_q^{p1})+e^{-\mathrm{j\ωt}}(i_d^{n1}+{\mathrm{ji}}_q^{n1})+e^{-j5\mathrm{\ωt}}(i_d^{n5}+{\mathrm{ji}}_d^{n5})\\ =(i_d^{p1}\cos \mathrm{\ωt}-i_q^{p1}\sin \mathrm{\ωt}+i_d^{n1}\cos \mathrm{\ωt}+i_q^{n1}\sin \mathrm{\ωt}+i_d^{n5}\cos 5\mathrm{\ωt}+i_q^{n5}\sin 5\mathrm{\ωt})\\ +j(i_d^{p1}\sin \mathrm{\ωt}+i_q^{p1}\cos \mathrm{\ωt}-i_d^{n1}\sin \mathrm{\ωt}+i_q^{n1}\cos \mathrm{\ωt}-i_d^{n5}\sin 5\mathrm{\ωt}+i_q^{n5}\cos 5\mathrm{\ωt})\end{array}---\left(7\right)$

$\begin{array}{c}{s}_{\mathrm{\α\β}}=s_{\mathrm{\α}}+{\mathrm{js}}_{\mathrm{\β}}=e^{\mathrm{j\ωt}}(s_d^{p1}+{\mathrm{js}}_q^{p1})+e^{-\mathrm{j\ωt}}(s_d^{n1}+{\mathrm{js}}_q^{n1})+e^{-j5\mathrm{\ωt}}(s_d^{n5}+{\mathrm{js}}_d^{n5})\\ =(s_d^{p1}\cos \mathrm{\ωt}-s_q^{p1}\sin \mathrm{\ωt}+s_d^{n1}\cos \mathrm{\ωt}+s_q^{n1}\sin \mathrm{\ωt}+s_d^{n5}\cos 5\mathrm{\ωt}+s_q^{n5}\sin 5\mathrm{\ωt})\\ +j(s_d^{p1}\sin \mathrm{\ωt}+s_q^{p1}\cos \mathrm{\ωt}-s_d^{n1}\sin \mathrm{\ωt}+s_q^{n1}\cos \mathrm{\ωt}-s_d^{n5}\sin 5\mathrm{\ωt}+s_q^{n5}\cos 5\mathrm{\ωt})\end{array}---\left(8\right)$

通过上述式子(7)和(8)能够得出直流侧电流表达式为：

$i_{\mathrm{dc}}=\frac{3}{2}(i_{\mathrm{\α}}{s}_{\mathrm{\α}}+i_{\mathrm{\β}}{s}_{\mathrm{\β}})=\frac{3}{2}{\left[\begin{array}{c}{i}_d^{p1}+i_d^{n1}\cos 2\mathrm{\ωt}+i_q^{n1}\sin 2\mathrm{\ωt}+i_d^{n5}\cos 6\mathrm{\ωt}+i_q^{n5}\sin 6\mathrm{\ωt}\\ i_q^{p1}-i_d^{n1}\sin 2\mathrm{\ωt}+i_q^{n1}\cos 2\mathrm{\ωt}-i_d^{n5}\sin 6\mathrm{\ωt}+i_q^{n5}\cos 6\mathrm{\ωt}\\ i_d^{p1}\cos 2\mathrm{\ωt}-i_q^{p1}\sin 2\mathrm{\ωt}+i_d^{n1}+i_d^{n5}\cos 4\mathrm{\ωt}+i_q^{n5}\sin 4\mathrm{\ωt}\\ i_d^{p1}\sin 2\mathrm{\ωt}+i_q^{p1}\cos 2\mathrm{\ωt}+i_q^{n1}-i_d^{n5}\sin 4\mathrm{\ωt}+i_q^{n5}\cos 4\mathrm{\ωt}\\ i_d^{p1}\cos 6\mathrm{\ωt}-i_q^{p1}\sin 6\mathrm{\ωt}+i_d^{n1}\cos 4\mathrm{\ωt}-i_q^{n1}\sin 4\mathrm{\ωt}+i_d^{n5}\\ i_d^{p1}\sin 6\mathrm{\ωt}+i_q^{p1}\cos 6\mathrm{\ωt}+i_d^{n1}\sin 4\mathrm{\ωt}+i_q^{n1}\cos 4\mathrm{\ωt}+i_q^{n5}\end{array}\right]}^T\left[\begin{array}{c}{s}_d^{p1}\\ s_q^{p1}\\ s_d^{n1}\\ s_q^{n1}\\ s_d^{n5}\\ s_q^{n5}\end{array}\right]---\left(9\right)$

通过式子(9)可以得到直流侧电压表达式为：

$C\frac{{\mathrm{du}}_{\mathrm{dc}}}{\mathrm{dt}}=-\frac{u_{\mathrm{dc}}}{R_L}+\frac{3}{2}{\left[\begin{array}{c}{i}_d^{p1}+i_d^{n1}\cos 2\mathrm{\ωt}+i_q^{n1}\sin 2\mathrm{\ωt}+i_d^{n5}\cos 6\mathrm{\ωt}+i_q^{n5}\sin 6\mathrm{\ωt}\\ i_q^{p1}-i_d^{n1}\sin 2\mathrm{\ωt}+i_q^{n1}\cos 2\mathrm{\ωt}-i_d^{n5}\sin 6\mathrm{\ωt}+i_q^{n5}\cos 6\mathrm{\ωt}\\ i_d^{p1}\cos 2\mathrm{\ωt}-i_q^{p1}\sin 2\mathrm{\ωt}+i_d^{n1}+i_d^{n5}\cos 4\mathrm{\ωt}+i_q^{n5}\sin 4\mathrm{\ωt}\\ i_d^{p1}\sin 2\mathrm{\ωt}+i_q^{p1}\cos 2\mathrm{\ωt}+i_q^{n1}-i_d^{n5}\sin 4\mathrm{\ωt}+i_q^{n5}\cos 4\mathrm{\ωt}\\ i_d^{p1}\cos 6\mathrm{\ωt}-i_q^{p1}\sin 6\mathrm{\ωt}+i_d^{n1}\cos 4\mathrm{\ωt}-i_q^{n1}\sin 4\mathrm{\ωt}+i_d^{n5}\\ i_d^{p1}\sin 6\mathrm{\ωt}+i_q^{p1}\cos 6\mathrm{\ωt}+i_d^{n1}\sin 4\mathrm{\ωt}+i_q^{n1}\cos 4\mathrm{\ωt}+i_q^{n5}\end{array}\right]}^T\left[\begin{array}{c}{s}_d^{p1}\\ s_q^{p1}\\ s_d^{n1}\\ s_q^{n1}\\ s_d^{n5}\\ s_q^{n5}\end{array}\right]---\left(10\right)$

最终可以从上述理论分析得出，由于电流中的负序分量和开关函数中负序分量导致直流侧电压中含有直流分量和2次、4次、6次脉动分量。

本发明以变速恒频永磁同步风力发电系统为例，参考图1，本发明所提出的控制方法原理图如图2所示，具体实施步骤如下：

首先利用电压霍尔传感器采样三相电网电压信号E_abc和直流侧电压信号V_dc，利用电流传感器采样电流信号I_abc，并将三相电网电压信号E_abc经过静止Clarke变换模块1得到αβ坐标系下的电压信号E_α和E_β，在将三相电流信号I_abc经过静止Clarke变换模块2得到αβ坐标系下的电压信号I_α和I_β，下面为Clarke变换计算表达式：

$\left[\begin{array}{c}{E}_{\mathrm{\α}}\\ E_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{E}_a\\ E_b\\ E_c\end{array}\right]---\left(11\right)$

$\left[\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{\α}}\\ I_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{I}_a\\ I_b\\ I_c\end{array}\right]---\left(12\right)$

然后将直流侧电压给定信号与采样后得到电压信号V_dc相减得到电压误差信号ΔV_dc，将电压误差信号ΔV_dc送入电压调节器，电压调节器包括PI调节器模块3和无限大增益调节器模块4，经上述理论分析得知直流侧电压的脉动交流成分主要是2、4和6次的交流分量，因此如图3所示，在直流电压中叠加与2、4和6次交流分量频率相对应的无限大增益控制，得到电压外环调节器模块3和模块4的传递函数之和为表达式为：

$G_v\left(s\right)=\frac{k_{\mathrm{vp}}s+k_{\mathrm{vi}}}{s}+\underset{n=\mathrm{2,4,6}}{\mathrm{\Σ}}\frac{N\left(s\right)}{D\left(s\right)(s-\mathrm{jn\ω})}---\left(13\right)$

为了便于设计，对式(13)进行简化得：

$G_v\left(s\right)=\frac{k_{\mathrm{vp}}s+k_{\mathrm{vi}}}{s}+\underset{n=\mathrm{2,4,6}}{\mathrm{\Σ}}\frac{k_{\mathrm{vr}}s}{s^2+{\left(\mathrm{n\ω}\right)}^2}---\left(14\right)$

其中，N(s)=a₀+a₁s+a₂s²+...+a_ks^k,D(s)=b₀+b₁s+b₂s²+...+b_ms^m,m和k为自然数，且m≥k。

电压外环PI调节器模块3的对直流电压误差信号中直流分量进行有效抑制，而无限大增益调节器模块4对直流电压误差信号中交流分量进行有效抑制，通过上述两个调节器的调节作用使得电压反馈信号V_dc跟踪电压参考信号

将模块3和模块4的输出相加得到I_dc，而由于电压外环调节器的输出是直流量，而内环电流参考为交流量，需要将I_dc分别与电网电压静止αβ坐标系下的E_α和E_β相乘构成电流参考和

将电流参考与αβ坐标系下电流信号的I_α相减得到电流误差信号ΔI_α，在将电流参考与αβ坐标系下电流信号的I_β相减得到电流误差信号ΔI_β，将电流误差ΔI_α送入电流调节器模块5，将电流误差ΔI_β送入电流调节器模块6，而由于该方法主要针对直流侧电压进行控制，而没有考虑到电流，因此电流内环的误差对电压外环影响很小，为了进一步简化控制器结构，电流调节器采用比例调节器，其传递函数表达式为：

G_i(s)=k_ip    (15)

最后将电流调节器模块5和模块6的输出直接送入SVPWM模块7中，经过SVPWM模块的调制后得到驱动信号S_a、S_b和S_c来驱动图1中所示的功率开关管S₁、S₂、S₃、S₄、S₅和S₆。

为了验证该方法的可行性，下面进行仿真研究，直流侧电压参考值为800V，0.25s后电网电压出现谐波和不平衡，其中电网电压正序基波分量幅值为1pu（311V），而电网电压负序分量为0.2pu，电网电压-5次谐波幅值为0.1pu，图3为电网电压仿真波形。

传统控制方法和本发明提出控制方法下直流母线电压仿真结果如图4和图5所示。

0.25s前，电网三相电压对称且无谐波畸变，采用传统控制方法和本发明控制方法时，两者测试结果相似，直流侧电压恒定，维持在800V。

在0.25s后，电网电压出现畸变和不平衡，采用传统控制方法时，直流母线电压出现较大波动，如图4所示；

另一方面，如图5所示，采用本发明控制方法时，直流侧电压经历了暂态过渡后进入稳态，稳态时直流母线电压维持在800V恒定，验证了本发明方法的有效性。

Claims (1)

1.一种风力发电系统网侧变流器直流母线波动抑制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤： 

(i)首先利用电压霍尔传感器采样三相电网电压信号E_abc和直流侧电压信号V_dc，利用电流霍尔传感器采样三相电流信号I_abc，将三相电网电压信号E_abc经过Clarke变换模块1得到αβ坐标系下的电网电压信号E_a和E_β，将三相电流信号I_abc经过Clarke变换模块2得到αβ坐标系下的电流信号I_α和I_β；所述的直流侧电压是风力发电机连接背靠背变换器中间的直流母线； 

(ii)将直流侧电压参考与电压霍尔传感器采样得到的直流侧电压信号V_dc相减得到直流侧电压的误差信号ΔV_dc，将该误差信号ΔV_dc送入调节器模块3和4，调节器模块3为PI调节器，传递函数为其中k_vp和k_vi为PI调节器的比例系数和积分系数，调节器模块4传递函数为 其中N(s)和D(s)为多项式，n代表直流侧电压中交流分量的谐波次数； 

在直流电压中叠加与2、4和6次交流分量频率相对应的无限大增益控制，得到电压外环调节器模块3和模块4的传递函数之和为表达式为： 

其中，N(s)=a₀+a₁s+a₂s²+...+a_ks^k,D(s)=b₀+b₁s+b₂s²+...+b_ms^m,m和k为自然数，且m≥k;

(iii)将调节器模块3的输出和调节器模块4的输出相加得到I_dc，再将I_dc与E_α相乘得到电流参考信号将I_dc和E_β信号相乘得到电流参考信号 

(iv)将电流参考信号与αβ坐标系下的电流信号I_α相减得到电流误差信号ΔI_α，再将电流参考信号与αβ坐标系下的电流信号I_β相减得到电流误差信号ΔI_β，将误差信号ΔI_α送入电流调节器模块5，将误差信号ΔI_β送入电流调节器模块6，调节器模块5和模块6的传递函数表达式为 其中k_ip为电流调节器中的比例系数，N(s)和D(s)为多项式，n代表电流中交流分量的谐波次数； 

(v)将电流调节器模块5和模块6的输出直接送入SVPWM调制模块7，经过SVPWM调制模块7调制后得到网侧变流器功率器件驱动信号S_a、S_b和S_c。