CN102655332A - 不平衡电网下的无刷双馈风力发电机网侧整流器控制方法 - Google Patents

Abstract

一种不平衡电网下的级联式无刷双馈风力发电机网侧整流器控制方法，根据电网电压及延迟信号和有功无功初始给定值，在静止坐标系上计算得到有功和无功功率给定补偿值。有功无功初始给定值加上补偿值即为考虑了电网电压不平衡情形的最终功率指令值，然后根据网侧整流器的数学模型计算得到交流侧指令电压，进一步利用SVPWM分解得到开关器件的驱动信号。本方法无需旋转坐标变换及正负序分量的分解，可以抑制电网电压不平衡时网侧整流器直流侧电压的二倍频波动，同时减少网侧谐波电流。

Description

不平衡电网下的无刷双馈风力发电机网侧整流器控制方法

技术领域

本发明涉及级联式无刷双馈风力发电机网侧整流器的控制方法，尤其涉及电网不平衡时网侧整流器功率控制方法，属于风力发电技术和电力电子技术领域。

背景技术

由于石油等常规能源的日益缺乏，开发新能源成为世界各国关注的课题。风能作为可再生能源，由于其技术成熟、清洁无污染等优点，正成为各国竞相发展的新兴能源。传统的双馈异步风力发电机具有灵活的有功和无功控制能力，并且所用变流器容量小，成为现代风力发电系统中的主流，但电机转子上存在故障率较高的电刷和滑环，在一定程度上降低了系统的可靠性。采用级联式无刷双馈风力发电机，在保留传统双馈电机优点的同时消除了电刷和滑环，从而大大提高了系统的可靠性，引起了人们的广泛关注。

级联式无刷双馈发电机由同轴的功率电机和控制电机级联而成，其中功率电机直接连到电网，而控制电机通过一个双向的背靠背变流器与电网连接。该背靠背变流器包括一个与控制电机相连的逆变器和一个与电网相连的整流器。逆变器通过调节控制电机中的电流实现对功率电机中有功和无功的控制，而整流器用来为逆变器提供恒定的直流母线电压并调节电网和控制电机之间的功率交换。

目前关于网侧整流器的控制方法有很多，包括电压定向矢量控制、直接功率控制、预测直接功率控制、模糊控制、自抗扰控制和无源化控制等等，但大部分是针对电网电压平衡时的控制。实际中电网电压通常不是平衡的，此时若仍然按照理想电网电压下的控制方法对网侧整流器进行控制，就会在直流母线电压上产生二倍频的波动并使网侧电流产生畸变。因此，有必要提出适用于电网电压不平衡时网侧整流器的控制策略。

发明内容

本发明提出一种不平衡电网下的级联式无刷双馈风力发电机网侧整流器控制方法，可以有效抑制不平衡电网对网侧整流器的影响。本发明采用技术方案如下：

一种不平衡电网下的级联式无刷双馈风力发电机网侧整流器控制方法，包括如下步骤：

步骤A：根据初始功率给定和采样电网电压及延迟信号计算得到功率指令补偿值和最终功率指令值；

步骤B：根据最终功率指令及网侧整流器的数学模型计算得到交流侧指令电压，然后通过SVPWM分解得到开关驱动信号。

其中，所述步骤A进一步包含以下步骤：

步骤1：电网侧电压和电流通过3/2变换得到在静止两相αβ坐标上的电压信号e_α，e_β和电流信号i_α，i_β；网侧电压进一步通过1/4周期延迟函数得到延迟信号e′_α，e′_β；

步骤2：给定直流电压与网侧整流器的输出直流电压之差进入PI调节器，PI调节器的输出乘上网侧整流器输出直流电压得到初始有功功率给定P^ref0，初始无功功率给定Q^ref0设为零；

步骤3：根据步骤2得到的初始有功给定和无功给定，以及步骤1得到的电网电压及其延迟量，解析计算得到有功功率指令补偿值P^comp和无功功率补偿值Q^comp；

步骤4：步骤2中的初始有功和无功功率给定加上步骤3中的有功和无功功率补偿值，作为网侧整流器的最终功率指令值。

所述步骤B进一步包含以下步骤：

步骤1：根据最终功率指令以及网侧整流器的数学模型，按照下一拍时实际功率值等于指令值的原理，计算得到整流器交流侧指令电压值；

步骤2：整流器交流侧指令电压值进一步通过SVPWM分解得到整流器六个开关器件的驱动信号。

本发明具有如下特点和优势：

1)功率指令补偿值在静止两相坐标系上解析计算获得，无需同步旋转坐标变换和正负序分量分解，控制简单直接；

2)功率指令补偿值的获得只需要网侧电压及延迟、初始功率指令和电感，无需网侧电流和整流器的交流侧电压；

3)功率指令补偿很容易和已有的功率控制方法进行集成，可以有效抑制整流器的直流输出电压波动，减少网侧谐波电流。

附图说明

图1是电网不平衡时级联式无刷双馈风力发电机系统的控制框图；

图2是风力发电机网侧整流器的硬件结构图；

图3是风力发电机网侧整流器的控制原理图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步描述。

图1是电网不平衡时级联式无刷双馈风力发电机的控制框图，包括风力机、变速箱、级联式无刷双馈发电机、控制电机逆变器和网侧整流器等，本发明主要是针对其中网侧整流器。

图2是网侧整流器的硬件结构图，包括三相电网、三相滤波电感、整流桥主电路、直流侧电容、电压和电流传感器及采样处理电路、DSP控制器和驱动保护电路。电压传感器测量整流器直流侧电压、电网电压，电流传感器测量电网电流，然后经过采样处理电路转化为数字信号进入DSP控制器。DSP控制器完成本发明所提出方法的运算，输出六路PWM脉冲，经过驱动保护电路后得到整流器开关管的最终驱动信号。

图3为网侧整流器的控制原理图，其中的控制方法在图2的DSP控制器中进行。该控制方法包括以下步骤：

步骤1：利用电压和电流传感器采样电网侧三相电压e_a，e_b，e_c、电流i_a，i_b，i_c和网侧整流器的直流侧电压U_dc，电网电压和电流进一步通过3/2变换得到在两相静止坐标上的电压e_α，e_β和电流i_α，i_β，表示为：

$\left[\begin{array}{c}{e}_{\mathrm{\α}}\\ e_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{e}_a\\ e_b\\ e_c\end{array}\right]$

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]$

电网两相电压e_α，e_β延迟1/4周期得到其延迟信号为e′_α，e′_β为：

$e_{\mathrm{\α}}^{\′}\left(t\right)=e_{\mathrm{\α}}(t-\frac{T}{4})$

$e_{\mathrm{\β}}^{\′}\left(t\right)=e_{\mathrm{\β}}(t-\frac{T}{4})$

其中T为一个工频周期，对于50Hz电网来说为0.02s.

步骤2：给定直流电压

与网侧整流器直流侧电压U_dc之差经过PI调节器并乘上U_dc得到初始有功功率给定P^ref0，具体表示为

(k_p和k_i分别为PI调节器中的比例增益和积分增益)；无功功率初始给定值Q^ref0设为零；

步骤3：根据步骤1得到的电网电压和延迟量，以及步骤2得到的初始有功功率和无功功率给定，得到有功指令补偿值P^comp和无功补偿值Q^comp分别为：

$P^{\mathrm{comp}}=\frac{3}{4\mathrm{\ωL}}(e_{\mathrm{\α}}{e}_{\mathrm{\α}}^{\′}+e_{\mathrm{\β}}^{\′}{e}_{\mathrm{\β}})(1+\frac{\sqrt{\mathrm{\Δ}}}{e_{\mathrm{\α}}{e}_{\mathrm{\β}}^{\′}-e_{\mathrm{\β}}{e}_{\mathrm{\α}}^{\′}})$

$Q^{\mathrm{comp}}=\frac{3}{4\mathrm{\ωL}}(e_{\mathrm{\β}}{e}_{\mathrm{\α}}^{\′}+e_{\mathrm{\α}}^{\′}{e}_{\mathrm{\β}})(1+\frac{\sqrt{\mathrm{\Δ}}}{e_{\mathrm{\α}}{e}_{\mathrm{\β}}^{\′}-e_{\mathrm{\β}}{e}_{\mathrm{\α}}^{\′}})+\frac{e_{\mathrm{\α}}{e}_{\mathrm{\α}}^{\′}+e_{\mathrm{\β}}^{\′}{e}_{\mathrm{\β}}}{e_{\mathrm{\α}}{e}_{\mathrm{\β}}^{\′}-e_{\mathrm{\β}}{e}_{\mathrm{\α}}^{\′}}{P}^{\mathrm{ref}0}$

其中Δ＝(e_αe′_β-e_βe′_α)²-(4ωLP^ref0/3)²，ω为电网角频率，L为整流器交流侧的每相输入电感。

步骤4：根据步骤3得到的网侧整流器的有功指令补偿值P^comp和无功补偿值Q^comp，以及步骤2得到的初始有功功率P^ref0和无功功率给定Q^ref0，得到网侧整流器的最终有功指令P^ref和无功指令Q^ref为P^ref＝P^ref0+P^comp，Q^ref＝Q^ref0+Q^comp

步骤5：根据步骤4得到的最终功率指令，结合网侧整流器的数学模型，按照下一拍时实际功率值等于指令值的原理，可以得到整流器交流侧指令电压值u_α和u_β为：

$\left[\begin{array}{c}{u}_a\\ u_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{e}_{\mathrm{\α}}\\ e_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]-\frac{2L}{{3T}_s}\left[\begin{array}{cc}{e}_{\mathrm{\α}}& e_{\mathrm{\β}}\\ e_{\mathrm{\β}}& -e_{\mathrm{\α}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{P}^{\mathrm{ref}}-P\\ Q^{\mathrm{ref}}-Q\end{array}\right]$

其中T_s为采样周期，P和Q分别为根据网侧电压和电流计算得到的实际有功功率和无功功率，具体表示为：

$\left[\begin{array}{c}P\\ Q\end{array}\right]=\frac{3}{2}\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}{e}_{\mathrm{\α}}+i_{\mathrm{\β}}{e}_{\mathrm{\β}}\\ i_{\mathrm{\α}}{e}_{\mathrm{\β}}-i_{\mathrm{\β}}{e}_{\mathrm{\α}}\end{array}\right]$

u_α和u_β进一步通过SVPWM分解得到网侧整流器六个开关器件的驱动信号。

Claims (4)

1.一种不平衡电网下的级联式无刷双馈风力发电机网侧整流器控制方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤A：根据初始功率给定和采样电网电压及延迟信号计算得到功率指令补偿值和最终功率指令值；

步骤B：根据最终功率指令及网侧整流器的数学模型计算得到交流侧指令电压，然后通过SVPWM分解得到开关驱动信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤A包括：

利用电压和电流传感器采样网侧整流器直流侧电压、电网侧电压和电流，电网电压和电流通过3/2变换得到在两相静止坐标上的电压e_α，e_β和电流i_α，i_β；电网侧电压延迟1/4周期后得到其延迟信号为e′_α，e′_β；

给定直流电压与网侧整流器直流侧电压之差经过PI调节器并乘上直流侧电压得到有功功率初始给定值P^ref0；无功功率的初始给定值Q^ref0设为零；

利用网侧电压和延迟信号，以及初始有功和无功功率给定，可以解析计算得到有功功率指令补偿值P^comp和无功功率补偿值Q^comp为：

$P^{\mathrm{comp}}=\frac{3}{4\mathrm{\ωL}}(e_{\mathrm{\α}}{e}_{\mathrm{\α}}^{\′}+e_{\mathrm{\β}}^{\′}{e}_{\mathrm{\β}})(1+\frac{\sqrt{\mathrm{\Δ}}}{e_{\mathrm{\α}}{e}_{\mathrm{\β}}^{\′}-e_{\mathrm{\β}}{e}_{\mathrm{\α}}^{\′}})$

$Q^{\mathrm{comp}}=\frac{3}{4\mathrm{\ωL}}(e_{\mathrm{\β}}{e}_{\mathrm{\α}}^{\′}+e_{\mathrm{\α}}^{\′}{e}_{\mathrm{\β}})(1+\frac{\sqrt{\mathrm{\Δ}}}{e_{\mathrm{\α}}{e}_{\mathrm{\β}}^{\′}-e_{\mathrm{\β}}{e}_{\mathrm{\α}}^{\′}})+\frac{e_{\mathrm{\α}}{e}_{\mathrm{\α}}^{\′}+e_{\mathrm{\β}}^{\′}{e}_{\mathrm{\β}}}{e_{\mathrm{\α}}{e}_{\mathrm{\β}}^{\′}-e_{\mathrm{\β}}{e}_{\mathrm{\α}}^{\′}}{P}^{\mathrm{ref}0}$

其中Δ＝(e_αe′_β-e_βe′_α)²-(4ωLP^ref0/3)²，ω为电网角频率，L为整流器交流侧的每相输入电感；

有功功率和无功功率的补偿值加上它们各自的初始给定值，得到考虑了电网电压不平衡情形的最终功率指令值。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤B包括：

根据最终功率指令以及网侧整流器的数学模型，按照下一拍时实际功率值等于指令值的原理，计算得到整流器交流侧指令电压值；

整流器交流侧指令电压值进一步通过SVPWM分解得到整流器六个开关器件的驱动信号。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电网侧电压的延迟信号e′_α，e′_β分别为： $\begin{array}{c}{e}_{\mathrm{\α}}^{\′}\left(t\right)=e_{\mathrm{\α}}(t-\frac{T}{4})\\ e_{\mathrm{\β}}^{\′}\left(t\right)=e_{\mathrm{\β}}(t-\frac{T}{4})\end{array},$ 其中T为一个工频周期。

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