CN103606948A - 一种基于pir控制器的直驱风电变流器不对称运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用PIR控制器抑制输出功率或直流母线电压波动的直驱型风电变流器网侧控制策略。检测并转换并网点的三相电压、电流；检测直流电压量，计算得直流电流给定值，进一步得到直流侧有功功率平均值；根据现场要求选择合适的控制目标，计算旋转坐标系下电流给定值；将转换到正序旋转坐标系下的负序电流与正序电流相加得到d、q轴的电流给定值，与电流实测量相减后经PIR控制器得到旋转坐标系下的电压参考值；加上解耦补偿电压并转换得到两相静止坐标系下的电压信号，再经过SVPWM调制产生控制网侧变流器的开关信号。本发明可在不对系统硬件做大改动的前提下实现直驱型风电机组的不对称运行，输出平衡的有功功率或直流母线电压。

Description

一种基于PIR控制器的直驱风电变流器不对称运行方法

技术领域

本发明涉及直驱型发电机控制领域，尤其是一种基于PIR控制器的直驱型风力发电机网侧变流器的控制运行方法。

背景技术

直驱式风电机组，去除了增速齿轮箱而直接驱动，具有可靠性高、维护费用低、发电效率高等优点。直驱式风电机组采用全功率变流器，网侧变流器连接到电网，因此电网电压的不平衡将可能导致风机的电流的不平衡，以及输出功率、转矩的波动，严重情况下甚至会使风电机组不得不从电网中解列。

在我国现已颁布的风电场接入电网的技术规定中，明确强调风电场并网点的负序电压不平衡度稳态达2%，短时达4%情况下，风电机组需维持不脱网正常运行。为解决电网电压不平衡情况下直驱型风电机组的有效控制，一种常见的控制策略是正、负序分离的双dq、PI电流调节法，其基本思想是引入结构完全对称的正、负序坐标系双电流内环，以实现对正序、负序电流的独立控制。由于正、负序指令电流在各自的坐标系中均表现为直流分量，因此采用传统的PI调节器即可实现网侧正、负序电流的无静差控制。但是，该方案需在电流环内嵌入2阶陷波器以分离出正负序分量，陷波器的引入会产生分解延时和误差，且对传统矢量控制系统的结构改动较大。。

故，需要一种新的技术方案以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，提供一种结构简单、工作可靠的不平衡电网电压下变流器的控制方法，该方法不需要正负序分解，且能够实现不同的控制目标。

为实现上述发明目的，本发明基于PIR控制器的直驱风电变流器不对称运行方法可采用如下技术方案：

一种基于PIR控制器的直驱风电变流器不对称运行方法，包括如下步骤：

（1）、检测并网点的三相电压V_abc，三相电流I_abc，用锁相环得到角度θ和旋转角速度ω。经park变换模块得到同步旋转坐标下d、q轴电压V_gd、V_gq和电流I_gd、I_gq；

（2）、检测直流电压值，将此实际值V_dc与给定值V_dc ^*作差并经过PI控制器后，得到直流电流的给定值，进一步得到直流侧有功功率的平均值P_g0；

（3）、根据不平衡电网下直驱风电机组的控制目标，经计算可得到旋转坐标系下电流的给定值

（4）、将步骤（3）中计算得到的旋转坐标系下d、q轴电流的两个给定值

转换到正序旋转坐标系下后与正序电流分量相加，再分别与步骤（1）中检测并转换得到的电流实测值相减，然后经过PIR控制器计算得到旋转坐标系下d、q轴电压的参考值U_gd、U_gq；

（5）、将旋转坐标系下d、q轴电压参考值分别与步骤（1）中检测所得的解耦补偿电压V_gd、V_gq相加，并进行反park变换，得到两相静止坐标系下的电压U_gd ^*、U_gq ^*；该电压信号经过空间矢量脉宽调制后，产生控制网侧变流器的开关信号。

本发明提出的基于正转同步坐标系中无需正、负序分解的比例-积分-谐振(PIR)控制器方案，利用谐振调节器对二倍频正弦电流进行无静差控制，无需对电网电流进行正、负序分解。并且可以根据现场需求实现不同的控制目标：平衡的输出有功功率或平衡的直流母线电压。

本发明的有益效果如下：通过在传统的矢量控制系统的两个电流内环中添加二倍频谐振环节，实现了直驱型风电机组在电网电压不平衡情况下的稳定运行，无需对系统硬件进行大规模改动。能够根据现场的情况灵活的选择不同控制目标，分别消除系统输出有功、无功的脉动和直流母线电压的二次波动。

附图说明

图1为谐振调节器波特图；

图2为正转同步坐标系下PIR控制框图；

图3为电网电压不平衡情况下直驱型风电机组网侧变换器控制原理框图；

图4为电网电压不平衡情况下用传统矢量控制方法的控制效果图,图中（a）为电网三相电压U_gabc；（b）为电网三相电流I_gabc；（c）为直流电压；（d）为转子侧变流器的有功功率P_r、无功功率Q_r；（e）为网侧变流器的有功功率P_g、无功功率Q_g、（f）为直流母线上的有功功率P_vdc；

图5为电网电压不平衡情况下以输出功率平衡为目标的PIR控制效果图，图中（a）为电网三相电压U_gabc；（b）为电网三相电流I_gabc；（c）为直流电压；（d）为转子侧变流器的有功功率P_r、无功功率Q_r；（e）为网侧变流器的有功功率P_g、无功功率Q_g、（f）为直流母线上的有功功率P_vdc；

图6为电网电压不平衡情况下以直流电压平衡为目标的PIR控制效果图，图中（a）为电网三相电压U_gabc；（b）为电网三相电流I_gabc；（c）为直流电压；（d）为转子侧变流器的有功功率P_r、无功功率Q_r；（e）为网侧变流器的有功功率P_g、无功功率Q_g、（f）为直流母线上的有功功率P_vdc。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。以下实施案例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

在电网电压不平衡、三相输入阻抗相等的情况下，网侧PWM变流器在正、反转同步旋转坐标系中的正、负序电压方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{gdq}+}^{+}=V_{\mathrm{gdq}+}^{+}+R_g{I}_{\mathrm{gdq}+}^{+}+{\mathrm{j\ω}}_1{L}_g{L}_{\mathrm{gdq}+}^{+}+L_g\frac{{\mathrm{dI}}_{\mathrm{gdq}+}^{+}}{\mathrm{dt}}\\ U_{\mathrm{gdq}-}^{-}=V_{\mathrm{gdq}-}^{-}+R_g{I}_{\mathrm{gdq}-}^{-}-{\mathrm{j\ω}}_1{L}_g{I}_{\mathrm{gdq}-}^{-}+L_g\frac{d{I}_{\mathrm{gdq}-}^{-}}{\mathrm{dt}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

则在不平衡电网电压下直驱型风电机组网侧变流器输出至电网的瞬时有功、无功功率为

$\left\{\begin{array}{c}{P}_g=\mathrm{Re}\left\{S_g\right\}=P_{g0}+P_{g\cos 2}\cos \left(2{\mathrm{\ω}}_{1}t\right)+P_{g\sin 2}\sin \left(2{\mathrm{\ω}}_{1}t\right)\\ Q_g=\mathrm{Im}\left\{S_g\right\}=Q_{g0}+Q_{g\cos 2}\cos \left(2{\mathrm{\ω}}_{1}t\right)+Q_{g\sin 2}\sin \left(2{\mathrm{\ω}}_{1}t\right)\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中，

$\left(\begin{array}{c}{P}_{g0}\\ P_{g\cos 2}\\ P_{g\sin 2}\\ Q_{g0}\\ Q_{g\cos 2}\\ Q_{g\sin 2}\end{array}\right)=-\frac{3}{2}\left\{\begin{array}{cccc}{u}_{\mathrm{gd}+}^{+}& u_{\mathrm{gq}+}^{+}& u_{\mathrm{gd}-}^{-}& u_{\mathrm{gq}-}^{-}\\ u_{\mathrm{gd}-}^{-}& u_{\mathrm{gq}-}^{-}& u_{\mathrm{gd}+}^{+}& u_{\mathrm{gq}+}^{+}\\ u_{\mathrm{gq}-}^{-}& -u_{\mathrm{gd}-}^{-}& -u_{\mathrm{gq}+}^{+}& u_{\mathrm{gd}+}^{+}\\ u_{\mathrm{gq}+}^{+}& -u_{\mathrm{gd}+}^{+}& u_{\mathrm{gq}-}^{-}& -u_{\mathrm{gd}-}^{-}\\ u_{\mathrm{gq}-}^{-}& -u_{\mathrm{gd}-}^{-}& u_{\mathrm{gd}+}^{+}& -u_{\mathrm{gd}+}^{+}\\ -u_{\mathrm{gd}-}^{-}& -u_{\mathrm{gq}-}^{-}& u_{\mathrm{gd}+}^{+}& u_{\mathrm{gq}+}^{+}\end{array}\right\}\left(\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{gd}+}^{+}\\ i_{\mathrm{gq}+}^{+}\\ i_{\mathrm{gd}-}^{-}\\ i_{\mathrm{gq}-}^{-}\end{array}\right)---\left(3\right)$

P_gcos2、P_gsin2和Q_gcos2、Q_gsin2的存在表明，电网电压不平衡时网侧变流器向电网输出的除平均有功、无功功率外，还存在2倍频的有功、无功功率波动。因此电网电压不平衡情况下直驱型风电机组的控制关键是抑制二倍频分量。

图3为不平衡电压情况下直驱型风电机组网侧变换器的控制原理框图，结合框图说明其控制方法的具体步骤：

分别检测并网点的三相电压V_abc，三相电流I_abc，用锁相环得到角度θ和旋转角速度ω。三相电压和电流经3s/2s及2s/2r变换模块得到同步旋转坐标下d、q轴电压V_gd、V_gq和电流I_gd、I_gq，并通过陷波器分离得到电压和电流的正、负序分量。

检测直流电压值V_dc，将此实际值与给定值V_dc ^*作差并经过PI控制器后，得到直流电流的给定值，再与直流电压给定值相乘可计算得直流侧有功功率的平均值P_g0；

根据不平衡电网下直驱型风电机组的不同控制目标，经计算出旋转坐标系下的电流参考值

将步骤（3）中计算得到的负序旋转坐标系下d、q轴负序电流给定值

变换为正序旋转坐标系下的值

后，与正序旋转坐标系下的正序电流分量

相加，得到正序旋转坐标系下的d、q轴电流I_dq+ ^*，再与步骤（1）中检测并转换得到的电流实测值I_d、I_q相减，最后经PIR控制器得到旋转坐标系下d、q轴电压的参考值

将旋转坐标系下d、q轴电压参考值分别与步骤（1）中检测所得的解耦补偿电压V_gd、V_gq相加，并进行反park变换，得到两相静止坐标系下的电压U_gd ^*、U_gq ^*；该电压信号经过空间矢量脉宽调制后，产生控制网侧变流器的开关信号。

本方法需要设置合适的谐振调节器参数，谐振调节器的传递函数为：

$G\left(s\right)=\frac{{2K}_R{\mathrm{\ω}}_{c}s}{s^2+2{\mathrm{\ω}}_{c}s+{\mathrm{\ω}}_0}---\left(4\right)$

参数ω_c影响调节器的增益和截止频率的带宽，随着ω_c的增加，控制器的增益和带宽都会增加。ω₀则设置为二倍的基波频率，即100Hz。由图1可见，谐振调节器在谐振频率ω₀处的增益非常大，而在非谐振频率处增益迅速衰减，同时相角裕度为无穷大，因此基本可以实现零稳态误差。

对传统的矢量控制方法和本方法在电网电压发生20%的不平衡跌落情况下的各控制效果进行比较，图4为传统的矢量控制方法，没有考虑不平衡电压的影响导致直流母线电压、网侧有功功率及直流母线上的有功功率都有很大的波动分量。图5为本方法抑制输出功率脉动的控制效果，网侧变流器输出的有功功率波动基本被消除。图6为本方法消除直流母线电压二次波动的控制效果，直流母线上的电压波动被大大抑制了，网侧变流器输出的有功波动幅值也减小了。

Claims (3)

1.一种基于PIR控制器的直驱风电变流器不对称运行方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）、检测并网点的三相电压V_abc，三相电流I_abc，用锁相环得到角度θ和旋转角速度ω。经park变换模块得到同步旋转坐标下d、q轴电压V_gd、V_gq和电流I_gd、I_gq；

（2）、检测直流电压值，将此实际值V_dc与给定值V_dc ^*作差并经过PI控制器后，得到直流电流的给定值，进一步得到直流侧有功功率的平均值P_g0；

（3）、根据不平衡电网下直驱风电机组的控制目标，经计算可得到旋转坐标系下电流的给定值

（4）、将步骤（3）中计算得到的旋转坐标系下d、q轴电流的两个给定值

转换到正序旋转坐标系下后与正序电流分量相加，再分别与步骤（1）中检测并转换得到的电流实测值相减，然后经过PIR控制器计算得到旋转坐标系下d、q轴电压的参考值U_gd、U_gq；

（5）、将旋转坐标系下d、q轴电压参考值分别与步骤（1）中检测所得的解耦补偿电压V_gd、V_gq相加，并进行反park变换，得到两相静止坐标系下的电压U_gd ^*、U_gq ^*；该电压信号经过空间矢量脉宽调制后，产生控制网侧变流器的开关信号。

2.如权利要求1所述的基于PIR控制器的直驱风电变流器不对称运行方法，其特征在于，步骤（3）中所述的控制目标为保持网侧输出有功功率平衡，或者维持平衡的直流电压，使之无二次波动。

3.如权利要求1或2所述的基于PIR控制器的直驱风电变流器不对称运行方法，其特征在于：在传统的PI控制器上加入一个2倍频的谐振调节器，使其在该频率点上获得有效的幅值和相位增益，实现了正负序电流的统一控制。

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