CN104037801B - 一种高压双馈发电系统中网侧变流器直流电压的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高压双馈发电系统中网侧变流器直流电压的控制方法，其包括以下步骤：1)电网电压处于正常工况时，通过电流内环和直流电压外环实现对网侧变流器直流电压的控制；2)对电网电压是否稳态抬升进行判断；如果电网电压不稳态抬升，则执行步骤3)；如果电网电压稳态抬升，则通过重新确定合适的直流运行电压Uˊ_{dc_ref}和Chopper组件的工作电压，采用与步骤1)相同的控制过程实现对变流器网侧直流电压的控制；3)对电网电压是否出现暂态变化进行判断；如果电网电压未出现暂态变化，则控制过程结束；如果电网电压出现暂态变化，则通过电流单闭环实现对网侧变流器直流电压的控制。本发明可以广泛应用于对变流器网侧直流电压的控制中。

Description

一种高压双馈发电系统中网侧变流器直流电压的控制方法

技术领域

本发明涉及一种直流电压的控制方法，特别是关于一种高压双馈发电系统中网侧变流器直流电压的控制方法。

背景技术

我国风能资源丰富，随着不可再生能源危机的日益凸显，近年来风力发电行业得到了长足地发展，风力发电装机容量不断增加，其中兆瓦级双馈风力发电机组在众多风场得到了应用。当前应用的双馈风力发电机组中，从1.5MW到3.0MW机型发电机额定输出电压均为690V，相对于发电机机组的容量来说，过小的输出电压意味着相对过大的输出电流，这对双馈发电机的电磁设计以及生产工艺来说都提出了相对较高的要求，同时过大的电流也意味着整机的损耗也会随之增大。随着双馈发电机单机容量的不断增加，出于成本优化以及提高发电效率的考虑，高压双馈发电机组将成为双馈发电机的发展方向。针对发电机定子侧为高压(如12kV)，转子侧为低压(如690V)的高压双馈发电机组系统可以减少一台升压变压器以及定子输出电缆的重量，减小输电损耗，提高双馈发电机组的发电效率。针对高压双馈发电机组的特点，配套并网的双馈变流器相对于目前在风场应用广泛的低压型双馈发电机组并网运行的双馈变流器有更为苛刻的要求。

双馈变流器并网运行时，网侧工作在直流电压外环、电流内环的状态，支持功率的双向流动，提供给机侧稳定的直流电压，保证功率平衡转换。当电网电压发生跌落时，双馈变流器机侧功率波动明显，尤其对于高压双馈发电机，定子电阻较小，在电网电压发生跌落时，由于定子时间常数较大，双馈风力发电机系统的暂态过程较长，由于电网跌落与恢复瞬间高压双馈发电机转子侧耦合而来的能量的影响极易导致直流侧过压。一般应用在低压双馈发电机中，变流器常采用直流侧Chopper放电回路来抑制直流侧过压，但是Chopper的频繁启动显然会影响直流侧的稳定，当直流侧波动过大时，不但不能有效支撑变流器机侧顺利穿越电网跌落的过程，而且会直接导致直流电压控制环出现饱和，引起变流器网侧失控而保护停机。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种高压双馈发电系统中网侧变流器直流电压的控制方法，该方法能够有效抑制电网电压波动所导致的直流电压不稳定问题，能够避免由于直流电压失控造成的风力发电机机组脱网问题。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种高压双馈发电系统中网侧变流器直流电压的控制方法，其包括以下步骤：1)电网电压处于正常工况时，通过电流内环和直流电压外环实现对网侧变流器直流电压的控制，其控制过程为：①在直流电压外环中，将直流电压给定值U_{dc_ref}与直流电压的反馈值U_{dc_feedback}运算后，运算结果通过PI调节器后输出有功电流的给定量i_{q_ref}，并将给定量i_{q_ref}作为电流内环的给定量；②采样三相电网电压U_A,U_B,U_C，三相电网电压U_A,U_B,U_C经相坐标系abc/dq变换到同步旋转坐标系下，得到两相电网电压U_d和U_q；两相电网电压U_d和U_q与直流电压的实时采样值U_dc经电网前馈计算，得到电网的前馈量E_d和E_q；两相电网电压U_d和U_q经锁相环运算，得到电网角度θ；③采样三相电网电流i_A,i_B,i_C，三相电网电流i_A,i_B,i_C与电网角度θ经abc/dq相坐标系变换到同步旋转坐标系下，得到电网电流i_d和i_q，电网电流i_d和i_q作为电流内环的反馈值，实现电流的有功分量和无功分量的解耦；④在电流内环中，电网电流i_d和i_q分别与无功电流的给定量i_{d_ref}和有功电流的给定量i_{q_ref}运算后，得到电流反馈量与给定值的偏差e_{id_ref}和e_{iq_ref}，运算结果通过PI调节器后，得到电流内环的输出量i_{d_out}和i_{q_out}并分别与电网的前馈量E_d和E_q进行运算，得到目标控制的电压矢量在同步旋转坐标系下的电压U_d和U_q，运算结果通过αβ/dq从正交旋转坐标系变换到静止坐标系下，得到两相静止坐标系下的电压U_α和U_β并输入SVPWM中进行运算，得到网侧变流器功率模块的驱动序列，实现对网侧变流器直流电压的控制；2)对电网电压是否稳态抬升进行判断；如果电网电压不稳态抬升，则执行步骤3)；如果电网电压稳态抬升，则通过重新确定合适的直流运行电压U'_{dc_ref}和Chopper组件的工作电压，采用与步骤1)中步骤②～步骤④相同的控制过程实现对变流器网侧直流电压的控制，其控制过程为：①重新确定直流电压给定值U'_{dc_ref}：

U′_{dc_ref}＝U_{dc_given}+ΔU，

式中，U_{dc_given}为变流器初始运行时的直流电压给定值，ΔU为直流电压的改动量，ΔU＝0.45ΔU_n，ΔU_n为电网电压在额定线电压范围内的抬升值；重新确定Chopper组件的工作电压，即直流运行电压重新确定后的Chopper开通值U_{chopper_on}和直流运行电压重新确定后的Chopper关断值U_{chopper_off}：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{chopper}\_\mathrm{on}}=U_{\mathrm{chopper}\_\mathrm{on}\_\mathrm{given}}+\mathrm{\ΔU}\\ U_{\mathrm{chopper}\_\mathrm{off}}=U_{\mathrm{chopper}\_\mathrm{off}\_\mathrm{given}}+\mathrm{\ΔU}\end{array}\right.,$

式中，U_{chopper_on_given}为变流器初始运行时的Chopper开通值，U_{chopper_off_given}为变流器初始运行时的Chopper关断值；②根据重新确定的直流电压给定值U'_{dc_ref}以及Chopper组件的工作电压，实现对网侧变流器直流电压的控制，其具体包括：当实时运行的直流电压反馈值U_{dc_feedback}大于U_{chopper_on}时，直流侧Chopper导通释放直流侧能量；当实时运行的直流电压反馈值U_{dc_feedback}小于U_{chopper_off}时，直流侧Chopper关闭导通状态；3)对电网电压是否出现暂态变化进行判断；如果电网电压未出现暂态变化，则控制过程结束；如果电网电压出现暂态变化，则通过电流单闭环实现对网侧变流器直流电压的控制，其控制过程为：直接屏蔽直流电压外环，预设电流内环中有功电流的给定量i_{q_ref}，采用与步骤1)中步骤②～步骤④相同的控制过程实现直流电压与电网电压能量的转换；当电网从暂态过程中恢复时，从电流单闭环的模式转换到直流电压外环、电流内环的模式，采用以下公式实现对直流电压的控制：

$i_{q\_{\mathrm{ref}}_{n+1}}=i_{q\_{\mathrm{ref}}_n}+k\frac{U_{\mathrm{dc}}-U_{\mathrm{dc}\_\mathrm{normal}}}{U_{\mathrm{dc}\_\mathrm{normal}}},$

式中，和分别为切入电流单闭环控制后第n+1次和第n次的直流电压外环的输出电流，为网侧变流器切入电流单闭环模式时刻直流电压外环的输出电流，当电网暂态变化时，i_{q_ref}按一半的网侧功率限幅；U_{dc_normal}为变流器正常运行工况时直流电压的给定值，U_dc为直流电压的实时采样值，k为转换系数，保证i_{q_ref}能够快速变化。

所述步骤3)中，当电网出现暂态过程时，通过使电流PI调节器提前退饱和实现对网侧变流器直流电压的控制，其控制过程为：将电流反馈量与给定值的偏差e_{id_ref}和e_{iq_ref}分别输入电流PD调节器中，经电流PD调节器运算后输出i_{d_pd_out}/i_{q_pd_out}，利用sgn(i_{d_pd_out}/i_{q_pd_out})控制电流PI调节器中I积分运算的方向，使电流PI调节器提前退饱和，减小电流超调，重复步骤1)中的步骤②、步骤③和步骤④，实现对网侧变流器直流电压的控制；当电网电压的暂态过程结束时，电流PD调节器复位清零，不再参与对电流PI调节器的调节，电流环恢复步骤1)中的PI调节控制，与直流电压外环共同作用实现对直流电压的控制。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于对电网电压是否稳态抬升进行判断，并根据判断结果重新确定合适的直流运行电压U'_{dc_ref}和Chopper组件的工作电压，通过电流内环和直流电压外环实现对网侧变流器直流电压的控制；对电网电压是否出现暂态变化进行判断，并根据判断结果通过电流单闭环实现对网侧变流器直流电压的控制；因此本发明能够有效抑制电网电压波动所导致的直流电压不稳定问题，能够避免由于直流电压失控造成的风力发电机机组脱网问题。2、本发明由于通过对电网电压是否稳态抬升进行判断，动态调整直流运行电压和Chopper组件的工作电压，因此本发明能够提高电流的控制裕度。3、本发明由于电网出现暂态过程时，通过使电流PI调节器提前退饱和实现对网侧变流器直流电压的控制，因此本发明能够提高直流电压的稳定性。基于以上优点，本发明可以广泛应用于对变流器网侧直流电压的控制中。

附图说明

图1是本发明的整体流程示意图

图2是本发明的双馈变流器网侧系统控制模块示意图

图3是图2中A处局部示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1、图2所示，本发明提供一种高压双馈发电系统中网侧变流器直流电压的控制方法，该方法基于双馈变流器网侧系统控制模块实现，其包括以下步骤：

1)电网电压处于正常工况时，通过电流内环和直流电压外环实现对网侧变流器直流电压的控制，其控制过程为：

①在直流电压外环中，将直流电压给定值U_{dc_ref}与直流电压的反馈值U_{dc_feedback}运算后，运算结果通过PI(ProportionalIntegral)调节器后输出有功电流的给定量i_{q_ref}，并将给定量i_{q_ref}作为电流内环的给定量。

②采样三相电网电压U_A,U_B,U_C，三相电网电压U_A,U_B,U_C经相坐标系abc/dq变换到同步旋转坐标系下，得到两相电网电压U_d和U_q；两相电网电压U_d和U_q与直流电压的实时采样值U_dc经电网前馈计算，得到电网的前馈量E_d和E_q；两相电网电压U_d和U_q经锁相环运算，得到电网角度θ。

③采样三相电网电流i_A,i_B,i_C，三相电网电流i_A,i_B,i_C与电网角度θ经abc/dq相坐标系变换到同步旋转坐标系下，得到电网电流i_d和i_q，电网电流i_d和i_q作为电流内环的反馈值，实现电流的有功分量和无功分量的解耦。

④在电流内环中，电网电流i_d和i_q分别与无功电流的给定量i_{d_ref}和有功电流的给定量i_{q_ref}运算后，得到电流反馈量与给定值的偏差e_{id_ref}和e_{iq_ref}，运算结果通过PI调节器后，得到电流内环的输出量i_{d_out}和i_{q_out}并分别与电网的前馈量E_d和E_q进行运算，得到目标控制的电压矢量在同步旋转坐标系下的电压U_d和U_q，运算结果通过αβ/dq从正交旋转坐标系变换到静止坐标系下，得到两相静止坐标系下的电压U_α和U_β并输入SVPWM(SpaceVectorPulseWidthModulation，空间矢量脉宽调制)中进行运算，得到网侧变流器功率模块的驱动序列，实现对网侧变流器直流电压的控制。

2)对电网电压是否稳态抬升进行判断；如果电网电压不稳态抬升，则执行步骤3)；如果电网电压稳态抬升，则通过重新确定合适的直流运行电压U'_{dc_ref}和Chopper组件的工作电压，采用与步骤1)中步骤②～步骤④相同的控制过程实现对变流器网侧直流电压的控制，其控制过程为：

①重新确定合适的直流电压给定值U'_{dc_ref}：

U'_{dc_ref}＝U_{dc_given}+ΔU(1)

式中，U_{dc_given}为变流器初始运行时的直流电压给定值，ΔU为直流电压的改动量，ΔU＝0.45ΔU_n，ΔU_n为电网电压在额定线电压范围内的抬升值，为防止电网小范围波动引起的直流侧电压波动，ΔU_n取一定时间范围内电网电压的平均值。

重新确定Chopper组件的工作电压，即直流运行电压重新确定后的Chopper开通值U_{chopper_on}和直流运行电压重新确定后的Chopper关断值U_{chopper_off}：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{chopper}\_\mathrm{on}}=U_{\mathrm{chopper}\_\mathrm{on}\_\mathrm{given}}+\mathrm{\ΔU}\\ U_{\mathrm{chopper}\_\mathrm{off}}=U_{\mathrm{chopper}\_\mathrm{off}\_\mathrm{given}}+\mathrm{\ΔU}\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中，U_{chopper_on_given}为变流器初始运行时的Chopper开通值，U_{chopper_off_given}为变流器初始运行时的Chopper关断值。

②根据重新确定的直流电压给定值U'_{dc_ref}以及Chopper组件的工作电压，实现对网侧变流器直流电压的控制，其具体包括：当实时运行的直流电压反馈值U_{dc_feedback}大于U_{chopper_on}时，直流侧Chopper导通释放直流侧能量；当实时运行的直流电压反馈值U_{dc_feedback}小于U_{chopper_off}时，直流侧Chopper关闭导通状态。

3)对电网电压是否出现跌落或抬升等暂态变化进行判断；如果电网电压未出现跌落或抬升等暂态变化，则控制过程结束；如果电网电压出现跌落或抬升等暂态变化，则通过电流单闭环实现对网侧变流器直流电压的控制，其控制过程为：

直接屏蔽直流电压外环，预设电流内环中有功电流的给定量i_{q_ref}，采用与步骤1)中步骤②～步骤④相同的控制过程实现直流电压与电网电压能量直接、快速转换，从而实现对直流侧电压的控制。

当电网从暂态过程中恢复时，从电流单闭环的模式转换到直流电压外环、电流内环的模式，采用以下公式实现对直流电压的控制：

$i_{q\_{\mathrm{ref}}_{n+1}}=i_{q\_{\mathrm{ref}}_n}+k\frac{U_{\mathrm{dc}}-U_{\mathrm{dc}\_\mathrm{normal}}}{U_{\mathrm{dc}\_\mathrm{normal}}}---\left(3\right)$

式中，和分别为切入电流单闭环控制后第n+1次和第n次的直流电压外环的输出电流，为网侧变流器切入电流单闭环模式时刻直流电压外环的输出电流，当电网暂态变化时，i_{q_ref}按一半的网侧功率限幅。U_{dc_normal}为变流器正常运行工况时直流电压的给定值，U_dc为直流电压的实时采样值，k为转换系数，保证i_{q_ref}能够快速变化。

上述步骤3)中，如图3所示，当电网出现暂态过程时，通过使电流PI调节器提前退饱和实现对网侧变流器直流电压的控制，其控制过程为：

将电流反馈量与给定值的偏差e_{id_ref}和e_{iq_ref}分别输入电流PD调节器中，经电流PD调节器运算后输出i_{d_pd_out}/i_{q_pd_out}，利用sgn(i_{d_pd_out}/i_{q_pd_out})控制电流PI调节器中I积分运算的方向，使电流PI调节器提前退饱和，减小电流超调，重复步骤1)中的步骤②、步骤③和步骤④，实现对网侧变流器直流电压的控制。

当电网电压的暂态过程结束时，电流PD调节器复位清零，不再参与对电流PI调节器的调节，电流环恢复步骤1)中的PI调节控制，与直流电压外环共同作用实现对直流电压的稳定控制。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和方法步骤等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (1)

1.一种高压双馈发电系统中网侧变流器直流电压的控制方法，其包括以下步骤：

1)电网电压处于正常工况时，通过电流内环和直流电压外环实现对网侧变流器直流电压的控制，其控制过程为：

①在直流电压外环中，将直流电压给定值U_{dc_ref}与直流电压的反馈值U_{dc_feedbαck}运算后，运算结果通过PI调节器后输出有功电流的给定量i_{q_ref}，并将给定量i_{q_ref}作为电流内环的给定量；

②采样三相电网电压U_A,U_B,U_C，三相电网电压U_A,U_B,U_C经相坐标系abc/dq变换到同步旋转坐标系下，得到两相电网电压U_d和U_q；两相电网电压U_d和U_q与直流电压的实时采样值U_dc经电网前馈计算，得到电网的前馈量E_d和E_q；两相电网电压U_d和U_q经锁相环运算，得到电网角度θ；

③采样三相电网电流i_A,i_B,i_C，三相电网电流i_A,i_B,i_C与电网角度θ经abc/dq相坐标系变换到同步旋转坐标系下，得到电网电流i_d和i_q，电网电流i_d和i_q作为电流内环的反馈值，实现电流的有功分量和无功分量的解耦；

④在电流内环中，电网电流i_d和i_q分别与无功电流的给定量i_{d_ref}和有功电流的给定量i_{q_ref}运算后，得到电流反馈量与给定值的偏差e_{id_ref}和e_{iq_ref}，运算结果通过PI调节器后，得到电流内环的输出量i_{d_out}和i_{q_out}并分别与电网的前馈量E_d和E_q进行运算，得到目标控制的电压矢量在同步旋转坐标系下的电压U_d和U_q，运算结果通过dq/αβ从正交旋转坐标系变换到静止坐标系下，得到两相静止坐标系下的电压U_α和U_β并输入SVPWM中进行运算，得到网侧变流器功率模块的驱动序列，实现对网侧变流器直流电压的控制；

2)对电网电压是否稳态抬升进行判断；如果电网电压不稳态抬升，则执行步骤3)；如果电网电压稳态抬升，则通过重新确定合适的直流运行电压U′_{dc_ref}和Chopper组件的工作电压，采用与步骤1)中步骤②～步骤④相同的控制过程实现对变流器网侧直流电压的控制，其控制过程为：

①重新确定直流电压给定值U′_{dc_ref}：

式中，U_{dc_given}为变流器初始运行时的直流电压给定值，ΔU为直流电压的改动量，ΔU＝0.45ΔU_n，ΔU_n为电网电压在额定线电压范围内的抬升值；

重新确定Chopper组件的工作电压，即直流运行电压重新确定后的Chopper开通值U_{chopper_on}和直流运行电压重新确定后的Chopper关断值U_{chopper_off}：

式中，U_{chopper_on_given}为变流器初始运行时的Chopper开通值，U_{chopper_off_given}为变流器初始运行时的Chopper关断值；

②根据重新确定的直流电压给定值U′_{dc_ref}以及Chopper组件的工作电压，实现对网侧变流器直流电压的控制，其具体包括：当实时运行的直流电压反馈值U_{dc_feedbαck}大于U_{chopper_on}时，直流侧Chopper导通释放直流侧能量；当实时运行的直流电压反馈值U_{dc_feedbαck}小于U_{chopper_off}时，直流侧Chopper关闭导通状态；

3)对电网电压是否出现暂态变化进行判断；如果电网电压未出现暂态变化，则控制过程结束；如果电网电压出现暂态变化，则通过电流单闭环实现对网侧变流器直流电压的控制，其控制过程为：

直接屏蔽直流电压外环，预设电流内环中有功电流的给定量i_{q_ref}，采用与步骤1)中步骤②～步骤④相同的控制过程实现直流电压与电网电压能量的转换；

当电网从暂态过程中恢复时，从电流单闭环的模式转换到直流电压外环、电流内环的模式，采用以下公式实现对直流电压的控制：

式中，和分别为切入电流单闭环控制后第n+1次和第n次的直流电压外环的输出电流，为网侧变流器切入电流单闭环模式时刻直流电压外环的输出电流，当电网暂态变化时，i_{q_ref}按一半的网侧功率限幅；U_{dc_normαl}为变流器正常运行工况时直流电压的给定值，U_dc为直流电压的实时采样值，k为转换系数，保证i_{q_ref}能够快速变化；

当电网出现暂态过程时，通过使电流PI调节器提前退饱和实现对网侧变流器直流电压的控制，其控制过程为：

将电流反馈量与给定值的偏差e_{id_ref}和e_{iq_ref}分别输入电流PD调节器中，经电流PD调节器运算后输出i_{d_pd_out}/i_{q_pd_out}，利用sgn(i_{d_pd_out}/i_{q_pd_out})控制电流PI调节器中I积分运算的方向，使电流PI调节器提前退饱和，减小电流超调，重复步骤1)中的步骤②、步骤③和步骤④，实现对网侧变流器直流电压的控制；

当电网电压的暂态过程结束时，电流PD调节器复位清零，不再参与对电流PI调节器的调节，电流环恢复步骤1)中的PI调节控制，与直流电压外环共同作用实现对直流电压的控制。