CN104065100B - 一种提高不对称故障穿越能力的双馈风力机变流器控制装置 - Google Patents

Abstract

一种提高不对称故障穿越能力的双馈风力机变流器控制装置，本发明控制装置由电压电流测量装置(2)、转速测量装置(3)、参考值给定模块(4)和主控模块(5)构成，电压电流测量装置(2)、转速测量装置(3)、参考值给定模块(4)分别与主控模块(5)连接。本发明在电网不对称故障下，能够提高机组故障穿越能力，稳定定、转子电流，防止转子过电压、过电流，减小电磁转矩波形所引起的功率震荡，是一种有效提高不对称故障穿越能力的双馈风力机变流器控制装置。

Description

一种提高不对称故障穿越能力的双馈风力机变流器控制装置

技术领域

本发明涉及风力发电机组控制技术，属于新能源发电技术领域。

背景技术

风电发电技术已经逐步成为当前技术发展最成熟、成本相对低廉且具有优良前景的可再生能源技术之一。近年来，我国风电装机容量迅速增长，成为风电装机容量超千万千瓦的风电大国。在普遍应用的变速恒频风力发电机组中，双馈异步发电机组(DFIG)以其输出频率恒定、励磁变换器容量小、可控性高等优势成为风电市场的主力机型。其原理是在转子中加转差频率的电流或者电压来进行励磁控制，调节励磁电压的幅值、相位和频率以达到恒频恒压输出的目的。

DFIG机组的定子直接连接电网，当电网发生故障时，定子端会随端电压变化而产生一系列暂态过程。电网电压故障包含有电网电压对称故障和电网电压不对称故障，实际中电网的不对称故障比对称故障更频发。如果DFIG机组中忽略电压不平衡的状况，产生的负序电压将造成定、转子电流高度的不平衡，使得定、转子绕组均会产生不平衡发热，发电机产生转矩波动，导致输出功率发生振荡，严重影响电网的稳定性。

由于在电网电压不对称跌落故障下，电网电压存在着正序分量和负序分量，负序分量在以同步转速旋转的正序坐标系下体现为二倍频交流波动，传统的PI矢量控制仅能对正序坐标系下的定、转子电流进行调节，而当电流的dq轴分量存在体现为二倍频波动的负序分量时，PI调节器的控制能力将会受限。故先对参数信号进行正负序分解，再对正负序分量进行解耦控制，以增强DFIG机组故障穿越能力。

发明内容

本发明控制装置的目的在于提供一种提高不对称故障穿越能力的双馈风力机变流器控制装置，使DFIG机组在不对称故障下能够稳定输出功率，实现故障穿越。

本发明控制装置是通过下列技术方案来实现的。

一种提高不对称故障穿越能力的双馈风力机变流器控制装置。该装置是在现有的控制方法的基础上，将测量、给定、主控集成一体，并采用自适应最优鲁棒PI调节器的控制装置，将该装置应用于无故障穿越能力的双馈风力机，能够提高不对称故障穿越能力，其特征是：

包括电压电流测量装置、转速测量装置、参考值给定模块、主控模块，其中，电压电流测量装置、转速测量装置、参考值给定模块分别与主控模块连接；

主控模块包含计算模块、转子侧变流器控制模块和网侧变流器控制模块；电压电流测量装置、转速测量装置与计算模块连接，转子侧变流器控制模块和网侧变流器控制模块并联后与计算模块连接；转子侧变流器控制模块中设有自适应最优鲁棒PI调节器A、B、C，在网侧变流器控制模块模块中，设有自适应最优鲁棒PI调节器D、E、F；应用转子侧变流器控制模块和网侧变流器控制模块得出的控制策略，控制转子侧、网侧变流器输出，转子侧变流器与网侧变流器则是通过直流电容环节相连。。

1)电压电流测量装置对以下参数进行测量：网侧电压、电流，定子电压、电流，转子电流，直流母线电压，并将测量结果送入主控模块；转速测量装置对转子转速进行测量，并送入主控模块；参考值给定模块根据机组控制目标对参考值进行设定，并设有与主控模块连接的信号传输线路。

2)主控模块包含计算模块、转子侧变流器控制模块和网侧变流器控制模块；将得到的各参数测量值送入计算模块进行双dq分解和计算后，与给定参考值一同送入转子侧变流器控制模块和网侧变流器控制模块，经双dq、自适应最优鲁棒PI调节的定子电压定向矢量控制，得到三相调制脉冲信号；将主控模块与转子侧和网侧相连，通过三相调制脉冲信号控制转子压、网侧电压实现功率的稳定输出。

3)自适应最优鲁棒PI调节器是将输入信号自动辨识出频率极值点的特性，并根据鲁棒性能指标计算出最优的PI调节器参数。相比于传统PI调节器，自适应最优鲁棒PI调节器能够使控制对象一直处于最优运行状态。

本发明控制装置的有益效果是：

a.在电网发生不对称故障时，该控制装置能够快速调节电压，稳定定子与转子电流；

b.减小功率输出的波动，提高机组的故障穿越能力。

下面结合附图及实例进一步阐述本发明内容。

附图说明

图1为具有双馈风力机变流器控制装置的风电系统图；

图2为双馈风力机变流器控制装置结构图；

图3为双馈风力机变流器控制装置主控模块原理图。

具体实施方式

一种提高不对称故障穿越能力的双馈风力机变流器控制装置。该装置是在现有的控制方法的基础上，将测量、给定、主控集成一体，并采用自适应最优鲁棒PI调节器的控制装置，将该装置应用于无故障穿越能力的双馈风力机，能够提高不对称故障穿越能力。其特征是：

包括电压电流测量装置2、转速测量装置3、参考值给定模块4、主控模块5，其中，电压电流测量装置2、转速测量装置3、参考值给定模块4分别与主控模块5连接；

主控模块5包含计算模块6、转子侧变流器控制模块7和网侧变流器控制模块8；电压电流测量装置2、转速测量装置3与计算模块6连接，转子侧变流器控制模块7和网侧变流器控制模块8并联后与计算模块6连接；转子侧变流器控制模块7中设有自适应最优鲁棒PI调节器A9、自适应最优鲁棒PI调节器B10、自适应最优鲁棒PI调节器C11，在网侧变流器控制模块8模块中，设有自适应最优鲁棒PI调节器D12、自适应最优鲁棒PI调节器E13、自适应最优鲁棒PI调节器F14；应用转子侧变流器控制模块7和网侧变流器控制模块8得出的控制策略，控制转子侧、网侧变流器输出，转子侧变流器与网侧变流器则是通过直流电容环节相连。

1)电压电流测量装置2对以下参数进行测量：网侧电压、电流，定子电压、电流，转子电流，直流母线电压，并将测量结果送入主控模块5；转速测量装置3对转子转速进行测量，并送入主控模块5；参考值给定模块4根据机组控制目标对参考值进行设定，并设有与主控模块5连接的信号传输线路。

2)主控模块5包含计算模块6、转子侧变流器控制模块7和网侧变流器控制模块8；将得到的各参数测量值送入计算模块6进行双dq分解和计算后，与给定参考值一同送入转子侧变流器控制模块7和网侧变流器控制模块8，经双dq、自适应最优鲁棒PI调节的定子电压定向矢量控制，得到三相调制脉冲信号；将主控模块5与转子侧和网侧相连，通过三相调制脉冲信号控制转子压、网侧电压实现功率的稳定输出。

3)自适应最优鲁棒PI调节器Ａ9、Ｂ10、Ｃ11、Ｄ12、Ｅ13、Ｆ14是将输入信号自动辨识出频率极值点的特性，并根据鲁棒性能指标λ计算出最优的PI调节器参数。相比于传统PI调节器，自适应最优鲁棒PI调节器能够使控制对象一直处于最优运行状态。

见图1，该图示出了具有双馈风力机变流器控制装置的风电系统图。

具有双馈风力机变流器控制装置的风电系统，该装置与定/转子端、电网端、直流母线相连以测得参数信号，并将控制信号送回到转子侧与网侧变流器中。

见图2，该图示出双馈风力机变流器控制装置结构图。

该双馈风力机变流器控制装置包括电压电流测量装置2、转速测量装置3、参考值给定模块4、主控模块5。

电压电流测量装置2对网侧三相电压及电流U_gabc、I_gbac，定子电压及电流U_sabc、I_sbac，转子电流I_gbac，直流母线电压Udc进行测量。

转速测量装置3对转子转速ω_r进行测量。

参考值给定模块4中，转子侧变流器正序功率参考值由经验曲线获得，为消除负序分量，故负序电流参考值设为零；网侧变流器直流电压参考值根据交直流变换比率设定，负序电流参考值根据平衡风电系统的输出电流的目标进行设定。

将电压电流测量装置2、转速测量装置3、参考值给定模块4输出值送入主控模块5。

见图3，该图示出了双馈风力机变流器控制装置主控模块原理图。

将电压电流测量装置2和转速测量装置3得到的参数测量信号送入计算模块6中进行abc至dq+/dq_-坐标变换，分别得到电压、电流和磁链的正负序分量。

转子侧变流器控制模块7中，当正序同步坐标系d+轴定向于定子电压矢量U_sdq+上时，即u^* _sd+＝|U_sdq+|，u^* _sq+＝0，采用定子电压定向的矢量控制策略，可得转子电压参考值为

式中，I_rdq+、I_rdq-为转子电流正负序坐标系下分量；ψ_rdq+、ψ_rdq-为定子磁链正负序坐标系下分量；R_r、L_s、L_m为转子电阻和电感以及互感；σ＝1-L_m ²/L_rL_s为发电机漏磁系数；U_rdq1+＝L_m/L_s(U_sdq+-R_sI_sdq+-jω_rψ_sdq+)，U_rdq1-＝L_m/L_s(U_sdq--R_sI_sdq--jω_rψ_sdq-)。

将根据实测值计算得到的功率P_s、Q_s值与转子电流负序分量I_rdq-，和参考值进行比较，得到偏差信号分别送入自适应最优鲁棒PI调节器A9、B10与C11。

输入的偏差信号经辨识可到传递函数表达式为

G(s)＝a(ω)+jb(ω) (2)式中，a(ω)为实部；b(ω)为虚部。

自适应最优鲁棒PI调节器的频域表达式为

式中，K_p为控制器比例系数；K_i为控制器积分系数。

则有

其中

式中，λ为鲁棒性能指标，取值范围为1.5至2.5；ω₀为最优点频率。

寻找最优点ω₀＝ω_n+1则是通过迭代得到，迭代公式为

经过自适应最优鲁棒PI调节器进行控制后，结合式(1)得到转子电压参考值U^* _rdq+、U^* _rdq-，经过d-q至α-β坐标变换得到U_rαβ，共同送入到SVM调制器，即可产生转子侧变流器所需的调制波。

网侧变流器控制模块(8)中，交流侧电压参考值为

式中，I_gdq+、I_gdq-为网侧电流正负序坐标系下分量；R_g、L_g为进线电阻和电感。

将直流侧电容两端的直流母线电压实测值U_dc与网侧电流负序分量I_gdq-，和参考值经过比较，得到的偏差信号自适应最优鲁棒PI调节器Ｄ12、E13与Ｆ14，并结合式(6)得到交流侧电压参考值V^* _gdq+、V^* _gdq-，经过d-q至α-β坐标变换得到V_gαβ，共同送入到SVM调制器，即可产生网侧变流器所需的调制波。

将转子侧与网侧得到调制脉冲信号分别送至转子变流器和网侧变流器，从而实现正负序功率解耦控制。

Claims (1)

1.一种提高不对称故障穿越能力的双馈风力机变流器控制装置，其特征是：

包括电压电流测量装置(2)、转速测量装置(3)、参考值给定模块(4)、主控模块(5)，其中，电压电流测量装置(2)、转速测量装置(3)、参考值给定模块(4)分别与主控模块(5)连接；

主控模块(5)包含计算模块(6)、转子侧变流器控制模块(7)和网侧变流器控制模块(8)；电压电流测量装置(2)、转速测量装置(3)分别与计算模块(6)连接，转子侧变流器控制模块(7)和网侧变流器控制模块(8)并联后与计算模块(6)连接；转子侧变流器控制模块(7)中设有自适应最优鲁棒PI调节器A(9)、自适应最优鲁棒PI调节器B(10)、自适应最优鲁棒PI调节器C(11)，在网侧变流器控制模块(8)模块中，设有自适应最优鲁棒PI调节器D(12)、自适应最优鲁棒PI调节器E(13)、自适应最优鲁棒PI调节器F(14)；控制转子侧、网侧变流器输出，转子侧变流器与网侧变流器则是通过直流电容环节相连；

电压电流测量装置对以下参数进行测量：网侧电压、电流，定子电压、电流，转子电流，直流母线电压，并将测量结果送入主控模块；转速测量装置对转子转速进行测量，并送入主控模块；参考值给定模块根据机组控制目标对参考值进行设定，并设有与主控模块连接的信号传输线路；

主控模块包含计算模块、转子侧变流器控制模块和网侧变流器控制模块；将得到的各参数测量值送入计算模块进行双dq分解和计算后，与给定参考值一同送入转子侧变流器控制模块和网侧变流器控制模块，经双dq、自适应最优鲁棒PI调节的定子电压定向矢量控制，得到三相调制脉冲信号；将主控模块与转子侧和网侧相连，通过三相调制脉冲信号控制转子、网侧电压实现功率的稳定输出；

自适应最优鲁棒PI调节器是将输入信号自动辨识出频率极值点的特性，并根据鲁棒性能指标计算出最优的PI调节器参数；

控制步骤为，将电压电流测量装置(2)和转速测量装置(3)得到的参数测量信号送入计算模块(6)中进行abc至dq+/dq-坐标变换，分别得到电压、电流和磁链的正负序分量；

转子侧变流器控制模块(7)中，当正序同步坐标系d+轴定向于定子电压矢量U_sdq+上时，即u^* _sd+＝|U_sdq+|，u*_sq+＝0，采用定子电压定向的矢量控制策略，可得转子电压参考值为

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{rdq+}^{*}={\mathrm{\σL}}_r\frac{{\mathrm{dI}}_{rdq+}}{dt}+U_{rdq1+}\\ +(R_r{I}_{rdq+}+{\mathrm{j\ω}}_{slip+}{\mathrm{\σL}}_r{I}_{rdq+}+j\frac{L_m}{L_s}{\mathrm{\ω}}_{slip+}{\mathrm{\ψ}}_{sdq+})\\ U_{rdq-}^{*}={\mathrm{\σL}}_r\frac{{\mathrm{dI}}_{rdq-}}{dt}+U_{rdq1-}\\ +(R_r{I}_{rdq-}+{\mathrm{j\ω}}_{slip-}{\mathrm{\σL}}_r{I}_{rdq-}+j\frac{L_m}{L_s}{\mathrm{\ω}}_{slip+}{\mathrm{\ψ}}_{sdq-})\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，I_rdq+、I_rdq-为转子电流正负序坐标系下分量；ψ_rdq+、ψ_rdq-为定子磁链正负序坐标系下分量；R_r、L_r、L_s、L_m分别为转子电阻、转子电感、定子电感、互感；σ＝1-L_m ²/L_rL_s为发电机漏磁系数；ω_slip+、ω_slip-、ω_r分别为正序转差角频率、负序转差角频率、转子角频率；转子电压正、负序分量表达式为

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{rdq1+}=L_m/L_s(U_{sdq+}-R_s{I}_{sdq+}-j{\mathrm{\ω}}_r{\mathrm{\ψ}}_{sdq+})\\ U_{rdq1-}=L_m/L_s(U_{sdq-}-R_s{I}_{sdq-}-j{\mathrm{\ω}}_r{\mathrm{\ψ}}_{sdq-})\end{array}\right.$

将根据实测值计算得到的功率P_s、Q_s值与转子电流负序分量I_rdq-，和参考值进行比较，得到偏差信号分别送入自适应最优鲁棒PI调节器A(9)、自适应最优鲁棒PI调节器B(10)与自适应最优鲁棒PI调节器C(11)；输入的偏差信号经辨识可到传递函数表达式为

G(s)＝a(ω)+jb(ω) (2)

式中，a(ω)为实部；b(ω)为虚部；

自适应最优鲁棒PI调节器的频域表达式为

$G_c\left(s\right)=K_p+\frac{K_i}{s}---\left(3\right)$

式中，K_p为控制器比例系数；K_i为控制器积分系数；

则有

$G_c\left(j\mathrm{\ω}\right)=K_p-j\frac{K_i}{\mathrm{\ω}}---\left(4\right)$

其中

$\left\{\begin{array}{c}{K}_p=\frac{1}{a^{\′}\left({\mathrm{\ω}}_0\right)}(\frac{{\mathrm{\λb}}^{\′}\left({\mathrm{\ω}}_0\right)}{b\left({\mathrm{\ω}}_0\right)}-\frac{\mathrm{\λ}}{{\mathrm{\ω}}_0})\\ K_i=-\frac{{\mathrm{\λ\ω}}_0}{b\left({\mathrm{\ω}}_0\right)}\end{array}\right.$

式中，λ为鲁棒性能指标，取值范围为1.5至2.5；ω₀为最优点频率；

寻找最优点ω₀＝ω_n+1则是通过迭代得到，迭代公式为

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{n+1}={\mathrm{\ω}}_n-(\frac{\mathrm{\π}}{2}+{\mathrm{\φ}}_n)\frac{{\mathrm{\ω}}_n-{\mathrm{\ω}}_{n-1}}{{\mathrm{\φ}}_n-{\mathrm{\φ}}_{n-1}}\\ {\mathrm{\φ}}_n=\arg \[G\left({\mathrm{j\ω}}_n\right)\]\end{array}\right.---\left(5\right)$

经过自适应最优鲁棒PI调节器进行控制后，结合式(1)得到转子电压参考值U^* _rdq+、U^* _rdq-，经过d-q至α-β坐标变换得到U_rαβ，共同送入到SVM调制器，即可产生转子侧变流器所需的调制波；

网侧变流器控制模块(8)中，交流侧电压参考值为

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{gdq+}^{*}=-L_g\frac{{\mathrm{dI}}_{gdq+}}{dt}-R_g{I}_{gdq+}-{\mathrm{j\ω}}_1{L}_g{I}_{gdq+}+U_{sdq+}\\ V_{gdq-}^{*}=-L_g\frac{{\mathrm{dI}}_{gdq-}}{dt}-R_g{I}_{gdq+}+{\mathrm{j\ω}}_1{L}_g{I}_{gdq-}+U_{sdq-}\end{array}\right.---\left(6\right)$

式中，I_gdq+、I_gdq-为网侧电流正负序坐标系下分量；R_g、L_g为进线电阻和电感；

将直流侧电容两端的直流母线电压实测值U_dc与网侧电流负序分量I_gdq-，和参考值经过比较，得到的偏差信号自适应最优鲁棒PI调节器D(12)、自适应最优鲁棒PI调节器E(13)与自适应最优鲁棒PI调节器F(14)，并结合式(6)得到交流侧电压参考值V^* _gdq+、V^* _gdq-，经过d-q至α-β坐标变换得到V_gαβ，共同送入到SVM调制器，即可产生网侧变流器所需的调制波；

将转子侧与网侧得到调制脉冲信号分别送至转子变流器和网侧变流器，从而实现正负序功率解耦控制。