CN104135175A - 针对电机负载的逆变器并联零序电流抑制方法 - Google Patents

Abstract

一种针对电机负载的逆变器并联零序电流抑制方法，基于零序电流产生机理并采用开环前馈实现。首先进入零序参数识别模式，根据零序电流特征识别出需要补偿的零度电压相对负载电压的角度差θ_uo2b和零序电流有效值与负载电流有效值比例k_io2b，并将参数θ_uo2b、k_io2b保存到ROM中。变流器每次运行时首先从ROM中读取零序参数θ_uo2b、k_io2b，然后根据负载电压角度θ_u、θ_uo2b得到零序补偿电压角度θ_uo，根据负载电流有效值、k_io2b和串联电抗得到零序补偿电压幅值，最后将零序补偿电压叠加到变流器常规控制策略输出的三相控制电压中，实现对零序电流的有效抑制。

Description

针对电机负载的逆变器并联零序电流抑制方法

技术领域

本发明涉及一种针对电机负载的逆变器并联零序电流抑制方法。

背景技术

风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。在众多的风力发电方案中，全功率风电机组采用永磁或电励磁同步发电机作为电能转化装置，在发电机与电网之间通过全功率变流器(简称变流器)柔性连接，具有很好的电网适应性，且转速范围更宽，有利于利用低风速段的风能，越来越受到国内外风机厂商的青睐。

受IGBT等电力电子器件的电压和电流限制，变流器内部往往采用多组三相逆变器并联实现，其中最常见的是两组逆变器并联。发电机定子一般采用两套绕组接线方式，为了方便走线，相当一部分整机设计时在定子出线端将两套绕组三相对应短接，经三相汇流排引到塔基形成定子交流母线，变流器机侧两组逆变器经各自串联电感后并联接至定子交流母线，如图1所示。

变流器串联电感用于降低发电机定子的du/dt，一般电感值选型很小，而变流器到定子交流母线之间的线路存在杂散电感，各相杂散电感的分散参数存在差异，且差异与变流器串联电感相比不能忽略，导致两组逆变器之间存在零序电流(也称环流，对于2MW变流器，环流峰值能达到300A以上)。零序电流的存在不仅增加损耗，更重要的是降低系统的稳定性。

当变流器的两组逆变器经串联电感连接到负载时，常规零序电流控制策略为：检测零序电流，然后采用闭环控制将零序电流抑制到合理范围。不过常规零序电流控制策略是有适用范围的，它的适用范围是负载电感值远小于变流器串联电感值。当变流器输出连接电机负载时，变流器输出串联电感值远小于电机电枢(负载)的电感值，常规零序控制策略不再适用。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点，提供一种针对电机负载的两逆变器并联组成变流器的零序电流抑制方法，本发明抑制方法基于零序电流产生机理并采用开环前馈实现，可明显降低逆变器的零序电流。

对于电感电路，定义电感值为L，电感两端的电压为u，流过电感的电流为i，则电感两端电压与电流的关系为u＝jωLi。其中j为虚数负号，ω为正弦波角频率。对于零序电压电流，同样满足u＝jωLi方程，这就是本发明的原理：根据检测到的零序电流，识别零序参数，根据零序参数和当前电流计算需要的零序补偿电压，将计算的零序补偿电压前馈到变流器常规控制策略输出的三相电压中，实现对零序电流的有效抑制。

本发明所述的零序电流抑制方法基于零序电流产生机理并采用开环前馈实现；首先在零序参数识别模式下识别出需要补偿的零度电压与负载电压的角度差θ_uo2b，以及零序电流有效值与负载电流有效值比例k_io2b，并将零度电压与负载电压的角度差θ_uo2b和零序电流有效值与负载电流有效值比例k_io2b保存到ROM中；变流器正常运行时，从ROM中调取零度电压与负载电压的角度差θ_uo2b和零序电流有效值与负载电流有效值比例k_io2b，根据实际电流有效值i_brms、零度电压与负载电压的角度差θ_uo2b、零序电流有效值与负载电流有效值比例k_io2b计算需要补偿的零序电压，将计算的零序补偿电压前馈到变流器常规控制策略输出的三相电压中，实现对零序电流的有效抑制。

具体步骤如下：

步骤1：启动变流器，变流器控制系统采样电机负载三相电压u_abc、第一逆变器的三相电流i_1abc和第二逆变器的三相电流i_2abc；采用常规控制策略对变流器进行控制，并输出电机负载的电压角度θ_ub；同时，根据第一逆变器三相电流i_1abc和第二逆变器三相电流i_2abc计算负载电流有效值i_brms；

步骤2：如果变流器是首次运行或零序电流超出阈值，需要重新校正参数，手动控制变流器，进入“零序参数识别”模式，在该模式下禁用零序电流抑制方法；

步骤3：在“零序参数识别模式”下，根据第一逆变器的三相电流i_1abc计算零序电流有效值i_0rms；根据第一逆变器的三相电流i_1abc计算零序电流角度θ_i0，零序电流角度θ_i0减去电机负载的电压角度θ_ub，得到电流角度差值θ_io2b，电流角度差值θ_io2b加上90度，得到零序电压角度与负载电压角度差值θ_uo2b；步骤3计算得到的零序电流有效值i_0rms除以步骤1计算得到的负载电流有效值i_brms，得到零序电流有效值与负载电流有效值比例k_io2b；

步骤4：零序电流参数识别完成后，将零序参数：零序电压角度与负载电压角度差值θ_uo2b、零序电流有效值与负载电流有效值比例k_io2b存储到ROM中，之后退出零序参数识别模式，变流器进入正常运行模式；

步骤5：变流器每次起动前从ROM中读取零序参数：零序电压角度与负载电压角度差值θ_uo2b、零序电流有效值与负载电流有效值比例k_io2b；在所述变流器正常运行模式下，电机负载的电压角度θ_ub加上零序电压角度与负载电压角度的差值θ_uo2b，得到需要补偿的零序电压角度θ_u0；负载电流有效值i_brms乘以零序电流有效值与负载电流有效值比例k_io2b，再乘以串联电抗值，得到需要补偿的零序电压有效值u_0rms，所述的串联电抗值为串联电感L乘以角频率ω；根据零序电压有效值u_0rms和零序电压角度θ_u0得到需要补偿的零序电压分量u₀：

$u_0=\sqrt{2}{u}_{0\mathrm{rms}}\cos \left({\mathrm{\θ}}_{u_0}\right);$

变流器常规控制策略输出的三相控制电压减去需要补偿的零序电压分量u₀，便可以实现对零序电流的有效抑制。

本发明的优点是：属于开环控制，不存在稳定性问题，很好适用于变流器输出串联电感值选型偏小的场合，尤其适用于匹配电机负载。

附图说明：

图1全功率风电机组电气拓扑图；

图2两逆变器并联组成变流器连接负载电气拓扑图；

图3本发明零序电流抑制策略框图。

具体实施方式：

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

第一逆变器和第二逆变器并联组成的变流器连接负载拓扑如图2所示。第一逆变器的功率单元和第二逆变器的功率单元的输出端经各自串联电感后并联在一起，连接电机负载。变流器控制系统采集第一逆变器的三相电流01，记为i_1abc，第二逆变器的三相电流02，记为i_2abc，采集负载三相电压03，记为u_abc。变流器控制系统的控制对象为第一逆变器的功率单元04和第二逆变器的功率单元05。

本发明零序电流抑制方法如图3所示：

步骤1：启动变流器，变流器控制系统采样负载的三相电压u_abc、第一逆变器的三相电流i_1abc和第二逆变器的三相电流i_2abc；负载的三相电压u_abc经3s2s坐标变换后得到αβ坐标系下两相电压u_αβ，如图3中的10；第一逆变器的三相电流i_1abc经3s2s坐标变换后得到αβ坐标系下两相电流i_1αβ，如图3中11；第二逆变器的三相电流i_2abc经3s2s坐标变换后得到αβ坐标系下两相电流i_2αβ，如图3中12；αβ坐标系下两相电压u_αβ和αβ坐标系下两相电流i_1αβ经锁相环PLL1后得到dq坐标系下两相电压u_dq、负载电压角频率ω和负载电压角度θ_u，如图3中13；第一逆变器在αβ坐标系下的两相电流i_1αβ经基于θ_u的2s2r坐标变换后得到dq坐标系下两相电流i_1dq，如图3中14；第二逆变器在αβ坐标系下的两相电流i_2αβ经基于θ_u的2s2r坐标变换后得到dq坐标系下两相电流i_2dq，如图3中15；dq坐标系下第一逆变器的电流i_1dq与第二逆变器的电流i_2dq相加得到变流器反馈电流i_dq，如图3中16；dq坐标系下给定电流i_dqref减去变流器反馈电流i_dq，所得的结果经PI控制器闭环调节，加上负载电压前馈，再经PWM模块驱动第一逆变器1的功率单元04和第二逆变器2的功率单元05，如图3中20、21、22、23、24、25、26。图3中10～16、20～26称为变流器常规控制策略。同时，根据第一逆变器的三相电流i_1abc与第二逆变器三相电流i_2abc计算得到负载电流有效值i_brms，如图3中30；

步骤2：如果变流器是首次运行或零序电流超出阈值，需要重新校正参数，手动控制变流器进入如图3中的“零序参数识别”模式，在该模式下禁用零序电流抑制方法；

步骤3：在零序参数识别模式下，根据第一逆变器的三相电流i_1abc计算零序电流有效值i_0rms，如图3中31；根据第一逆变器的三相电流i_1abc经锁相环PLL2计算零序电流角度θ_i0，如图3中32；零序电流角度θ_i0减去负载电压角度θ_ub得到电流角度差值θ_io2b，如图3中33；电流角度差值θ_io2b加上90度，得到零序电压角度与负载电压角度差值θ_uo2b，如图3中34。零序电流有效值i_0rms除以负载电流有效值i_brms得到零序电流有效值与负载电流有效值比例k_io2b，如图3中35；

步骤4：零序电流参数识别完成后，将零序参数：零序电压角度与负载电压角度差值θ_uo2b、零序电流有效值与负载电流有效值比例k_io2b存储到ROM中，如图3中36、37，之后退出零序参数识别模式，变流器进入正常运行模式；

步骤5：变流器每次起动前从ROM中读取零序参数：零序电压角度与负载电压角度差值θ_uo2b、零序电流有效值与负载电流有效值比例k_io2b，如图3中40、41；在变流器正常运行模式下，负载电压角度θ_ub加上零序电压角度与负载电压角度的差值θ_uo2b得到需要补偿的零序电压角度θ_u0，如图3中42；负载电流有效值i_brms乘以零序电流有效值与负载电流有效值比例k_io2b，再乘以串联电抗值，得到需要补偿的零序电压有效值u_0rms，如图3中44，所述串联电抗值为串联电感L乘以角频率ω；根据需要补偿的零序电压有效值u_0rms和零序电压角度θ_u0，得到需要补偿的零序电压分量u₀：

$u_0=\sqrt{2}*u_{0\mathrm{rms}}*\cos \left({\mathrm{\θ}}_{u_0}\right),$

如图3中43、45；

变流器常规控制策略输出的三相控制电压减去需要补偿的零序电压分量u₀，如图3中46，便可以实现对零序电流的有效抑制。

Claims (2)

1.一种针对电机负载的逆变器并联零序电流抑制方法，其特征在于所述的抑制方法基于零序电流产生机理并采用开环前馈实现；首先在零序参数识别模式下识别出需要补偿的零度电压与负载电压的角度差θ_uo2b，以及零序电流有效值与负载电流有效值比例k_io2b，并将零度电压与负载电压的角度差θ_uo2b和零序电流有效值与负载电流有效值比例k_io2b保存到ROM中；变流器正常运行时，从ROM中调取零度电压与负载电压的角度差θ_uo2b和零序电流有效值与负载电流有效值比例k_io2b，根据实际电流有效值i_brms、零度电压与负载电压的角度差θ_uo2b、零序电流有效值与负载电流有效值比例k_io2b计算需要补偿的零序电压，将计算的零序补偿电压前馈到变流器常规控制策略输出的三相电压中，实现对零序电流的有效抑制。

2.根据权利要求1所述的针对电机负载的逆变器并联零序电流抑制方法，其特征在于所述抑制方法包括以下步骤：

(1)启动变流器，变流器控制系统采样电机负载的三相电压u_abc、第一逆变器的三相电流i_1abc、和第二逆变器的三相电流i_2abc；采用常规控制策略对变流器进行控制，并输出电机负载的电压角度θ_ub；同时，根据第一逆变器的三相电流i_1abc和第二逆变器的三相电流i_2abc计算负载电流有效值i_brms；

(2)如果变流器是首次运行或零序电流超出阈值，需要重新校正零序电压与负载电压的角度差θ_uo2b和零序电流有效值与负载电流有效值比例k_io2b，手动控制变流器进入“零序参数识别”模式，在该模式下禁用零序电流抑制方法；

(3)在零序参数识别模式下，根据第一逆变器的三相电流i_1abc计算零序电流有效值i_0rms；根据第一逆变器的三相电流i_1abc经锁相环计算零序电流角度θ_i0，零序电流角度θ_i0减去电机负载的电压角度θ_ub，得到电流角度差值θ_io2b，将电流角度差值θ_io2b加上90度，得到需要补偿的零序电压角度与负载电压角度差值θ_uo2b；步骤(3)计算得到的零序电流有效值i_0rms除以步骤(1)计算得到的负载电流有效值i_brms，得到零序电流有效值与负载电流有效值比例k_io2b；

(4)零序电流参数识别完成后，将零序电压角度与负载电压角度差值θ_uo2b、零序电流有效值与负载电流有效值比例k_io2b存储到ROM中，之后退出零序参数识别模式，变流器进入正常运行模式；

(5)变流器每次起动前从ROM中读取零序电压角度与负载电压角度差值θ_uo2b和零序电流有效值与负载电流有效值比例k_io2b；在变流器正常运行模式下，负载电压角度θ_ub加上零序电压角度与负载电压角度的差值θ_uo2b得到需要补偿的零序电压角度θ_u0；负载电流有效值i_brms乘以零序电流有效值与负载电流有效值比例k_io2b，再乘以串联电抗值，得到需要补偿的零序电压有效值u_0rms；根据零序电压有效值u_0rms和零序电压角度θ_u0得到零序电压分量变流器常规控制策略输出的三相控制电压减去需要补偿的零序电压分量u₀，实现对零序电流的有效抑制。