CN104538978B - 一种双馈风力发电机组电网电压不平衡骤升的无功功率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双馈风力发电机组电网电压不平衡骤升的无功功率控制方法，其特征是按如下步骤进行：1、双馈电机定子电压的正负序解耦；2、定子无功电流的计算；3、正序无功功率在总无功功率中的比例计算；4、转子电流指令值的计算及合成；5、转子电流闭环控制。本发明能控制定子电流和正负序无功功率分配，从而实现发电机机端电压不对称度和无功功率脉动抑制的复合控制目标。

Description

一种双馈风力发电机组电网电压不平衡骤升的无功功率控制方法

技术领域

本发明属于风力发电领域，具体来说是一种双馈风力发电机组电网电压不平衡骤升的无功功率控制方法。

背景技术

双馈型风力发电机是目前兆瓦级变速恒频风力发电机的主流机型，电网电压骤升情况下无功功率脉动是当前双馈机组研究的主要目标之一。为了适应电网导则，风力发电机组必须具有一定的高电压穿越能力，例如澳大利亚提出的高电压穿越准则，当高压侧电网电压骤升至额定电压的130％时，风电机组应维持60ms不脱网，而电网电压骤升期间，无功功率将产生很大的脉动，如果不对其进行控制，将会影响系统的稳定性。

现有的对称电网电压骤升通常采用向电网注入正序感性无功功率，如果仅注入正序感性的无功电流，特别是在分布式风力发电系统中，风电场接入弱电网或风电场位于电网末端，当电网电压阻抗较大时，将会使并网点三相电压都减小，只影响并网点的正序电压，而负序电压并没有发生改变，会造成未发生故障骤升的相电压过补偿，导致相应没有骤升相的电压降低，发电机定子端电压的不对称度变大，加剧相角跳变，同时增加定子侧无功功率脉动。

目前文献主要集中于对称电网电压骤升下无功功率控制，例如：徐海亮，章玮，陈建生，孙丹，贺益康.考虑动态无功支持的双馈风电机组高电压穿越控制策略[J].中国电机工程学报，2013，33(36)：112-119.讨论电网电压对称骤升时双馈风电机组网侧和转子侧变流器有功、无功功率的分配原则，提出一种能有效提供动态无功支持的高电压穿越实现方案。但是不对称电网电压骤升无功功率脉动量与对称骤升下无功功率脉动量不同，导致对称电网电压骤升下的无功功率控制策略不能有效抑制不对称电网电压骤升下的功率脉动。

而对于不对称电网电压骤升双馈电机组控制相关文献也仅限于谢震，张兴，杨淑英，等.电网电压不对称骤升下双馈风力发电机改进控制策略[J].中国电机工程学报，2013,33(15)：109-118.但是其并没有考虑双馈风力发电机在无功功率下的控制策略。

发明内容

本发明为了克服现有技术的不足之处，提出了一种新型的双馈风力发电机在电网电压不对称骤升下无功功率优化控制方法，以期能控制定子电流和正负序无功功率分配，从而实现发电机机端电压不对称度和无功功率脉动抑制的复合控制目标。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明一种双馈风力发电机组电网电压不平衡骤升的无功功率控制方法，所述双馈风力发电机组包括：转子侧变流器、双馈风力发电机、电网和处理器模块；所述处理器模块包括：锁相环、PR调节器、第一PI调节器、第二PI调节器和SVPWM模块；所述电网通过输电线路与所述双馈风力发电机的定子相连；所述双馈风力发电机的转子通过输电线路与转子侧变流器相连；其特点是，所述无功功率优化控制方法按如下步骤进行：

步骤1、当电网电压发生不对称骤升时，分别检测所述双馈风力发电机的定子侧三相电压u_sabc、定子侧三相电流i_sabc、转子侧三相电流i_rabc和转子电角度θ_r，并传递给所述处理器模块；

步骤2、所述处理器模块利用所述锁相环将所述定子侧三相电压u_sabc解耦成正序定子电压和负序定子电压所述正序定子电压的幅值为所述负序定子电压的幅值为并利用式(1)和式(2)分别将所述正序定子电压和所述负序定子电压分量进行分解；

$u_s^{+}=u_{\mathrm{sd}}^{+}+{\mathrm{ju}}_{\mathrm{sq}}^{+}---\left(1\right)$

$u_s^{-}=u_{\mathrm{sd}}^{-}+{\mathrm{ju}}_{\mathrm{sq}}^{-}---\left(2\right)$

式(1)中，表示正序定子sd+轴电压，表示正序定子sq+轴电压；

式(2)中，表示负序定子sd-轴电压，表示负序定子sq-轴电压；

步骤3、所述处理器模块将检测到的定子侧三相电流i_sabc按式(3)进行旋转坐标系的坐标变换，得到正序同步旋转坐标系dq+下定子电流i_sdq+和负序同步旋转坐标系dq-下定子电流i_sdq-：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{sdq}+}=R\left({\mathrm{\θ}}_s\right)I_{\mathrm{sabc}}\\ i_{\mathrm{sdq}-}=R^{\′}(-{\mathrm{\θ}}_s)i_{\mathrm{sabc}}\end{array}\right.---\left(3\right)$

式(3)中，R(θ_s)表示正序坐标系变换，并有：

式(4)中R'(-θ_s)表示负序坐标系变换，并有：

式(3)和(4)中，θ_s为同步旋转坐标系与两相静止坐标系αβ之间的夹角；

利用式(6)对i_sdq+和i_sdq-进行分解：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{sdq}+}=i_{\mathrm{sd}+}+{\mathrm{ji}}_{\mathrm{sq}+}\\ i_{\mathrm{sdq}-}=i_{\mathrm{sd}-}+{\mathrm{ji}}_{\mathrm{sq}-}\end{array}\right.---\left(6\right)$

式(6)中，i_sd+为正序定子sd+轴电流，i_sq+为正序定子sq+轴电流；i_sd-为负序定子sd-轴电流，i_sq-为负序定子sq-轴电流；

步骤4、将所述定子电压正序分量输入所述第一PI调节器获得定子无功电流I_s；将所述定子电压负序分量输入第二PI调节器获得正序无功功率指令值与总无功功率指令值Q^*之比k；

利用式(7)获得所述正序无功功率

$Q_{+}^{*}=\frac{3}{2}(U_{\mathrm{sq}+}{I}_{\mathrm{sd}+}-U_{\mathrm{sd}+}{I}_{\mathrm{sq}+})---\left(7\right)$

式(7)中，U_sd+表示所述正序定子sd+轴电压的幅值；U_sq+示所述正序定子sq+轴电压的幅值；I_sd+表示所述正序定子sd+轴电流i_sd+的幅值；I_sq+示所述正序定子sq+轴电流i_sq+的幅值；

利用式(8)获得负序无功功率

$Q_{-}^{*}=\frac{3}{2}(U_{\mathrm{sq}-}{I}_{\mathrm{sd}-}-U_{\mathrm{sd}-}{I}_{\mathrm{sq}-})---\left(8\right)$

式(8)中，U_sd-表示所述负序定子sd-轴电压的幅值；U_sq-表示所述负序定子sq-轴电压的幅值；I_sd-表示所述负序定子sd-轴电流i_sd-的幅值；I_sq-表示所述负序定子sq-轴电流i_sq-的幅值；

利用式(9)获得所述总无功功率Q^*：

$Q^{*}=Q_{+}^{*}+Q_{-}^{*}---\left(9\right)$

步骤5、定子电流指令值计算：

利用式(10)获得正序sd+轴定子电流指令值和正序sq+轴定子电流指令值

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{sd}+}^{+*}=\frac{\mathrm{nk}}{1-k+\mathrm{nk}}{I}_s\\ i_{\mathrm{sq}+}^{+*}=\frac{2P_{+}^{*}}{3U_s^{+}}\end{array}\right.---\left(10\right)$

式(10)中，n表示电网电压不对称度，即负序定子电压的幅值与正序定子电压的幅值为之比，表示正序有功功率指令值，并有：

$P_{+}^{*}=\frac{3}{2}(U_{\mathrm{sd}+}{I}_{\mathrm{sd}+}-U_{\mathrm{sq}+}{I}_{\mathrm{sq}+})---\left(11\right)$

利用式(12)获得负序sd-轴定子电流指令值和负序sq-轴定子电流指令值

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{sd}-}^{-*}=\frac{k-1}{1-k+\mathrm{nk}}{I}_s\\ i_{\mathrm{sq}-}^{-*}=\frac{2P_{-}^{*}}{3U_s^{-}}\end{array}\right.---\left(12\right)$

式(12)中，表示负序有功功率指令值，并有：

$P_{-}^{*}=\frac{3}{2}(U_{\mathrm{sq}-}{I}_{\mathrm{sd}-}+U_{\mathrm{sd}-}{I}_{\mathrm{sq}-})---\left(13\right)$

步骤6、转子电流指令值计算：

利用式(14)获得正序rd+轴转子电流指令值和正序rq+轴转子电流指令值

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{rd}+}^{+*}=\frac{U_s^{+}}{{\mathrm{\ω}}_s{L}_m}-\frac{L_s}{L_m}{i}_{\mathrm{sd}+}^{+*}\\ i_{\mathrm{rq}+}^{+*}=-\frac{L_s}{L_m}{i}_{\mathrm{sq}+}^{+*}\end{array}\right.---\left(14\right)$

式(14)中，表示所述正序定子电压的标量值，L_s表示定子电感值，L_m表示定子与转子之间的互感值，ω_s为同步旋转角频率；

利用式(15)获得负序rd-轴转子电流指令值和负序rq-轴转子电流指令值

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{rd}-}^{-*}=\frac{U_s^{-}}{{\mathrm{\ω}}_s{L}_m}-\frac{L_s}{L_m}{i}_{\mathrm{sd}-}^{-*}\\ i_{\mathrm{rq}-}^{-*}=-\frac{L_s}{L_m}{i}_{\mathrm{sq}-}^{-*}\end{array}\right.---\left(15\right)$

式(15)中，表示所述负序定子电压的幅值；

步骤7、利用式(16)对所述转子电流指令值进行坐标变换：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{r\α\β}}^{+*}=i_{\mathrm{rdq}+}^{+*}{e}^{j{\mathrm{\θ}}_{s+}}\\ i_{\mathrm{r\α\β}}^{-*}=i_{\mathrm{rdq}-}^{-*}{e}^{j{\mathrm{\θ}}_{s-}}\end{array}\right.---\left(16\right)$

式(16)中，表示正序两相静止坐标系αβ+下转子电流，为负序两相静止坐标系αβ-下转子电流，并有：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{rdq}+}^{+*}=i_{\mathrm{rd}+}^{*}+{\mathrm{ji}}_{\mathrm{rq}+}^{*}\\ i_{\mathrm{rdq}-}^{-*}=i_{\mathrm{rd}-}^{*}+{\mathrm{ji}}_{\mathrm{rq}-}^{*}\end{array}\right.---\left(17\right)$

步骤8、利用式(18)获得两相静止坐标系αβ下转子电流指令值

$i_{\mathrm{r\α\β}}^{*}=i_{\mathrm{r\α\β}}^{+*}+i_{\mathrm{r\α\β}}^{-*}---\left(18\right)$

步骤9、将所述转子侧三相电流i_rabc进行坐标变换得到i_rαβ'，再将i_rαβ'以所述转子电角度θ_r进行旋转获得两相静止坐标系αβ下转子电流i_rαβ；

步骤10、利用式(19)获得转子电流差值：

$\mathrm{\Δ}{i}_{\mathrm{r\α\β}}^{*}=i_{\mathrm{r\α\β}}^{*}-i_{\mathrm{r\α\β}}---\left(19\right)$

步骤11、将所述转子电流差值输入到所述PR调节器中，获得转子电压Δu_rαβ；将所述转子电压Δu_rαβ以所述负的转子电角度θ_r进行旋转后输入到所述SVPWM模块中获得PWM驱动信号，以所述PWM驱动信号对转子侧变流器进行控制，从而实现所述双馈风力发电机组电网电压不平衡骤升的无功功率控制方法。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明通过转子侧变流器的控制，采用一种柔性的正负序电压闭环的无功功率优化控制方法，通过同时向电网注入正序无功电流和负序无功电流，并调节正序无功电流和负序无功电流之间的比例，从而实现了机端电压不对称度控制；通过调节转子侧正负序无功功率的分配来实现了无功功率脉动抑制。

2、本发明通过注入定子无功电流，其中定子无功电流包含正序定子无功电流和负序定子无功电流，正序定子无功电流可以降低正序电网电压，负序定子无功电流可以降低负序电网电压，从而实现了降低电网电压的同时，减小了电网电压不对称度。

3、本发明通过调整正序无功功率在总无功功率中的比例k，实现了柔性控制，同时正序无功功率在总无功功率中的比例k可以调整正序定子无功电流和负序定子无功电流的比例，一方面降低了电网电压不对称度，同时减小了无功功率中的二倍频脉动。

附图说明

图1为本发明风力发电机组结构示意图；

图2为本发明电压和电流在正反转坐标系上的空间矢量图；

图3为本发明电压和电流空间矢量关系图。

具体实施方式

如图1所示，本施例中，双馈风力发电机组包括：直流母线、转子侧变流器、双馈风力发电机、电网和处理器模块；处理器模块包括：锁相环、PR调节器、第一PI调节器、第二PI调节器和SVPWM模块；电网通过输电线路与双馈风力发电机的定子相连；双馈风力发电机的转子通过输电线路与转子侧变流器相连；双馈风力发电机组的基本工作原理为：处理器模块通过调制控制信号实现对转子侧变流器的控制，进而转子侧变流器将直流母线电压逆变成三相交流电流并注入双馈风力发电机转子侧实现对双馈风力发电机的控制，从而使得与电网直接相连的双馈风力发电机定子向电网输送功率。

一种双馈风力发电机组电网电压不平衡骤升的无功功率控制方法按如下步骤进行：

步骤1、当电网电压发生不对称骤升时，分别检测双馈风力发电机的定子侧三相电压u_sabc、电网三相电压u_gabc、定子侧三相电流i_sabc、转子侧三相电流i_rabc和转子电角度θ_r，并传递给处理器模块进行处理；

步骤2、处理器模块利用锁相环将电网三相电压u_gabc解耦成正序电网电压和负序电网电压正序电网电压的幅值为负序电网电压的幅值为

处理器模块利用锁相环将定子侧三相电压u_sabc解耦成正序定子电压和负序定子电压正序定子电压的幅值为和负序定子电压的幅值为并利用式(1)和式(2)分别将正序定子电压和负序定子电压分量进行分解：

$u_s^{+}=u_{\mathrm{sd}}^{+}+{\mathrm{ju}}_{\mathrm{sq}}^{+}---\left(1\right)$

$u_s^{-}=u_{\mathrm{sd}}^{-}+{\mathrm{ju}}_{\mathrm{sq}}^{-}---\left(2\right)$

式(1)中，表示正序定子sd+轴电压，表示正序定子sq+轴电压；

式(2)中，表示负序定子sd-轴电压，表示负序定子sq-轴电压；

步骤3、处理器模块将检测到的定子侧三相电流i_sabc按式(3)进行旋转坐标系的坐标变换，得到正序同步旋转坐标系dq+下定子电流i_sdq+和负序同步旋转坐标系dq-下定子电流i_sdq-：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{sdq}+}=R\left({\mathrm{\θ}}_s\right)I_{\mathrm{sabc}}\\ i_{\mathrm{sdq}-}=R^{\′}(-{\mathrm{\θ}}_s)i_{\mathrm{sabc}}\end{array}\right.---\left(3\right)$

式(3)中，R(θ_s)表示正序坐标系变换，并有：

式(4)中R'(-θ_s)表示负序坐标系变换，并有：

式(3)和(4)中，θ_s为同步旋转坐标系与两相静止坐标系αβ之间的夹角；

利用式(6)对i_sdq+和i_sdq-进行分解：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{sdq}+}=i_{\mathrm{sd}+}+{\mathrm{ji}}_{\mathrm{sq}+}\\ i_{\mathrm{sdq}-}=i_{\mathrm{sd}-}+{\mathrm{ji}}_{\mathrm{sq}-}\end{array}\right.---\left(6\right)$

式(6)中，i_sd+为正序定子sd+轴电流，i_sq+为正序定子sq+轴电流；i_sd-为负序定子sd-轴电流，i_sq-为负序定子sq-轴电流；i_sd+、i_sq+、i_sd-和i_sq-的空间矢量关系如图2所示；

步骤4、将定子电压正序分量输入第一PI调节器获得定子无功电流I_s；将定子电压负序分量输入第二PI调节器获得正序无功功率指令值与总无功功率指令值Q^*之比k；

利用式(7)获得正序无功功率

$Q_{+}^{*}=\frac{3}{2}(U_{\mathrm{sq}+}{I}_{\mathrm{sd}+}-U_{\mathrm{sd}+}{I}_{\mathrm{sq}+})---\left(7\right)$

式(7)中，U_sd+表示正序定子sd+轴电压的幅值；U_sq+示正序定子sq+轴电压的幅值；I_sd+表示正序定子sd+轴电流i_sd+的幅值；I_sq+示正序定子sq+轴电流i_sq+的幅值；

利用式(8)获得负序无功功率

$Q_{-}^{*}=\frac{3}{2}(U_{\mathrm{sq}-}{I}_{\mathrm{sd}-}-U_{\mathrm{sd}-}{I}_{\mathrm{sq}-})---\left(8\right)$

式(8)中，U_sd-表示负序定子sd-轴电压的幅值；U_sq-表示负序定子sq-轴电压的幅值；I_sd-表示负序定子sd-轴电流i_sd-的幅值；I_sq-表示负序定子sq-轴电流i_sq-的幅值；

利用式(9)获得总无功功率Q^*：

$Q^{*}=Q_{+}^{*}+Q_{-}^{*}---\left(9\right)$

步骤4.1、双馈电机机端电压不对称度控制方案如下：

参照图3，利用式(10)获得定子电压与定子无功电流之间的关系：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_s^{+}=U_g^{+}-{\mathrm{\ω}}_s{L}_g{I}_s^{+}\\ U_s^{-}=U_g^{-}-{\mathrm{\ω}}_s{L}_g{I}_s^{-}\end{array}\right.---\left(10\right)$

式(10)中，为正序定子无功电流，为负序定子无功电流，和构成I_s；ω_s为电网同步角频率；L_g为电网连接双馈发电机定子输电线路感抗；图3中正序定子无功电流和负序定子无功电流均是感性电流，由于正序分量按逆时针方向旋转，所以正序定子无功电流 而负序分量按顺时针方向旋转，所以负序定子无功电流按顺时针滞后负序定子电压可见正序定子无功电流可以减小正序定子电压的幅值以满足电网运行导则要求，负序定子无功电流可以减小负序定子电压的幅值，从而达到控制机端电压不对称度的目的。

步骤4.2、定子电压正序分量与定子无功电流I_s关系按式(11)所示：

$I_s=\frac{U_g^{+}+U_g^{-}}{{\mathrm{\ω}}_s{L}_g}-\frac{1+n}{{\mathrm{\ω}}_s{L}_g}{U}_s^{+}---\left(11\right)$

式(11)中，n定义为电网电压不对称度，即负序定子电压的幅值与正序定子电压的幅值为之比，并有：

$n=\frac{U_s^{-}}{U_s^{+}}---\left(12\right)$

由式(11)可以看出随着定子电压正序分量增大定子无功电流I_s将减小，反之亦然，所以本发明通过控制定子电压正序分量来达到控制定子无功电流I_s的目的；

步骤4.3、电网电压不对称骤升情况下无功功率Q按式(13)计算：

Q＝Q_av+Q_sin sin2ω_st+Q_cos cos2ω_st (13)

式(13)中，Q_av为无功功率中的直流量，Q_sin为无功功率二倍频脉动正弦量，Q_cos为无功功率二倍频脉动余弦量；其中Q_sin和Q_cos按式(14)计算：

$\left\{\begin{array}{c}{Q}_{\sin }=\frac{3}{2}(U_{\mathrm{sq}+}^{+}{I}_{\mathrm{sq}-}^{-}-U_{\mathrm{sq}-}^{-}{I}_{\mathrm{sq}+}^{+})\\ Q_{\cos }=\frac{3}{2}(U_{\mathrm{sq}-}^{-}{I}_{\mathrm{sd}+}^{+}+U_{\mathrm{sq}+}^{+}{I}_{\mathrm{sd}-}^{-})\end{array}\right.---\left(14\right)$

若消除无功功率二倍频脉动正弦量Q_sin，则需利用式(15)使得Q_sin＝0：

$\frac{I_{\mathrm{sq}-}^{-}}{I_{\mathrm{sq}+}^{+}}=\frac{U_{\mathrm{sq}-}^{-}}{U_{\mathrm{sq}+}^{+}}=\frac{U_s^{-}}{U_s^{+}}=n---\left(15\right)$

由图2的空间矢量关系可以看出在电网电压定向的情况下有如式(16)的关系式：

$\begin{array}{cc}\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{sd}}^{+}=0\\ U_{\mathrm{sq}}^{+}=U_s^{+}\end{array}\right.& \left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{sd}}^{-}=0\\ U_{\mathrm{sq}}^{-}=U_s^{-}\end{array}\right.\end{array}---\left(16\right)$

根据式(15)可以消除无功功率二倍频脉动正弦量Q_sin，剩下的无功功率二倍频脉动余弦量Q_cos的脉动幅值按式(17)计算：

$\left|\tilde{Q}\right|=|\mathrm{nk}-\frac{1-k}{n}|Q^{*}---\left(17\right)$

为了消除无功功率二倍频脉动余弦量Q_cos的脉动幅值令此时计算出来的k值按式(18)所示：

$k=\frac{1}{1+n^2}---\left(18\right)$

步骤4.4、定子电压负序分量与k的关系式按式(19)所示：

$k=\frac{1}{1+n\frac{U_s^{-}-U_g^{-}}{\frac{1}{n}{U}_s^{-}+U_g^{+}}}---\left(19\right)$

式(19)中k定义为正序无功功率指令值与总无功功率指令值Q^*之比，其取值范围为k∈(0,1)，可以看出k越小，也减小，反过来促使k增大，所以可用来定子负序电压控制k；

步骤5、定子电流指令值计算：

利用式(20)获得正序sd+轴定子电流指令值和正序sq+轴定子电流指令值

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{sd}+}^{+*}=\frac{n+}{1-k+\mathrm{nk}}{I}_s\\ i_{\mathrm{sq}+}^{+*}=\frac{2P_{+}^{*}}{3U_s^{+}}\end{array}\right.---\left(20\right)$

式(20)中，表示正序有功功率指令值，并有：

$P_{+}^{*}=\frac{3}{2}(U_{\mathrm{sd}+}{I}_{\mathrm{sd}+}+U_{\mathrm{sq}+}{I}_{\mathrm{sq}+})---\left(21\right)$

利用式(22)获得负序sd-轴定子电流指令值和负序sq-轴定子电流指令值

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{sd}-}^{-*}=\frac{k-1}{1-k+\mathrm{nk}}{I}_s\\ i_{\mathrm{sq}-}^{-*}=\frac{2P_{-}^{*}}{3U_s^{-}}\end{array}\right.---\left(22\right)$

式(22)中，表示负序有功功率指令值，并有：

$P_{-}^{*}=\frac{3}{2}(U_{\mathrm{sq}-}{I}_{\mathrm{sd}-}+U_{\mathrm{sd}-}{I}_{\mathrm{sq}-})---\left(23\right)$

步骤6、转子电流指令值计算：

利用式(24)获得正序rd+轴转子电流指令值和正序rq+轴转子电流指令值

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{rd}+}^{+*}=\frac{U_s^{+}}{{\mathrm{\ω}}_s{L}_m}-\frac{L_s}{L_m}{i}_{\mathrm{sd}+}^{+*}\\ i_{\mathrm{rq}+}^{+*}=-\frac{L_s}{L_m}{i}_{\mathrm{sq}+}^{+*}\end{array}\right.---\left(24\right)$

式(24)中，表示正序定子电压的标量值，L_s表示定子电感值，L_m表示定子与转子之间的互感值，ω_s为同步旋转角频率；

利用式(25)获得负序rd-轴转子电流指令值和负序rq-轴转子电流指令值

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{rd}-}^{-*}=\frac{U_s^{-}}{{\mathrm{\ω}}_s{L}_m}-\frac{L_s}{L_m}{i}_{\mathrm{sd}-}^{-*}\\ i_{\mathrm{rq}-}^{-*}=-\frac{L_s}{L_m}{i}_{\mathrm{sq}-}^{-*}\end{array}\right.---\left(25\right)$

式(25)中，表示负序定子电压的幅值；

步骤7、利用式(26)对转子电流指令值进行坐标变换：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{r\α\β}}^{+*}=i_{\mathrm{rdq}+}^{+*}{e}^{j{\mathrm{\θ}}_{s+}}\\ i_{\mathrm{r\α\β}}^{-*}=i_{\mathrm{rdq}-}^{-*}{e}^{j{\mathrm{\θ}}_{s-}}\end{array}\right.---\left(26\right)$

式(26)中，表示正序两相静止坐标系αβ+下转子电流，为负序两相静止坐标系αβ-下转子电流，并有：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{rdq}+}^{+*}=i_{\mathrm{rd}+}^{*}+{\mathrm{ji}}_{\mathrm{rq}+}^{*}\\ i_{\mathrm{rdq}-}^{-*}=i_{\mathrm{rd}-}^{*}+{\mathrm{ji}}_{\mathrm{rq}-}^{*}\end{array}\right.---\left(27\right)$

步骤8、利用式(28)获得两相静止坐标系αβ下转子电流指令值

$i_{\mathrm{r\α\β}}^{*}=i_{\mathrm{r\α\β}}^{+*}+i_{\mathrm{r\α\β}}^{-*}---\left(28\right)$

步骤9、将转子侧三相电流i_rabc进行坐标变换得到i_rαβ'，再将i_rαβ'以转子电角度θ_r进行旋转获得两相静止坐标系αβ下转子电流i_rαβ；

步骤10、利用式(29)获得转子电流差值

$\mathrm{\Δ}{i}_{\mathrm{r\α\β}}^{*}=i_{\mathrm{r\α\β}}^{*}-i_{\mathrm{r\α\β}}---\left(29\right)$

步骤11、将转子电流差值输入到PR调节器中，获得转子电压Δu_rαβ；

PR调节器传递函数按式(30)所示；

$G\left(s\right)=\mathrm{Kp}+\frac{2\mathrm{Kr\ωcS}}{s^2+2\mathrm{\ωcS}+{\mathrm{\ω}}_0^2}---\left(30\right)$

式(30)中K_p、K_r、ω_c和ω₀分别表示电流控制器的比例系数、谐振系数、谐振调节器的截止频率和电网同步角频率，两相静止坐标系αβ都是相对于定子的，因此ω₀取100πrad/s；

将转子电压Δu_rαβ以负的转子电角度θ_r进行旋转后输入到SVPWM模块中获得PWM驱动信号，以PWM驱动信号对转子侧变流器进行控制，基于此通过控制电网正负序电压，同时向电网注入正负序感性无功电流，实现了机端电压不对称骤升时电网不对称度和无功功率脉动抑制的复合控制目标。

Claims (1)

1.一种双馈风力发电机组电网电压不平衡骤升的无功功率控制方法，所述双馈风力发电机组包括：转子侧变流器、双馈风力发电机、电网和处理器模块；所述处理器模块包括：锁相环、PR调节器、第一PI调节器、第二PI调节器和SVPWM模块；所述电网通过输电线路与所述双馈风力发电机的定子相连；所述双馈风力发电机的转子通过输电线路与转子侧变流器相连；其特征是，所述无功功率控制方法按如下步骤进行：

步骤1、当电网电压发生不对称骤升时，分别检测所述双馈风力发电机的定子侧三相电压u_sabc、定子侧三相电流i_sabc、转子侧三相电流i_rabc和转子电角度θ_r，并传递给所述处理器模块；

步骤2、所述处理器模块利用所述锁相环将所述定子侧三相电压u_sabc解耦成正序定子电压和负序定子电压所述正序定子电压的幅值为所述负序定子电压的幅值为并利用式(1)和式(2)分别将所述正序定子电压和所述负序定子电压分量进行分解；

$u_s^{+}=u_{sd}^{+}+{\mathrm{ju}}_{sq}^{+}---\left(1\right)$

$u_s^{-}=u_{sd}^{-}+{\mathrm{ju}}_{sq}^{-}---\left(2\right)$

式(1)中，表示正序定子sd+轴电压，表示正序定子sq+轴电压；

式(2)中，表示负序定子sd-轴电压，表示负序定子sq-轴电压；

步骤3、所述处理器模块将检测到的定子侧三相电流i_sabc按式(3)进行旋转坐标系的坐标变换，得到正序同步旋转坐标系dq+下定子电流i_sdq+和负序同步旋转坐标系dq-下定子电流i_sdq-：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{sdq+}=R\left({\mathrm{\θ}}_s\right)i_{sabc}\\ i_{sdq-}=R^{\′}(-{\mathrm{\θ}}_s)i_{sabc}\end{array}\right.---\left(3\right)$

式(3)中，R(θ_s)表示正序坐标系变换，并有：

式(3)中R'(-θ_s)表示负序坐标系变换，并有：

式(3)和(4)中，θ_s为同步旋转坐标系与两相静止坐标系αβ之间的夹角；

利用式(6)对i_sdq+和i_sdq-进行分解：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{sdq+}=i_{sd+}+{\mathrm{ji}}_{sq+}\\ i_{sdq-}=i_{sd-}+{\mathrm{ji}}_{sq-}\end{array}\right.---\left(6\right)$

式(6)中，i_sd+为正序定子sd+轴电流，i_sq+为正序定子sq+轴电流；i_sd-为负序定子sd-轴电流，i_sq-为负序定子sq-轴电流；

步骤4、将所述正序定子电压的幅值输入所述第一PI调节器获得定子无功电流I_s；将所述负序定子电压的幅值输入第二PI调节器获得正序无功功率指令值与总无功功率指令值Q^*之比k；

利用式(7)获得所述正序无功功率指令值

$Q_{+}^{*}=\frac{3}{2}(U_{sq+}{I}_{sd+}-U_{sd+}{I}_{sq+})---\left(7\right)$

式(7)中，U_sd+表示所述正序定子sd+轴电压的幅值；U_sq+示所述正序定子sq+轴电压的幅值；I_sd+表示所述正序定子sd+轴电流i_sd+的幅值；I_sq+示所述正序定子sq+轴电流i_sq+的幅值；

利用式(8)获得负序无功功率

$Q_{-}^{*}=\frac{3}{2}(U_{sq-}{I}_{sd-}-U_{sd-}{I}_{sq-})---\left(8\right)$

式(8)中，U_sd-表示所述负序定子sd-轴电压的幅值；U_sq-表示所述负序定子sq-轴电压的幅值；I_sd-表示所述负序定子sd-轴电流i_sd-的幅值；I_sq-表示所述负序定子sq-轴电流i_sq-的幅值；

利用式(9)获得所述总无功功率指令值Q^*：

$Q^{*}=Q_{+}^{*}+Q_{-}^{*}---\left(9\right)$

步骤5、定子电流指令值计算：

利用式(10)获得正序sd+轴定子电流指令值和正序sq+轴定子电流指令值

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{sd+}^{+*}=\frac{nk}{1-k+nk}{I}_s\\ i_{sq+}^{+*}=\frac{2P_{+}^{*}}{3U_s^{+}}\end{array}\right.---\left(10\right)$

式(10)中，n表示电网电压不对称度，即负序定子电压的幅值与正序定子电压的幅值为之比，表示正序有功功率指令值，并有：

$P_{+}^{*}=\frac{3}{2}(U_{sd+}{I}_{sd+}+U_{sq+}{I}_{sq+})---\left(11\right)$

利用式(12)获得负序sd-轴定子电流指令值和负序sq-轴定子电流指令值

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{sd-}^{-*}=\frac{k-1}{1+k+nk}{I}_s\\ i_{sq-}^{-*}=\frac{2P_{-}^{*}}{3U_s^{-}}\end{array}\right.---\left(12\right)$

式(12)中，表示负序有功功率指令值，并有：

$P_{-}^{*}=\frac{3}{2}(U_{sd-}{I}_{sd-}+U_{sq-}{I}_{sq-})---\left(13\right)$

步骤6、转子电流指令值计算：

利用式(14)获得正序rd+轴转子电流指令值和正序rq+轴转子电流指令值

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{rd+}^{+*}=\frac{U_s^{+}}{{\mathrm{\ω}}_s{L}_m}-\frac{L_s}{L_m}{i}_{sd+}^{+*}\\ i_{rq+}^{+*}=-\frac{L_s}{L_m}{i}_{sq+}^{+*}\end{array}\right.---\left(14\right)$

式(14)中，表示正序定子电压的幅值，L_s表示定子电感值，L_m表示定子与转子之间的互感值，ω_s为同步旋转角频率；

利用式(15)获得负序rd-轴转子电流指令值和负序rq-轴转子电流指令值

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{rd-}^{-*}=-\frac{U_s^{-}}{{\mathrm{\ω}}_s{L}_m}-\frac{L_s}{L_m}{i}_{sd-}^{-*}\\ i_{rq-}^{-*}=-\frac{L_s}{L_m}{i}_{sq-}^{-*}\end{array}\right.---\left(15\right)$

式(15)中，表示所述负序定子电压的幅值；

步骤7、利用式(16)对所述转子电流指令值进行坐标变换：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{r\mathrm{\α}\mathrm{\β}}^{+*}=i_{rdq+}^{+*}{e}^{{\mathrm{j\θ}}_{s+}}\\ i_{r\mathrm{\α}\mathrm{\β}}^{-*}=i_{rdq-}^{-*}{e}^{{\mathrm{j\θ}}_{s-}}\end{array}\right.---\left(16\right)$

式(16)中，表示正序两相静止坐标系αβ+下转子电流，为负序两相静止坐标系αβ-下转子电流，并有：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{rdq+}^{+*}=i_{rd+}^{+*}+{\mathrm{ji}}_{rq+}^{+*}\\ i_{rdq-}^{-*}=i_{rd-}^{-*}+{\mathrm{ji}}_{rq-}^{-*}\end{array}\right.---\left(17\right)$

步骤8、利用式(18)获得两相静止坐标系αβ下转子电流指令值

$i_{r\mathrm{\α}\mathrm{\β}}^{*}=i_{r\mathrm{\α}\mathrm{\β}}^{+*}+i_{r\mathrm{\α}\mathrm{\β}}^{-*}---\left(18\right)$

步骤9、将所述转子侧三相电流i_rabc进行坐标变换得到i_rαβ'，再将i_rαβ'以所述转子电角度θ_r进行旋转获得两相静止坐标系αβ下转子电流i_rαβ；

步骤10、利用式(19)获得转子电流差值

${\mathrm{\Δi}}_{r\mathrm{\α}\mathrm{\β}}^{*}=i_{r\mathrm{\α}\mathrm{\β}}^{*}-i_{r\mathrm{\α}\mathrm{\β}}---\left(19\right)$

步骤11、将所述转子电流差值输入到所述PR调节器中，获得转子电压Δu_rαβ；将所述转子电压Δu_rαβ以负的转子电角度θ_r进行旋转后输入到所述SVPWM模块中获得PWM驱动信号，以所述PWM驱动信号对转子侧变流器进行控制，从而实现所述双馈风力发电机组电网电压不平衡骤升的无功功率控制方法。