CN104682444A - 一种电网永磁直驱式风电系统变流器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电网永磁直驱式风电系统变流器控制方法，该系统由风力机、永磁直驱式同步发电机、机侧和网侧变换器、PWM控制信号产生装置、机侧和网侧变换器控制模块等构成。提出一种电网故障情况下永磁直驱式风电系统变流器控制方法，机侧变换器采用基于电压跌落因子的控制策略，通过有功功率信号和电压跌落因子相互融合，保证了直流侧电容两侧的功率基本相等，在实现电网侧变换器交流侧不过流的同时，直流侧电压将被控制在一个安全范围内，实现了功率平稳交互。网侧变换器采用可调电压外环控制策略，在故障和非故障状态下采用不同的PI调节器参数，能够适应各种电网故障，在故障状态下能对电网提供一定的无功支持，提高风电机组的故障穿越运行能力。

Description

一种电网永磁直驱式风电系统变流器控制方法

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，具体应用于永磁直驱式风力发电系统，主要解决在电网故障情况下风力发电系统中变流器控制。

背景技术

随着风电穿透功率的不断增加，风电机组和电网之间的相互作用也愈强，当电网发生电压跌落故障时，从电力系统稳定的角度考虑，要求风电机组在一定范围内不脱网运行。永磁直驱式同步风力发电机组采用全功率并网变换器与电网连接，实现了电网与发电机之间的隔离，应对电网故障的能量更强，省去了齿轮箱机构，简化了风电机组的传动链系统，整体效率大大提高，因而得到了广泛应用。永磁直驱式同步发电系统采用全功率并网变换器实现并网发电，并网变换器直流侧电压稳定是保证机组可靠运行的关键，电网电压故障发生深度跌落后，网侧变换器输出功率收到限制，造成机侧和网侧两端功率不平衡，要通过有效的办法解决产生的功率差。有鉴于此，提出一种电网故障情况下永磁直驱式风电系统变流器控制方法，机侧变换器采用基于电压跌落因子的控制策略，该策略保证了直流侧电容两侧的功率基本相等，在实现电网侧变换器交流侧不过流的同时，直流侧电压将被控制在一个安全范围内。网侧变换器采用可调电压外环控制策略，能够以较小的直流侧电压波动为代价实现网侧有功功率平滑输出。通过实施综合的控制策略，能够适应各种电网故障，故障中均能对电网提供一定的无功支持，提高了风电机组的故障穿越运行能力。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种电网故障情况下永磁直驱式风电系统变流器控制方法，一种电网永磁直驱式风电系统变流器控制方法，机侧变换器采用基于电压跌落因子的控制策略，网侧变换器采用可调电压外环控制策略，该策略保证直流侧电压将被控制在一个安全范围内，实现网侧有功功率平滑输出，提高风电机组的故障穿越运行能力。

一种电网永磁直驱式风电系统变流器控制方法，电网永磁直驱式风电系统包括风力机——将风能转化为机械能、永磁直驱式同步发电机——将机械能转化为电能输出；机侧和网侧变换器——实现风力发电机输出功率和电网交互；机侧变换器控制——通过基于电压跌落因子的策略实现机侧变换器控制；网侧变换器控制——通过采用可调电压外环控制策略实现网侧变换器控制；该系统机侧变换器和网侧变换器采用不同的控制策略。

机侧变换器采用基于电压跌落因子的控制策略，当发生电压跌落故障时，通过有功功率和跌落因子相乘，得到转速参考信号，和实际测得的转速比较，将其偏差送入转速PI调节器，再通过电流内环控制，经坐标变换后得到机侧变换器的PWM控制信号，有效的调节了机侧变换器输入到直流侧的有功功率，使其等于网侧变换器馈入到电网的有功功率；

网侧变换器采用可调电压外环控制策略；首先进行故障判断，当电网无故障时，按照常规电压PI调节器一运行；当电网出现电网电压跌落故障时，按照电压稳定原则选取PID调节器参数，此时按照电压PI调节器二运行，电压PI调节器选择通过信号切换功能实现。在电网出现电压跌落故障时，系统中叠加了电流前馈分量，用以保证直流侧电压稳定，该信号和电容电流一起构成网侧变换器电流参考信号取馈入电网的有功功率参考值为

网侧变换器采用可调电压外环控制策略；当电网无故障时，按照常规电压PI调节器一运行，当电网出现电网电压跌落故障时，按照电压稳定选取PID调节器参数，此时按照电压PI调节器二运行，系统中叠加了电流前馈，用以保证直流侧电压稳定；具体分析如下：

$P_C-P_S=u_{\mathrm{dc}}C\frac{{\mathrm{du}}_{\mathrm{dc}}}{\mathrm{dt}}$

P_S＝u_sdi_sd+u_sqi_sq

P_C＝u_dci_g

从而得出： $i_g=\frac{u_{\mathrm{sd}}{i}_{\mathrm{sd}}+u_{\mathrm{sq}}{i}_{\mathrm{sq}}}{u_{\mathrm{dc}}}+C\frac{{\mathrm{du}}_{\mathrm{dc}}}{\mathrm{dt}}$

其中P_C、P_S为直流侧和风力发电机发出有功功率，u_dc为直流侧电压，u_sd、i_sd为永磁同步发电机定子直轴电压和电流分量，u_sq、i_sq为永磁同步发电机定子交轴电压和电流分量，i_g为网侧变换器电流，取馈入电网的有功功率参考值为

永磁直驱式同步风电系统结构图如图1所示。该系统主要由风力机、永磁同步发电机、网侧变换器和机侧变换器构成，核心为对机侧和网侧变换器的控制策略。

机侧变换器控制采用基于电压跌落因子的控制思路，具体结构如图2所示，当发生电压跌落故障时，调节机侧变换器输入到直流侧的有功功率，使其等于网侧变换器馈入到电网的有功功率，因此，保证直流侧电网两端功率平衡，将直流侧电压限制在安全范围内。

网侧变换器采用可调电压外环控制策略，如图3所示。当电网无故障时，按照常规电压PI调节器一运行，当电网出现电网电压跌落故障时，按照电压稳定选取PID调节器参数，此时按照电压PI调节器二运行，系统中叠加了电流前馈，用以保证直流侧电压稳定。具体分析如下：

$P_C-P_S=u_{\mathrm{dc}}C\frac{{\mathrm{du}}_{\mathrm{dc}}}{\mathrm{dt}}$

P_S＝u_sdi_sd+u_sqi_sq

P_C＝u_dci_g

从而得出： $i_g=\frac{u_{\mathrm{sd}}{i}_{\mathrm{sd}}+u_{\mathrm{sq}}{i}_{\mathrm{sq}}}{u_{\mathrm{dc}}}+C\frac{{\mathrm{du}}_{\mathrm{dc}}}{\mathrm{dt}}$

其中P_C、P_S为直流侧和风力发电机发出有功功率，u_dc为直流侧电压，u_sd、i_sd为永磁同步发电机定子直轴电压和电流分量，u_sq、i_sq为永磁同步发电机定子交轴电压和电流分量，i_g为网侧变换器电流，取馈入电网的有功功率参考值为

有益效果：

通过有功功率信号和电压跌落因子相互融合，保证了直流侧电容两侧的功率基本相等，在实现电网侧变换器交流侧不过流的同时，直流侧电压将被控制在一个安全范围内，实现了功率平稳交互。网侧变换器采用可调电压外环控制策略，在故障和非故障状态下采用不同的PI调节器参数，能够适应各种电网故障，在故障状态下能对电网提供一定的无功支持，提高风电机组的故障穿越运行能力。

附图说明

图1永磁直驱式同步发电系统结构图；

图2基于跌落因子的机侧变换器控制结构图；

图3网侧变换器控制结构图。

具体实施方式

为了使从事风电技术相关领域人员能更好地理解本发明方案，下面参照附图对本发明实施方式进行详细说明。

参见图1，本系统提供了，一个永磁直驱式同步风电系统，该系统包含风力机，直接和永磁同步发电机相连接，通过桨叶，将风能转换为机械能，再通过转轴输入到永磁同步发电机转子上，带动永磁同步发电机旋转；永磁同步发电机输出接机侧变流器，可将发电机发出的交流电变换为直流电，通过直流侧大电容，经网侧变换器，将能量馈入电网。网侧变换器和机侧变换器通过PWM变换器控制。

参见图2，本系统提供了一个基于跌落因子的机侧变换器控制结构图，当发生电压跌落故障时，通过有功功率和跌落因子相乘，得到转速参考信号，和实际测得的转速比较，将其偏差送入转速PI调节器，再通过电流内环控制，经坐标变换后得到机侧变换器的PWM控制信号，有效的调节了机侧变换器输入到直流侧的有功功率，使其等于网侧变换器馈入到电网的有功功率，因此，保证直流侧电网两端功率平衡，将直流侧电压限制在安全范围内。

参见图3，本系统提供了一个网侧变换器控制结构图，网侧变换器采用可调电压外环控制策略。首先进行故障判断，当电网无故障时，按照常规电压PI调节器一运行；当电网出现电网电压跌落故障时，按照电压稳定原则选取PID调节器参数，此时按照电压PI调节器二运行，电压PI调节器选择通过信号切换功能实现。在电网出现电压跌落故障时，系统中叠加了电流前馈分量，用以保证直流侧电压稳定，该信号和电容电流一起构成网侧变换器电流参考信号取馈入电网的有功功率参考值为

永磁直驱式同步风电系统结构图如图1所示。该系统主要由风力机、永磁同步发电机、网侧变换器和机侧变换器构成，核心为对机侧和网侧变换器的控制策略。

机侧变换器控制采用基于电压跌落因子的控制思路，具体结构如图2所示，当发生电压跌落故障时，调节机侧变换器输入到直流侧的有功功率，使其等于网侧变换器馈入到电网的有功功率，因此，保证直流侧电网两端功率平衡，将直流侧电压限制在安全范围内。

网侧变换器采用可调电压外环控制策略，如图3所示。当电网无故障时，按照常规电压PI调节器一运行，当电网出现电网电压跌落故障时，按照电压稳定选取PID调节器参数，此时按照电压PI调节器二运行，系统中叠加了电流前馈，用以保证直流侧电压稳定。具体分析如下：

$P_C-P_S=u_{\mathrm{dc}}C\frac{{\mathrm{du}}_{\mathrm{dc}}}{\mathrm{dt}}$

P_S＝u_sdi_sd+u_sqi_sq

P_C＝u_dci_g

从而得出： $i_g=\frac{u_{\mathrm{sd}}{i}_{\mathrm{sd}}+u_{\mathrm{sq}}{i}_{\mathrm{sq}}}{u_{\mathrm{dc}}}+C\frac{{\mathrm{du}}_{\mathrm{dc}}}{\mathrm{dt}}$

其中P_C、P_S为直流侧和风力发电机发出有功功率，u_dc为直流侧电压，u_sd、i_sd为永磁同步发电机定子直轴电压和电流分量，u_sq、i_sq为永磁同步发电机定子交轴电压和电流分量，i_g为网侧变换器电流，取馈入电网的有功功率参考值为

通过有功功率信号和电压跌落因子相互融合，保证了直流侧电容两侧的功率基本相等，在实现电网侧变换器交流侧不过流的同时，直流侧电压将被控制在一个安全范围内，实现了功率平稳交互。网侧变换器采用可调电压外环控制策略，在故障和非故障状态下采用不同的PI调节器参数，能够适应各种电网故障，在故障状态下能对电网提供一定的无功支持，提高风电机组的故障穿越运行能力。

以上内容是结合优选技术方案对本发明所做的详细说明，不能认定发明的具体实施仅限于这些，对于在不脱离本发明思想前提下做出的简单推演及替换，都应当视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种电网永磁直驱式风电系统变流器控制方法，电网永磁直驱式风电系统包括风力机——将风能转化为机械能、永磁直驱式同步发电机——将机械能转化为电能输出；机侧和网侧变换器——实现风力发电机输出功率和电网交互；机侧变换器控制——通过基于电压跌落因子的策略实现机侧变换器控制；网侧变换器控制——通过采用可调电压外环控制策略实现网侧变换器控制；其特征在于：该系统机侧变换器和网侧变换器采用不同的控制策略；

机侧变换器采用基于电压跌落因子的控制策略，当发生电压跌落故障时，通过有功功率和跌落因子相乘，得到转速参考信号，和实际测得的转速比较，将其偏差送入转速PI调节器，再通过电流内环控制，经坐标变换后得到机侧变换器的PWM控制信号，有效的调节了机侧变换器输入到直流侧的有功功率，使其等于网侧变换器馈入到电网的有功功率；

网侧变换器采用可调电压外环控制策略；首先进行故障判断，当电网无故障时，按照常规电压PI调节器一运行；当电网出现电网电压跌落故障时，按照电压稳定原则选取PID调节器参数，此时按照电压PI调节器二运行，电压PI调节器选择通过信号切换功能实现；在电网出现电压跌落故障时，系统中叠加了电流前馈分量，用以保证直流侧电压稳定，该信号和电容电流一起构成网侧变换器电流参考信号取馈入电网的有功功率参考值为 $P_g^{*}=u_{\mathrm{dc}}{i}_g^{*};$

网侧变换器采用可调电压外环控制策略；当电网无故障时，按照常规电压PI调节器一运行，当电网出现电网电压跌落故障时，按照电压稳定选取PID调节器参数，此时按照电压PI调节器二运行，系统中叠加了电流前馈，用以保证直流侧电压稳定；具体分析如下：

$P_C-P_S=u_{\mathrm{dc}}C\frac{{\mathrm{du}}_{\mathrm{dc}}}{\text{dt}}$

P_S＝u_sdi_sd+u_sqi_sq

P_C＝u_dci_g

从而得出： $i_g=\frac{u_{\mathrm{sd}}{i}_{\mathrm{sd}}+u_{\mathrm{sq}}{i}_{\mathrm{sq}}}{u_{\mathrm{dc}}}+C\frac{{\mathrm{du}}_{\mathrm{dc}}}{\mathrm{dt}}$

其中P_C、P_S为直流侧和风力发电机发出有功功率，u_dc为直流侧电压，u_sd、i_sd为永磁同步发电机定子直轴电压和电流分量，u_sq、i_sq为永磁同步发电机定子交轴电压和电流分量，i_g为网侧变换器电流，取馈入电网的有功功率参考值为 $P_g^{*}=u_{\mathrm{dc}}{i}_g^{*}.$