CN104734537B - 一种基于正负序电流内环控制的风电换流器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于正负序电流内环控制的风电换流器控制方法，包括以下步骤：1)检测电网的电量参数，判断电网发生的不对称故障类型；2)根据不对称故障类型检测获得发生故障的不平衡电网电量；3)将发生故障的不平衡电网电量分解为正序分量和负序分量，并将该正负序分量转换到正、负旋转坐标系中；4)建立正负序电流控制模型，并根据控制模型消除不对称电网故障的二次谐波分量，以及确保输出电量的正弦波形。与现有技术相比，本发明具有控制性能好、方法先进等优点。

Description

一种基于正负序电流内环控制的风电换流器控制方法

技术领域

本发明涉及一种风电换流器的控制方法，尤其是涉及一种基于正负序电流内环控制的风电换流器控制方法

背景技术

传统的直流输电PWM换流器控制策略是假定电网是对称的，三相电压时间和空间都是互差120度。而当电网电压出现不对称故障的时候，这种控制策略会产生二次谐波，影响换流电路的性能。传统的控制策略无法保证有良好的效果，二次谐波幅值增大，产生非特征谐波，同时损耗相应增大，严重时可能造成PWM换流器的烧毁。所以近年来国内国外都对不对称故障下PWM换流器的控制策略进行研究。改进后的策略必须要保证两个性能指标:输出电压的恒定以及输入电流的正弦。

为了使换流器在电网不对称条件下仍然正常运行，必须抑制输入侧的谐波功率。电网不对称故障引起用户电网终端存在着正序和负序电压，为了抑制谐波功率，必然需要让PWM换流器存在相应的负序电流，才能满足单位功率因数运行。传统的双闭环系统中仅对正序电流进行直接控制，而在电网电压不对称时候，则需要改进电流控制策略对网侧的负序电流也进行控制。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种控制性能好、方法先进的基于正负序电流内环控制的风电换流器控制方法

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于正负序电流内环控制的风电换流器控制方法，包括以下步骤：

1)检测电网的电量参数，判断电网发生的不对称故障类型；

2)根据不对称故障类型检测获得发生故障的不平衡电网电量；

3)将发生故障的不平衡电网电量分解为正序分量和负序分量，并将该正负序分量转换到正、负旋转坐标系中；

4)建立正负序电流控制模型，并根据控制模型消除不对称电网故障的二次谐波分量，以及确保输出电量的正弦波形。

所述的不对称故障类型包括三相电压等值跌落故障、单相电压跌落故障、相间电压故障和两相对地短路故障。

所述的步骤2)的不平衡电网电量可分为正序电量分量和负序电量分量。

所述的正序电量分量包括电压正序分量和电流正序分量，所述的负序电量分量包括电压负序分量和电流负序分量。

所述的步骤4)具体包括以下步骤：

41)根据直流驱动风力发电机组接线方式获取网侧电磁暂态模型，网侧电磁暂态模型表达式为：

其中，下标d为正、负旋转坐标系的d轴，下标q为正、负旋转坐标系的q轴，上标+为正序，上标-为负序，L为电感，R为电阻，I为轴电流，U为轴电压，V为调制电压，ω为电网电压角频率；

42)根据电磁暂态模型计算网侧输出的瞬时有功功率，并根据瞬时有功功率获得电流控制目标，控制目标的表达式为：

S(t)＝P(t)+jQ(t)

D＝[(u_d ⁺)²+(u_q ⁺)²]+[(u_d ^-)²+(u_q ^-)²]

其中，u为轴瞬时电压，i为轴瞬时电流，S(t)为电网输出复功率，P(t)为电网输出有功功率，Q(t)为电网输出无功功率，P₀为基波有功功率，Q₀为基波无功功率，P_cos2和P_sin2分别为二次谐波有功分量，Q_cos2和Q_sin2分别为二次谐无有功分量；

43)根据电磁暂态模型获得正负序电流控制模型的正、负序控制器表达式，正序控制器表达式为：

负序控制器表达式为：

其中，K_p和K_i为PI调节器参数，和为轴参考电流；

44)根据控制目标和基波有功功率P₀得到d、q轴正、负序瞬时电流参考值 和

P₀＝Vdc^*Idc^*

其中，Udc^*为直流侧瞬时参考电压，Udc为直流侧瞬时电压，Idc^*为直流侧参考电流，Vdc^*为直流侧参考电压；

45)根据电流控制目标和正、负序控制器表达式建立正负序电流控制模型。

所述的正序电量分量和负序电量分量通过滤波器或者正负序电量的T/4延时计算的方法获取。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、控制性能好：基于正负序分量检测的控制方法在对称电网下有和传统控制策略相近的控制特性，在不对称电网故障下能够保证直流输出电压的稳定和输入电流的正弦，有效的抑制谐波功率的产生。

二、方法先进：本方法保证了换流器在电网故障下的不间断运行，仿真结果也验证了该控制策略有非常优良的控制性能，是电网故障下控制风电换流器的有效手段。

附图说明

图1为本方法的方法流程图。

图2为正负序电流控制模型仿真结构图。

图3为2f陷波器正负序分离的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例：

如图1所示，一种基于正负序电流内环控制的风电换流器控制方法，包括以下步骤：

1)检测电网的电量参数，判断电网发生的不对称故障类型，不对称故障类型包括三相电压等值跌落故障、单相电压跌落故障、相间电压故障和两相对地短路故障；

2)根据不对称故障类型检测获得发生故障的不平衡电网电量，不平衡电网电量可分为正序电量分量和负序电量分量，正序电量分量包括电压正序分量和电流正序分量，所述的负序电量分量包括电压负序分量和电流负序分量，正序电量分量和负序电量分量通过滤波器或者正负序电量的T/4延时计算的方法获取；

3)将发生故障的不平衡电网电量分解为正序分量和负序分量，并将该正负序分量转换到正、负旋转坐标系中；

4)建立正负序电流控制模型，并根据控制模型消除不对称电网故障的二次谐波分量，以及确保输出电量的正弦波形，具体包括以下步骤：

41)根据直流驱动风力发电机组接线方式获取网侧电磁暂态模型，网侧电磁暂态模型表达式为：

其中，下标d为正、负旋转坐标系的d轴，下标q为正、负旋转坐标系的q轴，上标+为正序，上标-为负序，L为电感，R为电阻，I为轴电流，U为轴电压，V为调制电压，ω为电网电压角频率；

42)根据电磁暂态模型计算网侧输出的瞬时有功功率，并根据瞬时有功功率获得电流控制目标，控制目标的表达式为：

S(t)＝P(t)+jQ(t)

D＝[(u_d ⁺)²+(u_q ⁺)²]+[(u_d ^-)²+(u_q ^-)²]

其中，u为轴瞬时电压，i为轴瞬时电流，S(t)为电网输出复功率，P(t)为电网输出有功功率，Q(t)为电网输出无功功率，P₀为基波有功功率，Q₀为基波无功功率，P_cos2和P_sin2分别为二次谐波有功分量，Q_cos2和Q_sin2分别为二次谐无有功分量；

43)根据电磁暂态模型获得正负序电流控制模型的正、负序控制器表达式，正序控制器表达式为：

负序控制器表达式为：

其中，K_p和K_i为PI调节器参数，和为轴参考电流；

44)根据控制目标和基波有功功率P₀得到d、q轴正、负序瞬时电流参考值 和

P₀＝Vdc^*Idc^*

其中，Udc^*为直流侧瞬时参考电压，Udc为直流侧瞬时电压，Idc^*为直流侧参考电流，Vdc^*为直流侧参考电压；

45)根据电流控制目标和正、负序控制器表达式建立正负序电流控制模型，如图2所示。

本发明应用的是正负序d、q电流内环控制，这种方法基于不对称电网下正负序分量的检测。正负序d、q坐标控制的方法是对传统双闭环结构的一种改进。它继承了传统的双闭环结构，控制思想比较直接，并且能够很好地分别在不对称电网下对正负序量进行控制，保证了PWM换流器在故障电网下的输入输出特性，提高它的不间断运行能力。

作为控制前提，电网是一个三相三线制的电网，各相电压瞬时值之和为零，在进行控制分析之前，提出以下几个假定；

1.用户终端电网是一个三相三线制系统，所以故障中不存在零序电流；

2.用户终端电网中正序和负序分量的阻抗相同，并且远小于PWM整流器，所以可以将电网看成是一个理想的正序三相电源和一个理想的负序三相电源的串联；

3.高压端两相对地短路时，假定零序阻抗较大，使得故障两相的电压幅值不能完全为零，不出现极端情况，所以正负序分量不能相等。

在假定下，用户终端电网故障的类型有5种类型，这样用户终端的电网就成为了没有零序分量，负序分量可调的故障电网。

目前，正负序分量分离的一般的方法是使用滤波器，低通、带通、带阻和高通都可以达到需要的效。另外，也有针对正负序分量的特点对采样点进行数学计算，从而得到比较理想的正负序量的T/4延时计算法。

陷波器进行正负序分量分离

在dq同步旋转坐标系中可以发现：正序同步坐标中，正序分量为一个直流量，负序分量为一个2倍频的正弦量。同样，在负序同步坐标系中，负序分量为一个直流量，正序分量为一个2倍频的正弦量。下表表示的是正负序分量在常用坐标轴下的旋转速度，如图3所示，在dq坐标系下，为了将正负序分量分离，可以用2f陷波器来滤除正(负)序分量。

数字滤波器技术目前已经发展的比较成熟，应用领域比较广。而且精度可以做的比较高，滤波只需要几个采样点就可以进行，但是滤波器用在本文的控制上有两个明显的缺点：(1)滤波器的不能做到无差分离，本文的控制算法是建立在正负序分量分离的基础上的，这就要求分离中有非常高的精度。尽管滤波器的阶数可以做的很高来提高滤波的精度，但是首先牺牲了响应的速度，引起较大的时延；其次增加了控制的复杂程度，增加了处理器中编程的难度，(2)滤波器会破坏系统的稳定性，一个系统的稳定需要有一定的稳定余量，滤波器在控制系统中必须被看成一个独立的环节，当滤波器的阶数越高，也就对系统的稳定性能影响越大，而低阶的滤波器又不能取得到很好的滤波效果，滤波器的使用同时也影响系统的稳定性能，增加了确定PI参数的难度。

T/4延时计算法进行正负序分量分离

数字滤波器是一种通用的算法，应用在本文的特殊场合中存在弊端。所以希望从不对称变量的特征上来提出一种比较有针对性的方法，下式是正负序分量的表达，根据电网故障的假设，是三相三线制系统，没有零序分量。

其中f_α(t)、f_β(t)指的是这个时刻的αβ轴上的幅值，f_p、f_n指的是正负序分量的幅值。下式是T/4周期前的不对称的矢量表示。体现在相位上正序分量落后了π/2，负序分量超前了π/2。

其中，指的是T/4周期前时刻的αβ轴上的幅值。可以对上式进行简化，得到：

其中f_αp、f_βp、f_αn、f_βn是正负序分量在αβ轴上的幅值。

从中可以发现，当知道t时刻前T/4的信号状态，假定这个信号在前T/4周期内按照一定的正负序组合变化，那么在t时刻可以得到这段时间中正负分量组合在t时刻的表达。单从计算上看，T/4延时的方法是一种非常理想的计算方法，能够无差的将正负序分量分离开来。而且和滤波器最大的不同，优点在于基本上对控制系统的稳定性没有任何影响。在控制系统中不需要将变换作为一个独立的环节来考虑，因此可以忽略计算的影响。这对从对称控制到不对称控制的改进有很大的优势，PI参数有很宽的可调范围。

从两种分量分离的方法来看，T/4延时计算的方法更加具有针对性，但是动态时间从原理上要长于使用滤波器。因为本文进行的仿真和实验的故障都不是瞬时故障，希望能够得到很好的稳态性能而对于动态过程的影响要求不高。因此，T/4延时计算的方法更适合使用在本文的不对称控制系统中。

为分析不对称电压下风电并网暂稳态过程，验证上文所提的基于正负序分量检测的双闭环控制策略，本文使用了Matlab/Simulink建立了单端风电场和变流器模型。

系统各项参数为：

三相电源电压峰值380V、频率50HZ、最大功率10kW、直流侧并联电容0.82mF、直流侧负载60Ω、故障类型单相电压跌落0.5p.u.、故障持续时间1s。

系统各项PI调节器参数如表1所示：

表1系统各项PI调节器参数表

从仿真中可以得出：

1、基于负序分量检测的控制策略在交流电压正常时也可以正常工作。

2、交流电压发生电压跌落时，采用传统控制方法在直流端产生了幅值为0.05p.u.的二次谐波。而采用改进控制方法后，初始二次谐波幅值明显减小(约为0.02p.u.)且在0.5s的暂态波动后完全消去了二次谐波并使电压稳定在参考值。

综上，基于正负序分量检测的控制方法在对称电网下有和传统控制策略相近的控制特性，在不对称电网故障下能够保证直流输出电压的稳定和输入电流的正弦，有效的抑制谐波功率的产生。它保证了换流器在电网故障下的不间断运行。仿真结果也验证了该控制策略有非常优良的控制性能，是电网故障下控制风电换流器的有效手段。

Claims (5)

1.一种基于正负序电流内环控制的风电换流器控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)检测电网的电量参数，判断电网发生的不对称故障类型；

2)根据不对称故障类型检测获得发生故障的不平衡电网电量；

3)将发生故障的不平衡电网电量分解为正序分量和负序分量，并将该正、负序分量转换到正、负旋转坐标系中；

4)建立正负序电流控制模型，并根据控制模型消除不对称电网故障的二次谐波分量，以及确保输出电量的正弦波形，所述的步骤4)具体包括以下步骤：

41)根据直流驱动风力发电机组接线方式获取网侧电磁暂态模型，网侧电磁暂态模型表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}\left(\begin{array}{c}{V}_d^{+}\\ V_q^{+}\end{array}\right)=L\frac{d}{dt}\left(\begin{array}{c}{I_d}^{+}\\ {I_q}^{+}\end{array}\right)+R\left(\begin{array}{c}{I_d}^{+}\\ {I_q}^{+}\end{array}\right)+\mathrm{\ω}L\left(\begin{array}{c}-{I_q}^{+}\\ {I_d}^{+}\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}{U_d}^{+}\\ {U_q}^{+}\end{array}\right)\\ \left(\begin{array}{c}{V}_d^{-}\\ V_q^{-}\end{array}\right)=L\frac{d}{dt}\left(\begin{array}{c}{I_d}^{-}\\ {I_q}^{-}\end{array}\right)+R\left(\begin{array}{c}{I_d}^{-}\\ {I_q}^{-}\end{array}\right)+\mathrm{\ω}L\left(\begin{array}{c}{I_q}^{-}\\ -{I_d}^{-}\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}{U_d}^{-}\\ {U_q}^{-}\end{array}\right)\end{array}\right.$

其中，下标d为正、负旋转坐标系的d轴，下标q为正、负旋转坐标系的q轴，上标+为正序，上标-为负序，L为电感，R为电阻，I为轴电流，U为轴电压，V为调制电压，ω为电网电压角频率；

42)根据电磁暂态模型计算网侧输出的瞬时有功功率，并根据瞬时有功功率获得电流控制目标，控制目标的表达式为：

$\left(\begin{array}{c}{i_d}^{+}\\ {i_q}^{+}\\ {i_d}^{-}\\ {i_q}^{-}\end{array}\right)=\frac{2P_0}{3D}\left(\begin{array}{c}{u_d}^{+}\\ {u_q}^{+}\\ -{u_d}^{-}\\ -{u_q}^{-}\end{array}\right)$

$\left\{\begin{array}{c}P\left(t\right)=P_0+P_{\cos 2}\cos \left(2\mathrm{\ω}t\right)+P_{\sin 2}\sin \left(2\mathrm{\ω}t\right)\\ Q\left(t\right)=Q_0+Q_{\cos 2}\cos \left(2\mathrm{\ω}t\right)+Q_{\sin 2}\sin \left(2\mathrm{\ω}t\right)\end{array}\right.$

$\left(\begin{array}{c}{P}_0\\ P_{\cos 2}\\ P_{\sin 2}\\ Q_0\end{array}\right)=\frac{3}{2}\left(\begin{array}{cccc}{u_d}^{+}& {u_q}^{+}& {u_d}^{-}& {u_q}^{-}\\ {u_d}^{-}& {u_q}^{-}& {u_d}^{+}& {u_q}^{+}\\ {u_q}^{-}& -{u_d}^{-}& -{u_q}^{+}& {u_d}^{+}\\ {u_q}^{+}& -{u_d}^{+}& {u_q}^{-}& -{u_d}^{-}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{i_d}^{+}\\ {i_q}^{+}\\ {i_d}^{-}\\ {i_q}^{-}\end{array}\right)$

S(t)＝P(t)+jQ(t)

D＝[(u_d ⁺)²+(u_q ⁺)²]+[(u_d ^-)²+(u_q ^-)²]

其中，u为轴瞬时电压，i为轴瞬时电流，S(t)为电网输出复功率，P(t)为电网输出有功功率，Q(t)为电网输出无功功率，P₀为基波有功功率，Q₀为基波无功功率，P_cos2和P_sin2分别为二次谐波有功分量，Q_cos2和Q_sin2分别为二次谐无有功分量；

43)根据电磁暂态模型获得正负序电流控制模型的正、负序控制器表达式，正序控制器表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}{U_d}^{+}={V_d}^{+}-(K_p+\frac{K_i}{s})({I_d}^{+*}-{I_d}^{-})-\mathrm{\ω}L{I_q}^{+}\\ {U_q}^{+}={V_q}^{+}-(K_p+\frac{K_i}{s})({I_q}^{+*}-{I_q}^{+})-\mathrm{\ω}L{I_d}^{+}\end{array}\right.$

负序控制器表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}{U_d}^{-}={V_d}^{-}-(K_p+\frac{K_i}{s})({I_d}^{-*}-{I_d}^{-})-\mathrm{\ω}L{I_q}^{-}\\ {U_q}^{-}={V_q}^{-}-(K_p+\frac{K_i}{s})({I_q}^{-*}-{I_q}^{-})+\mathrm{\ω}L{I_d}^{-}\end{array}\right.$

其中，K_p和K_i为PI调节器参数，和为轴参考电流；

44)根据控制目标和基波有功功率P₀得到d、q轴正、负序瞬时电流参考值 和

$\left(\begin{array}{c}{i_d}^{+*}\\ {i_q}^{+*}\\ {i_d}^{-*}\\ {i_q}^{-*}\end{array}\right)=\frac{2{\mathrm{Udc}}^{*}{\mathrm{Idc}}^{*}}{3D}\left(\begin{array}{c}{u_d}^{+}\\ {u_q}^{+}\\ -{u_d}^{-}\\ -{u_q}^{-}\end{array}\right)$

${\mathrm{Idc}}^{*}=(K_p+\frac{K_i}{s})({\mathrm{Udc}}^{*}-Udc)$

P₀＝Vdc^*Idc^*

其中，Udc^*为直流侧瞬时参考电压，Udc为直流侧瞬时电压，Idc^*为直流侧参考电流，Vdc^*为直流侧参考电压；

45)根据电流控制目标和正、负序控制器表达式建立正负序电流控制模型。

2.根据权利要求1所述的一种基于正负序电流内环控制的风电换流器控制方法，其特征在于，所述的不对称故障类型包括三相电压等值跌落故障、单相电压跌落故障、相间电压故障和两相对地短路故障。

3.根据权利要求1所述的一种基于正负序电流内环控制的风电换流器控制方法，其特征在于，所述的步骤2)的不平衡电网电量可分为正序电量分量和负序电量分量。

4.根据权利要求3所述的一种基于正负序电流内环控制的风电换流器控制方法，其特征在于，所述的正序电量分量包括电压正序分量和电流正序分量，所述的负序电量分量包括电压负序分量和电流负序分量。

5.根据权利要求3所述的一种基于正负序电流内环控制的风电换流器控制方法，其特征在于，所述的正序电量分量和负序电量分量通过滤波器或者正负序电量的T/4延时计算的方法获取。