CN104795844A - 一种适用于风电并网的wfmmc控制器设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于风电并网的WFMMC控制器设计方法，建立了感应双馈电机启动时WFMMC控制器模型和感应双馈电机稳定运行时WFMMC控制器模型，在WFMMC控制器主电路中加入虚拟阻尼电阻，从而抑制谐波电流对WFMMC输入有功功率的影响；该方法基于直接电流控制设计的WFMMC矢量控制器，该控制器在并网暂态过程前后均能一直维持直流极线电压稳定，通用性好。

Description

一种适用于风电并网的WFMMC控制器设计方法

技术领域

本发明涉及一种设计方法，具体涉及一种适用于风电并网的WFMMC控制器设计方法。

背景技术

随着全球应对气候变化要求日益提升、能源短缺及能源供给安全形势日趋严峻，可再生能源以其清洁、安全、永续的特点，在各国能源战略中的地位不断提高。在众多可再生能源发电方式中，风力发电以其成本较低、技术较成熟、可靠性较高等优势，得以快速发展并开始在能源供给中发挥越来越重要的作用。2005年至2010年间，全球累计风电装机容量年均增长率为27％，已有83个国家实现风电的商业化开发。2011年，中国已成为世界上风电装机容量最大的国家。

当风电场经MMC-HVDC并入交流系统时，不控整流阶段风电场侧模块化多电平柔性直流换流器，即WFMMC(Wind farm side modular multilevel converter)控制器，它的首要任务即实时吸收风机输出全部有功功率并将其转化为直流形式，通过线路送至高频整流阶段系统侧模块化多电平柔性直流换流器(Grid side modular multilevel converter，GSMMC)并经逆变后以交流形式并入主网。有学者提出通过对WFMMC控制器输入有功功率的调节来控制各风电机组的有功电流分量，以维持风机运行在最优转速并实现最大风能捕获，但实际上由于风能的间歇性及不可预测性，最大风能捕获应该由感应双馈风机自身来完成，而不是通过调节风电场总的输出有功功率来实现。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种适用于风电并网的WFMMC控制器设计方法，抑制了谐波电流对WFMMC输入有功功率的影响，并且根据感应双馈电机(Doubly fedinduction generator，DFIG)在启动过程中的不同阶段对外呈现的阻抗特性并不相同，针对WFMMC控制器进行不同阶段的设计。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

本发明提供一种适用于风电并网的WFMMC控制器设计方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：建立感应双馈电机启动时WFMMC控制器模型；

步骤2：建立感应双馈电机稳定运行时WFMMC控制器模型。

所述步骤1具体包括以下步骤：

步骤1-1：建立风电场直流并网模型；

步骤1-2：建立感应双馈电机在dq同步旋转坐标系下WFMMC控制器交流侧暂态模型；

步骤1-3：建立感应双馈电机在dq同步旋转坐标系下WFMMC控制器交流侧稳态模型。

所述步骤1-1中，风电场直流并网模型包括风电场、WFMMC、GSMMC和交流系统；所述风电场通过WFMMC和GSMMC依次连接到交流系统；所述风电场与WFMMC之间、所述WFMMC与GSMMC分别设置第一断路器QF1和第二断路器QF2。

所述步骤1-2中，感应双馈电机在dq同步旋转坐标系下WFMMC控制器交流侧暂态模型表示为：

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{dWM}}}{\mathrm{dt}}=-{\mathrm{Ri}}_{\mathrm{dWM}}+\mathrm{\ω}{\mathrm{Li}}_{\mathrm{qWM}}+u_{\mathrm{dwf}}-u_{\mathrm{cdWM}}\\ L\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{qWM}}}{\mathrm{dt}}=-{\mathrm{Ri}}_{\mathrm{qWM}}-\mathrm{\ω}{\mathrm{Li}}_{\mathrm{dWM}}+u_{\mathrm{qwf}}-u_{\mathrm{cqWM}}\end{array}\right.$

其中，u_dwf为感应双馈电机启动时母线电压d轴分量，u_qwf为感应双馈电机启动时母线电压q轴分量，i_dWM为感应双馈电机启动时交流输入电流d轴分量，i_qWM为感应双馈电机启动时交流输入电流q轴分量，u_cdWM为感应双馈电机启动时交流输出电压d轴分量，u_cqWM为感应双馈电机启动时交流输出电压q轴分量，L为同时考虑桥臂电抗和连接变压器漏抗的线路等效电抗，R为线路等效电阻，ω为同步旋转角速度。

所述步骤1-3中，感应双馈电机在dq同步旋转坐标系下WFMMC控制器交流侧稳态模型表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{cdWM}}=u_{\mathrm{dwf}}+\mathrm{\ω}{\mathrm{Li}}_{\mathrm{qWM}}\\ u_{\mathrm{cqWM}}=u_{\mathrm{qwf}}-\mathrm{\ω}{\mathrm{Li}}_{\mathrm{dWM}}\end{array}\right.$

其中，u_cdWM为感应双馈电机启动时交流输出电压d轴分量，u_cqWM为感应双馈电机启动时交流输出电压q轴分量，u_dwf为感应双馈电机启动时母线电压d轴分量，u_qwf为感应双馈电机启动时母线电压q轴分量，i_dWM为感应双馈电机启动时交流输入电流d轴分量，i_qWM为感应双馈电机启动时交流输入电流q轴分量，L为同时考虑桥臂电抗和连接变压器漏抗的线路等效电抗，R为线路等效电阻，ω为同步旋转角速度；

由于ωLi_qWM和-ωLi_dWM的存在，使得u_dwf和u_qwf之间存在耦合，以u_dwf和u_qwf为WFMMC控制器的被控对象并引入解耦控制，可得：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{cdWM}}=(k_{\mathrm{pWM}2}+\frac{1}{T_{\mathrm{iWM}2}s})(u_{\mathrm{dwf}}-u_{\mathrm{qwf}})+\mathrm{\ω}{\mathrm{Li}}_{\mathrm{qWM}}\\ u_{\mathrm{cqWM}}=(k_{\mathrm{pWM}2}+\frac{1}{T_{\mathrm{iWM}2}s})(u_{\mathrm{qwf}}-u_{\mathrm{dwf}})-\mathrm{\ω}{\mathrm{Li}}_{\mathrm{dWM}}\end{array}\right.$

其中，k_pWM2为WFMMC控制器的比例系，T_iWM2为WFMMC控制器的时间周期。

所述步骤2中，感应双馈电机稳定运行时WFMMC控制器模型表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{cdWM}}=u_{\mathrm{cdWM}}+\mathrm{\Δ}{u}_{\mathrm{cdWM}}=u_{\mathrm{cdWM}}+i_{\mathrm{dWM}}*G\left(s\right)*K\\ U_{\mathrm{cqWM}}=u_{\mathrm{cqWM}}+\mathrm{\Δ}{u}_{\mathrm{cqWM}}=u_{\mathrm{cqWM}}+i_{\mathrm{qWM}}*G\left(s\right)*K\end{array}\right.$

其中，U_cdWM为感应双馈电机稳定运行时交流输出电压d轴分量，U_cqWM为感应双馈电机稳定运行时交流输出电压q轴分量，u_cdWM为感应双馈电机启动时交流输出电压d轴分量，u_cqWM为感应双馈电机启动时交流输出电压q轴分量，Δu_cdWM为感应双馈电机稳定运行时交流输出电压d轴附加控制分量，Δu_cqWM为感应双馈电机稳定运行时交流输出电压q轴附加控制分量，i_dWM为感应双馈电机启动时交流输入电流d轴分量，i_qWM为感应双馈电机启动时交流输入电流q轴分量，K为比例系数，G(s)为传递函数，表示为：

$G\left(s\right)=\frac{s^2+{\mathrm{\ω}}_0^2}{s^2+({\mathrm{\ω}}_0/Q)s+{\mathrm{\ω}}_0^2}$

其中，Q为品质因数，取2.5；ω₀为感应双馈电机角频率。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明提供的适用于风电并网的WFMMC控制器设计方法，建立了感应双馈电机启动时WFMMC控制器模型和感应双馈电机稳定运行时WFMMC控制器模型，在WFMMC控制器主电路中加入虚拟阻尼电阻，从而抑制谐波电流对WFMMC输入有功功率的影响；该方法基于直接电流控制设计的WFMMC矢量控制器，该控制器在并网暂态过程前后均能一直维持直流极线电压稳定，通用性好。

附图说明

图1是本发明实施例中风电场直流并网模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明提供一种适用于风电并网的WFMMC控制器设计方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：建立感应双馈电机启动时WFMMC控制器模型；

步骤2：建立感应双馈电机稳定运行时WFMMC控制器模型。

实际上由于风能的间歇性及不可预测性，最大风能捕获应该由感应双馈风机自身来完成，而不是通过调节风电场总的输出有功功率来实现。由于感应双馈电机在启动过程中的不同阶段对外呈现的阻抗特性并不相同，因此对感应双馈电机启动时WFMMC控制器进行模型建立。

所述步骤1中，建立感应双馈电机启动时WFMMC控制器模型具体包括以下步骤：

步骤1-1：建立风电场直流并网模型；

步骤1-2：建立感应双馈电机在dq同步旋转坐标系下WFMMC控制器交流侧暂态模型；

步骤1-3：建立感应双馈电机在dq同步旋转坐标系下WFMMC控制器交流侧稳态模型。

所述步骤1-1中，(如图1)风电场直流并网模型包括风电场、WFMMC、GSMMC和交流系统；所述风电场通过WFMMC和GSMMC依次连接到交流系统；所述风电场与WFMMC之间、所述WFMMC与GSMMC分别设置第一断路器QF1和第二断路器QF2。

所述步骤1-2中，感应双馈电机在dq同步旋转坐标系下WFMMC控制器交流侧暂态模型表示为：

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{dWM}}}{\mathrm{dt}}=-{\mathrm{Ri}}_{\mathrm{dWM}}+\mathrm{\ω}{\mathrm{Li}}_{\mathrm{qWM}}+u_{\mathrm{dwf}}-u_{\mathrm{cdWM}}\\ L\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{qWM}}}{\mathrm{dt}}=-{\mathrm{Ri}}_{\mathrm{qWM}}-\mathrm{\ω}{\mathrm{Li}}_{\mathrm{dWM}}+u_{\mathrm{qwf}}-u_{\mathrm{cqWM}}\end{array}\right.$

其中，u_dwf为感应双馈电机启动时母线电压d轴分量，u_qwf为感应双馈电机启动时母线电压q轴分量，i_dWM为感应双馈电机启动时交流输入电流d轴分量，i_qWM为感应双馈电机启动时交流输入电流q轴分量，u_cdWM为感应双馈电机启动时交流输出电压d轴分量，u_cqWM为感应双馈电机启动时交流输出电压q轴分量，L为同时考虑桥臂电抗和连接变压器漏抗的线路等效电抗，R为线路等效电阻，ω为同步旋转角速度。

所述步骤1-3中，感应双馈电机在dq同步旋转坐标系下WFMMC控制器交流侧稳态模型表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{cdWM}}=u_{\mathrm{dwf}}+\mathrm{\ω}{\mathrm{Li}}_{\mathrm{qWM}}\\ u_{\mathrm{cqWM}}=u_{\mathrm{qwf}}-\mathrm{\ω}{\mathrm{Li}}_{\mathrm{dWM}}\end{array}\right.$

其中，u_cdWM为感应双馈电机启动时交流输出电压d轴分量，u_cqWM为感应双馈电机启动时交流输出电压q轴分量，u_dwf为感应双馈电机启动时母线电压d轴分量，u_qwf为感应双馈电机启动时母线电压q轴分量，i_dWM为感应双馈电机启动时交流输入电流d轴分量，i_qWM为感应双馈电机启动时交流输入电流q轴分量，L为同时考虑桥臂电抗和连接变压器漏抗的线路等效电抗，R为线路等效电阻，ω为同步旋转角速度；

由于ωLi_qWM和-ωLi_dWM的存在，使得u_dwf和u_qwf之间存在耦合，以u_dwf和u_qwf为WFMMC控制器的被控对象并引入解耦控制，可得：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{cdWM}}=(k_{\mathrm{pWM}2}+\frac{1}{T_{\mathrm{iWM}2}s})(u_{\mathrm{dwf}}-u_{\mathrm{qwf}})+\mathrm{\ω}{\mathrm{Li}}_{\mathrm{qWM}}\\ u_{\mathrm{cqWM}}=(k_{\mathrm{pWM}2}+\frac{1}{T_{\mathrm{iWM}2}s})(u_{\mathrm{qwf}}-u_{\mathrm{dwf}})-\mathrm{\ω}{\mathrm{Li}}_{\mathrm{dWM}}\end{array}\right.$

其中，k_pWM2为WFMMC控制器的比例系，T_iWM2为WFMMC控制器的时间周期。

MMC拓扑相对于两电平VSC而言最明显的改变即直流侧电容被分散至桥臂各子模块中。当风电场经WFMMC并网时，风机输出功率实时对各子模块电容充电同时子模块电容又对直流线路放电；通过维持电容电压动态平衡，WFMMC将风电功率送至受端所连交流系统。显然此时应将桥臂子模块等效看做一个交流源且该电源实时接入交流回路中。

感应双馈电机稳定运行时WFMMC控制器模型表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{cdWM}}=u_{\mathrm{cdWM}}+\mathrm{\Δ}{u}_{\mathrm{cdWM}}=u_{\mathrm{cdWM}}+i_{\mathrm{dWM}}*G\left(s\right)*K\\ U_{\mathrm{cqWM}}=u_{\mathrm{cqWM}}+\mathrm{\Δ}{u}_{\mathrm{cqWM}}=u_{\mathrm{cqWM}}+i_{\mathrm{qWM}}*G\left(s\right)*K\end{array}\right.$

其中，U_cdWM为感应双馈电机稳定运行时交流输出电压d轴分量，U_cqWM为感应双馈电机稳定运行时交流输出电压q轴分量，u_cdWM为感应双馈电机启动时交流输出电压d轴分量，u_cqWM为感应双馈电机启动时交流输出电压q轴分量，Δu_cdWM为感应双馈电机稳定运行时交流输出电压d轴附加控制分量，Δu_cqWM为感应双馈电机稳定运行时交流输出电压q轴附加控制分量，i_dWM为感应双馈电机启动时交流输入电流d轴分量，i_qWM为感应双馈电机启动时交流输入电流q轴分量，K为比例系数，G(s)为传递函数，表示为：

$G\left(s\right)=\frac{s^2+{\mathrm{\ω}}_0^2}{s^2+({\mathrm{\ω}}_0/Q)s+{\mathrm{\ω}}_0^2}$

其中，Q为品质因数，取2.5；ω₀为感应双馈电机角频率。

本发明提供的适用于风电并网的WFMMC控制器设计方法，建立了感应双馈电机启动时WFMMC控制器模型和感应双馈电机稳定运行时WFMMC控制器模型，在WFMMC控制器主电路中加入虚拟阻尼电阻，从而抑制谐波电流对WFMMC输入有功功率的影响；该方法基于直接电流控制设计的WFMMC矢量控制器，该控制器在并网暂态过程前后均能一直维持直流极线电压稳定，通用性好。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种适用于风电并网的WFMMC控制器设计方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤1：建立感应双馈电机启动时WFMMC控制器模型；

步骤2：建立感应双馈电机稳定运行时WFMMC控制器模型。

2.根据权利要求1所述的适用于风电并网的WFMMC控制器设计方法，其特征在于：所述步骤1具体包括以下步骤：

步骤1-1：建立风电场直流并网模型；

步骤1-2：建立感应双馈电机在dq同步旋转坐标系下WFMMC控制器交流侧暂态模型；

步骤1-3：建立感应双馈电机在dq同步旋转坐标系下WFMMC控制器交流侧稳态模型。

3.根据权利要求2所述的适用于风电并网的WFMMC控制器设计方法，其特征在于：所述步骤1-1中，风电场直流并网模型包括风电场、WFMMC、GSMMC和交流系统；所述风电场通过WFMMC和GSMMC依次连接到交流系统；所述风电场与WFMMC之间、所述WFMMC与GSMMC分别设置第一断路器QF1和第二断路器QF2。

4.根据权利要求2所述的适用于风电并网的WFMMC控制器设计方法，其特征在于：所述步骤1-2中，感应双馈电机在dq同步旋转坐标系下WFMMC控制器交流侧暂态模型表示为：

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{dWM}}}{\mathrm{dt}}=-{\mathrm{Ri}}_{\mathrm{dWM}}+{\mathrm{\ωLi}}_{\mathrm{qWM}}+u_{\mathrm{dwf}}-u_{\mathrm{cdWM}}\\ L\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{qWM}}}{\mathrm{dt}}=-{\mathrm{Ri}}_{\mathrm{qWM}}-{\mathrm{\ωLi}}_{\mathrm{dWM}}+u_{\mathrm{qwf}}-u_{\mathrm{cqWM}}\end{array}\right.$

其中，u_dwf为感应双馈电机启动时母线电压d轴分量，u_qwf为感应双馈电机启动时母线电压q轴分量，i_dWM为感应双馈电机启动时交流输入电流d轴分量，i_qWM为感应双馈电机启动时交流输入电流q轴分量，u_cdWM为感应双馈电机启动时交流输出电压d轴分量，u_cqWM为感应双馈电机启动时交流输出电压q轴分量，L为同时考虑桥臂电抗和连接变压器漏抗的线路等效电抗，R为线路等效电阻，ω为同步旋转角速度。

5.根据权利要求2所述的适用于风电并网的WFMMC控制器设计方法，其特征在于：所述步骤1-3中，感应双馈电机在dq同步旋转坐标系下WFMMC控制器交流侧稳态模型表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{cdWM}}=u_{\mathrm{dwf}}+{\mathrm{\ωLi}}_{\mathrm{qWM}}\\ u_{\mathrm{cqWM}}=u_{\mathrm{qwf}}-{\mathrm{\ωLi}}_{\mathrm{dWM}}\end{array}\right.$

其中，u_cdWM为感应双馈电机启动时交流输出电压d轴分量，u_cqWM为感应双馈电机启动时交流输出电压q轴分量，u_dwf为感应双馈电机启动时母线电压d轴分量，u_qwf为感应双馈电机启动时母线电压q轴分量，i_dWM为感应双馈电机启动时交流输入电流d轴分量，i_qWM为感应双馈电机启动时交流输入电流q轴分量，L为同时考虑桥臂电抗和连接变压器漏抗的线路等效电抗，R为线路等效电阻，ω为同步旋转角速度；

由于ωLi_qWM和-ωLi_dWM的存在，使得u_dwf和u_qwf之间存在耦合，以u_dwf和u_qwf为WFMMC控制器的被控对象并引入解耦控制，可得：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{cdWM}}=(k_{\mathrm{pWM}2}+\frac{1}{T_{\mathrm{iWM}2}s})(u_{\mathrm{dwf}}-u_{\mathrm{qwf}})+{\mathrm{\ωLi}}_{\mathrm{qWM}}\\ u_{\mathrm{cqWM}}=(k_{\mathrm{pWM}2}+\frac{1}{T_{\mathrm{iWM}2}s})(u_{\mathrm{qwf}}-u_{\mathrm{dwf}})-{\mathrm{\ωLi}}_{\mathrm{dWM}}\end{array}\right.$

其中，k_pWM2为WFMMC控制器的比例系，T_iWM2为WFMMC控制器的时间周期。

6.根据权利要求1所述的适用于风电并网的WFMMC控制器设计方法，其特征在于：所述步骤2中，感应双馈电机稳定运行时WFMMC控制器模型表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{cdWM}}=u_{\mathrm{cdWM}}+{\mathrm{\Δu}}_{\mathrm{cdWM}}=u_{\mathrm{cdWM}}+i_{\mathrm{dWM}}*G\left(s\right)*K\\ U_{\mathrm{cqWM}}=u_{\mathrm{cqWM}}+{\mathrm{\Δu}}_{\mathrm{cqWM}}=u_{\mathrm{cqWM}}+i_{\mathrm{qWM}}*G\left(s\right)*K\end{array}\right.$

其中，U_cdWM为感应双馈电机稳定运行时交流输出电压d轴分量，U_cqWM为感应双馈电机稳定运行时交流输出电压q轴分量，u_cdWM为感应双馈电机启动时交流输出电压d轴分量，u_cqWM为感应双馈电机启动时交流输出电压q轴分量，Δu_cdWM为感应双馈电机稳定运行时交流输出电压d轴附加控制分量，Δu_cqWM为感应双馈电机稳定运行时交流输出电压q轴附加控制分量，i_dWM为感应双馈电机启动时交流输入电流d轴分量，i_qWM为感应双馈电机启动时交流输入电流q轴分量，K为比例系数，G(s)为传递函数，表示为：

$G\left(s\right)=\frac{s^2+{\mathrm{\ω}}_0^2}{s^2+({\mathrm{\ω}}_0/Q)s+{\mathrm{\ω}}_0^2}$

其中，Q为品质因数，取2.5；ω₀为感应双馈电机角频率。