CN105375523B - 一种风电全功率变流器高电压穿越控制方法 - Google Patents
一种风电全功率变流器高电压穿越控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种风电全功率变流器高电压穿越控制方法，当电网电压骤升超过1.1倍额定电压时，通过与直流母线连接的卸荷电路抑制暂态过压，通过有功无功解耦的正负序电流控制器输出随电网电压相关的感性无功电流以降低电网电压幅值，通过动态调整直流母线电压参考值防止出现过调制。使用本发明所述方法，无需进行复杂的模式切换，就能够实现电网电压不超过1.3倍额定值的情况下，变流器不脱网运行，并提供有效的感性无功输出。
Description
技术领域
本发明涉及一种风力发电技术领域中用于风电全功率变流器高电压穿越的控制方法。
背景技术
近年来，高电压穿越问题越来越受到重视，各国相继制定相应的并网导则，例如澳大利亚、加拿大、丹麦、德国、西班牙、美国、爱尔兰，他们在低电压穿越和高电压穿越等方面都有详细的标准规范和技术要求。目前，GB/T 9963-2011《风电场接入电力系统技术规定》提出了风电场低电压穿越(LVRT)能力的要求，暂时还未发布高电压穿越(HVRT)相关标准。
随着风电机组功率等级的提升，从2MW开始至5MW，基于同步发电机的全功率变流器方案应用规模逐步扩大，尤其是海上风电的发展，5MW及以上风电机组中，全功率变流器的优势凸显，所以全功率变流器的高电压穿越技术亟需研究开发。
基于同步发电机的全功率变流器，由于机侧变流器与电网间被母线隔离，所以重点考虑网侧变流器的故障应对方案。当变流器使用常规的控制策略时，突发电网骤升故障，受电流控制器响应速度的限制，在电压升高和恢复的暂态会产生电流冲击，严重时导致母线过压停机。在电压升高的稳态期间，如果不采取应对策略，会出现过调制，导致网侧输出电流失控，严重时大量的谐波电流将导致过流停机。
CN201410490428《一种风电变流器的高电压穿越方法》虽然采用了卸荷电路抑制母线过压的控制方法，但由于没有提出针对母线的控制策略，无法解决因过调制导致的电流失控，并且由于电压升高稳态过程中卸荷动作，会导致电压升高稳态期间有功功率输出降低，损失发电量。
发明内容
为了克服常规全功率变流器控制方法无法满足高电压穿越要求的不足，本发明提出一种全功率变流器高电压穿越控制方法。本发明可以解决高电压穿越中出现的过调制电流失控，以及不平衡骤升中电流畸变的问题。
本发明控制方法通过以下四个控制策略的共同作用实现：
控制策略之一为动态调整直流母线电压参考值的策略。电网过电压时，电流稳定控制的最大威胁是过调制，因为在过调制状态下，电网会向母线注入不可控的有功电流，导致网侧电流谐波增加，直流母线电压不稳定，影响有功无功控制。为了解决此问题，本发明根据电网电压幅值，动态调节直流母线电压参考值。以电网高压侧电压升高至1.3pu为例，本发明采用电压利用率较高的SVPWM调制方法，为防止过调制导致电流控制失控，忽略网侧电感电压，直流母线电压稳态值需要达到但考虑到无功电流在电网线路和网侧电感上的压降，以及安全运行需要，直流母线电压参考目标最大值需要限制。直流母线电压参考值Udc *调整方案如下式所示，
式中，Ug为电网正序电压有效值，△U为控制余量，UdcMin为电网电压正常时直流母线电压参考值，UdcMax为安全运行所允许的最大直流母线电压参考值。
控制策略之二为总电流限制条件下无功电流优先的策略。变流器最大电流受容量限制，有功电流和无功电流的平方和不应大于总电流的平方。为了降低变流器端电网电压幅值，同时也为了满足潜在的国标要求，网侧变流器优先满足无功电流的需求，然后通过平方差求取最大有功电流参考值，并以此值作为有功电流参考值的限幅值。
当电网正序电压标幺值范围为1≤UT≤1.3时，无功电流Iq符合下面公式，
Iq≤-IN×k×(UT-1.1)
式中，IN为网侧变流器额定电流，k为无功调整系数，经过对比国外标准，无功调整系数k通常取不小于2的数值，UT为电网正序电压标幺值。
上式中的负号表示无功电流为感性，即吸无功。最大有功电流参考值IdMax由下式求得，
式中，Is为变流器最大电流。
控制策略之三为随母线参考值动态调整卸荷投入占空比值的策略。在电压升高和恢复的暂态过程，存在电流冲击，可能导致母线过压，通常采用卸荷抑制，当直流母线电压大于设定阈值投入卸荷，当直流母线电压小于设定阈值切出卸荷，两阈值间设置滞环。较低的阈值设置响应速度快，但在电网电压升高的过程中会由于不控整流电流由电网流向母线进而被卸荷电阻消耗，损失发电量。较高的阈值设置可以避免电网电压升高过程中卸荷的投入，但牺牲了响应速度。结合本发明所述控制方法之一中的直流母线电压参考值，以脉宽调制方式驱动卸荷动作，占空比值D与直流母线电压实际值和参考值的偏差△Udc成线性关系，占空比值D的设置如下式，
式中，△UdcMin为卸荷完全切出直流母线电压偏差值，△UdcMax为卸荷完全投入直流母线电压偏差值。
卸荷的滞环控制条件作为安全辅助条件保留。当直流母线电压大于投入阈值则设定卸荷投入占空比D＝1，当直流母线电压小于切出阈值则设定卸荷投入占空比D＝0。这样，在电网电压升高的暂态，由于直流母线电压参考值阈值相对较低，可以快速投入卸荷抑制过压，在电网电压升高稳态期间，可以避免卸荷投入消耗不必要的有功。
控制策略之四为基于参考和误差滤波信号解耦的电流控制算法。本发明不同于常规正负序电流控制算法之处在于两点。第一，去除了获取正负序电流所需的滤波环节，通过负序电流控制器作用，控制电流中负序分量为零，稳态时总电流全部为正序电流，而获取负序电流采用负序坐标系下电流减去正序参考值和经过低通滤波的误差电流的方式，由于PI调节器前向通道减少了滞后环节，提高了电流控制响应速度。第二，交叉解耦项的电流输入增加了低通滤波器，避免了谐波电流对控制器输出的干扰，提高了系统稳定性。
本发明所述四个控制策略共同作用，即可以实现全功率变流器高电压穿越功能。
由于目前变流器通常选择1700V的IGBT，并且母线支撑电容、网侧电抗器、网侧滤波电容等器件均有超过1.3倍短时过压耐受能力，所以应用本发明所述的控制方法可以在保持现有硬件不变的条件下实现不大于1.3倍额定电压的高电压穿越功能，节约升级成本。
附图说明
图1为全功率变流器拓扑图；
图2为网侧控制器框图；
图3为卸荷控制流程图；
图4为电流控制算法框图；
图5a、图5b为2MW全功率变流器高电压穿越仿真波形。
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。
全功率变流器拓扑图如图1所示，主电路由网侧变流器101、机侧变流器102、卸荷电路103组成，总控制器111包含了网侧控制器、机侧控制器、卸荷控制器三部分。
本发明采用的动态调整直流母线电压参考值、总电流限制条件下无功电流优先、随母线参考值动态调整卸荷投入占空比值，以及基于参考和误差滤波信号解耦的电流控制算法分别对应总控制器111中的电网相关的四处关键位置：直流母线电压参考值、网侧无功电流环参考值、卸荷投入占空比参考值和电流控制算法。
网侧控制框图如图2所示，控制器为双环结构，直流母线电压外环的给定值Udc *由直流母线电压参考值计算模块201输出，减去直流母线电压反馈值得到直流母线电压偏差△Udc，经过PI调节器，输出有功电流给定值igd *。igd *经过无功优先限幅模块204限幅后做为电流控制器203的输入。无功电流给定值igq *由无功电流参考值计算模块202输出，直接进入电流控制器203。锁相环205用于提取电网电压序分量，并获得正序电压角度，供给电流控制器203使用。
常规控制方法中，直流母线电压参考值为常数。本发明中，直流母线电压参考值由直流母线电压参考值计算模块201计算得到，其值为与电网正序电压成线性关系，如下式所示，
Ug为电网正序电压有效值，△U为控制余量，UdcMin为电网电压正常时直流母线电压参考值，UdcMax为安全运行所允许的最大直流母线电压参考值。
以2MW全功率变流器为例，直流母线电容额定电压通常为1100V，而1.15倍过压(1265V)每天最长可耐受30分钟不会影响使用寿命，所以可以将电网电压正常时直流母线电压参考值UdcMin设置为1050V，安全运行所允许的直流最大母线电压参考值UdcMax设置为1200V。需要注意的是，当电网电压处于1.1倍额定值时，变流器应能长时运行，即直流母线电压不应超过1100V，所以△U设置为25V，此时直流母线电压参考值小于电容额定电压，满足长时运行要求。
全功率变流器只有网侧可以产生无功。所以，为了降低变流器端电网电压幅值，同时也为了满足潜在的国标要求，电网电压升高期间网侧必须以产生无功电流为目标，其次才是输送有功。变流器最大电流受容量限制，有功电流和无功电流的平方和不应大于总电流的平方，所以当由电网正序电压标幺值计算得到无功电流参考值之后，即可求得变流器容量允许范围内有功电流参考值的最大值。
以2MW全功率变流器为例，其额定电流IN为1673A，取k＝3，则无功电流参考值可以由下式获得，
Iq＝-IN×k×(UT-1.1)
变流器总电流标幺值可以达到1.1，则得到输出有功功率标幺值为易知在限定范围内，Ppu恒大于1，说明即使在无功优先模式下电压的升高也不影响网侧额定有功功率输出。所以，高穿稳态期间，卸荷无需动作。
假设变流器最大电流为Is，则最大有功电流参考值IdMax由下式求得。
如前面所述，直流母线电压参考值在高电压期间是动态调整的，为了提高卸荷响应速度的同时又能保证直流母线电压处在较高的参考值位置时避免卸荷动作，使用了随母线参考值动态调整卸荷投入占空比值的策略。图3所示为卸荷控制流程图，当直流母线电压大于卸荷投入阈值时直接设置占空比为1，当直流母线电压小于卸荷切出阈值时直接设置占空比为0，其他情况，占空比D与直流母线电压实际值和参考值的偏差△Udc成线性关系，计算方法如下式所示。
以2MW全功率变流器为例，考虑到直流母线电容1.15倍过压值为1265V，所以式中卸荷完全投入直流母线电压偏差值△UdcMax设置为1250V，△UdcMin设置可以取稳态母线控制偏差值，例如10V。
常规电流控制器获取到电流信号之后，首先进行正负序分离，再将分离后的序分量输入到PI调节器，这种方式信号在正负序分离过程中会产生滞后，降低了电流控制器的响应速度。
图4所示为本发明的基于参考和误差滤波信号解耦的电流控制算法。电流经过旋转变换到正序坐标系下的电流，记为正序坐标系电流电流经过旋转变换到负序坐标系下的电流，记为负序坐标系电流正序电流控制器的有功电流参考和无功电流参考分别与正序坐标系电流做差，得到有功电流误差信号和无功电流误差信号进入PI调节器。有功电流参考与经过低通滤波的有功电流误差信号做差得到d轴正负序解耦项乘以电感感抗ωL的乘积作为无功解耦前馈项，无功电流参考与经过低通滤波器的误差信号做差得到q轴正负序解耦项乘以电感感抗ωL的乘积作为有功解耦前馈项；和经过二重反旋转变换得到负序坐标系下的正序分量，与负序坐标系电流做差得到负序电流负序电流控制器的有功电流参考和无功电流参考设置为0，负序电流控制器结构与(2)至(3)所述的正序电流控制器相同。正序电流控制器输出负序电流控制器输出同时进入SVPWM调试算法，驱动功率单元动作。
以2MW全功率变流器为例，仿真验证本发明所述控制方法。变流器额定功率运行时电网电压平衡升高至1.3倍的仿真结果如图5a所示。图5a中，上图所示电网电压uabc平衡升高时，直流母线电压udc在升高和恢复暂态有冲击，卸荷动作抑制了母线过压；下图所示网侧电流iabc在高电压稳态初期由于直流母线电压偏低，过调制导致电流正弦度不高，但随着直流母线电压升高，电流控制效果逐渐好转，总体效果较好。变流器额定功率运行时电网电压不平衡升高至1.3倍的仿真结果如图5b所示。图5b中，上图所示电网电压uabc不平衡升高时，直流母线电压udc在升高和恢复暂态有冲击，卸荷动作抑制了母线过压；下图所示高压稳态期间电流控制器作用，保证了网侧电流iabc正弦无畸变。
Claims (3)
1.一种风电全功率变流器高电压穿越控制方法，其特征在于：所述的控制方法通过以下四个控制策略的共同作用实现：策略一是动态调整直流母线电压参考值；策略二是总电流限制条件下无功电流优先；策略三是随母线参考值动态调整卸荷投入占空比值；策略四是基于参考和误差滤波信号解耦的电流控制算法；
所述的直流母线电压参考值Udc *调整方法如下式所示：
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式中，Ug为电网正序电压有效值，△U为控制余量，UdcMin为电网电压正常时直流母线电压参考值，UdcMax为安全运行所允许的最大直流母线电压参考值；
所述的总电流限制条件下无功电流优先的策略为：网侧变流器优先满足无功电流的需求，然后通过平方差求取最大有功电流参考值，并以此值作为有功电流参考值的限幅值；
所述的最大有功电流参考值IdMax由下式求得：
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式中，UT为电网正序电压标幺值，IN为网侧变流器额定电流，k为无功调整系数，Is为变流器最大电流；
所述的随母线参考值动态调整卸荷投入占空比值的策略为：在电压升高和恢复的暂态过程，采用卸荷抑制，当直流母线电压大于设定阈值投入卸荷，当直流母线电压小于设定阈值切出卸荷，两阈值间设置滞环；
所述的基于参考和误差滤波信号解耦的电流控制算法是通过负序电流控制器作用，控制电流中负序分量为零，稳态时总电流全部为正序电流，采用负序坐标系下电流减去正序参考值和经过低通滤波的误差电流的方法获取负序电流。
2.根据权利要求1所述的风电全功率变流器高电压穿越控制方法，其特征在于：所述的卸荷投入占空比值D与直流母线电压实际值和参考值的偏差△Udc成线性关系，如下式所示，
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式中，△UdcMin为卸荷完全切出直流母线电压偏差值，△UdcMax为卸荷完全投入直流母线电压偏差值；卸荷的滞环控制条件作为安全辅助条件，当直流母线电压大于投入阈值则设定卸荷投入占空比D＝1，当直流母线电压小于切出阈值则设定卸荷投入占空比D＝0。
3.根据权利要求1所述的风电全功率变流器高电压穿越控制方法，其特征在于：所述的基于参考和误差滤波信号解耦的电流控制算法如下：
(1)电流经过旋转变换到正序坐标系下的电流，记为正序坐标系电流电流经过旋转变换到负序坐标系下的电流，记为负序坐标系电流
(2)正序电流控制器的有功电流参考和无功电流参考分别与正序坐标系电流做差，得到有功电流误差信号和无功电流误差信号进入PI调节器；
(3)有功电流参考与经过低通滤波的有功电流误差信号做差得到d轴正负序解耦项d轴正负序解耦项乘以电感感抗ωL的乘积作为无功解耦前馈项，无功电流参考与经过低通滤波器的误差信号做差得到q轴正负序解耦项q轴正负序解耦项乘以电感感抗ωL的乘积作为有功解耦前馈项；
(4)d轴正负序解耦项和q轴正负序解耦项经过二重反旋转变换得到负序坐标系下的正序分量，与负序坐标系电流做差得到负序电流
(5)负序电流控制器的有功电流参考和无功电流参考设置为0，负序电流控制器结构与(2)至(3)所述的正序电流控制器相同；
(6)正序电流控制器输出负序电流控制器输出同时进入SVPWM调试算法，驱动功率单元动作。
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