CN106877402A - 双馈风力发电机组双pwm变换器系统的协调控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种双馈风力发电机组双PWM变换器系统的协调控制方法，双PWM变换器包括转子侧变换器、直流母线电容和网侧变换器；协调控制方法包括：获取风力机输出最大机械功率时发出的机械转矩指令，作为双馈风力发电机组的输入以使双馈电机在稳态时能够实现最大功率输出；根据电网无功功率要求及直流母线电压基准值，建立直流母线电压反馈外环、电流反馈内环的双闭环控制系统；将转子侧变换器和双馈风力发电机组抽象地看作网侧变换器的负载，通过计算该负载电流，并将该负载电流的动态信息整合至网侧变换器的控制中，以建立稳定的直流母线电压，实现双PWM变换器的完全协调控制，为整个双馈风电系统的稳定运行提供保障。
Description
技术领域
本发明涉及电机控制及新能源风力发电技术领域，特别涉及一种双馈风力发电机组双PWM变换器系统的协调控制方法。
背景技术
当今世界风电市场发展迅猛，风电场装机容量逐年上升，逐步成为发展最快的可再生能源之一。双馈感应发电机的变速恒频发电方式以其调速范围宽、有功无功功率可独立调节以及励磁变换器容量小等优点，逐渐取代了恒频恒速发电。而变速恒频发电的关键技术在于对于励磁电源的控制，目前常用的励磁控制器中，晶闸管交-交变换器由于开关其开关频率较低、动态响应慢及谐波难以抑制等缺陷被传输性、功率因数高的两电平电压型双PWM变换器所取代。
这种两电平电压型双PWM变换器包括与电机转子相连的转子侧变换器、与电网相连的网侧变换器以及连接在转子侧变换器与网侧变换器直接的直流母线电容，在这种交-直-交的励磁变换结构中，直流母线电容使两变换器实现了解耦，可以分开独立控制，并且对外界因素诸如电网故障、转子不正常运行等变化有着较强的适应能力。
最大风能捕捉是变速恒频风力发电重要目标之一，所以转子转速可能在短时间内迅速变换，转子侧变换器和网侧变换器功率流向及大小都在不断变化，因此直流母线电压会出现波动，以往都是通过增大电容的方法减小电压波动，大电容的引入必然会带来成本的增加、体积的增大、发热的问题，而且大电容的引入，加大了电压环的时间常数，减慢了电压环的调节速度。所以如何从控制策略上协调解决直流母线电压波动的问题尤为重要，传统的协调控制方法主要从亚同步运行中的双馈风力机出发，充分利用整流部分与逆变部分之间的物理联系，将转子侧变换器和双馈电机看做网侧变换器的负载，并以转子功率对负载电流进行了估算，但随着风力发电机组单机容量不断增大，双馈电机转速运行范围不断增大，而其决定的转差功率也不断增大，也就意味着励磁变化器容量在不断增大，励磁变换器的损耗所占比重不断增大，同样，转子阻抗上的损耗也会影响负载电流的准确计算问题。所以上述的协调控制方法仍不能做到完全的协调控制。
发明内容
在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
鉴于此，本发明提供了一种双馈风力发电机组双PWM变换器系统的协调控制方法，以解决现有协调控制方法不能做到完全协调控制的问题。
根据本发明的一个方面，提供了一种双馈风力发电机组双PWM变换器系统的协调控制方法，双馈风力发电机组双PWM变换器系统包括双馈风力发电机组和双PWM变换器，双馈风力发电机组包括风力机、齿轮箱和双馈电机，而双PWM变换器包括转子侧变换器、直流母线电容和网侧变换器；其中，风力机通过齿轮箱与双馈电机的转子相连，而双馈电机的定子通过变压器与电网相连；转子侧变换器与双馈电机的转子相连，网侧变换器通过滤波电感与电网相连；转子侧变换器通过直流母线电容与网侧变换器相连；双馈风力发电机组双PWM变换器系统的协调控制方法包括：获取双馈风力发电机组的定子输出有功功率、电网无功功率要求、转子电压、转子电流、转子转速和风速；根据风速和转子转速，获取风力机输出最大机械功率时发出的机械转矩指令，并将该机械转矩指令作为双馈风力发电机组的输入以使双馈电机在稳态时能够实现最大功率输出；获取电网电压、电流以及滤波电感的电感值，根据电网无功功率要求及直流母线电压基准值，建立直流母线电压反馈外环、电流反馈内环的双闭环控制系统；将转子侧变换器和双馈风力发电机组作为网侧变换器的负载，通过计算该负载电流，并将该负载电流的动态信息整合至网侧变换器的控制中，以建立稳定的直流母线电压，实现双PWM变换器的完全协调控制。
进一步地，负载电流通过如下过程计算获得：在将双馈电机的运行状态、转子侧变换器的损耗Pcon和双馈电机转子阻抗的损耗考虑在内的情况下，根据转子电流和转子电压来判断转子功率的流向，以确定双馈电机的运行状态；当确定双馈电机的运行状态为亚同步运行状态时，根据下式计算负载电流：当确定双馈电机的运行状态为超同步运行状态时，根据下式计算负载电流：其中，iload为负载电流，Pr＝udridr+uqriqr为转子功率，Pcon为两平变换器的损耗，为转子阻抗上的功率损耗，Vdc为直流母线电压。
进一步地，将该负载电流的动态信息整合至网侧变换器的控制中的步骤包括：获得负载电流的微分值siload；将负载电流的微分值siload乘以系数后得到的值直接前馈至网侧变换器的控制电压处。
本发明的双馈风力发电机组双PWM变换器系统的协调控制方法，将转子损耗和双PWM变换器的损耗计入负载电流的计算中，并利用数值微分将该负载电流的动态信息前馈至网侧变换器的电压环中，从而建立稳定的直流母线电压，为整个双馈风电系统的稳定运行提供保障。
相比于传统的协调控制方法，本发明的双馈风力发电机组双PWM变换器系统的协调控制方法一方面由于考虑到双馈电机转子阻抗上的损耗以及转子侧变换器(即两电平变换器)的损耗，另一方面还针对双馈电机的不同运行状态提出了不同的负载电流计算方法，因此使得本发明的协调控制方法能够建立更为稳定的直流母线电压，为整个双馈风电系统的稳定运行提供高保障。
此外，传统技术的负载电流前馈只考虑到电流信息的静态信息，相比于此，本发明还利用数值微分取负载电流的微分值，进行相应计算，得到电压信号，直接前馈至控制电压处，这样又省去了一个PI环节，加快了系统的动态响应。
通过以下结合附图对本发明的最佳实施例的详细说明，本发明的这些以及其他优点将更加明显。
附图说明
本发明可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，其中在所有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分，而且用来进一步举例说明本发明的优选实施例和解释本发明的原理和优点。在附图中：
图1为本发明的双馈风力发电机组双PWM变换器系统的协调控制方法的一个示例性处理的流程图；
图2为本发明所涉及的双馈风力发电机组双PWM变换器系统的结构示意图；
图3为本发明的协调控制方法的一个优选实施例的处理流程图；
图4为转子侧变换器最大风能追踪控制原理图；
图5为双PMW变换器协调控制方法中各部分功率关系示意图；
图6为双PWM变换器的协调控制方法原理框图.
本领域技术人员应当理解，附图中的元件仅仅是为了简单和清楚起见而示出的，而且不一定是按比例绘制的。例如，附图中某些元件的尺寸可能相对于其他元件放大了，以便有助于提高对本发明实施例的理解。
具体实施方式
在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。
在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
本发明的实施例提供了一种双馈风力发电机组双PWM变换器系统的协调控制方法，双馈风力发电机组双PWM变换器系统包括双馈风力发电机组和双PWM变换器，双馈风力发电机组包括风力机、齿轮箱和双馈电机，而双PWM变换器包括转子侧变换器、直流母线电容和网侧变换器；其中，风力机通过齿轮箱与双馈电机的转子相连，而双馈电机的定子通过变压器与电网相连；转子侧变换器与双馈电机的转子相连，网侧变换器通过滤波电感与电网相连；转子侧变换器通过直流母线电容与网侧变换器相连；双馈风力发电机组双PWM变换器系统的协调控制方法包括：获取双馈风力发电机组的定子输出有功功率、电网无功功率要求、转子电压、转子电流、转子转速和风速；根据风速和转子转速，获取风力机输出最大机械功率时发出的机械转矩指令，并将该机械转矩指令作为双馈风力发电机组的输入以使双馈电机在稳态时能够实现最大功率输出；获取电网电压、电流以及滤波电感的电感值，根据电网无功功率要求及直流母线电压基准值，建立直流母线电压反馈外环、电流反馈内环的双闭环控制系统；将转子侧变换器和双馈风力发电机组作为网侧变换器的负载，通过计算该负载电流，并将该负载电流的动态信息整合至网侧变换器的控制中，以建立稳定的直流母线电压，实现双PWM变换器的完全协调控制。
图1给出了本发明的双馈风力发电机组双PWM变换器系统的协调控制方法的一个示例性处理的流程。
其中，上述双馈风力发电机组双PWM变换器系统包括双馈风力发电机组和双PWM变换器，可以具有如图2所示的结构。如图2所示，双馈风力发电机组包括风力机1、用来增速的齿轮箱2和双馈电机3，而双PWM变换器包括转子侧变换器4、直流母线电容5和网侧变换器6。
参见图2，风力机1通过齿轮箱2与双馈电机3的转子相连，而双馈电机3的定子通过变压器与电网相连；转子侧变换器4与双馈电机3的转子相连，网侧变换器6通过滤波电感与电网相连。此外，转子侧变换器4通过直流母线电容5与网侧变换器6相连，以共同构成用于提供励磁的双PWM变换器。
转子侧变换器采用定子电压定向下的最大风能捕捉控制策略，网侧变换器在定子磁链定向的基础上，结合负载电流前馈的方法，进行双PWM变换器的协调控制方法，下面详细来描述。
如图1所示，双馈风力发电机组双PWM变换器系统的协调控制方法开始后，执行步骤S110。
在步骤S110中，获取双馈风力发电机组的定子输出有功功率、电网无功功率要求、转子电压、转子电流、转子转速和风速。然后，执行步骤S120。其中，电网无功功率要求例如为Q＝-0。
其中，由于是转子侧采用的是功率外环，定子输出有功功率可用于与基准值比较经过PI得到定子电流信号，这是控制策略中需要的信号，包含在如图4的PQ计算中。
在步骤S120中，根据风速和转子转速，获取风力机1输出最大机械功率时发出的机械转矩指令，并将该机械转矩指令作为双馈风力发电机组的输入以使双馈电机3在稳态时能够实现最大功率输出。然后，执行步骤S130。
在步骤S130中，获取电网电压(即电网三相电压)、电流(即电网三相电流)以及滤波电感(滤波电感用于滤除变换器设备产生的谐波)的电感值(其中，上述电网电压、电流以及滤波电感均是用于网侧变换器的控制的)，根据电网无功功率要求及直流母线电压基准值，建立直流母线电压反馈外环、电流反馈内环的双闭环控制系统。然后，执行步骤S140。
在步骤S140中，将转子侧变换器4和双馈风力发电机组作为(抽象地看作)网侧变换器6的负载，通过计算该负载电流，并将该负载电流的动态信息整合至网侧变换器6的控制中，以建立稳定的直流母线电压，实现双PWM变换器的完全协调控制。结束处理。
例如，负载电流通过如下描述的过程计算获得。
在将双馈电机3的运行状态、转子侧变换器4的损耗Pcon和双馈电机3转子阻抗的损耗考虑在内的情况下，根据转子电流和转子电压来判断转子功率的流向，以确定双馈电机3的运行状态，即亚同步运行状态、超同步运行状态(由于同步运行状态下，双PWM变换器向转子提供直流励磁，双馈电机作为同步电机运行，故不予考虑)。
当确定双馈电机3的运行状态为亚同步运行状态时，根据下式计算负载电流：
当确定双馈电机3的运行状态为超同步运行状态时，根据下式计算负载电流：
其中，iload为负载电流，Pr＝udridr+uqriqr为转子功率，udr为转子d轴电压，idr为转子d轴电流，uqr为转子q轴电压，而iqr为转子q轴电流。Pcon为两电平变换器(即转子侧变换器)的损耗，为转子阻抗上的功率损耗，Vdc为直流母线电压。Ir为双馈电机转子电流，Rr为双馈电机转子绕组阻抗。
此外，“将该负载电流的动态信息整合至网侧变换器6的控制中”的步骤例如可以包括：利用数值微分的方法获得负载电流的微分值siload；将负载电流的微分值siload乘以系数后得到的值直接前馈至网侧变换器6的控制电压处。其中，L为网侧三相进线电感，而Ed为电网d轴电压。
需要说明的是，虽然在以上结合图1所描述的协调控制方法的一个示例性处理中，是按照先后顺序描述了步骤S110-S140，但在其他实施例中，步骤S110-S140中的各个步骤、子步骤的顺序并不限于此，也可以改变其中部分步骤和/或子步骤的执行顺序。
例如，在一个实现方式中，可以按照如下描述的过程来实现以上协调控制方法：
获取定子电压Us_abc、定子电流Is_abc，忽略定子电阻，采用定子磁链定向并通过Clark-Park变换计算定子d轴磁链和q轴电压方程(ω1为所并电网角频率，us为dq轴电压矢量和，Ls、Lm分别为定子自感和互感)。其中，ψds为定子d轴磁链，ψs为定子磁链幅值，ids为定子d轴电流，而uqs为定子q轴电压。
获取转子电流，并通过定转子电流之间的关系，可以得到定子输出有功无功功率方程可知：通过对转子电流d、q轴分量的控制就能有效地控制双馈电机的有功功率和无功功率的解耦控制。其中，Ps为双馈电机定子输出有功功率，而Qs为双馈电机定子输出无功功率。
检测风速，根据不同的风速计算风力机最佳转速，通过该转速计算出风力机输出的最大输出机械功率，进一步计算出该风速下的有功功率给定值P*，无功功率的给定可以根据电网对风电系统的无功要求计算，本发明单独考虑风电机组的运行问题，故将无功功率给定设为零。
获取电网电压以及直流母线电压基准值，通过直流母线电压外环、电网侧电流内环的双闭环PI控制，初步建立较为稳定直流母线电压。
将转子侧变换器和双馈电机当做网侧变换器的负载，由于风速的变换，电机可能会在处于不同的运行状态，通过对转子功率流向的检测来判断电机的具体运行状态，并计算负载电流的实时数值，为了上述目的，本发明提供了一种负载电流的计算方法，包括以下两种情况：
双馈电机亚同步运行时，转子功率来自电网，经过整流逆变流入双馈电机转子，考虑转子侧变换器损耗和转子阻抗上的损耗，就可以得到负载电流的计算公式为：(Pr＝udridr+uqriqr为转子功率，Pcon为两平变换器的损耗，转子阻抗上的功率损耗，Vdc为直流母线电压)；
双馈电机超同步运行时，转子功率的方向由双馈电机流向电网，同样考虑到变换器的损耗和转子阻抗上的损耗，但此时由于功率流向发生改变，所以负载电流的计算公式发生改变，为：
计算出负载电流后，还要考虑负载电流的动态变化信息，通过将负载电流进行微分，得到的微分值直接前馈至控制电压处，这样既保证了直流母线电压对负载电流变化的敏感性，又避免了电流前馈时经过的PI控制器，从而加快了动态电压响应，直流母线电压波动将会大大减小，并且可以采用容量更小的滤波电容。
优选实施例
在该优选实施例中，可以参考图3所示的流程来描述。图3给出了该优选实施例的处理流程，但需要说明的是，如前所述，实际应用中，本发明的协调控制方法并不局限于图1或图3所示的处理顺序，其中各步骤和/或各子步骤也可以采用不同顺序执行。
如图3所示，
图1是本发明所涉及的双馈风力发电系统结构框图，包括风力机，双馈电机，连接风力机与双馈机、用来增速的齿轮箱，由转子侧变换器、直流母线、网侧变换器共同构成的双PWM变换器，转子侧变换器与双馈电机转子相连、网侧变换器与电网相连，二者之间接直流母线环节。
图2为本发明提出的一种双馈风力发电双PWM变换器协调控制方法流程图，包括以下步骤：
步骤C1：获取定子输出电网有功及无功功率功率要求、及风速变换情况，计算有功无功的参考值，建立定子磁链定向下的转子侧变换器最大风能追踪控制。
在具体的实施中，在双馈电机并网处利用一组电压、电流传感器来采集定子电流、转子电流信号；同样利用另外一组电压、电流传感器采集转子电压、电流信号；
利用风力计来检测风速变化情况；利用转速测量装置来测量双馈电机的转速；
其中，在具体的实施中，利用磁链观测器对定子磁链进行观测，建立定子磁链方程：并利用dq坐标下双馈电机的定转子电流关系，推导出输出有功无功功率为：通过检测风速，计算出该风速下风力机的最佳转速，并计算出风力机输出的最大机械功率，从而计算出有功功率的参考值，双馈电机在整个电网中占的比重较小，为了方便起见，一般讲无功功率的参考值设为0。如图3所示，为转子侧变换器最大风能追踪控制原理图。
步骤C2：获取电网电压、电流及直流母线电压，建立直流母线电压外环、电流内环控制的双闭环控制，并建立较为稳定的直流母线电压。
步骤C3：获取转子电流、电压信号，根据两者相位关系，判断转子功率流向，如图4所示，RSC为转子侧变换器，GSC为网侧变换器。由于外界风速变换，为了实现最大风能追踪的目的，转子转速会随风速发生变化，电机就有可能运行在次同步、超同步、同步运行三种情况下，这里我们不考虑同步运行。
其中，电机超同步运行时，转子功率即转差功率转差功率经转子侧变换器整流，网侧变换器逆变的过程，馈入电网。此时转子三相电流即图3中的ira、irb、irc流向转子侧变换器，故在计算负载电流即图3中的iload时，要计及转子绕组上的损耗及转子侧变换器损耗Pcon，即：
当电机亚同步运行时，转差功率来自于电网，经过网侧变换器整流、转子侧变换器逆变，将转差功率送入转子绕组，此时转子三相电流即图3中的ira、irb、irc流入转子绕组，故在计算负载电流时，有：
本发明中，PWM变换器采用的时三相六桥式的绝缘双极型晶体管(IGBT)的物理结构，其损耗主要包括通态损耗、瞬态平均损耗。
通态损耗与变换器的调制方式有关，只需要针对一个桥臂的IGBT和二极管进行损耗分析计算，然后乘以变换器中IGBT和二极管的总数即可。
瞬态平均损耗与调制方式无关，主要包括IGBT的关断损耗、开通损耗、二极管的反向恢复损耗。
本发明的转子侧变换器采用SVPWM调制方式，通过上述对PWM变换器的损耗分析，可以计算出转子侧变换器在整流、逆变状态下的损耗，从而更加精确的计算出负载电流的数值。
步骤C5：通过步骤C4计算出的负载电流iload，取其微分项，直接前馈至电压内环的输出上，即控制电压处，这样既保证了直流母线电压对负载电流变化的敏感性，又避免了电流前馈时经过的PI控制器，从而加快了动态电压响应，直流母线电压波动将会大大减小，并且可以采用容量更小的滤波电容。
尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。
Claims (3)
1.双馈风力发电机组双PWM变换器系统的协调控制方法，其特征在于，所述双馈风力发电机组双PWM变换器系统包括双馈风力发电机组和双PWM变换器，所述双馈风力发电机组包括风力机(1)、齿轮箱(2)和双馈电机(3)，而所述双PWM变换器包括转子侧变换器(4)、直流母线电容(5)和网侧变换器(6)；
其中，所述风力机(1)通过所述齿轮箱(2)与所述双馈电机(3)的转子相连，而所述双馈电机(3)的定子通过所述变压器与电网相连；所述转子侧变换器(4)与所述双馈电机(3)的转子相连，所述网侧变换器(6)通过滤波电感与电网相连；所述转子侧变换器(4)通过所述直流母线电容(5)与所述网侧变换器(6)相连；
所述双馈风力发电机组双PWM变换器系统的协调控制方法包括：
获取所述双馈风力发电机组的定子输出有功功率、电网无功功率要求、转子电压、转子电流、转子转速和风速；
根据所述风速和所述转子转速，获取所述风力机(1)输出最大机械功率时发出的机械转矩指令，并将该机械转矩指令作为所述双馈风力发电机组的输入以使所述双馈电机(3)在稳态时能够实现最大功率输出；
获取电网电压、电流以及所述滤波电感的电感值，根据所述电网无功功率要求及直流母线电压基准值，建立直流母线电压反馈外环、电流反馈内环的双闭环控制系统；
将转子侧变换器(4)和所述双馈风力发电机组作为(抽象地看做)所述网侧变换器(6)的负载，通过计算该负载电流，并将该负载电流的动态信息整合至所述网侧变换器(6)的控制中，以建立稳定的直流母线电压，实现双PWM变换器的完全协调控制。
2.根据权利要求1所述的双馈风力发电机组双PWM变换器系统的协调控制方法，其特征在于，所述负载电流通过如下过程计算获得：
在将所述双馈电机(3)的运行状态、所述转子侧变换器(4)的损耗Pcon和所述双馈电机(3)转子阻抗的损耗考虑在内的情况下，根据所述转子电流和所述转子电压来判断转子功率的流向，以确定所述双馈电机(3)的运行状态；
当确定所述双馈电机(3)的运行状态为亚同步运行状态时，根据下式计算所述负载电流：
当确定所述双馈电机(3)的运行状态为超同步运行状态时，根据下式计算所述负载电流：
其中，iload为所述负载电流，Pr＝udridr+uqriqr为转子功率，Pcon为两电平变换器的损耗，为转子阻抗上的功率损耗，Vdc为直流母线电压。
3.根据权利要求1所述的双馈风力发电机组双PWM变换器系统的协调控制方法，其特征在于，所述将该负载电流的动态信息整合至所述网侧变换器(6)的控制中的步骤包括：
获得所述负载电流的微分值siload；
将所述负载电流的微分值siload乘以系数后得到的值直接前馈至所述网侧变换器(6)的控制电压处。
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