CN108321843B - 谐波电网电压下双馈风力发电系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种谐波电网电压下双馈风力发电系统的控制方法，本方法涉及对双馈风力发电系统机侧变换器和网侧变换器的控制；其中双馈风力发电系统机侧变换器的控制目标设定为抑制定子端输出无功功率和电磁功率6倍频脉动；双馈风力发电系统网侧控制器的控制目标设定为抑制双馈系统总输出有功、无功功率6倍频脉动。本发明在不增加硬件设备的基础上，实现了谐波电网电压下双馈风电系统定子无功功率、电磁转矩、总输出有功功率、总输出无功功率无波动的控制目标，保证了发电机的安全稳定运行，提高其使用寿命；同时改善了双馈风电系统并网点电能质量，提高了谐波电网电压下双馈风电系统的并网稳定性。

Description

谐波电网电压下双馈风力发电系统的控制方法

技术领域

本发明涉及一种谐波电网电压下双馈风力发电系统控制方法，以期降低谐波电网电压对双馈风力发电系统的危害，并改善其输出电能质量及并网稳定性，属于新能源发电领域。

背景技术

随着能源和环境问题日益严峻，风力发电技术得到了广泛的关注和长足发展，其中双馈风电机组因具有变速恒频运行、变换器容量小等优点，已成为风力发电系统的主流机型之一。然而双馈风电系统定子绕组与电网直接相连，导致其对机端电压变化异常敏感。在实际电网中，由于大量电力电子变流装置的应用及负荷的非线性等因素，不可避免的给电力系统带来谐波污染，谐波不仅会增加双馈风电系统损耗，还会使其产生机械振动、噪音及电气谐振等，若此时双馈风电系统仍采用传统的控制策略，将不利于风电系统及所并电网的稳定可靠运行。因此，提高谐波电网电压下双馈风电系统的运行性能是目前大规模风电发展关键问题之一。目前国内外学者已展开了相关研究，如已公开的下列文献：

(1)年珩，宋亦鹏.谐波电网下基于矢量比例积分电流调节器的双馈异步发电机运行控制技术[J].中国电机工程学报，2013，33(6)：101-111.

(2)Hailiang Xu,Jiabing Hu,Yikang He.Operation of Wind-Turbine-DrivenDFIG Systems Under Distorted Grid Voltage Conditions:Analysis andExperimental Validations[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2012,27(5):2354-2366.

文献(1)只考虑了谐波电网电压下双馈异步发电机转子侧变换器的控制，并没有涉及电网电压畸变时网侧变换器的控制策略。在谐波电网电压下，双馈风电系统网侧变换器交流侧电压和电流将含有谐波分量，不仅会影响整个系统的运行效率，还将进一步造成网侧变换器输出功率的脉动，从而降低整个系统并网端电网的电能质量。同时，网侧变换器交流侧谐波电压也将造成直流侧母线电压的脉动进而影响直流侧电容的使用寿命，也将直接影响机侧变换器的正常运行

文献(2)针对谐波电网电压条件提出了双馈风电系统转子侧变换器的4种增强控制目标，即消除发电机定子端或转子端电流谐波分量或发电机定子端输出功率脉动或发电机定子端无功功率与电磁转矩脉动，但由于转子侧变换器控制变量的限制，所提控制策略无法在谐波电网电压下同时实现4个优化控制目标，且该文献也未进一步研究谐波电网电压下双馈风电系统网侧变换器的控制策略与控制目标。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提出一种谐波电网电压下双馈风力发电系统的控制方法，该方法在不增加硬件设备的基础上，对机侧变换器和网侧变换器的控制策略进行了重新设计，其中，机侧变换器加入了定子无功功率和电磁转矩脉动的辅助控制环节，可有效抑制谐波电网电压条件下双馈风电系统电磁转矩波动，确保机械传动轴系运行安全，提高其使用寿命；网侧变换器加入了抑制双馈系统总输出有功、无功功率脉动的辅助控制环节，最大程度改善双馈风电系统的总输出电能质量。

本发明的技术方案是这样实现的：

谐波电网电压下双馈风力发电系统的控制方法，其特征在于：本方法涉及对双馈风力发电系统机侧变换器和网侧变换器的控制；

(A)双馈风力发电系统机侧变换器的控制目标设定为抑制定子端输出无功功率和电磁功率6倍频脉动，其具体控制步骤为：

A1)将双馈风力发电系统定子平均有功功率指令

定子平均无功功率

跟对应的反馈量P_s、Q_s之差送至机侧变换器正序电流参考值计算模块，得到转子正序电流参考值

：

式中，K_p1和τ_i1分别为正序电流参考值计算模块PI控制器的比例系数和积分时间常数；

A2)将定子电压正序基波dq轴分量

5次谐波dq轴分量

7次谐波dq轴分量

以及转子正序电流参考值

输送至机侧变流器谐波电流参考值计算模块，确定机侧变换器谐波电流参考值

如下所示：

式中，L_m为定转子绕组等效互感，ω为同步电角速度；

A3)将步骤A1)和A2)计算得到的机侧变流器电流参考值分别输送至机侧变换器正序、5次谐波、7次谐波电流内环控制环节，按照下式得到机侧变换器控制电压分量

式中，K_p2和τ_i2分别为正序基波电流内环PI控制器比例系数和积分时间常数，K_p3和τ_i3分别为5次谐波电流环PI控制器的比例系数和积分时间常数，K_p4和τ_i4分别为7次谐波电流环PI控制器的比例系数和积分时间常数，L_s、L_r分别为定子侧绕组等效电感、转子侧绕组等效电感，σ为漏感系数，ω_r为转子电角速度，

分别为转子电流正序基波、5次谐波、7次谐波dq轴分量；

A4)将步骤A3)得到的控制电压

进行空间矢量调制，即可获得机侧变换器PWM驱动信号，实现机侧变换器控制目标；

(B)双馈风力发电系统网侧控制器的控制目标设定为抑制双馈系统总输出有功、无功功率6倍频脉动，其具体控制步骤为：

B1)将采集到的直流母线电压信号U_dc输送至网侧变换器正序电流参考值计算模块，按照下式，确定网侧变换器正序电流参考值：

式中，K_p5和τ_i5分别为正序电流参考值计算模块PI控制器的比例系数和积分时间常数，

为直流母线电压参考值；

B2)将电网电压正序基波、5次谐波、7次谐波dq轴分量

网侧变换器正序电流参考值

以及定子电流正序基波、 5次谐波、7次谐波dq轴分量

输送至谐波电流参考值计算模块，确定网侧变换器谐波电流参考值

如下所示：

式中，

B3)将步骤B1)和B2)计算得到的网侧变换器电流参考值分别输送至网侧变换器正序、5次谐波、7次谐波电流内环控制环节，按照下式，得到网侧变换器在正向、5倍反向和7倍正向同步角速度旋转坐标系下的控制电压分量

式中，K_p6和τ_i6分别为正序基波电流内环PI控制器的比例系数和积分时间常数，K_p7和τ_i7分别为5次谐波电流环PI控制器的比例系数和积分时间常数，K_p8和τ_i8分别为7次谐波电流环PI控制器的比例系数和积分时间常数，L_g为网侧变换器进线电抗器电感，

分别为网侧变换器电流正序基波、5次谐波、7次谐波dq轴分量；

B4)将步骤B3)得到的控制电压

进行空间矢量调制，即可获得网侧变换器PWM驱动信号，实现网侧变换器控制目标。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明在不增加硬件设备的基础上，实现了谐波电网电压下双馈风电系统定子无功功率、电磁转矩、总输出有功功率、总输出无功功率无波动的控制目标，保证了发电机的安全稳定运行，提高其使用寿命；同时改善了双馈风电系统并网点电能质量，提高了谐波电网电压下双馈风电系统的并网稳定性。

附图说明

图1为双馈风电系统接入电力系统的结构示意图。

图2为谐波电网电压下双馈风电系统的控制框图。

图3为5次、7次谐波含量分别为4％、3％的电网电压条件下，采用传统控制策略与本发明控制方法时双馈风电系统仿真波形对比图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方案做详细描述。

图1为30MVA双馈风力发电系统接入电力系统的结构示意图，双馈风电机组通过公共连接点接入大电网。

图2表示本发明的谐波电网电压下双馈风力发电系统的控制方法的结构框图，它包括的控制对象有：机侧变换器1，机侧正序电流参考值计算模块2，机侧谐波电流参考值计算模块3，机侧正序电流控制模块4，机侧谐波电流环5，网侧变换器6，网侧正序电流参考值计算模块7，网侧谐波电流参考值计算模块 8，网侧正序电流控制模块9，网侧谐波电流环10，空间矢量调制11，锁相环12。

本发明的具体实施步骤如下：

(A)双馈风力发电系统机侧变换器的控制目标设定为抑制定子端输出无功功率和电磁功率6倍频脉动，其控制步骤为：

A1)将双馈风力发电系统定子平均有功功率指令

定子平均无功功率

跟对应的反馈量P_s、Q_s之差送至机侧正序电流参考值计算模块2，得到转子正序电流参考值

：

式中，K_p1和τ_i1分别为正序电流参考值计算模块PI控制器的比例系数和积分时间常数；

A2)将定子电压正序基波dq轴分量

5次谐波dq轴分量

7次谐波dq轴分量

以及转子正序电流参考值

输送至机侧谐波电流参考值计算模块3，确定机侧变换器谐波电流参考值

如下所示：

式中，L_m为定转子绕组等效互感，ω为同步电角速度；

A3)将步骤A1)和A2)计算得到的机侧变流器电流参考值分别输送至机侧正序电流控制模块4和机侧谐波电流环5，按照下式，得到机侧变换器控制电压分量

式中，K_p2和τ_i2分别为正序基波电流内环PI控制器比例系数和积分时间常数，K_p3和τ_i3分别为5次谐波电流环PI控制器的比例系数和积分时间常数，K_p4和τ_i4分别为7次谐波电流环PI控制器的比例系数和积分时间常数，L_s、L_r分别为定子侧绕组等效电感、转子侧绕组等效电感，σ为漏感系数，ω_r为转子电角速度，

分别为转子电流正序基波、5次谐波、7次谐波dq轴分量；

A4)将步骤A3)得到的控制电压

进行空间矢量调制11，即可获得机侧变换器PWM驱动信号，实现机侧变换器控制目标。

(B)双馈风力发电系统网侧控制器的控制目标设定为抑制双馈系统总输出有功、无功功率6倍频脉动，其控制步骤为：

B1)将采集到的直流母线电压信号U_dc输送至网侧正序电流参考值计算模块 7，按照下式，可确定网侧变换器正序电流参考值：

式中，K_p5和τ_i5分别为正序电流参考值计算模块PI控制器的比例系数和积分时间常数，

为直流母线电压参考值；

B2)将电网电压正序基波、5次谐波、7次谐波dq轴分量

网侧变换器正序电流参考值

以及定子电流正序基波、 5次谐波、7次谐波dq轴分量

输送至网侧谐波电流参考值计算模块8，确定网侧变换器谐波电流参考值

如下所示：

式中，

B3)将步骤B1)和B2)计算得到的网侧变换器电流参考值分别输送至网侧正序电流控制模块9和网侧谐波电流环10，按照下式，得到网侧变换器在正向、5 倍反向和7倍正向同步速角速度旋转坐标系控下的控制电压分量

式中，K_p6和τ_i6分别为正序基波电流内环PI控制器的比例系数和积分时间常数，K_p7和τ_i7分别为5次谐波电流环PI控制器的比例系数和积分时间常数，K_p8和τ_i8分别为7次谐波电流环PI控制器的比例系数和积分时间常数，L_g为网侧变换器进线电抗器电感，

分别为网侧变换器电流正序基波、5次谐波、7次谐波dq轴分量；

B4)将步骤B3)得到的控制电压

进行空间矢量调制11，即可获得网侧变换器PWM驱动信号，实现网侧变换器控制目标。

步骤A4)和步骤B4)的实施结果共同构成了本发明的控制目标。

本发明效果说明：

图3给出了5次、7次谐波含量分别为4％、3％的电网电压条件下采用传统控制策略与本发明控制方法时双馈风电系统仿真波形对比图。U_abc为双馈风力发电系统并网点三相电压，U_dc为直流母线电压，P_s、Q_s分别为定子有功功率和无功功率，T_e为电磁转矩，P_D、Q_D分别为双馈风电系统总输出有功功率、总输出无功功率，I_{d_D}、I_{q_D}为双馈风电系统总输出电流dq轴分量。图中1.0s～1.1s为采用传统控制策略时的仿真波形图，由图中可以看出双馈风电系统定子有功功率、无功功率、电磁转矩、直流母线电压、总输出有功功率和总输出无功功率均包含6倍频的脉动成分，这严重影响了机械传动轴系的使用寿命，降低了双馈风电系统的输出电能质量及并网稳定性。图中1.1s～1.3s为加入本发明所提控制策略时的仿真波形图，从图中可以看出，谐波电网电压条件下，通过在机网侧加入谐波辅助控制环节，有效的消除了双馈风电系统定子无功功率、电磁转矩、总输出有功功率和总输出无功功率的6倍频脉动，提高了谐波电网电压下双馈风电系统的安全稳定运行水平。

综上，本发明所述的一种谐波电网电压下双馈风力发电系统的控制方法可以实现双馈风电系统在谐波电网电压情况下不脱网运行，具有如下有益效果：1) 显著抑制了双馈风力发电系统电磁转矩波动，有效的保护了传动轴系的运行安全，提高了其使用寿命，降低了运维成本；2)显著抑制了双馈风电系统总输出有功功率和无功功率的脉动，提高了系统输出电能质量，有效增强了谐波电网条件下双馈风电系统的运行稳定性。

最后需要说明的是，本发明的上述实例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。尽管申请人参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (1)

1.谐波电网电压下双馈风力发电系统的控制方法，其特征在于：本方法涉及对双馈风力发电系统机侧变换器和网侧变换器的控制；

(A)双馈风力发电系统机侧变换器的控制目标设定为抑制定子端输出无功功率和电磁功率6倍频脉动，其具体控制步骤为：

A1)将双馈风力发电系统定子平均有功功率指令

定子平均无功功率

与对应的反馈量P_s、Q_s之差送至机侧变换器正序电流参考值计算模块，得到转子正序电流参考值

式中，K_p1和τ_i1分别为正序电流参考值计算模块PI控制器的比例系数和积分时间常数；

A2)将定子电压正序基波dq轴分量

5次谐波dq轴分量

7次谐波dq轴分量

以及转子正序电流参考值

输送至机侧变换器谐波电流参考值计算模块，确定机侧变换器谐波电流参考值

如下所示：

式中，L_m为定转子绕组等效互感，ω为同步电角速度；

A3)将步骤A1)和A2)计算得到的机侧变换器电流参考值分别输送至机侧变换器正序、5次谐波、7次谐波电流内环控制环节，按照下式得到机侧变换器控制电压分量

式中，K_p2和τ_i2分别为正序基波电流内环PI控制器比例系数和积分时间常数，K_p3和τ_i3分别为5次谐波电流环PI控制器的比例系数和积分时间常数，K_p4和τ_i4分别为7次谐波电流环PI控制器的比例系数和积分时间常数，L_s、L_r分别为定子侧绕组等效电感、转子侧绕组等效电感，σ为漏感系数，ω_r为转子电角速度，

分别为转子电流正序基波、5次谐波、7次谐波dq轴分量；

A4)将步骤A3)得到的控制电压分量

进行空间矢量调制，即获得机侧变换器PWM驱动信号，实现机侧变换器控制目标；

(B)双馈风力发电系统网侧变换器的控制目标设定为抑制双馈系统总输出有功、无功功率6倍频脉动，其具体控制步骤为：

B1)将采集到的直流母线电压信号U_dc输送至网侧变换器正序电流参考值计算模块，按照下式，确定网侧变换器正序电流参考值：

式中，K_p5和τ_i5分别为正序电流参考值计算模块PI控制器的比例系数和积分时间常数，

为直流母线电压参考值；

B2)将电网电压正序基波、5次谐波、7次谐波dq轴分量

网侧变换器正序电流参考值

以及定子电流正序基波、5次谐波、7次谐波dq轴分量

输送至谐波电流参考值计算模块，确定网侧变换器谐波电流参考值

如下所示：

式中，

B3)将步骤B1)和B2)计算得到的网侧变换器电流参考值分别输送至网侧变换器正序、5次谐波、7次谐波电流内环控制环节，按照下式，得到网侧变换器在正向、5倍反向和7倍正向同步角速度旋转坐标系下的控制电压分量

式中，K_p6和τ_i6分别为正序基波电流内环PI控制器的比例系数和积分时间常数，K_p7和τ_i7分别为5次谐波电流环PI控制器的比例系数和积分时间常数，K_p8和τ_i8分别为7次谐波电流环PI控制器的比例系数和积分时间常数，L_g为网侧变换器进线电抗器电感，

分别为网侧变换器电流正序基波、5次谐波、7次谐波dq轴分量；

B4)将步骤B3)得到的控制电压

进行空间矢量调制，即获得网侧变换器PWM驱动信号，实现网侧变换器控制目标。

Images