CN108429284A - 基于电压源输出双馈风电机组的谐波电压比例前馈补偿方法 - Google Patents

Abstract

本文公开了一种基于电压源输出双馈风电机组的谐波电压比例前馈补偿方法，其步骤包括：1.数据采样和数据转换；2.下垂控制；3.电压和电流控制环；4.R调节器及其谐波电压比例反馈系数选取。本发明能有效降低并网点谐波电压含量和输出功率脉动，提高双馈发电机的电能质量。

Description

基于电压源输出双馈风电机组的谐波电压比例前馈补偿方法

技术领域

本发明涉及风力发电领域，具体的说是一种采用谐波电压比例前馈补偿控制来抑制双馈风力发电机电压源并网谐波的方法。

背景技术

实际电力系统中，由于风电场所处位置偏远，距离大电网较远，所以并入的电网其特性实际较弱，即电网阻抗较大。当本地负载中含有非线性负载时，非线性负载产生的谐波电流将会在电网阻抗上产生谐波压降，使得与双馈发电机定子侧直接相连的公共并网电网公共耦合点(point of common coupling，PCC)处电压畸变，影响本地线性负载的正常工作。随着风力发电机组装机容量的不断扩大和并网准则的逐渐完善，具有稳定PCC点电压及提高电能质量的能力也会逐步成为对风电场的必然要求。因而使双馈发电机工作在电压源下垂输出并网模式，对支撑公共并网点电压幅值、提高电能质量意义重大。

针对双馈风力发电机转子侧变流器谐波的抑制问题，根据已有公开的参考文献，一些研究的主要方法有：

题为“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”(年珩，宋亦鹏，中国电机工程学报，2013,33(6):101-11)的文章提出双馈异步发电机基于矢量比例积分电流调节器的控制策略，该控制方法基于电流源采用跟踪DFIG谐波电流指令，实现谐波控制目标，而无法适用于弱电网条件下基于电压源输出对于谐波电压的抑制。

题为“一种抑制双馈风力发电机定子侧谐波电流抑制方法”的中国发明专利的申请说明书(CN201510369967.1)申明的技术方案中，构建n次谐波旋转坐标系下的双馈风力发电机数学模型，获取转子电流五、七次谐波分量的指令，叠加到转子电压上生成转子调制电压的方法。该方法仅适用于双馈发电机基于电流源模式，抑制定子谐波电流，且控制器结构复杂，从而弱电网下阻抗适应性较差。

总之现有研究主要是以电流源并网或电压源孤岛运行下的谐波抑制，而对于DFIG电压源输出下垂并网条件下的谐波电压抑制相关研究较少。

发明内容

本发明为解决现有技术的不足之处，提出一种基于电压源输出双馈风电机组的谐波电压比例前馈补偿方法，以期能有效降低并网点谐波电压含量和输出功率脉动，从而提高双馈发电机下垂并网的电能质量。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明一种基于电压源输出双馈风电机组的谐波电压比例前馈补偿方法的特点是按如下步骤进行：

步骤一、数据采样和数据转换：

步骤1.1、采样双馈发电机定子的三相输出电压u_A、u_B、u_C和三相输出电流i_A、i_B、i_C、所述双馈发电机转子的三相电流i_a、i_b、i_c；并利用锁相环采集公共耦合点的电网三相电压u_pcc，利用光电编码器采集所述双馈电机转子的角速度ω_r；

步骤1.2、将所述三相输出电压u_A、u_B、u_C进行同步旋转坐标变换，得到定子电压dq轴分量u_sd、u_sq；

将所述三相输出电流i_A、i_B、i_C进行同步旋转坐标变换，得到定子电流dq轴分量i_sd、i_sq；

将所述转子三相电流i_a、i_b、i_c进行同步旋转坐标变换，得到转子电流dq轴分量i_rd、i_rq；

由所述电网三相电压u_pcc得到电网电压幅值u₀和电网频率ω₀；

对所述转子角速度ω_r进行积分运算，得到转子旋转角度θ_r；

步骤二、利用式(1)得到定子输出的有功功率P′和无功功率Q′：

利用式(2)得到滤波后的有功功率P和无功功率Q：

式(2)中：ω_f为低通滤波器的截至频率；s为微分算子；

步骤三、下垂控制：

利用式(3)得到有功功率的到频率ω、用无功功率的q轴电压指令分量和d轴电压指令分量从而实现下垂控制；

式(3)中：P_ref、Q_ref分别为有功功率和无功功率的并网功率给定值；n、m分别为有功功率和无功功率的下垂系数；

步骤四、利用式(4)得到转子电流谐波电压的d轴前馈补偿信号和q轴前馈补偿信号

式(4)中，G_R为R调节器的传递函数，k_Rp为谐波电压比例反馈系数；

步骤五、电压和电流控制环：

利用式(5)得到转子电流q轴电流指令分量i_rq ^*和d轴电流指令分量i_rd ^*：

式(5)中：K_Up为电压环PI调节器的比例控制系数，K_Ui为电压环PI调节器的积分控制系数；

利用式(6)得到转子电压的q轴电压分量u_rq和d轴电压分量u_rd：

式(6)中：K_Ip为电流环PI调节器的比例控制系数，K_Ii为电流环PI调节器的积分控制系数；

步骤六、所述转子电压d轴电压分量u_rd和q轴电压分量u_rq经过SVPWM调制生成逆变器功率器件的开关信号，从而控制转子侧逆变器的功率器件的开通和关断。

本发明所述的谐波电压比例前馈补偿方法的特点也在于，所述谐波电压比例反馈系数k_Rp是按如下步骤获得：

步骤4.1、利用式(7)得到等效开环传递函数G_kh：

式(7)中，G_ipi、G_upi分别为电流环PI控制器的表达式及电压环PI控制器的表达式，Z_grid表示弱电网的阻抗；j表示90°坐标旋转；L_s为定子漏抗，L_m为励磁电抗；G₁、G₂、G_p表示简化电机模型中的三个传递函数；并有：

式(8)中，ω_sl为转差角频率，σ为双馈发电机的漏磁系数，L_r为双馈发电机的等效电感，R_r为双馈发电机的等效电阻；

步骤4.2、利用式(9)得到相位裕度γ：

式(9)中，ω_c为所述等效开环传递函数G_kh的截止频率；为等效开环传递函数G_kh的相角运算；

步骤4.3、由所述相位裕度γ得到开环bode图，从而在所述开环bode图中选取相位裕度γ的取值在30°～70°之间所对应的任一谐波电压比例反馈系数k_Rp。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明利用R调节器在特定频率处的高增益特性，将R调节器谐振频率设定在谐波源频率处，主要是5、7次谐波，提取双馈发电机输出电压的谐波分量，并通过比例环节反馈至转子电流给定作为谐波电压的前馈补偿项，同时合理设计了整定谐波电压比例反馈系数，增强了下垂并网系统的稳定性。

2、本发明在采用双馈发电机下垂控制，内层结构为电压和电流控制环的双闭环控制，显著增加了双馈发电机的稳定性，在转子电流给定前使用了-j进行dq旋转，解决了电压与电流dq分量之间的交叉耦合控制给系统分析带来的不便。

3、本发明通过在电网电压前馈控制通道上加入基于电压源输出谐波电压比例前馈的前馈补偿信号，克服了弱电网情况下非线性负载产生的谐波电流在电网阻抗上引起谐波压降造成双馈风力发电机并网稳定性的问题，使得电网阻抗适应性得到了提升。

4、本发明仅需在电网电压前馈通道上添加一个增益可调的电压比例前馈系数k_Rp，实现了谐波电压的抑制，同时可以协调下垂并网系统的谐波电压的抑制能力和双馈发电机系统控制结构的稳定性，实现方式简便有效。

附图说明

图1为本发明等效开环传递函数G_kh的控制框图。

图2为本发明双馈发电机的谐波电压比例前馈补偿控制框图。

具体实施方式

本实施例中的实验平台用变频器驱动一台三相鼠笼式异步电动机拖动双馈发电机，用二极管不控整流桥接电阻负载模拟非线性负载。该模拟平台中的双馈发电机为一台绕线式感应电动机，其额定参数为：功率11kw，额定转速1475r/min，定子380V/17.6A，转子858V/8.1A；定子电阻Rs＝0.285Ω，转子电阻Rr＝0.2983Ω，定子漏抗Ls＝0.001323H，转子漏抗Lr＝0.001781H，励磁电抗Lm＝0.0676H。

该双馈感应风电机组的组成包括：风力机、感应电机、转子侧变流器和直流侧电容，感应电机包括转子和定子。风力机捕捉的风能通过感应电机转换为电能注入电网，转子侧变流器连接发电机转子。

本发明应用在非线性负载接入弱电网中，非线性负载产生的谐波电流将会在电网阻抗上产生谐波压降，使得PCC处电压畸变，本发明利用在转子侧变流器中加入谐波抑制的方法，从而提出一种基于电压源输出双馈风电机组的谐波电压比例前馈补偿方法，并按如下步骤进行：

步骤一、数据采样和数据转换：

步骤1.1、采样双馈发电机定子的三相输出电压u_A、u_B、u_C和三相输出电流i_A、i_B、i_C、双馈发电机转子的三相电流i_a、i_b、i_c；并利用锁相环采集公共耦合点的电网三相电压u_pcc，利用光电编码器采集双馈电机转子的角速度ω_r；

步骤1.2、将三相输出电压u_A、u_B、u_C进行同步旋转坐标变换，得到定子电压dq轴分量u_sd、u_sq；

将三相输出电流i_A、i_B、i_C进行同步旋转坐标变换，得到定子电流dq轴分量i_sd、i_sq；

将转子三相电流i_a、i_b、i_c进行同步旋转坐标变换，得到转子电流dq轴分量i_rd、i_rq；

由电网三相电压u_pcc得到电网电压幅值u₀和电网频率ω₀；

对转子角速度ω_r进行积分运算，得到转子旋转角度θ_r；

步骤二、利用式(1)得到定子输出的有功功率P′和无功功率Q′：

利用式(2)得到滤波后的有功功率P和无功功率Q：

式(2)中：ω_f为低通滤波器的截至频率；s为微分算子；

步骤三、下垂控制：

由于双馈发电机定子绕组以及电网线路电感的存在，利用式(3)得到有功功率的到频率ω、用无功功率的q轴电压指令分量和d轴电压指令分量从而实现下垂控制；

式(3)中：P_ref、Q_ref分别为有功功率和无功功率的并网功率给定值；n、m分别为有功功率和无功功率的下垂系数；本实例中取n＝0.001、m＝0.04；

步骤四、如图1等效开环传递函数的控制框图所示，引入R调节器，利用R调节器在特定频率处的高增益特性，将R调节器的谐振频率设定在谐波源频率处，提取系统输出电压的谐波分量，并通过比例环节反馈至转子电流给定作为谐波电压的前馈补偿项，R调节器传递函数G_R为：

式(4)中，n为谐波次数，ω_s为基波角频率，ω_Rc为准谐振调节器的谐振带宽，k_r为谐振增益，利用式(5)得到转子电流谐波电压的d轴前馈补偿信号和q轴前馈补偿信号

式(5)中，G_R为R调节器的传递函数，k_Rp为谐波电压比例反馈系数；图2双馈发电机的谐波电压比例前馈补偿控制框图更加详细的表示了本发明的控制结构；

步骤五、电压和电流控制环：

为了解决电压与电流dq分量之间的交叉耦合控制给系统分析带来的不便，在转子电流给定前使用了交叉结构即d轴定子电压经PI调节器到转子电流q轴电流指令分量，q轴定子电压经PI调节器到转子电流d轴电流指令分量，利用式(6)得到转子电流q轴电流指令分量i_rq ^*和d轴电流指令分量i_rd ^*：

式(6)中：K_Up为电压环PI调节器的比例控制系数，K_Ui为电压环PI调节器的积分控制系数；本实例中电流环K_Up＝0.05、K_Ui＝0.5；

利用式(7)得到转子电压的q轴电压分量u_rq和d轴电压分量u_rd：

式(7)中：K_Ip为电流环PI调节器的比例控制系数，K_Ii为电流环PI调节器的积分控制系数；本实例中电流环K_Ip＝20、K_Ii＝15；

步骤六、转子电压d轴电压分量u_rd和q轴电压分量u_rq经过SVPWM调制生成逆变器功率器件的开关信号，从而控制转子侧逆变器的功率器件的开通和关断。

步骤四中的谐波电压比例反馈系数k_Rp是按如下步骤获得：

步骤4.1、利用式(8)得到等效开环传递函数G_kh：

式(8)中，G_ipi、G_upi分别为电流环PI控制器的表达式及电压环PI控制器的表达式，Z_grid表示弱电网的阻抗；j表示90°坐标旋转；L_s为定子漏抗，L_m为励磁电抗；G₁、G₂、G_p表示简化电机模型中的三个传递函数；并有：

式(9)中，ω_sl为转差角频率，σ为双馈发电机的漏磁系数，L_r为双馈发电机的等效电感，R_r为双馈发电机的等效电阻；

步骤4.2、利用式(7)得到相位裕度γ：

式(10)中，ω_c为等效开环传递函数G_kh的截止频率；为等效开环传递函数G_kh的相角运算；

步骤4.3、由相位裕度γ得到开环bode图，从而在开环bode图中选取相位裕度γ的取值在30°～70°之间所对应的任一谐波电压比例反馈系数k_Rp。

Claims (2)

1.一种基于电压源输出双馈风电机组的谐波电压比例前馈补偿方法，其特征是按如下步骤进行：

步骤一、数据采样和数据转换：

步骤1.1、采样双馈发电机定子的三相输出电压u_A、u_B、u_C和三相输出电流i_A、i_B、i_C、所述双馈发电机转子的三相电流i_a、i_b、i_c；并利用锁相环采集公共耦合点的电网三相电压u_pcc，利用光电编码器采集所述双馈电机转子的角速度ω_r；

步骤1.2、将所述三相输出电压u_A、u_B、u_C进行同步旋转坐标变换，得到定子电压dq轴分量u_sd、u_sq；

将所述三相输出电流i_A、i_B、i_C进行同步旋转坐标变换，得到定子电流dq轴分量i_sd、i_sq；

将所述转子三相电流i_a、i_b、i_c进行同步旋转坐标变换，得到转子电流dq轴分量i_rd、i_rq；

由所述电网三相电压u_pcc得到电网电压幅值u₀和电网频率ω₀；

对所述转子角速度ω_r进行积分运算，得到转子旋转角度θ_r；

步骤二、利用式(1)得到定子输出的有功功率P′和无功功率Q′：

利用式(2)得到滤波后的有功功率P和无功功率Q：

式(2)中：ω_f为低通滤波器的截至频率；s为微分算子；

步骤三、下垂控制：

利用式(3)得到有功功率的到频率ω、用无功功率的q轴电压指令分量和d轴电压指令分量从而实现下垂控制；

式(3)中：P_ref、Q_ref分别为有功功率和无功功率的并网功率给定值；n、m分别为有功功率和无功功率的下垂系数；

步骤四、利用式(4)得到转子电流谐波电压的d轴前馈补偿信号和q轴前馈补偿信号

式(4)中，G_R为R调节器的传递函数，k_Rp为谐波电压比例反馈系数；

步骤五、电压和电流控制环：

利用式(5)得到转子电流q轴电流指令分量i_rq ^*和d轴电流指令分量i_rd ^*：

式(5)中：K_Up为电压环PI调节器的比例控制系数，K_Ui为电压环PI调节器的积分控制系数；

利用式(6)得到转子电压的q轴电压分量u_rq和d轴电压分量u_rd：

式(6)中：K_Ip为电流环PI调节器的比例控制系数，K_Ii为电流环PI调节器的积分控制系数；

步骤六、所述转子电压d轴电压分量u_rd和q轴电压分量u_rq经过SVPWM调制生成逆变器功率器件的开关信号，从而控制转子侧逆变器的功率器件的开通和关断。

2.根据权利要求1所述的谐波电压比例前馈补偿方法，其特征是，所述谐波电压比例反馈系数k_Rp是按如下步骤获得：

步骤4.1、利用式(7)得到等效开环传递函数G_kh：

式(7)中，G_ipi、G_upi分别为电流环PI控制器的表达式及电压环PI控制器的表达式，Z_grid表示弱电网的阻抗；j表示90°坐标旋转；L_s为定子漏抗，L_m为励磁电抗；G₁、G₂、G_p表示简化电机模型中的三个传递函数；并有：

式(8)中，ω_sl为转差角频率，σ为双馈发电机的漏磁系数，L_r为双馈发电机的等效电感，R_r为双馈发电机的等效电阻；

步骤4.2、利用式(9)得到相位裕度γ：

式(9)中，ω_c为所述等效开环传递函数G_kh的截止频率；为等效开环传递函数G_kh的相角运算；

步骤4.3、由所述相位裕度γ得到开环bode图，从而在所述开环bode图中选取相位裕度γ的取值在30°～70°之间所对应的任一谐波电压比例反馈系数k_Rp。