CN109217366B - 全功率风电机组控制方法及系统 - Google Patents

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CN109217366B CN201811124760.8A CN201811124760A CN109217366B CN 109217366 B CN109217366 B CN 109217366B CN 201811124760 A CN201811124760 A CN 201811124760A CN 109217366 B CN109217366 B CN 109217366B
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Abstract

本发明提供了一种全功率风电机组控制方法及系统，包括：采用网侧变流器控制直流侧电压，采用机侧变流器控制捕获的风功率，机侧变流器采用基于转子磁链定向的矢量控制方式。将变流器直流侧电压类比为同步发电机的转子转速，将直流侧电容的惯量时间常数类比为同步发电机转子的惯量时间常数，将网侧变流器调制比类比为同步发电机的磁链，此时全功率风电机组对电网呈现出同步发电机特性，从而使全功率风电机组同时具备弱电网稳定运行与参与电网惯量响应的功能。

Description

全功率风电机组控制方法及系统
技术领域
本发明涉及电学技术领域，具体地，涉及具有弱电网稳定控制与惯量响应功能的全功率风电机组控制方法及系统。
背景技术
全功率变换机组风力发电系统，其系统结构如图1所示，风电机组主要包括风轮、永磁同步发电机、机侧变流器、网侧变流器，并网系统包括机组升压变压器、风场升压变压器(图1等值为一台)，交流电网用理想电压源与线路阻抗串联的戴维南等效电路进行等值。
全功率变换机组的网侧变流器通常采用基于电网电压定向的矢量控制方式，由于背靠背变流器的隔离作用，使得风轮的物理惯量无法被传递到电网，全功率变换机组对电网不体现惯量。另外，在弱电网条件下矢量控制的全功率风电机组存在谐波振荡等交互失稳问题，危及其安全稳定运行。因此，有必要研究全功率风电机组的控制方法，使其同时具备弱电网稳定控制与惯量响应功能。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种全功率风电机组控制方法及系统。
根据本发明提供的一种全功率风电机组控制方法，包括：采用网侧变流器控制直流侧电压，采用机侧变流器控制捕获的风功率，机侧变流器采用基于转子磁链定向的矢量控制方式；
所述网侧变流器的控制环路包括：
直流侧电压
Figure BDA0001812136370000011
经过一个增益为电网角频率基准值ωBg的积分器，积分器的输出为网侧变流器调制波的相位θ；网侧变流器无功功率的参考值
Figure BDA0001812136370000012
与反馈值
Figure BDA0001812136370000013
之差经过比例积分调节器，所述比例积分调节器输出与额定调制比m0之和即为网侧变流器的实际调制比m；实际调制比m与直流侧电压udc之积为网侧变流器调制波的幅值U，根据所述幅值U与相位θ生成网侧变流器的调制信号用于正弦脉宽调制。
较佳的，发电机转速
Figure BDA0001812136370000021
的三次方与最优功率系数kopt之积作为机侧变流器输出功率的参考值
Figure BDA0001812136370000022
直流侧电压
Figure BDA0001812136370000023
经过一时间常数为T的一阶低通滤波器，再经过一个增益为-KC的微分环节后输出为
Figure BDA0001812136370000024
通过虚拟电容控制环路中的一阶低通滤波器降低微分环节对系统稳定性的影响，有功功率参考值
Figure BDA0001812136370000025
与虚拟电容控制环的输出值
Figure BDA0001812136370000026
之和作为机侧变流器有功功率控制器的输入。
较佳的，在网侧变流器中引入基于直流侧电压反馈的稳定控制，将直流侧电压
Figure BDA0001812136370000027
引入一个增益为Ks、时间常数为Ts的高通滤波器，高通滤波器的输出与无功功率控制器的输出、额定调制比m0之和作为网侧变流器的实际调制比m。
较佳的，电网角频率基准值ωBg为314.15926rad/s。
较佳的，所述机侧变流器采用基于转子磁链定向的矢量控制方式，采用最优功率控制得到有功功率参考值，即有功功率参考值
Figure BDA0001812136370000028
为发电机转速
Figure BDA0001812136370000029
的三次方与最优功率系数kopt之积。
根据本发明提供的一种全功率风电机组控制系统，包括：采用网侧变流器控制直流侧电压，采用机侧变流器控制捕获的风功率，机侧变流器采用基于转子磁链定向的矢量控制方式；
所述网侧变流器的控制环路包括：
直流侧电压
Figure BDA00018121363700000210
经过一个增益为电网角频率基准值ωBg的积分器，积分器的输出为网侧变流器调制波的相位θ；网侧变流器无功功率的参考值
Figure BDA00018121363700000211
与反馈值
Figure BDA00018121363700000212
之差经过比例积分调节器，所述比例积分调节器输出与额定调制比m0之和即为网侧变流器的实际调制比m；实际调制比m与直流侧电压udc之积为网侧变流器调制波的幅值U，根据所述幅值U与相位θ生成网侧变流器的调制信号用于正弦脉宽调制。
较佳的，发电机转速
Figure BDA00018121363700000213
的三次方与最优功率系数kopt之积作为机侧变流器输出功率的参考值
Figure BDA00018121363700000214
直流侧电压
Figure BDA00018121363700000215
经过一时间常数为T的一阶低通滤波器，再经过一个增益为-KC的微分环节后输出为
Figure BDA00018121363700000216
通过虚拟电容控制环路中的一阶低通滤波器降低微分环节对系统稳定性的影响，有功功率参考值
Figure BDA00018121363700000217
与虚拟电容控制环的输出值
Figure BDA00018121363700000218
之和作为机侧变流器有功功率控制器的输入。
较佳的，在网侧变流器中引入基于直流侧电压反馈的稳定控制，将直流侧电压
Figure BDA0001812136370000031
引入一个增益为Ks、时间常数为Ts的高通滤波器，高通滤波器的输出与无功功率控制器的输出、额定调制比m0之和作为网侧变流器的实际调制比m。
较佳的，电网角频率基准值ωBg为314.15926rad/s。
较佳的，所述机侧变流器采用基于转子磁链定向的矢量控制方式，采用最优功率控制得到有功功率参考值，即有功功率参考值
Figure BDA0001812136370000032
为发电机转速
Figure BDA0001812136370000033
的三次方与最优功率系数kopt之积。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明将变流器直流侧电压类比为同步发电机的转子转速，将直流侧电容的惯量时间常数类比为同步发电机转子的惯量时间常数，将网侧变流器调制比类比为同步发电机的磁链，此时全功率风电机组对电网呈现出同步发电机特性。由于直流侧电容的物理惯量较小，在电网频率变化时无法提供足够的惯量响应，在机侧变流器矢量控制的基础上引入虚拟电容控制，将风轮的物理惯量引入到直流电容上。针对加入虚拟电容控制降低机组风电机组弱电网运行稳定性，在网侧变流器中引入稳定控制器，大大提高了风电机组弱电网的适应性，从而使全功率风电机组同时具备弱电网稳定运行与参与电网惯量响应的功能。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是接入弱电网的全功率变换风电机组系统结构图；
图2是本发明网侧变流器控制框图；
图3是本发明机侧变流器控制框图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
参照图1，本发明是基于图1所示接入弱电网的全功率变换风电机组，其不限定具体电路的电压等级，机侧变流器、网侧变流器一般采用电压源型脉宽调制变流器。
本发明提供的一种全功率风电机组控制方法，包括：采用网侧变流器控制直流侧电压，采用机侧变流器控制捕获的风功率，机侧变流器采用基于转子磁链定向的矢量控制方式。
参照图2，网侧变流器的控制环路包括：直流侧电压(标幺值)
Figure BDA0001812136370000041
经过一个增益为电网角频率基准值ωBg(即为314.15926rad/s)的积分器，积分器的输出为网侧变流器调制波的相位θ；网侧变流器无功功率的参考值(标幺值)
Figure BDA0001812136370000042
与反馈值(标幺值)
Figure BDA0001812136370000043
之差经过比例积分(PI)调节器。为提高全功率风电机组弱电网运行的稳定性，在网侧变流器控制环路中引入基于直流电压反馈的稳定控制器，直流侧电压(标幺值)
Figure BDA0001812136370000044
经过一增益为Ks、时间常数为Ts的高通滤波器，其输出与无功环PI调节器输出、额定调制比m0之和即为网侧变流器的实际调制比m，实际调制比m与直流侧电压udc之积为网侧变流器调制波的幅值U，根据该调制波幅值U与相位θ生成网侧变流器的三相调制电压信号用于正弦脉宽调制。
参照图3，本发明的全功率风电机组机侧变流器控制结构。机侧变流器采用基于转子磁链定向的矢量控制方式，采用最优功率控制得到有功功率参考值，即有功功率参考值(标幺值)
Figure BDA0001812136370000045
为发电机转速(标幺值)
Figure BDA0001812136370000046
的三次方与最优功率系数kopt之积。为增加网侧变流器对电网的等效惯量、实现直流侧的虚拟电容控制，在机侧变流器的有功功率控制环路中引入基于直流侧电压反馈的虚拟电容控制环路，直流侧电压(标幺值)
Figure BDA0001812136370000047
经过一时间常数为T的一阶低通滤波器，再经过一个增益为-KC的微分环节后输出为
Figure BDA0001812136370000048
由于直流侧电压包含的大量高次谐波经过微分环节放大后会引起系统失稳，虚拟电容控制环路中的一阶低通滤波器用于降低微分环节对系统稳定性的影响。有功功率参考值(标幺值)
Figure BDA0001812136370000049
与虚拟电容控制环的输出值(标幺值)
Figure BDA00018121363700000410
之和作为机侧变流器有功功率控制器的输入，其与有功功率反馈值(标幺值)
Figure BDA00018121363700000411
之差经过PI调节器作为机侧变流器q轴电流给定值(标幺值)
Figure BDA00018121363700000412
Figure BDA00018121363700000413
与q轴电流反馈值(标幺值)进入电流环的PI调节器，再经过交叉解耦环节作为q轴电压调制信号；同理，无功功率参考值(标幺值)
Figure BDA00018121363700000415
与无功功率反馈值(标幺值)
Figure BDA00018121363700000416
之差经过PI调节器作为机侧变流器d轴电流给定值(标幺值)
Figure BDA00018121363700000417
Figure BDA00018121363700000418
与d轴电流反馈值(标幺值)
Figure BDA00018121363700000419
进入电流环的PI调节器，再经过交叉解耦环节作为d轴电压调制信号。
此外，本发明还提供一种全功率风电机组控制系统，采用网侧变流器控制直流侧电压，采用机侧变流器控制捕获的风功率，机侧变流器采用基于转子磁链定向的矢量控制方式。
参照图2，网侧变流器的控制环路包括：直流侧电压(标幺值)
Figure BDA0001812136370000051
经过一个增益为电网角频率基准值ωBg(即为314.15926rad/s)的积分器，积分器的输出为网侧变流器调制波的相位θ；网侧变流器无功功率的参考值(标幺值)
Figure BDA0001812136370000052
与反馈值(标幺值)
Figure BDA0001812136370000053
之差经过比例积分(PI)调节器。为提高全功率风电机组弱电网运行的稳定性，在网侧变流器控制环路中引入基于直流电压反馈的稳定控制器，直流侧电压(标幺值)
Figure BDA0001812136370000054
经过一增益为Ks、时间常数为Ts的高通滤波器，其输出与无功环PI调节器输出、额定调制比m0之和即为网侧变流器的实际调制比m，实际调制比m与直流侧电压udc之积为网侧变流器调制波的幅值U，根据该调制波幅值U与相位θ生成网侧变流器的三相调制电压信号用于正弦脉宽调制。
参照图3，本发明的全功率风电机组机侧变流器控制结构。机侧变流器采用基于转子磁链定向的矢量控制方式，采用最优功率控制得到有功功率参考值，即有功功率参考值(标幺值)
Figure BDA0001812136370000055
为发电机转速(标幺值)
Figure BDA0001812136370000056
的三次方与最优功率系数kopt之积。为增加网侧变流器对电网的等效惯量、实现直流侧的虚拟电容控制，在机侧变流器的有功功率控制环路中引入基于直流侧电压反馈的虚拟电容控制环路，直流侧电压(标幺值)
Figure BDA0001812136370000057
经过一时间常数为T的一阶低通滤波器，再经过一个增益为-KC的微分环节后输出为
Figure BDA0001812136370000058
由于直流侧电压包含的大量高次谐波经过微分环节放大后会引起系统失稳，虚拟电容控制环路中的一阶低通滤波器用于降低微分环节对系统稳定性的影响。有功功率参考值(标幺值)
Figure BDA0001812136370000059
与虚拟电容控制环的输出值(标幺值)
Figure BDA00018121363700000510
之和作为机侧变流器有功功率控制器的输入，其与有功功率反馈值(标幺值)
Figure BDA00018121363700000511
之差经过PI调节器作为机侧变流器q轴电流给定值(标幺值)
Figure BDA00018121363700000512
Figure BDA00018121363700000513
与q轴电流反馈值(标幺值)
Figure BDA00018121363700000514
进入电流环的PI调节器，再经过交叉解耦环节作为q轴电压调制信号；同理，无功功率参考值(标幺值)
Figure BDA00018121363700000515
与无功功率反馈值(标幺值)
Figure BDA00018121363700000516
之差经过PI调节器作为机侧变流器d轴电流给定值(标幺值)isdref，
Figure BDA00018121363700000517
与d轴电流反馈值(标幺值)
Figure BDA00018121363700000518
进入电流环的PI调节器，再经过交叉解耦环节作为d轴电压调制信号。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (4)

1.一种全功率风电机组控制方法，其特征在于，包括：采用网侧变流器控制直流侧电压，采用机侧变流器控制捕获的风功率，机侧变流器采用基于转子磁链定向的矢量控制方式；
所述网侧变流器的控制环路包括：
直流侧电压
Figure FDA0002539564430000011
经过一个增益为电网角频率基准值ωBg的积分器，积分器的输出为网侧变流器调制波的相位θ；网侧变流器无功功率的参考值
Figure FDA0002539564430000012
与反馈值
Figure FDA0002539564430000013
之差经过比例积分调节器；为提高全功率风电机组弱电网运行的稳定性，在网侧变流器控制环路中引入基于直流电压反馈的稳定控制器，直流侧电压
Figure FDA0002539564430000014
经过一增益为Ks、时间常数为Ts的高通滤波器，高通滤波器输出与无功环比例积分调节器输出、额定调制比m0之和即为网侧变流器的实际调制比m，实际调制比m与直流侧电压udc之积为网侧变流器调制波的幅值U，根据该调制波幅值U与相位θ生成网侧变流器的三相调制电压信号用于正弦脉宽调制；
所述机侧变流器的控制结构包括：
机侧变流器采用基于转子磁链定向的矢量控制方式，采用最优功率控制得到有功功率参考值，有功功率参考值
Figure FDA0002539564430000015
为发电机转速
Figure FDA0002539564430000016
的三次方与最优功率系数kopt之积；为增加网侧变流器对电网的等效惯量、实现直流侧的虚拟电容控制，在机侧变流器的有功功率控制环路中引入基于直流侧电压反馈的虚拟电容控制环路，直流侧电压
Figure FDA0002539564430000017
经过一时间常数为T的一阶低通滤波器，再经过一个增益为-KC的微分环节后输出为
Figure FDA0002539564430000018
由于直流侧电压包含的大量高次谐波经过微分环节放大后会引起系统失稳，虚拟电容控制环路中的一阶低通滤波器用于降低微分环节对系统稳定性的影响，有功功率参考值
Figure FDA0002539564430000019
与虚拟电容控制环的输出值
Figure FDA00025395644300000110
之和作为机侧变流器有功功率控制器的输入，与有功功率反馈值
Figure FDA00025395644300000111
之差经过比例积分调节器作为机侧变流器q轴电流给定值
Figure FDA00025395644300000112
与q轴电流反馈值
Figure FDA00025395644300000113
进入电流环的比例积分调节器，再经过交叉解耦环节作为q轴电压调制信号；同理，无功功率参考值
Figure FDA00025395644300000114
与无功功率反馈值
Figure FDA00025395644300000115
之差经过比例积分调节器作为机侧变流器d轴电流给定值
Figure FDA00025395644300000116
与d轴电流反馈值
Figure FDA00025395644300000117
进入电流环的PI调节器，再经过交叉解耦环节作为d轴电压调制信号。
2.根据权利要求1所述的全功率风电机组控制方法，其特征在于，电网角频率基准值ωBg为314.15926rad/s。
3.一种全功率风电机组控制系统，其特征在于，包括：采用网侧变流器控制直流侧电压，采用机侧变流器控制捕获的风功率，机侧变流器采用基于转子磁链定向的矢量控制方式；
所述网侧变流器的控制环路包括：
直流侧电压
Figure FDA0002539564430000021
经过一个增益为电网角频率基准值ωBg的积分器，积分器的输出为网侧变流器调制波的相位θ；网侧变流器无功功率的参考值
Figure FDA0002539564430000022
与反馈值
Figure FDA0002539564430000023
之差经过比例积分调节器；为提高全功率风电机组弱电网运行的稳定性，在网侧变流器控制环路中引入基于直流电压反馈的稳定控制器，直流侧电压
Figure FDA0002539564430000024
经过一增益为Ks、时间常数为Ts的高通滤波器，高通滤波器输出与无功环比例积分调节器输出、额定调制比m0之和即为网侧变流器的实际调制比m，实际调制比m与直流侧电压udc之积为网侧变流器调制波的幅值U，根据该调制波幅值U与相位θ生成网侧变流器的三相调制电压信号用于正弦脉宽调制；
所述机侧变流器的控制结构包括：
机侧变流器采用基于转子磁链定向的矢量控制方式，采用最优功率控制得到有功功率参考值，有功功率参考值
Figure FDA0002539564430000025
为发电机转速
Figure FDA0002539564430000026
的三次方与最优功率系数kopt之积；为增加网侧变流器对电网的等效惯量、实现直流侧的虚拟电容控制，在机侧变流器的有功功率控制环路中引入基于直流侧电压反馈的虚拟电容控制环路，直流侧电压
Figure FDA0002539564430000027
经过一时间常数为T的一阶低通滤波器，再经过一个增益为-KC的微分环节后输出为
Figure FDA0002539564430000028
由于直流侧电压包含的大量高次谐波经过微分环节放大后会引起系统失稳，虚拟电容控制环路中的一阶低通滤波器用于降低微分环节对系统稳定性的影响，有功功率参考值
Figure FDA0002539564430000029
与虚拟电容控制环的输出值
Figure FDA00025395644300000210
之和作为机侧变流器有功功率控制器的输入，与有功功率反馈值
Figure FDA00025395644300000211
之差经过比例积分调节器作为机侧变流器q轴电流给定值
Figure FDA00025395644300000212
与q轴电流反馈值
Figure FDA00025395644300000213
进入电流环的比例积分调节器，再经过交叉解耦环节作为q轴电压调制信号；同理，无功功率参考值
Figure FDA00025395644300000214
与无功功率反馈值
Figure FDA00025395644300000215
之差经过比例积分调节器作为机侧变流器d轴电流给定值
Figure FDA00025395644300000216
与d轴电流反馈值
Figure FDA00025395644300000217
进入电流环的PI调节器，再经过交叉解耦环节作为d轴电压调制信号。
4.根据权利要求3所述的全功率风电机组控制系统，其特征在于，电网角频率基准值ωBg为314.15926rad/s。
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