CN109560733B - 一种dfig机侧变流器电压源型控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种DFIG机侧变流器电压源型控制方法，利用定子电压参考相位角θ_s完成定子三相电压U_sabc、定子三相电流I_sabc和转子三相电流I_rabc进行坐标变换，再通过相应的控制算法得到转子电压d轴平均分量U_rdPI和q轴平均分量U_rqPI，然后利用U_rdPI和U_rqPI计算获得转子电压d轴调制信号V_rd和q轴调制信号V_rq，最后基于V_rd和V_rq通过SVPWM算法得到PWM开关量信号对DFIG变流器进行控制。其应用时，可使双馈风力发电机组具备类似于同步发电机的输出特性，实现对双馈风力发电机组输出电压幅值/无功功率和频率/有功功率的控制，为其接入电网提供电压幅值和频率支撑，可适用于孤立电网、分布式发电系统和与主网联系薄弱的末端电网中双馈风力发电机组的运行控制。

Description

一种DFIG机侧变流器电压源型控制方法

技术领域

本发明涉及新能源发电机组运行控制技术领域，具体涉及一种DFIG机侧变流器电压源型控制方法。

背景技术

目前，随着电力电子技术的长足进步，我国新能源发电机组装机容量不断扩大。但由于能源中心和负荷中心的区域分布的不平衡，新能源发电机组常常接入电网末端，接入点短路容量小，与主网联系薄弱。常规DFIG(Double-Fed Induction Generator，双馈风力发电机组)定子侧三相端子与公网直接相连，转子侧采用背靠背变流器实现与公网的连接，背靠背变流器与电网相连的部分称为GSC(网侧变流器)，与DFIG转子相连的部分称为RSC(机侧变流器)。现有控制技术中，机侧变流器多采用基于同步速坐标系分解的交、直轴解耦控制算法，分别对发电机输出的有功功率和无功功率施加控制，对外表现为电流源输出特性。因而，在风电机组集中的区域，需配套一定的常规火电或水电机组提供电压幅值及频率支撑。但在风电机组渗透率较高的情况下，仍然面对局部电网动态电压和功角稳定性不足的问题，在故障条件下易引起连锁反应，引起风电机组或集群脱网。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题，提供一种DFIG机侧变流器电压源型控制方法，其应用时，可以实现双馈风力发电机组对机端输出电压幅值/无功功率和频率/有功功率的控制，令其具备类同步发电机的输出特性，能为并网点提供电压幅值和频率支撑。

本发明通过以下技术方案实现：

一种DFIG机侧变流器电压源型控制方法，包括以下步骤：

S1、通过电压互感器和电流互感器采集DIFG定子三相电压U_sabc，定子三相电流I_sabc和转子三相电流I_rabc，此外，利用位置编码器检测DFIG转子转速ω_r以及转子位置角θ_r；

S2、给定初始定子电压参考相位角θ_s对定子三相电压U_sabc进行坐标变换，得到同步速旋转坐标系下定子电压d轴分量U_sd和q轴分量U_sq，对定子三相电流I_sabc进行坐标变换，得到同步速旋转坐标系下定子电流d轴分量I_sd和q轴分量I_sq，利用定子电压参考相位角θ_s减去转子位置角θ_r得到转差角θ_slip，进而通过转差角θ_slip对转子三相电流I_rabc进行坐标变换，获取同步速旋转坐标系下转子电流d轴分量I_rd和q轴分量I_rq；

S3、利用定子电压d轴分量U_sd和q轴分量U_sq以及定子电流d轴分量I_sd和q轴分量I_sq计算获取DFIG定子输出有功功率P_s、无功功率Q_s以及定子电压相峰值E，结合下垂控制，得到DFIG给定运行频率ω_sref和给定运行电压E_ref，并对给定运行频率ω_sref进行积分，得到闭环的DFIG定子电压参考相位角θ_s来反馈作用于步骤S2；

S4、采用q轴电压定向控制策略，根据DFIG定子磁链方程得到转子电流q轴分量I_rq的参考值I_rqref；

S5、通过对给定运行电压E_ref和定子电压相峰值E做差得到定子电压误差，将该误差通过PI控制得到转子电流d轴分量I_rd的参考值I_rdref；

S6、将转子电流d轴分量参考值I_rdref和q轴分量参考值I_rqref分别与转子电流d轴分量I_rd和q轴分量I_rq做差得到转子电流d、q轴误差，将d、q轴误差分别通过PI控制得到转子电压d轴平均分量U_rdPI和q轴平均分量U_rqPI；

S7、根据定子电流d轴分量I_sd、转子电流d轴分量I_rd、q轴分量I_rq和磁链方程计算得到转子电压d轴补偿量ΔU_rd和q轴补偿量ΔU_rq；

S8、令U_rdPI+ΔU_rd得到转子电压d轴调制信号V_rd，令U_rqPI+ΔU_rq得到转子电压q轴调制信号V_rq，基于V_rd和V_rq，通过SVPWM算法得到共计六路的一组PWM开关量信号对DFIG三相六桥臂转子变流器进行控制。

优选地，在步骤S3中，定子三相电压U_sabc和定子三相电流I_sabc计算获取DFIG定子输出有功功率P_s、无功功率Q_s和定子电压相峰值E的具体算法如下：

其中，ω_c为低通滤波器截止频率，s为拉普拉斯算子，ω_c/(s+ω_c)为低通滤波器的复频域数学模型；

给定运行电压E_ref和给定运行频率ω_sref的具体算法如下：

其中，E₀、ω₀、P₀、Q₀分别为额定工作点定子电压幅值、定子电压频率、定子输出有功和无功，k_P为有功下垂系数，k_Q为无功下垂系数；

DFIG定子电压参考相位角θ_s的具体算法如下：

其中，θ₀为DFIG定子电压初始相角。

优选地，在步骤S4中，采用q轴电压定向控制策略，根据DFIG定子磁链方程得到转子电流q轴分量I_rq参考值I_rqref的具体算法如下：

其中，L_s为DFIG定子自感，L_m为DFIG定转子互感。

优选地，在步骤S5中，通过对给定运行电压E_ref和定子电压相峰值E做差得到定子电压误差，将该误差通过PI控制得到转子电流d轴分量I_rd的参考值I_rdref的具体算法如下：

其中，s为拉普拉斯算子，k_pE为电压外环PI控制器比例系数，k_iE为电压外环PI控制器积分系数。

优选地，在步骤S6中，将d、q轴误差分别通过PI控制得到转子电压d轴平均分量U_rdPI和q轴平均分量U_rqPI的具体算法如下：

其中，k_pd为电流内环d轴PI控制器比例系数，k_id为电流内环d轴PI控制器积分系数，k_pq为电流内环q轴PI控制器比例系数，k_iq为电流内环q轴PI控制器积分系数。

优选地，在步骤S7中，根据定子电流d轴分量I_sd、转子电流d轴分量I_rd、q轴分量I_rq和磁链方程计算得到转子电压d轴补偿量ΔU_rd和q轴补偿量ΔU_rq的具体算法如下：

其中，L_r为DFIG转子自感，ω_slip为转差速度，且ω_slip＝ω_sref-ω_r。

本发明具有如下的优点和有益效果：

本发明一种DFIG机侧变流器电压源型控制方法，可使DFIG具备类似于同步发电机的输出特性，对DFIG输出电压幅值和电压频率进行调节，为其接入电网提供电压幅值和频率支撑，可适用于孤立电网、分布式发电系统和与主网联系薄弱的末端电网中DFIG的运行控制。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为实施例中适用于本发明的DFIG机侧变流器连接拓扑图；

图2为实施例中DFIG机侧变流器控制方法的示意图；

图3为DFIG定子电流瞬时值仿真结果；

图4为DFIG定子电压瞬时值仿真结果；

图5为DFIG定子电压有效值仿真结果；

图6为DFIG定子电压频率仿真结果。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

本发明提出一种DFIG机侧变流器电压源型控制方法，图1为适用于本发明的DFIG机侧变流器连接拓扑图，通过对DFIG机侧变流器施加本发明提出的一种双馈风力发电系统机侧变流器电压源型控制方法，可实现DFIG定子输出电压幅值和频率的调节，为接入点电网提供电压幅值和频率支撑能力。同时，由于引入下垂控制，可实现DFIG与其他并联发电单元之间有功功率和无功功率的合理分配。

图2为本发明所提DFIG机侧变流器控制方法示意图，控制器利用电压、电流互感器采集定转子相关电压和电流信号，计算获取DFIG定子侧输出有功功率和无功功率，再经下垂控制得到DFIG定子参考电压幅值、参考频率以及参考相位。之后通过坐标变换进行d、q轴解耦控制生成转子电压d、q轴调制信号，经SVPWM调制生成机侧变流器功率管开关信号，从而对DFIG输出电压幅值/无功功率和频率/有功功率进行调节，其实现包括以下步骤：

1、通过电压互感器和电流互感器采集DIFG定子三相电压U_sabc，定子三相电流I_sabc和转子三相电流I_rabc，此外，利用位置编码器检测DFIG转子位置角θ_r，再对转子位置角进行微分运算获取转子转速ω_r。

2、利用定子电压参考相位角θ_s对定子三相电压U_sabc进行坐标变换，得到同步速旋转坐标系下定子电流d轴分量U_sd和q轴分量U_sq，定子三相电流I_sabc进行坐标变换，得到同步速旋转坐标系下定子电流d轴分量I_sd和q轴分量I_sq；利用定子电压参考相位角θ_s减去转子位置角θ_r得到转差角θ_slip，进而通过转差角θ_slip对转子三相电流I_rabc进行坐标变换，获取同步速旋转坐标系下转子电流d轴分量I_rd和q轴分量I_rq。坐标变换的具体表达式如下：

其中，U_sa、U_sb、U_sc分别为DFIG定子A、B、C三相电压，I_sa、I_sb、I_sc分别为DFIG定子A、B、C三相电流，I_ra、I_rb、I_rc分别为DFIG转子A、B、C三相电流。

3、首先利用定子三相电压U_sabc和定子三相电流I_sabc计算获取DFIG定子输出有功功率P_s、无功功率Q_s以及定子电压相峰值E，其具体算法如下：

其中，ω_c为低通滤波器截止频率，s为拉普拉斯算子，ω_c/(s+ω_c)为低通滤波器的复频域数学模型。U_sd、U_sq、I_sd、I_sq分别为DFIG定子电压和电流的d、q轴分量；

其次，结合下垂控制，得到DFIG给定运行频率ω_sref和给定运行电压E_ref，其具体算法如下：

其中，E₀、ω₀、P₀、Q₀分别为额定工作点定子电压幅值、定子电压频率、定子输出有功和无功；k_P为有功下垂系数，k_Q为无功下垂系数；

然后对给定运行频率ω_sref进行积分得到DFIG定子电压参考相位角θ_s(供第二步坐标变换使用)，其具体算法如下：

其中，θ₀为DFIG定子电压初始相角。

4、采用q轴电压定向控制策略，根据DFIG定子磁链方程得到转子电流q轴分量参考值I_rqref，其具体算法如下：

其中，L_s为DFIG定子自感，L_m为DFIG定转子互感。

5、通过对给定运行电压E_ref和定子电压相峰值E做差得到定子电压误差，将该误差通过PI控制得到转子电流d轴分量参考值I_rdref，其具体算法如下：

其中，k_pE为电压外环PI控制器比例系数，k_iE为电压外环PI控制器积分系数。

6、将转子电流d轴分量参考值I_rdref和q轴分量参考值I_rqref分别与转子电流d轴分量I_rd和q轴分量I_rq做差得到转子电流d、q轴误差，将d、q轴误差分别通过PI控制得到转子电压d轴平均分量U_rdPI和q轴平均分量U_rqPI，其具体算法如下：

其中，k_pd为电流内环d轴PI控制器比例系数，k_id为电流内环d轴PI控制器积分系数，k_pq为电流内环q轴PI控制器比例系数，k_iq为电流内环q轴PI控制器积分系数。

7、根据定子电流d轴分量I_sd、转子电流d轴分量I_rd、q轴分量I_rq和磁链方程计算得到转子电压d轴补偿量ΔU_rd和q轴补偿量ΔU_rq，其具体算法如下：

其中，Lr为DFIG转子自感，ω_slip为转差速度，且ω_slip＝ω_sref-ω_r。

8、令U_rdPI+ΔU_rd得到转子电压d轴调制信号V_rd，令U_rqPI+ΔU_rq得到转子电压q轴调制信号V_rq，基于V_rd和V_rq，通过SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation，空间矢量脉宽调制)得到共计六路的一组PWM开关量信号对DFIG三相六桥臂转子变流器进行控制。

本发明实施后的仿真效果如图3～图6所示，DFIG带负荷孤网运行，5s时刻切除部分负荷。可见，操作前后电压幅值和频率都保持稳定，电压和电流正弦度较高且负荷减小后电压幅值和频率变化符合下垂特性斜率设置。由此可见本发明控制方法可以为电网接入点提供很好的电压幅值和频率支撑。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种DFIG机侧变流器电压源型控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、通过电压互感器和电流互感器采集DIFG定子三相电压U_sabc，定子三相电流I_sabc和转子三相电流I_rabc，此外，利用位置编码器检测DFIG转子转速ω_r以及转子位置角θ_r；

S2、给定初始定子电压参考相位角θ_s对定子三相电压U_sabc进行坐标变换，得到同步速旋转坐标系下定子电压d轴分量U_sd和q轴分量U_sq，对定子三相电流I_sabc进行坐标变换，得到同步速旋转坐标系下定子电流d轴分量I_sd和q轴分量I_sq，利用定子电压参考相位角θ_s减去转子位置角θ_r得到转差角θ_slip，进而通过转差角θ_slip对转子三相电流I_rabc进行坐标变换，获取同步速旋转坐标系下转子电流d轴分量I_rd和q轴分量I_rq；

S3、利用定子电压d轴分量U_sd和q轴分量U_sq以及定子电流d轴分量I_sd和q轴分量I_sq计算获取DFIG定子输出有功功率P_s、无功功率Q_s以及定子电压相峰值E，结合下垂控制，得到DFIG给定运行频率ω_sref和给定运行电压E_ref，并对给定运行频率ω_sref进行积分，得到闭环的DFIG定子电压参考相位角θ_s来反馈作用于步骤S2；

S4、采用q轴电压定向控制策略，根据DFIG定子磁链方程得到转子电流q轴分量I_rq的参考值I_rqref；

S5、通过对给定运行电压E_ref和定子电压相峰值E做差得到定子电压误差，将该误差通过PI控制得到转子电流d轴分量I_rd的参考值I_rdref；

S6、将转子电流d轴分量参考值I_rdref和q轴分量参考值I_rqref分别与转子电流d轴分量I_rd和q轴分量I_rq做差得到转子电流d、q轴误差，将d、q轴误差分别通过PI控制得到转子电压d轴平均分量U_rdPI和q轴平均分量U_rqPI；

S7、根据定子电流d轴分量I_sd、转子电流d轴分量I_rd、q轴分量I_rq和磁链方程计算得到转子电压d轴补偿量ΔU_rd和q轴补偿量ΔU_rq；

S8、令U_rdPI+ΔU_rd得到转子电压d轴调制信号V_rd，令U_rqPI+ΔU_rq得到转子电压q轴调制信号V_rq，基于V_rd和V_rq，通过SVPWM算法得到共计六路的一组PWM开关量信号对DFIG三相六桥臂转子变流器进行控制；

在步骤S3中，定子三相电压U_sabc和定子三相电流I_sabc计算获取DFIG定子输出有功功率P_s、无功功率Q_s和定子电压相峰值E的具体算法如下：

其中，ω_c为低通滤波器截止频率，s为拉普拉斯算子，ω_c/(s+ω_c)为低通滤波器的复频域数学模型；

给定运行电压E_ref和给定运行频率ω_sref的具体算法如下：

其中，E₀、ω₀、P₀、Q₀分别为额定工作点定子电压幅值、定子电压频率、定子输出有功和无功，k_P为有功下垂系数，k_Q为无功下垂系数；

DFIG定子电压参考相位角θ_s的具体算法如下：

其中，θ₀为DFIG定子电压初始相角；

在步骤S5中，通过对给定运行电压E_ref和定子电压相峰值E做差得到定子电压误差，将该误差通过PI控制得到转子电流d轴分量I_rd的参考值I_rdref的具体算法如下：

其中，s为拉普拉斯算子，k_pE为电压外环PI控制器比例系数，k_iE为电压外环PI控制器积分系数。

2.根据权利要求1所述的一种DFIG机侧变流器电压源型控制方法，其特征在于，在步骤S4中，采用q轴电压定向控制策略，根据DFIG定子磁链方程得到转子电流q轴分量I_rq参考值I_rqref的具体算法如下：

其中，L_s为DFIG定子自感，L_m为DFIG定转子互感。

3.根据权利要求1所述的一种DFIG机侧变流器电压源型控制方法，其特征在于，在步骤S6中，将d、q轴误差分别通过PI控制得到转子电压d轴平均分量U_rdPI和q轴平均分量U_rqPI的具体算法如下：

其中，k_pd为电流内环d轴PI控制器比例系数，k_id为电流内环d轴PI控制器积分系数，k_pq为电流内环q轴PI控制器比例系数，k_iq为电流内环q轴PI控制器积分系数。

4.根据权利要求2所述的一种DFIG机侧变流器电压源型控制方法，其特征在于，在步骤S7中，根据定子电流d轴分量I_sd、转子电流d轴分量I_rd、q轴分量I_rq和磁链方程计算得到转子电压d轴补偿量ΔU_rd和q轴补偿量ΔU_rq的具体算法如下：

其中，L_r为DFIG转子自感，ω_slip为转差速度，且ω_slip＝ω_sref-ω_r。

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