CN109980670A - 一种双馈风电变流器直流母线电压控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种双馈风电变流器直流母线电压控制方法，其特征在于，采用网侧变换器和机侧变换器共同控制直流母线电压，网侧变换器起主要作用，机侧变换器对暂态过程进行辅助控制。在网侧变换器控制单元中，根据电网电压有效值和发电机转差，计算直流母线电压参考值；根据直流母线电压偏差生成能量电流前馈值和直流母线电压闭环输出电流参考值，两者相加为网侧有功电流参考值。在机侧变换器控制单元中，采用带滞环的稳态自衰减PI调节器对暂态过程中的直流母线电压进行辅助控制，控制结果与风电机组主控制器有功功率指令相加为机侧有功电流参考值。本发明可提高直流母线电压控制的稳定性，有助于挖掘双馈风电机组对电网暂态过程中频率和电压的支撑能力。

Description

一种双馈风电变流器直流母线电压控制方法
技术领域
本发明涉及一种双馈风电变流器直流母线电压控制方法。
背景技术
近年来，可再生能源尤其是风能的利用越来越受到重视。在众多的风力发电方案中，变 速恒频双馈风电机组由于所需的变流器容量小，系统效率高，功率因数可控等优点，在2MW 及以下功率等级获得广泛应用。在双馈发电系统中，发电机定子连接电网，转子由双馈变流 器提供三相转差频率电流进行励磁。在追踪最大风能的变速运行中，随时调节转子励磁电流 的幅值、频率和相位，使发电机能在同步速上、下广泛范围内作变速恒频运行，实现发电机 有功、无功的解耦控制。
风电等可再生能源所占电网容量比重逐渐增加，可再生能源高穿透率并网带来的电网适 应性问题不能忽略。站在电网角度，希望风电机组能像传统火电机组一样，在电网故障暂态 过程中快速支撑电网的电压和频率。对于变速恒频双馈风电机组来讲，双馈变流器是实现电 网电压和频率主动支撑的关键，而直流母线电压稳定是双馈变流器可靠运行的前提。要想挖 掘双馈风电机组在电网故障期间对电网电压和频率的支撑潜力，首先应该将双馈变流器的直 流母线电压控制稳定。
双馈变流器分为网侧变换器、机侧变换器和直流母线三部分。目前条件下，网侧变换器 控制目标为直流母线电压稳定，机侧变换器控制目标为根据主控制器下发的功率指令实现风 电机组的出力控制。为了实现直流母线电压的稳定，专利“CN201620434299一种双馈风电 变流器直流母线电压补偿电路”采用软开关电路、谐振电路等元件实现双馈变流器直流母线 电压的瞬时大功率的直流功率注入和直流电压补偿；专利“CN201711221287一种用于双馈 风电机组直流母线侧的电容架构”采用直流母线上并联超级电容储能方式遏制直流母线电压 的过冲幅度。两种方案均需要增加额外的元件，导致双馈变流器成本增加。
发明内容
本发明克服现有技术的缺点，提出一种适用于双馈风电变流器的直流母线电压控制方法。 本发明可提高直流母线电压控制的稳定性，有助于挖掘双馈风电机组在电网暂态过程中对电 网频率和电压的支撑能力。
双馈风电变流器由网侧变换器、机侧变换器和直流母线三部分组成。网侧变换器和机侧 变换器均包含控制单元和逆变单元。双馈风电变流器为风电机组的执行机构，受风电机组主 控制器的控制，风电机组主控制器将有功功率指令下发到机侧变换器控制单元。网侧变换器 的控制目标为直流母线电压稳定，机侧变换器的控制目标为根据风电机组主控制器下发的有 功功率指令调节风电机组的出力。直流母线部分包含支撑电容和卸荷单元，卸荷单元受网侧 变换器控制单元的控制。
本发明采用网侧变换器和机侧变换器共同控制直流母线电压，网侧变换器对直流母线电 压控制起主要作用，机侧变换器对暂态过程中的直流母线电压进行辅助调节。网侧变换器对 直流母线电压的控制方法在网侧变换器控制单元中实现，机侧变换器对直流母线电压的控制 方法在机侧变换器控制单元中实现。
在网侧变换器控制单元中，根据电网电压有效值Ugrms和发电机转差Sgen，求取直流母线 电压参考值Udcref；用直流母线电压参考值Udcref减去直流母线电压Udc，得到网侧直流母线 电压偏差Udcerr1；根据网侧直流母线电压偏差Udcerr1，求取直流母线能量电流前馈值Igdref1； 对网侧直流母线电压偏差采用PI调节器进行闭环控制，得到直流母线电压环输出电流参考值 Igdref2；直流母线能量电流前馈值Igdref1和直流母线电压环输出电流参考值Igdref2相加得 到网侧有功电流参考值Igdref；根据网侧直流母线电压偏差Udcerr1，采用滞环方式控制直流 母线部分卸荷单元的投入与切出。
在机侧变换器控制单元中，用直流母线电压参考值Udcref减去直流母线电压Udc，得到机 侧直流母线电压偏差Udcerr2；采用带滞环的稳态自衰减PI调节器对直流母线电压进行条件控 制：在暂态期间，机侧直流母线电压偏差Udcerr2大于UCMAX或小于UCMIN时，稳态自衰减PI调 节器起作用，对机侧直流母线电压偏差Udcerr2进行闭环控制；暂态结束后，机侧直流母线电 压偏差Udcerr2处于UCMAX和UCMIN之间时，稳态自衰减PI调节器输出的机侧附加功率PrefA以指 数K衰减，UCMAX为稳态自衰减PI调节器开始起作用的正向最大电压偏差阈值，UCMIN为稳态自衰减PI调节器开始起作用的负向最小电压偏差阈值。稳态自衰减PI调节器的输出为机侧附加功率PrefA。风电机组主控制器下发的有功功率指令Pctrl加上机侧附加功率PrefA，得到机侧有功功率参考值Pref。根据机侧有功功率参考值Pref，计算机侧有功电流参考值Imqref。
网侧变换器控制单元实现的功能包含：
1、根据采集的电网三相电压Ugabc计算电网电压有效值Ugrms，接收机侧变换器控制单 元发送的发电机转差Sgen，求取直流母线电压参考值Udcref，如式(1)所示。
式(1)中，K1为网侧变换器电压控制裕度，Udcref1为网侧变换器控制需要的直流母线电压参考值，K2为机侧变换器电压控制裕度，|Sgen|为发电机转差信号绝对值，Ns2r为发电机定转子变比，Udcref2为机侧变换器控制需要的直流母线电压参考值，UdcrefMIN为直流母线电压控制下限，UdcrefMAX为直流母线电压控制上限。
网侧变换器控制单元采用通讯方式将直流母线电压参考值Udcref发送到机侧变换器控 制单元。
2、直流母线电压参考值Udcref减去直流母线电压Udc，得到网侧直流母线电压偏差Udcerr1；根据网侧直流母线电压偏差Udcerr1求取直流母线能量电流前馈值Igdref1，如式(2) 所示：
式(2)中，C为直流母线支撑电容容值，Udcref为直流母线电压参考值，Udcerr1为网侧直流母线电压偏差，fPWM为网侧开关频率，Ugrms为电网电压有效值，K3为能量电流前馈系数。
网侧直流母线电压偏差Udcerr1进入PI调节器进行闭环控制，得到直流母线电压环输出电 流参考值Igdref2。
直流母线能量电流前馈值Igdref1加上直流母线电压环输出电流参考值Igdref2，得到网 侧有功电流参考值Igdref。网侧有功电流参考值Igdref与网侧无功电流参考值Igqref一起进入网侧变换器控制单元中的矢量控制&PWM生成模块，输出PWM波形到网侧变换器逆变单元。
3、根据网侧直流母线电压偏差Udcerr1控制卸荷单元投入或切出，防止直流母线过压：当 网侧直流母线电压偏差Udcerr1大于卸荷控制滞环高阈值UCPOn时，控制卸荷单元投入；当网侧 直流母线电压偏差Udcerr2小于卸荷控制滞环低阈值UCPOff时，控制卸荷单元切出。
机侧变换器控制单元实现功能包含：
1、采集发电机转速Vgen，计算发电机转差Sgen，计算方法如公式(3)所示。
式(3)中，Vsyn为发电机同步转速。
采用通讯方式将发电机转差Sgen发送到网侧变换器控制单元；
2、接收网侧变换器控制单元发送的直流母线电压参考值Udcref，采集直流母线电压Udc， 用直流母线电压参考值Udcref减去直流母线电压Udc，得到机侧直流母线电压偏差Udcerr2。
机侧直流母线电压偏差Udcerr2进入带滞环的稳态自衰减PI调节器进行条件控制：暂态 过程中，机侧直流母线电压偏差Udcerr2大于UCMAX或小于UCMIN时，稳态自衰减PI调节器起作 用，对机侧直流母线电压偏差Udcerr2进行闭环控制；暂态结束后，机侧直流母线电压偏差Udcerr2处于UCMAX和UCMIN之间时，稳态自衰减PI调节器输出的机侧附加功率PrefA以指数K衰减。其中，UCMAX为稳态自衰减PI调节器开始起作用的正向最大电压偏差阈值，UCMIN为稳态 自衰减PI调节器开始起作用的负向最小电压偏差阈值。稳态自衰减PI调节器输出为机侧附加功率PrefA；
风电机组主控制器下发的有功功率指令Pctrl加上稳态自衰减PI调节器输出的机侧附加 功率PrefA，得到机侧有功功率参考值Pref。根据机侧有功功率参考值Pref计算机侧有功电流 参考值Imqref，计算公式如式(4)所示。
式(4)中，Ls为双馈发电机定子电感，Lm为双馈发电机励磁电感。
机侧有功电流参考值Imqref和机侧无功电流参考值Imdref一起进入机侧变换器控制单元 中的矢量控制&PWM生成模块，输出PWM波形到机侧变换器逆变单元。
本发明的优点在于，在不增加双馈风电变流器硬件成本的条件下，通过优化直流母线电 压控制方法，根据电网实际电压和发电机转差计算直流母线电压参考值，网侧变换器实现直 流母线电压的主要控制，机侧变换器通过带滞环的稳态自衰减PI调节器进行直流母线电压 暂态期间的辅助控制，相比单纯的卸荷单元方案增加了直流母线低电压时的控制，提高暂态 过程中直流母线电压控制性能，有助于挖掘双馈风电机组在电网暂态过程中对电网频率和电 压的支撑能力。
附图说明
图1双馈风电变流器系统拓扑图；
图2本发明双馈风电变流器直流母线电压控制方法框图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
双馈风电变流器及其在风电机组中的系统拓扑如图1所示。双馈风电变流器包括网侧变 换器、直流母线和机侧变换器三部分。双馈风电变流器为风电机组的执行机构，受风电机组 主控制器的控制，风电机组主控制器将有功功率指令下发到机侧变换器控制单元。其中网侧 变换器连接电网，由网侧变换器逆变单元11和网侧变换器控制单元12构成；机侧变换器连 接双馈发电机转子，由机侧变换器逆变单元21和机侧变换器控制单元22构成；直流母线部 分包含支撑电容C1、C2和卸荷单元30。
网侧变换器控制单元12采集的信号包含电网三相电压Ugabc和直流母线电压Udc，如图1 中10、13；输出PWM信号控制网侧变换器逆变单元11，如图1中14；输出IO信号控制卸荷单元30，如图1中15。
机侧变换器控制单元22采集的信号包含双馈发电机转速Vgen，直流母线电压Udc，如图1中20、23；接收风电机组主控制器下发的有功功率指令Pref，如图1中25；输出PWM信号 控制机侧变换器逆变单元21，如图1中24。
网侧变换器控制单元12和机侧变换器控制单元22采用通讯方式交互数据，从网侧变换 器控制单元12到机侧变换器控制单元22的数据为直流母线电压参考值Udcref，从机侧变换 器控制单元22到网侧变换器控制单元12的数据为发电机转差Sgen，如图1中31。
本发明直流母线电压优化控制方法需要用到的发电机参数为定子电感Ls、励磁电感Lm和 定转子变比Ns2r。
本发明直流母线电压优化控制方法在网侧变换器控制单元12和机侧变换器控制单元22 中实现，具体为：
其中，网侧变换器控制单元12的具体实施步骤为：
步骤1：根据采集的电网三相电压Ugabc计算电网电压有效值Ugrms，结合通讯接收的双 馈发电机转差Sgen，采用公式(1)求取直流母线电压参考值Udcref，如图2中100所示。 式(1)中，电网电压有效值Ugrms乘以系数并乘以网侧变换器电压控制裕度K1，得 到网侧变换器控制需要的直流母线电压参考值Udcref1；电网电压有效值Ugrms乘以系数并乘以机侧变换器电压控制裕度K2，乘以发电机转差信号Sgen的绝对值|Sgen|，乘以发电机 定转子变比Ns2r，得到机侧变换器控制需要的直流母线电压参考值Udcref2；比较网侧变换 器控制需要的直流母线电压参考值Udcref1和机侧变换器控制需要的直流母线电压参考值 Udcref2，取两值之中的大者为直流母线电压参考值Udcref。考虑到电网故障时电网电压的大 幅波动及双馈风电变流器的元器件电压承受能力，直流母线电压参考值限定取值范围为 Udcrefmin≤Udcref≤Udcref max。
步骤2：网侧变换器控制单元12采用通讯方式将直流母线电压参考值Udcref发送到机侧 变换器控制单元22，如图2中131。
步骤3：直流母线电压参考值Udcref减去直流母线电压Udc，得到网侧直流母线电压偏 差Udcerr1，如图2中110；根据网侧直流母线电压偏差Udcerr1，采用公式(2)求取直流母 线能量电流前馈值Igdref1，如图2中111。式(2)中，直流母线支撑电容容值C乘以直流 母线电压参考Udcref，乘以网侧直流母线电压误差Udcerr1，乘以开关频率fPWM，除以电网电压 有效值Ugrms，再乘以能量电流前馈系数K3，得到直流母线能量电流前馈值Igdref1。
步骤4：网侧直流母线电压偏差Udcerr1进入PI调节器进行闭环控制，得到直流母线电压 环输出电流参考值Igdref2，如图2中112。
步骤5：直流母线能量电流前馈值Igdref1加上直流母线电压环输出电流参考值Igdref2， 得到网侧有功电流参考值Igdref，如图2中113；网侧有功电流参考值Igdref与网侧无功电 流参考值Igqref一起进入网侧变换器控制单元中的矢量控制&PWM生成模块，输出PWM波形到 图1中网侧变换器逆变单元11，如图2中114、115。
步骤6：根据网侧直流母线电压偏差Udcerr1控制直流母线部分的卸荷单元30投入或切出， 防止直流母线过压：当网侧直流母线电压偏差Udcerr1大于卸荷控制滞环高阈值UCPOn时，控制 卸荷单元30投入；当网侧直流母线电压偏差Udcerr1小于卸荷控制滞环低阈值UCPOff时，控制 卸荷单元30切出，如图2中120。
机侧变换器控制单元22的具体实施步骤为：
步骤1：采集发电机转速信号Vgen，采用公式(3)计算发电机转差Sgen，如图2中140。
步骤2：采用通讯方式将发电机转差信号Sgen发送到网侧变换器控制单元12，如图2中 130；
步骤3：接收网侧变换器控制单元12发送的直流母线电压参考值Udcref，采集直流母线 电压Udc，用直流母线电压参考值Udcref减去直流母线电压Udc，得到机侧直流母线电压偏差 Udcerr2，如图2中150。
步骤4：机侧直流母线电压偏差Udcerr2进入带滞环的稳态自衰减PI调节器进行条件控制， 如图2中151。暂态过程中，机侧直流母线电压偏差Udcerr2大于UCMAX或小于UCMIN时，稳态自衰减PI调节器起作用，对机侧直流母线电压偏差Udcerr2进行闭环控制，如图2中152；暂 态结束后，机侧直流母线电压偏差Udcerr2处于UCMAX和UCMIN之间时，稳态自衰减PI调节器输 出的机侧附加功率PrefA以指数K衰减，如图2中153。稳态自衰减PI调节器的输出为机侧 附加功率PrefA，如图2中154。
步骤5：接收风电机组主控制器下发的有功功率指令Pctrl，风电机组主控制器下发的有 功功率指令Pctrl加上稳态自衰减PI调节器输出的机侧附加功率PrefA，得到机侧有功功率参 考值Pref，如图2中160。根据机侧有功功率参考值Pref，采用公式(4)计算机侧有功电流参考值Imqref，如图2中161。机侧有功电流参考值Imqref和机侧无功电流参考值Imdref一起 进入机侧变换器控制单元中的矢量控制&PWM生成模块，输出PWM波形到机侧变换器逆变单元(21)，如图2中162、163。

Claims (5)

1.一种双馈风电变流器直流母线电压控制方法，其特征在于：所述方法采用网侧变换器和机侧变换器共同控制直流母线电压，网侧变换器对直流母线电压控制起主要作用，机侧变换器对暂态过程中的直流母线电压进行辅助调节；网侧变换器对直流母线电压的控制方法在网侧变换器控制单元(12)中实现，机侧变换器对直流母线电压的控制方法在机侧变换器控制单元(22)中实现；
网侧变换器控制单元(12)中，根据电网电压有效值Ugrms和发电机转差Sgen，求取直流母线电压参考值Udcref；用直流母线电压参考值Udcref减去直流母线电压Udc，得到网侧直流母线电压偏差Udcerr1；根据网侧直流母线电压偏差Udcerr1，求取直流母线能量电流前馈值Igdref1；对网侧直流母线电压偏差Udcerr1采用PI调节器进行闭环控制，得到直流母线电压环输出电流参考值Igdref2；直流母线能量电流前馈值Igdref1和直流母线电压环输出电流参考值Igdref2相加得到网侧有功电流参考值Igdref；根据网侧直流母线电压偏差Udcerr1，采用滞环方式控制卸荷单元(30)投入与切出；
机侧变换器控制单元(22)中，直流母线电压参考值Udcref减去直流母线电压Udc，得到机侧直流母线电压偏差Udcerr2，采用带滞环的稳态自衰减PI调节器对直流母线电压进行条件控制：在暂态期间，机侧直流母线电压偏差Udcerr2大于UCMAX或小于UCMIN时，稳态自衰减PI调节器对机侧直流母线电压偏差Udcerr2进行闭环控制；暂态结束后，机侧直流母线电压偏差Udcerr2处于UCMAX和UCMIN之间时，稳态自衰减PI调节器输出的机侧附加功率PrefA以指数K衰减；UCMAX为稳态自衰减PI调节器开始起作用的正向最大电压偏差阈值，UCMIN为稳态自衰减PI调节器开始起作用的负向最小电压偏差阈值；稳态自衰减PI调节器的输出为机侧附加功率PrefA；风电机组主控制器下发的有功功率指令Pctrl加上机侧附加功率PrefA，得到机侧有功功率参考值Pref；根据机侧有功功率参考值Pref计算机侧有功电流参考值Imqref。
2.根据权利要求1所述的双馈风电变流器直流母线电压控制方法，其特征在于：所述的网侧变换器控制单元(12)中的控制步骤如下：
步骤1：根据采集的电网三相电压Ugabc计算电网电压有效值Ugrms，结合接收的双馈发电机转差Sgen，求取直流母线电压参考值Udcref；
步骤2：网侧变换器控制单元(12)通过通讯方式将直流母线电压参考值Udcref发送到机侧变换器控制单元(22)；
步骤3：用直流母线电压参考值Udcref减去直流母线电压Udc，得到网侧直流母线电压偏差Udcerr1；根据网侧直流母线电压偏差Udcerr1求取直流母线能量电流前馈值Igdref1；
步骤4：网侧直流母线电压偏差Udcerr1进入PI调节器进行闭环控制，得到直流母线电压环输出电流参考值Igdref2；
步骤5：直流母线能量电流前馈值Igdref1加上直流母线电压环输出电流参考值Igdref2，得到网侧有功电流参考值Igdref；网侧有功电流参考值Igdref与网侧无功电流参考值Igqref一起进入网侧变换器控制单元(12)中的矢量控制&PWM生成模块，输出PWM波形到网侧变换器逆变单元(11)；
步骤6：根据网侧直流母线电压偏差Udcerr1控制卸荷单元(30)投入或切出，防止直流母线过电压：当网侧直流母线电压偏差Udcerr1大于卸荷控制滞环高阈值UCPOn时，控制卸荷单元(30)投入；当网侧直流母线电压偏差Udcerr1小于卸荷控制滞环低阈值UCPOff时，控制卸荷单元(30)切出。
3.根据权利要求2所述的双馈风电变流器直流母线电压控制方法，其特征在于：所述步骤1中，采用公式(1)求取直流母线电压参考值Udcref：
式(1)中，K1为网侧变换器电压控制裕度，Udcref1为网侧变换器控制需要的直流母线电压参考值，K2为机侧变换器电压控制裕度，|Sgen|为发电机转差信号绝对值，Ns2r为发电机定转子变比，Udcref2为机侧变换器控制需要的直流母线电压参考值，UdcrefMIN为直流母线电压控制下限，UdcrefMAX为直流母线电压控制上限。
4.根据权利要求2所述的双馈风电变流器直流母线电压控制方法，其特征在于所述步骤3中，直流母线能量电流前馈值Igdref1的求取方法如式(2)所示：
式(2)中，C为直流母线支撑电容容值，Udcref为直流母线电压参考值，Udcerr1为网侧直流母线电压偏差，fPWM为网侧开关频率，Ugrms为电网电压有效值，K3为能量电流前馈系数。
5.根据权利要求1所述的双馈风电变流器直流母线电压控制方法，其特征在于：机侧变换器控制单元(22)中的控制步骤如下：
步骤1：采集发电机转速信号Vgen，计算得到发电机转差Sgen；
步骤2：采用通讯方式将发电机转差Sgen发送到网侧变换器控制单元(11)；
步骤3：接收网侧变换器控制单元(12)发送的直流母线电压参考值Udcref；采集直流母线电压Udc，用直流母线电压参考值Udcref减去直流母线电压Udc，得到机侧直流母线电压偏差Udcerr2；
步骤4：机侧直流母线电压偏差Udcerr2进入带滞环的稳态自衰减PI调节器进行条件控制：暂态过程中，机侧直流母线电压偏差Udcerr2大于UCMAX或小于UCMIN时，稳态自衰减PI调节器对机侧直流母线电压偏差Udcerr2进行闭环控制；暂态结束后，机侧直流母线电压偏差Udcerr2处于UCMAX和UCMIN之间时，稳态自衰减PI调节器输出的机侧附加功率PrefA以指数K衰减；稳态自衰减PI调节器的输出为机侧附加功率PrefA；
步骤5：接收风电机组主控制器下发的有功功率指令Pctrl，风电机组主控制器下发的有功功率指令Pctrl加上稳态自衰减PI调节器输出的机侧附加功率PrefA，得到机侧有功功率参考值Pref；根据机侧有功功率参考值Pref，计算机侧有功电流参考值Imqref；机侧有功电流参考值Imqref和机侧无功电流参考值Imdref一起进入机侧变换器控制单元(22)中的矢量控制&PWM生成模块，输出PWM波形到机侧变换器逆变单元(21)。
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