CN111917126B - 基于无锁相环自同步控制的dfig不平衡电网电压补偿方法 - Google Patents

基于无锁相环自同步控制的dfig不平衡电网电压补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于无锁相环自同步控制的DFIG不平衡电网电压补偿方法，该方法在传统直接功率控制的基础上，通过预设固定旋转角频率dq坐标系避免了锁相环的引入，通过加入直接谐振器对电网电压不平衡分量进行补偿，无需多重坐标变换，系统控制结构简单，可以在电网电压不平衡跌落时迅速进行补偿，提升电网电能质量。同时，本发明方法可以灵活设置补偿系数，可以实现PCC电压全范围补偿，兼顾了电网电能质量和机组运行性能。

Description

基于无锁相环自同步控制的DFIG不平衡电网电压补偿方法
技术领域
本发明属于电机控制技术领域，具体涉及一种基于无锁相环自同步控制的DFIG不平衡电网电压补偿方法。
背景技术
由于双馈感应发电机(DFIG)具有变流器容量小、功率灵活可调等优点，基于DFIG的风力发电机组在新能源发电中所占的比重越来越大，DFIG发电机组系统结构如图1所示。目前我国的风电场大多分布在偏远地区，因而线路阻抗较大，通常呈现弱电网的特性；在弱电网条件下，风电并网点(PCC)通常存在较大的电能质量问题，比如电压波动、电压不平衡等。
由于风力发电的随机性，基于DFIG的发电机组通常在额定功率以下运行，因此利用机组的冗余容量来参与电网电能质量的改善是可行的。利用DFIG机组补偿并网点电压不平衡的控制方法可以分为两类：一类通过采集负载电流，控制DFIG机组发出恰好与之抵消的负序或谐波补偿电流；另一类基于PCC点电压闭环，不需要负载电流信息，可以直接实现电压补偿。然而，传统的基于PCC电压闭环的不平衡电压补偿方法存在一些不足：1)在电压闭环中，负序电压的参考值通常只能设置为0，这样会严重威胁到机组的运行性能；2)需要提取电压、电流的正负序分量，在多重旋转坐标系下进行控制，结构复杂，且对电机参数依赖性高。针对上述问题，T.Wang等学者在文献[Flexible compensation strategy forvoltage source converter under unbalanced and harmonic condition based on ahybrid virtual impedance method[J].IEEE Transactions on Power Electronics,Early Access,2017.]中提出了基于虚拟阻抗技术的直接谐振补偿方法来实现电网电压质量和机组运行性能的兼顾，同时避免复杂的控制结构。
当前包含上述的DFIG的电压补偿策略主要是基于传统矢量控制(VC)、直接功率控制(DPC)等控制方案，而这些控制方案都是建立在和电网电压同步的参考坐标系上，通常需要锁相环(PLL)来实现和电网电压的矢量同步。但是，在非理想电网条件下，锁相环无法快速准确地跟踪电网电压信号，这将影响到DFIG的控制并且存在潜在的稳定性问题。H.Nian等人在文献[Direct power control of doubly fed induction generator withoutphase-locked loop in synchronous reference frame during frequency variations[J].IET Renewable Power Generation,2015,9(6)：576-586.]中提出了双馈风电机组无锁相环自同步直接功率控制策略，构建一个固定旋转角频率ω1＝100πrad/s的虚拟dq坐标系，用θ＝ω1t作为坐标变换的相位角，避免了锁相环的引入，解决了因为使用锁相环带来的双馈风电机组控制系统出现低频振荡、甚至失稳等问题。
目前关于DFIG机组无锁相环自同步控制的研究仅限于谐波或者不平衡电网条件下控制策略的改进，因此基于无锁相环自同步控制的DFIG机组不平衡电网电压补偿策略具有重要的意义。
发明内容
鉴于上述，本发明提出了一种基于无锁相环自同步控制的DFIG不平衡电网电压补偿方法，其无需锁相环的引入，可设置不同的补偿系数，能够在不平衡电网条件下实现PCC点电压的快速、灵活补偿，且避免了因锁相环导致的系统潜在的稳定性问题。
一种基于无锁相环自同步控制的DFIG不平衡电网电压补偿方法，包括如下步骤：
(1)采集DFIG定子侧PCC节点的三相电网电压usabc和机侧输出电流isabc，并利用虚拟的坐标变换相位角θ将三相电网电压usabc和机侧输出电流isabc变换到虚拟dq坐标系下，得到对应的电压矢量Usdq和电流矢量Isdq；
(2)根据电压矢量Usdq和电流矢量Isdq计算出DFIG定子侧输出的有功功率Ps和无功功率Qs；
(3)根据DFIG的功率参考值和反馈值通过PI调节计算得到输出电压矢量
Figure BDA0002571304220000021
(4)根据电压矢量Usdq和电流矢量Isdq共同构建负序电压参考值
Figure BDA0002571304220000022
进而结合PCC节点电压反馈值通过谐振控制得到负序电压补偿量
Figure BDA0002571304220000023
(5)结合输出电压矢量
Figure BDA0002571304220000031
负序电压补偿量
Figure BDA0002571304220000032
以及电压解耦项计算得到DFIG转子侧的调制电压矢量
Figure BDA0002571304220000033
(6)利用虚拟的坐标变换相位角θ对调制电压矢量
Figure BDA0002571304220000034
进行坐标变换，得到αβ坐标系下的调制电压矢量
Figure BDA0002571304220000035
进而通过SVPWM(空间矢量脉宽调制)技术生成相应的PWM开关信号对机侧变流器中的功率开关器件进行控制。
进一步地，所述步骤(1)中虚拟的坐标变换相位角θ＝ω1t，ω1为基频角速度，t表示时刻。
进一步地，所述步骤(1)中通过以下公式变换得到虚拟dq坐标系下的电压矢量Usdq和电流矢量Isdq；
Figure BDA0002571304220000036
Figure BDA0002571304220000037
其中：usa、usb、usc分别为usabc对应a、b、c三相的相电压，isa、isb、isc分别为isabc对应a、b、c三相的相电流，usd、usq分别为Usdq的d轴分量和q轴分量，isd、isq分别为Isdq的d轴分量和q轴分量。
进一步地，所述步骤(2)中通过以下公式计算DFIG定子侧输出的有功功率Ps和无功功率Qs；
Figure BDA0002571304220000038
Figure BDA0002571304220000039
其中：usd、usq分别为Usdq的d轴分量和q轴分量，isd、isq分别为Isdq的d轴分量和q轴分量。
进一步地，所述步骤(3)中通过以下公式计算输出电压矢量
Figure BDA00025713042200000310
Figure BDA0002571304220000041
其中：Kp和Ki分别为PI调节给定的比例系数和积分系数，
Figure BDA0002571304220000042
Ss＝Ps-jQs，
Figure BDA0002571304220000043
和
Figure BDA0002571304220000044
分别为给定的有功功率参考值和无功功率参考值，j为虚数单位。
进一步地，所述步骤(4)的具体实现过程为：首先通过以下公式构建负序电压参考值
Figure BDA0002571304220000045
Figure BDA0002571304220000046
然后将
Figure BDA0002571304220000047
的结果通过谐振控制器后输出得到负序电压补偿量
Figure BDA0002571304220000048
谐振控制器的传递函数GR(s)表达式如下：
Figure BDA0002571304220000049
其中：k为电网负序电压补偿系数，Zg-为电网负序阻抗，Kpr和Kir均为谐振控制器的谐振系数，ωc为谐振控制器的带宽系数，ω1为基频角速度，s为拉普拉斯算子。
进一步地，所述步骤(5)中通过以下公式计算DFIG转子侧的调制电压矢量
Figure BDA00025713042200000410
Figure BDA00025713042200000411
其中：
Figure BDA00025713042200000412
为电压解耦项，Us为PCC节点的电压幅值。
进一步地，所述电压解耦项
Figure BDA00025713042200000413
的表达式如下：
Figure BDA00025713042200000414
Figure BDA00025713042200000415
其中：Lm为DFIG的定转子互感，Rr为DFIG的转子电阻，Lr为转子绕组等效自感且Lr＝Lm+Lσr，Lσr为转子绕组的漏感，ωs为转差电角频率且ωs＝ω1-ωr，ωr为DFIG的转子旋转电角频率，
Figure BDA0002571304220000051
表示在0～t时间段内对Usdq的积分结果，t表示时刻，τ为积分算子，j为虚数单位。
进一步地，所述步骤(6)中通过以下公式变换得到αβ坐标系下的调制电压矢量
Figure BDA0002571304220000052
Figure BDA0002571304220000053
其中：
Figure BDA0002571304220000054
分别为
Figure BDA0002571304220000055
的α轴分量和β轴分量，
Figure BDA0002571304220000056
分别为
Figure BDA0002571304220000057
的d轴分量和q轴分量。
基于上述技术方案，本发明具有以下有益技术效果：
1.本发明通过在预设旋转角频率的虚拟dq坐标系下建立不平衡电网电压补偿模型，无需锁相环的引入，避免了在非理想电网电压下锁相环带来的无法快速、精确地跟踪电网电压信号以及潜在的稳定性问题；而传统的不平衡电网电压补偿方法由于对锁相环的依赖，在电网电压骤变或者频率变化情况下无法快速、精准地提供补偿，且存在稳定性问题；在实际情况中，风电机组并网点电压通常存在较大的电能质量问题，因而本发明更适用于实际情况。
2.本发明涉及的负序电压参考值的计算同时需要电压前馈和电流反馈，且补偿系数k只需在0～1小范围调节即可大范围调整系统输出负序阻抗，实现电网负序电压或者负序电流的灵活补偿，兼顾了DFIG自身运行性能和电网电能质量。
附图说明
图1为DFIG发电机组的结构示意图。
图2为本发明补偿控制方法的系统实现原理示意图。
图3为不同补偿系数k下PCC电网电压/远端电网电压即Usdq/Ugdq的特征方程伯德图。
图4为本发明基于无锁相环自同步控制的DFIG不平衡电压补偿系统在电网电压不对称a相单相跌落15％情况下的响应波形图；其中Ugabc为三相电网电压，Usabc为三相PCC电网电压，Isabc为三相定子电流，Irabc为三相转子电流，Q为无功功率，Ug-为PCC点负序电压。
图5为本发明基于无锁相环自同步控制的DFIG不平衡电压补偿系统在电网电压不对称a相单相跌落15％情况下切换不同补偿系数k的响应波形图；其中Ugabc为三相电网电压，Usabc为三相PCC电网电压，Isabc为三相定子电流，Irabc为三相转子电流，Q为无功功率，Ug-为PCC点负序电压。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明无锁相环自同步控制DFIG不平衡电网电压补偿方法的系统实现如图2所示，系统主包括一台1.65MW的DFIG1、与DFIG转子绕组连接的电压源型变换器2、定子三相电压检测器3、定子三相电流检测器4、三相坐标系到虚拟dq坐标系坐标变换模块5、功率计算模块6、负序电压参考指令值计算模块7、定子磁链计算模块8、转子位置检测光码盘9、转速微分器10、转子指令参考电压计算11、虚拟dq旋转坐标系到两相静止坐标系变换模块12、SVPWM生成器13。
本发明无锁相环自同步控制DFIG不平衡电网电压补偿方法，包括以下步骤：
(1)利用三个电压霍尔传感器3采集电网三相电压信号usabc；利用三相电流霍尔传感器4采集机组输出三相电流信号isabc，采集到的电网三相电压信号usabc和三相电流信号isabc经过坐标变换模块5得到虚拟dq坐标系下电网电压矢量Usdq和电流矢量Isdq，算法表达式为：
Figure BDA0002571304220000061
Figure BDA0002571304220000071
(2)将步骤(1)计算得到的电压矢量Usdq和电流矢量Isdq经过功率计算模块6得到定子侧输出的有功功率Ps和无功功率Qs，算法表达式为：
Figure BDA0002571304220000072
Figure BDA0002571304220000073
(3)将步骤(1)计算得到的电压矢量Usdq和电流矢量Isdq通过负序电压参考指令值计算模块7计算得到负序电压参考指令值
Figure BDA0002571304220000074
算法表达式为：
Figure BDA0002571304220000075
(4)将步骤(1)计算得到的电压矢量Usdq通过定子磁链计算模块8计算得到定子磁链
Figure BDA0002571304220000076
算法表达式为：
Figure BDA0002571304220000077
(5)通过转子位置检测光码盘9检测得到转子位置信息θ，通过转速微分器10微分得到转子转速信息ωr，算法表达式为：
Figure BDA0002571304220000078
(6)将步骤(1)计算得到的电压矢量Usdq和电流矢量Isdq、步骤(2)计算得到的定子侧输出的有功功率Ps和无功功率Qs、步骤(3)计算得到负序电压参考指令值
Figure BDA0002571304220000079
步骤(4)计算得到的定子磁链
Figure BDA00025713042200000710
步骤(5)计算得到的转子转速角频率ωr通过转子指令参考电压计算11得到转子电压参考值，算法表达式为：
Figure BDA00025713042200000711
Figure BDA0002571304220000081
Figure BDA0002571304220000082
Figure BDA0002571304220000083
关于电压解耦项的推导过程，以下为电机的电压和磁链方程：
Figure BDA0002571304220000084
Figure BDA0002571304220000085
其中：Rs为定子电阻，Rr为转子电阻，Irdq为转子电流矢量，由上式可得转子电压表达式为：
Figure BDA0002571304220000086
式中：
Figure BDA0002571304220000087
因而定义电压解耦项为：
Figure BDA0002571304220000088
对定子功率的无静差调节采用PI调节器来实现，而在不平衡电网条件下，转子侧的电压指令还需加入不平衡电压补偿分量，即转子的电压指令由电压解耦项、功率调节器输出的参考电压以及谐振器输出的参考电压三者共同构成，可表示为：
Figure BDA0002571304220000089
(7)将步骤(6)计算得到的转子电压参考值经过虚拟dq旋转坐标系到两相静止坐标系变换模块12得到两相静止αβ坐标系下的调制电压矢量
Figure BDA00025713042200000810
然后将调制电压矢量
Figure BDA00025713042200000811
作为SVPWM信号产生模块13的参考值，调制得到DFIG机组机侧变流器的开关信号Sa、Sb、Sc，将得到的开关信号Sa、Sb、Sc经过驱动模块驱动开关器件，实现基于无锁相环自同步控制的DFIG不平衡电网电压补偿，坐标变换表达式为：
Figure BDA0002571304220000091
如图3所示，补偿系数k从0到1变化，从Usdq/Ugdq特征方程伯德图中可以看出其相频曲线始终没有穿过-180°线，这表明基于无锁相环自同步控制的DFIG加入补偿环节并不会导致系统稳定性问题。
如图4所示，在本发明基于无锁相环自同步控制的DFIG不平衡电压补偿方法下，本实施方式控制电网电压在1.5s时a相单相跌落15％，补偿系数k设置为0，此时等效系统输出负序阻抗为0，即完全补偿PCC点不平衡电压。在电压跌落瞬间，DFIG迅速发出不平衡电流补偿PCC点不平衡电压，负序电压最高只达到0.026p.u，且迅速降低至较低值，该结果说明本发明策略可以在电网电压不平衡跌落时实现快补偿。
如图5所示，本实施方式a相电压跌落了15％，补偿系数k从0到1变化，意味着系统输出负序阻抗从0到无穷变化，分别对应着系统从对PCC点不平衡电压实现完全补偿到完全不补偿。由图5可见，在k切换时系统过度平滑，在k从0到1变化过程中，PCC点负序电压分量也逐步上升，DFIG定子侧不平衡电流逐步减小，可见该控制方法可以实现对电网不平衡电压的灵活补偿。
综上所述，本发明可实现基于无锁相环自同步控制的DFIG不平衡电网电压补偿，在电网电压不平衡跌落时，可快速发出不平衡电流以补偿PCC电压；在设置不同的补偿系数时，本发明可以实现对电网电压的灵活补偿，且过度平滑；由于本发明的控制策略不需要锁相环的引入，故解决了非理想电网下锁相环导致的潜在的系统稳定性问题。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能迅速理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以很容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于无锁相环自同步控制的DFIG不平衡电网电压补偿方法，包括如下步骤：
(1)采集DFIG定子侧PCC节点的三相电网电压usabc和机侧输出电流isabc，并利用虚拟的坐标变换相位角θ将三相电网电压usabc和机侧输出电流isabc变换到虚拟dq坐标系下，得到对应的电压矢量Usdq和电流矢量Isdq；
(2)根据电压矢量Usdq和电流矢量Isdq计算出DFIG定子侧输出的有功功率Ps和无功功率Qs；
(3)根据DFIG的功率参考值和反馈值通过PI调节计算得到输出电压矢量
Figure FDA0003212368490000011
(4)根据电压矢量Usdq和电流矢量Isdq共同构建负序电压参考值
Figure FDA0003212368490000012
进而结合PCC节点电压反馈值通过谐振控制得到负序电压补偿量
Figure FDA0003212368490000013
具体实现过程为：首先通过以下公式构建负序电压参考值
Figure FDA0003212368490000014
Figure FDA0003212368490000015
然后将
Figure FDA0003212368490000016
的结果通过谐振控制器后输出得到负序电压补偿量
Figure FDA0003212368490000017
谐振控制器的传递函数GR(s)表达式如下：
Figure FDA0003212368490000018
其中：k为电网负序电压补偿系数，Zg-为电网负序阻抗，Kpr和Kir均为谐振控制器的谐振系数，ωc为谐振控制器的带宽系数，ω1为基频角速度，s为拉普拉斯算子；
(5)结合输出电压矢量
Figure FDA0003212368490000019
负序电压补偿量
Figure FDA00032123684900000110
以及电压解耦项计算得到DFIG转子侧的调制电压矢量
Figure FDA00032123684900000111
(6)利用虚拟的坐标变换相位角θ对调制电压矢量
Figure FDA00032123684900000112
进行坐标变换，得到αβ坐标系下的调制电压矢量
Figure FDA00032123684900000113
进而通过SVPWM技术生成相应的PWM开关信号对机侧变流器中的功率开关器件进行控制。
2.根据权利要求1所述的DFIG不平衡电网电压补偿方法，其特征在于：所述步骤(1)中虚拟的坐标变换相位角θ＝ω1t，ω1为基频角速度，t表示时刻。
3.根据权利要求1所述的DFIG不平衡电网电压补偿方法，其特征在于：所述步骤(1)中通过以下公式变换得到虚拟dq坐标系下的电压矢量Usdq和电流矢量Isdq；
Figure FDA0003212368490000021
Figure FDA0003212368490000022
其中：usa、usb、usc分别为usabc对应a、b、c三相的相电压，isa、isb、isc分别为isabc对应a、b、c三相的相电流，usd、usq分别为Usdq的d轴分量和q轴分量，isd、isq分别为Isdq的d轴分量和q轴分量。
4.根据权利要求1所述的DFIG不平衡电网电压补偿方法，其特征在于：所述步骤(2)中通过以下公式计算DFIG定子侧输出的有功功率Ps和无功功率Qs；
Figure FDA0003212368490000023
Figure FDA0003212368490000024
其中：usd、usq分别为Usdq的d轴分量和q轴分量，isd、isq分别为Isdq的d轴分量和q轴分量。
5.根据权利要求1所述的DFIG不平衡电网电压补偿方法，其特征在于：所述步骤(3)中通过以下公式计算输出电压矢量
Figure FDA0003212368490000025
Figure FDA0003212368490000026
其中：Kp和Ki分别为PI调节给定的比例系数和积分系数，
Figure FDA0003212368490000027
Ss＝Ps-jQs，
Figure FDA0003212368490000028
和
Figure FDA0003212368490000029
分别为给定的有功功率参考值和无功功率参考值，j为虚数单位。
6.根据权利要求1所述的DFIG不平衡电网电压补偿方法，其特征在于：所述步骤(5)中通过以下公式计算DFIG转子侧的调制电压矢量
Figure FDA0003212368490000031
Figure FDA0003212368490000032
其中：
Figure FDA0003212368490000033
为电压解耦项，Us为PCC节点的电压幅值。
7.根据权利要求6所述的DFIG不平衡电网电压补偿方法，其特征在于：所述电压解耦项
Figure FDA0003212368490000034
的表达式如下：
Figure FDA0003212368490000035
Figure FDA0003212368490000036
其中：Lm为DFIG的定转子互感，Rr为DFIG的转子电阻，Lr为转子绕组等效自感且Lr＝Lm+Lσr，Lσr为转子绕组的漏感，ωs为转差电角频率且ωs＝ω1-ωr，ωr为DFIG的转子旋转电角频率，
Figure FDA0003212368490000037
表示在0～t时间段内对Usdq的积分结果，t表示时刻，τ为积分算子，j为虚数单位。
8.根据权利要求1所述的DFIG不平衡电网电压补偿方法，其特征在于：所述步骤(6)中通过以下公式变换得到αβ坐标系下的调制电压矢量
Figure FDA0003212368490000038
Figure FDA0003212368490000039
其中：
Figure FDA00032123684900000310
分别为
Figure FDA00032123684900000311
的α轴分量和β轴分量，
Figure FDA00032123684900000312
分别为
Figure FDA00032123684900000313
的d轴分量和q轴分量。
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