CN112104275B - 一种无锁相环直接功率控制的dfig阻抗重塑控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无锁相环直接功率控制的DFIG阻抗重塑控制方法及系统。本发明的阻抗重塑控制方法包括步骤:根据等效单输入单输出阻抗伯德图,分析无锁相环直接功率控制的DFIG阻抗高频电容特性;根据无锁相环直接功率控制的DFIG阻抗高频电容特性,通过DFIG高频简化模型,分析高频谐振的产生原因以及参数敏感性;根据频率耦合特性强度与无锁相环直接功率控制的DFIG相位裕度之间的关系,引入电压前馈型虚拟阻抗进行DFIG阻抗重塑,并进行参数设计;根据等效单输入单输出阻抗伯德图,分析加入电压前馈型虚拟阻抗后的DFIG相位裕度和重塑效果。本发明降低了DFIG系统的频率耦合特性,提高了感性弱电网下DFIG的相位裕度,抑制了高频谐振。
Description
技术领域
本发明属于双馈感应电机控制技术领域,具体地说是一种无锁相环直接功率控制的DFIG阻抗重塑控制方法及系统。
背景技术
随着可再生能源渗透率的日益升高,基于双馈感应发电机(doubly fedinduction generator,DFIG)的风能转换系统已在实践中得到了广泛应用。由于DFIG具有成本低,耐久性高和变流器额定功率小的特点,因此DFIG系统的装机容量不断增大。
锁相环可以通过获取电网角度来实现DFIG与电网的同步,因此被广泛应用于DFIG的控制系统中。但是,当DFIG系统在不平衡或谐波失真的电网电压下工作时,传统锁相环的性能会因估计相位和频率的高幅度振荡而变差。为了避免锁相环造成的影响,Nian. H 和Cheng. P在标题为Coordinated direct power control of DFIG system withoutphase-locked loop under unbalanced grid voltage conditions (IEEE Transactionson Power Electronic, 2016, 31 (4): 2905-2918.)中提出了一种可以在恒速旋转的虚拟参考坐标系中实现的基于无锁相环直接功率控制的DFIG系统。去除锁相环后不仅有助于数字计算,而且还可以改善电网电压失真时的抗干扰能力。
值得注意的是,DFIG通常在海上或者山区等偏远地区运行,这意味着DFIG系统往往会与低短路比的感性弱电网进行连接。据报道,当锁相环的带宽太大时,锁相环将对弱电网条件下DFIG与电网的互联系统的稳定性产生重大影响。虽然无锁相环直接功率控制虽然去除了锁相环,去除了基频附近的失稳风险,但仍然会有高频的谐振问题,因此需要研究一种阻抗重塑控制方法对谐振进行抑制。
传统的抑制方法往往是基于阻抗的稳定性分析方法,通过阻抗分析方法发现,锁相环将会在DFIG的基频附近引入负阻尼,因此导致潜在的失稳风险。Chen. X 和Zhang. Y在标题为Impedance-phased dynamic control method for grid-connected invertersin a weak grid (IEEE Transactions on Power Electronic, 2017, 32 (1): 274-283.)中提出在锁相环的控制带宽内增加虚拟阻抗,以补偿阻抗相位。Yang. D 和Wang. X在标题为Symmetrical PLL for SISO impedance modeling and enhanced stability inweak grids (IEEE Transactions on Power Electronic, 2020, 35 (2): 1473-1483.)提出了一种基于对称锁相环的阻抗重塑控制策略,以改善基频附近的相位裕量。
然而现在并没有文献提出一种针对无锁相环直接功率控制的DFIG阻抗重塑控制方法,传统的阻抗重塑方法并不适用于无锁相环直接功率控制。Hu. B和Nian. H在标题为Impedance modeling and stability analysis of DFIG system based on directpower control without PLL (IEEE 22nd International Conference on ElectricalMachines and Systems (ICEMS), Harbin, China, 2019)中建立了基于无锁相环直接功率控制的DFIG系统阻抗模型,分析感性弱电网下基于无锁相环直接功率控制的DFIG系统的稳定性。所得到的阻抗模型具有很强的频率耦合特性,这表明正序和负序阻抗之间会将相互影响,并且当发生高频振荡时,会同时出现两个相差100Hz的谐振分量。由于频率耦合特性,DFIG系统阻抗将变成一个多输入多输出模型,这使阻抗分析的难度变得复杂。虽然去除锁相环后,基于无锁相环直接功率控制的DFIG系统在基频附近的相位裕度得到了提升,但是高频却出现了明显的容性,这会导致DFIG系统容易在感性弱电网下产生潜在的谐振风险;并且当频率耦合程度随着参数变化而增大时,系统的高频相位裕度降低,并且出现谐振。因此需要提出一种控制策略,根据无锁相环直接功率控制的DFIG阻抗特性,抑制DFIG系统在感性弱电网下的高频谐振。
发明内容
鉴于上述,本发明提供一种无锁相环直接功率控制的DFIG阻抗重塑控制方法及系统,以降低DFIG系统的频率耦合特性,提高感性弱电网下DFIG的相位裕度,抑制高频谐振。
为此,本发明采用如下的技术方案:无锁相环直接功率控制的DFIG阻抗重塑控制方法,其包括步骤:
1)根据等效单输入单输出阻抗伯德图,分析无锁相环直接功率控制的DFIG阻抗高频电容特性;
2)根据无锁相环直接功率控制的DFIG阻抗高频电容特性,通过DFIG高频简化模型,分析高频谐振的产生原因以及参数敏感性;
3)根据频率耦合特性强度与无锁相环直接功率控制的DFIG相位裕度之间的关系,引入电压前馈型虚拟阻抗进行DFIG阻抗重塑,并进行参数设计;
4)根据等效单输入单输出阻抗伯德图,分析加入电压前馈型虚拟阻抗后的DFIG相位裕度和重塑效果。
无锁相环直接功率控制的DFIG系统在阻抗重塑后,在宽频带具有良好的相位裕度,且不会影响基频功率追踪性能。
进一步地,所述的步骤1)中,根据以下等式获得无锁相环直接功率控制的DFIG阻抗高频电容特性:
其中:YDFIG为基于无锁相环直接功率控制的DFIG导纳,Y11,Y12,Y21,Y22分别为无锁相环直接功率控制的DFIG导纳的四个元素,Ispn和Uspn为正负序下的定子电流和定子电压,Km为系统延时矩阵,Lm和Ls为DFIG互感和定子自感,G1、G2和G3为DFIG参数矩阵,Gpnu1为功率计算引入的电压前馈矩阵,Gpnu2为角度变换引入的电压前馈矩阵,Gpni为功率计算引入的定子电流前馈矩阵,I为单位矩阵;ZSISO为等效单输入单输出阻抗,Zgn=(s-2jω1)为电网负序阻抗,ω1为虚拟旋转坐标系的恒定角频率,Lg为电网电感,s为拉普拉斯算子。
进一步地,所述的步骤2)中,DFIG高频简化模型的具体表达式如下:
其中:σ=1-LmLm/(LsLr),Kp为功率控制器比例参数,ωr为转子角频率,Lr为转子自感,fs为开关频率,Is s0为定子电流稳态工作点,“*”为共轭计算符号,Us0为定子电压稳态工作点。
进一步地,所述的步骤3)中,所述频率耦合特性由功率计算主导,且DFIG高频相位裕度随着频率耦合特性的增大而降低。
进一步地,所引入的电压前馈型虚拟阻抗由相位重塑环节和滤波器组成,且相位重塑环节的参数设计原则为抵消功率计算引入的频率耦合特性。
进一步地,所述的电压前馈型虚拟阻抗的具体表达式如下:
其中:Zv为虚拟阻抗,Hpi(s)为功率控制表达式,ωL为滤波器截止频率。
本发明采用的另一种技术方案为:无锁相环直接功率控制的DFIG阻抗重塑控制系统,其包括:
DFIG阻抗高频电容特性分析单元:根据等效单输入单输出阻抗伯德图,分析无锁相环直接功率控制的DFIG阻抗高频电容特性;
高频谐振分析单元:根据无锁相环直接功率控制的DFIG阻抗高频电容特性,通过DFIG高频简化模型,分析高频谐振的产生原因以及参数敏感性;
DFIG阻抗重塑单元:根据频率耦合特性强度与无锁相环直接功率控制的DFIG相位裕度之间的关系,引入电压前馈型虚拟阻抗进行DFIG阻抗重塑,并进行参数设计;
DFIG相位裕度和重塑效果分析单元:根据等效单输入单输出阻抗伯德图,分析加入电压前馈型虚拟阻抗的DFIG相位裕度和重塑效果。
本发明抵消了功率计算带来的强频率耦合特性,提升了感性弱电网下基于无锁相环直接功率控制的DFIG相位裕度,从而抑制高频谐振;同时,本发明不会影响基频附近的阻抗特性,保障了参考输出功率的追踪能力;且本发明亦可以应用于太阳能、生物质能等新能源并网逆变装置中,以抑制感性弱网下由于功率计算引起的高频谐振。
附图说明
图1为本发明实施例1中无锁相环直接功率控制的DFIG阻抗重塑控制方法的控制框图;
图2为本发明实施例1中多输入多输出阻抗模型分析图;
图3为本发明实施例1中基于无锁相环直接功率控制的DFIG等效单输入单输出阻抗伯德图;
图4为本发明实施例1中频率耦合特性强度与电机参数的关系图(图中,(a)为频率耦合特性强度与功率环比例参数关系图,(b)为频率耦合特性强度与转子频率关系图);
图5为本发明实施例1中不同功率环比例增益的DFIG等效单输入单输出阻抗伯德图;
图6为本发明实施例1中不同转子频率的DFIG等效单输入单输出阻抗伯德图;
图7为本发明实施例1中虚拟阻抗控制环节示意图;
图8为本发明实施例1中增加虚拟阻抗前后的DFIG导纳非对角线元素幅频特性曲线图;
图9为本发明实施例1中增加虚拟阻抗前后的DFIG等效单输入单输出阻抗伯德图;
图10为本发明实施例1中采用所提出的阻抗重塑控制策略前后的DFIG系统仿真波形图;
图1中,上标ref为参考值,上标v和s为虚拟坐标系和真实旋转坐标系分量,下标s和r为定子和转子分量,θ1为电网相角,θr为电机转子角度,θv为电机在虚拟坐标系下的相角,Vdc为直流母线电压,Ps和Qs为定子输出有功功率和无功功率,SVM为空间矢量脉宽调制,RSC为转子侧变流器,DFIG为双馈感应发电机,PCC为公共并网点,Us、Is、Zg分别为定子电压、定子电流和电网阻抗,ωr为转子角频率,abc、αβ分别为三相静止坐标系和两相静止坐标系。图4和图6中fr为电机转子频率。图7中Urpn为正负序下的转子电压,Gf为滤波器函数。
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。
实施例1
图1为本发明的一种无锁相环直接功率控制的DIFG阻抗重塑控制框图,基于无锁相环直接功率控制的DFIG系统可以在具有固定角速度ω1=100πrad/s的虚拟参考系中实现,以避免电网相位检测。虚拟相位角θv=ω1t可以用于坐标变换。但是基于无锁相环直接功率控制的DFIG在感性弱电网下会发生高频谐振问题,因此本发明通过图1所加入的基于虚拟阻抗的阻抗重塑控制方法,改善了无锁相环直接功率控制的DFIG在感性弱电网下的相位裕度。所加入的虚拟阻抗由相位重塑环节和滤波器组成。相位重塑环节的设计原则是通过分析影响高频谐振的主要因素,从而进行针对性的补偿。滤波器的作用是为了防止虚拟阻抗对基频造成影响。
为了设计相位重塑环节,本发明对无锁相环的阻抗特性进行分析,从而找到对应的引起失稳风险的关键性环节。无锁相环直接功率控制的DFIG导纳可表示为:
本发明首先发现了无锁相环直接功率控制的DFIG在高频具有频率耦合特性。图2为多输入多输出阻抗特性图,通过将对角线元素Y11和Y22与非对角线元素Y12和Y21进行比较,可以发现Y12和Y21的幅频特性曲线的值在高频时与Y11和Y22接近,因此DFIG阻抗在高频段也是多输入多输出模型。频率耦合特性将导致正序和负序阻抗不再解耦,从而增加了阻抗分析的复杂性。
本发明在图3中同样绘制了忽略Gpnu1或Gpnu2的解析阻抗模型。发现了当考虑Gpnu2而忽略Gpnu1时,Y12和Y21的幅频特性曲线将减小。但是,当考虑Gpnu1而忽略Gpnu2时,幅频特性曲线几乎没有变化。因此,频率耦合特性主要与功率计算引入的矩阵Gpnu1有关,在阻抗分析中可以忽略角度变换引入的矩阵Gpnu2。
本发明使用了等效单输入单输出阻抗模型对系统模型进行简化,从而更直观地设计阻抗重塑环节。等效单输入单输出阻抗ZSISO的表达式可表示为:
图3为基于无锁相环直接功率控制的DFIG等效单输入单输出阻抗伯德图,可以发现DFIG等效单输入单输出阻抗和电网阻抗的幅频特性曲线在293Hz处相交,并且DFIG在250Hz至350Hz之间表现为电容特性,这解释了DFIG会在高频产生谐振的原因。本发明提出了简化高频阻抗模型以更直观地研究机理,从而设计合适的阻抗重塑控制策略。阻抗分析中可以忽略非对角矩阵Gpnu2,本发明假定Lm/Ls≈1。在高频率时,功率PI控制器将变为一个比例控制器,即Hpi(s)≈Kp,并且可以简化DFIG参数矩阵,即G1/Ls≈0,G3G2≈1/Lrσ。因此,基于无锁相环直接功率控制的DFIG系统导纳可以简化为:
根据高频简化公式,本发明发现频率耦合程度将随不同的DFIG参数(例如Kp,fr,Lr和Is s0)而变化。其中,选择较大的比例增益Kp或较小的转子频率fs时,频率耦合将更强,如图4所示。从图5中可以看出,当比例增益Kp=1.4、1.35和1.3时,DFIG等效单输入单输出阻抗和电网阻抗的幅频特性曲线在293Hz处相交,DFIG系统与电网之间的相位差分别为181°,170°,159°。因此,DFIG的相位裕度将随着功率环比例参数的增加而减小。当比例增益Kp=1.4时,DFIG系统将由于相位裕量不足而振荡。从图6中可以看出,当比例增益Kp=1.03,当转子频率fr=40Hz,50Hz和60Hz时,DFIG等效单输入单输出阻抗和电网阻抗的幅频特性曲线在256Hz,263Hz和230Hz处相交,DFIG系统与电网之间的相位差分别为181°,136°和100°。因此,DFIG的相位裕度将随着转子频率的减小而降低。当转子频率fr=40Hz时,DFIG系统将由于相位裕量不足而发生振荡。
因此本发明发现了设计相位重塑环节的关键是,减小频率耦合的程度以避免共振问题。本发明通过引入虚拟阻抗来抵消Gpnu1,虚拟阻抗控制环节如图7所示。虚拟阻抗由相位重塑环节和滤波器组成。本发明的相位重塑环节不需要复杂的参数设计,其设计的基本原则是抵消功率计算带来的频率耦合特性。为了不影响基频,引入一阶高通滤波器Gf,截止频率为200Hz(ωL=2π200)。虚拟阻抗的具体表达式如下:
图8和图9为增加虚拟阻抗前后的DFIG阻抗模型中非对角线元素的幅频特性曲线,和DFIG等效单输入单输出阻抗伯德图。图8表明添加虚拟阻抗后,频率耦合度降低。从图9中可以看出,重塑后DFIG等效单输入单输出阻抗和电网阻抗的幅频特性曲线在188Hz相交,相位差从181°减小到128°,DFIG得到了足够的相位裕度,并且在较宽频段内,DFIG都保持了高的稳定裕度。
为了验证所提出的阻抗重塑控制策略的实用性,图10为采用所提出的阻抗重塑控制策略前后的DFIG系统仿真结果。比例增益Kp=1.4,短路比为2,DFIG系统的参考输出有功和无功功率为1.5MW和0Var。在加入虚拟阻抗前,DFIG系统存在一些共振问题,根据傅里叶分析,定子电压Us和电流Is的总谐波失真分别为13.26%和5.6%。在使能所提出的阻抗重塑控制策略后,定子电压Us和电流Is的总谐波失真分别降低到0.1%和0.3%。仿真结果表明,由于较大的Kp导致频率耦合度增加时,本发明所提出的控制方法可以提高基于无锁相环直接功率控制的DFIG系统的稳定性。
本发明中的虚拟阻抗参数与转子频率无关,因此这种阻抗整形控制策略还可以改善次同步条件下DFIG的相位裕度。此外由于定子电压前馈矩阵不会影响基频附近的阻抗特性,保障了基频参考输出功率的追踪能力。
实施例2
本实施例提供一种无锁相环直接功率控制的DFIG阻抗重塑控制系统,其包括:
DFIG阻抗高频电容特性分析单元:根据等效单输入单输出阻抗伯德图,分析无锁相环直接功率控制的DFIG阻抗高频电容特性;
高频谐振分析单元:根据无锁相环直接功率控制的DFIG阻抗高频电容特性,通过DFIG高频简化模型,分析高频谐振的产生原因以及参数敏感性;
DFIG阻抗重塑单元:根据频率耦合特性强度与无锁相环直接功率控制的DFIG相位裕度之间的关系,引入电压前馈型虚拟阻抗进行DFIG阻抗重塑,并进行参数设计;
DFIG相位裕度和重塑效果分析单元:根据等效单输入单输出阻抗伯德图,分析加入电压前馈型虚拟阻抗的DFIG相位裕度和重塑效果。
所述的DFIG阻抗高频电容特性分析单元,根据以下等式获得无锁相环直接功率控制的DFIG阻抗高频电容特性:
其中:YDFIG为基于无锁相环直接功率控制的DFIG导纳,Y11,Y12,Y21,Y22分别为无锁相环直接功率控制的DFIG导纳的四个元素,Ispn和Uspn为正负序下的定子电流和定子电压,Km为系统延时矩阵,Lm和Ls为DFIG互感和定子自感,G1、G2和G3为DFIG参数矩阵,Gpnu1为功率计算引入的电压前馈矩阵,Gpnu2为角度变换引入的电压前馈矩阵,Gpni为功率计算引入的定子电流前馈矩阵,I为单位矩阵;ZSISO为等效单输入单输出阻抗,Zgn=(s-2jω1)为电网负序阻抗,ω1为虚拟旋转坐标系的恒定角频率,Lg为电网电感,s为拉普拉斯算子。
所述的高频谐振分析单元中,DFIG高频简化模型的具体表达式如下:
其中:σ=1-LmLm/(LsLr),Kp为功率控制器比例参数,ωr为转子角频率,Lr为转子自感,fs为开关频率,Is s0为定子电流稳态工作点,“*”为共轭计算符号,Us0为定子电压稳态工作点。
所述的DFIG阻抗重塑单元中,所述频率耦合特性由功率计算主导,且DFIG高频相位裕度随着频率耦合特性的增大而降低。
所引入的电压前馈型虚拟阻抗由相位重塑环节和滤波器组成,且相位重塑环节的参数设计原则为抵消功率计算引入的频率耦合特性。
所述的DFIG阻抗重塑单元中,电压前馈型虚拟阻抗的具体表达式如下:
其中:Zv为虚拟阻抗,Hpi(s)为功率控制表达式,ωL为滤波器截止频率。
Claims (4)
1.无锁相环直接功率控制的DFIG阻抗重塑控制方法,其特征在于,包括步骤:
1)根据等效单输入单输出阻抗伯德图,分析无锁相环直接功率控制的DFIG阻抗高频电容特性;
2)根据无锁相环直接功率控制的DFIG阻抗高频电容特性,通过DFIG高频简化模型,分析高频谐振的产生原因以及参数敏感性;
3)根据频率耦合特性强度与无锁相环直接功率控制的DFIG相位裕度之间的关系,引入电压前馈型虚拟阻抗进行DFIG阻抗重塑,并进行参数设计;
4)根据等效单输入单输出阻抗伯德图,分析加入电压前馈型虚拟阻抗后的DFIG相位裕度和重塑效果;
所述的步骤1)中,根据以下等式获得无锁相环直接功率控制的DFIG阻抗高频电容特性:
其中:YDFIG为基于无锁相环直接功率控制的DFIG导纳,Y11,Y12,Y21,Y22分别为无锁相环直接功率控制的DFIG导纳的四个元素,Ispn和Uspn为正负序下的定子电流和定子电压,Km为系统延时矩阵,Lm和Ls为DFIG互感和定子自感,G1、G2和G3为DFIG参数矩阵,Gpnu1为功率计算引入的电压前馈矩阵,Gpnu2为角度变换引入的电压前馈矩阵,Gpni为功率计算引入的定子电流前馈矩阵,I为单位矩阵;ZSISO为等效单输入单输出阻抗,Zgn=(s-2jω1)为电网负序阻抗,ω1为虚拟旋转坐标系的恒定角频率,Lg为电网电感,s为拉普拉斯算子;
所述的步骤2)中,DFIG高频简化模型的具体表达式如下:
其中:σ=1-LmLm/(LsLr),Kp为功率控制器比例参数,ωr为转子角频率,Lr为转子自感,fs为开关频率,Is s0为定子电流稳态工作点,“*”为共轭计算符号,Us0为定子电压稳态工作点;
所述的电压前馈型虚拟阻抗的具体表达式如下:
其中:Zv为虚拟阻抗,Hpi(s)为功率控制表达式,ωL为滤波器截止频率。
2.根据权利要求1所述的DFIG阻抗重塑控制方法,其特征在于:所述的步骤3)中,所述频率耦合特性由功率计算主导,且DFIG高频相位裕度随着频率耦合特性的增大而降低。
3.根据权利要求2所述的DFIG阻抗重塑控制方法,其特征在于:所引入的电压前馈型虚拟阻抗由相位重塑环节和滤波器组成,且相位重塑环节的参数设计原则为抵消功率计算引入的频率耦合特性。
4.无锁相环直接功率控制的DFIG阻抗重塑控制系统,其特征在于,包括:
DFIG阻抗高频电容特性分析单元:根据等效单输入单输出阻抗伯德图,分析无锁相环直接功率控制的DFIG阻抗高频电容特性;
高频谐振分析单元:根据无锁相环直接功率控制的DFIG阻抗高频电容特性,通过DFIG高频简化模型,分析高频谐振的产生原因以及参数敏感性;
DFIG阻抗重塑单元:根据频率耦合特性强度与无锁相环直接功率控制的DFIG相位裕度之间的关系,引入电压前馈型虚拟阻抗进行DFIG阻抗重塑,并进行参数设计;
DFIG相位裕度和重塑效果分析单元:根据等效单输入单输出阻抗伯德图,分析加入电压前馈型虚拟阻抗的DFIG相位裕度和重塑效果;
所述的DFIG阻抗高频电容特性分析单元,根据以下等式获得无锁相环直接功率控制的DFIG阻抗高频电容特性:
其中:YDFIG为基于无锁相环直接功率控制的DFIG导纳,Y11,Y12,Y21,Y22分别为无锁相环直接功率控制的DFIG导纳的四个元素,Ispn和Uspn为正负序下的定子电流和定子电压,Km为系统延时矩阵,Lm和Ls为DFIG互感和定子自感,G1、G2和G3为DFIG参数矩阵,Gpnu1为功率计算引入的电压前馈矩阵,Gpnu2为角度变换引入的电压前馈矩阵,Gpni为功率计算引入的定子电流前馈矩阵,I为单位矩阵;ZSISO为等效单输入单输出阻抗,Zgn=(s-2jω1)为电网负序阻抗,ω1为虚拟旋转坐标系的恒定角频率,Lg为电网电感,s为拉普拉斯算子;
所述的高频谐振分析单元中,DFIG高频简化模型的具体表达式如下:
其中:σ=1-LmLm/(LsLr),Kp为功率控制器比例参数,ωr为转子角频率,Lr为转子自感,fs为开关频率,Is s0为定子电流稳态工作点,“*”为共轭计算符号,Us0为定子电压稳态工作点;
所述的DFIG阻抗重塑单元中,电压前馈型虚拟阻抗的具体表达式如下:
其中:Zv为虚拟阻抗,Hpi(s)为功率控制表达式,ωL为滤波器截止频率。
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