CN112751355A - 用于双馈风力发电系统的变流器控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于双馈风力发电系统的变流器控制方法，其包含：当检测到双馈发电机处于短时超速工况时，启动第一级控制策略，其中，第一级控制策略通过双馈发电机弱磁控制，实现转子电压的降低和转子侧变流器电流的减小；在启动第一级控制策略后，若转子侧变流器的输出电压仍不能满足转子电压的要求，启动第二级控制策略，其中，第二级控制策略通过提升转子侧变流器的直流电压至最大允许阈值，以提升转子侧变流器的电压输出能力；在启动第二级控制策略后，若转子侧变流器的输出电压仍不能满足转子电压的要求，启动第三级控制策略。本发明能够利用组合式的优化控制方法，提升双馈变流器的输出电压能力，实现双馈发电机的转矩受控。

Description

用于双馈风力发电系统的变流器控制方法及装置

技术领域

本发明涉及变流器技术领域，具体地说，涉及一种用于双馈风力发电系统的变流器控制方法及装置。

背景技术

风力发电作为一种无污染、利用可再生资源的环保型发电方式，成为最具发展潜力的可再生能源技术之一。已成为世界各国竞相发展的热点和重点，市场前景广阔。近年来，双馈感应发电机(doubly fed inductiongenerator，DFIG)在风力发电系统中得到广泛应用。双馈风力发电系统采用增速齿轮箱、双馈发电机和转子侧变流器的系统方案，由于整个风机的电气功率只有1/6左右经过变流器，因此，在高风速时具有高效率和输出电网谐波小等特点。但是，由于双馈风力发电系统采取高速双馈异步电机，因此，其存在以下缺点：

1)由于双馈电机转差和变流器输出电压能力限制，系统存在最大运行并网转速(转差)问题；

2)由于双馈变流器电气功率通常只有整机额定功率的1/6左右，因此，变流器容量小，输出电流能力差。

与此同时，兆瓦级双馈型风电机组由于较大阵风或故障等原因，经常出现短时超速的工况。为了降低此工况下的风电机组机械载荷，需要双馈变流器在超出电机转速正常运行范围的情况下，仍能控制机组转矩。

因此，本发明提供了一种用于双馈风力发电系统的变流器控制方法及装置。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种用于双馈风力发电系统的变流器控制方法，所述方法包含以下步骤：

当检测到双馈发电机处于短时超速工况时，启动第一级控制策略，其中，所述第一级控制策略通过双馈发电机弱磁控制，实现转子电压的降低和转子侧变流器电流的减小；

在启动所述第一级控制策略后，若所述转子侧变流器的输出电压仍不能满足转子电压的要求，启动第二级控制策略，其中，所述第二级控制策略通过提升所述转子侧变流器的直流电压至最大允许阈值，以提升所述转子侧变流器的电压输出能力；

在启动所述第二级控制策略后，若所述转子侧变流器的输出电压仍不能满足转子电压的要求，启动第三级控制策略，其中，所述第三级控制策略通过修改SVPWM的调制方法，降低所述转子侧变流器在过调制情况下的输出电流谐波畸变。

根据本发明的一个实施例，依据所述双馈发电机的参数计算得到转子电压以及所述转子侧变流器的输出电压，当所述转子电压大于所述转子侧变流器的输出电压时，启动所述第一级控制策略。

根据本发明的一个实施例，通过以下公式计算得到所述转子电压：

其中，u_rd、u_rq分别表示转子电压d轴、q轴分量，R_r表示转子电阻，i_rd、i_rq分别表示转子电流d轴、q轴分量，σ表示网压不平度，L_r表示转子电感，L_m表示互感，L_s表示定子电感，u_s表示定子电压，ω_r表示机械转速，ω_sl表示转差，ψ_sd、ψ_sq分别表示定子磁链d轴、q轴分量。

根据本发明的一个实施例，通过以下公式计算得到所述转子侧变流器的输出电压：

其中，

表示双馈发电机转子指令输出d、q轴电压，

表示双馈发电机转子指令输出d、q轴电流，K_irP、K_irI分别为机侧电流环比例、积分参数，u_rdc、u_rqc分别表示双馈发电机转子d、q轴补偿电压，R_s表示定子电阻。

根据本发明的一个实施例，通过以下公式判断是否启动所述第一级控制策略：

其中，U_Limit表示预测控制启动门槛电压。

根据本发明的一个实施例，在进行控制策略切换时，所述方法包含以下步骤：

计算所述双馈发电机的感性无功需求值，当所述感性无功需求值大于第一最大允许值时，计算所述转子侧变流器的抬升直流电压需求值；

当所述抬升直流电压需求值大于第二最大允许值时，进行控制策略切换。

根据本发明的一个实施例，在所述第二级控制策略下，所述方法包含以下步骤：发出直流电压提升指令，通过所述直流电压提升指令，提升所述转子侧变流器的直流电压至所述最大允许阈值。

根据本发明的一个实施例，在所述第三级控制策略下，所述方法包含以下步骤：发出过调制指令，通过所述过调制指令，修改SVPWM的调制方式，由七段式改为五段式，使所述双馈风力发电系统工作在过调制阶段，以降低所述转子侧变流器在过调制情况下的输出电流谐波畸变。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种用于双馈风力发电系统的变流器控制装置，所述装置包含：

第一模块，其用于当检测到双馈发电机处于短时超速工况时，启动第一级控制策略，其中，所述第一级控制策略通过双馈发电机弱磁控制，实现转子电压的降低和转子侧变流器电流的减小；

第二模块，其用于在启动所述第一级控制策略后，若所述转子侧变流器的输出电压仍不能满足转子电压的要求，启动第二级控制策略，其中，所述第二级控制策略通过提升所述转子侧变流器的直流电压至最大允许阈值，以提升所述转子侧变流器的电压输出能力；

第三模块，其用于在启动所述第二级控制策略后，若所述转子侧变流器的输出电压仍不能满足转子电压的要求，启动第三级控制策略，其中，所述第三级控制策略通过修改SVPWM的调制方法，降低所述转子侧变流器在过调制情况下的输出电流谐波畸变。

根据本发明的一个实施例，所述装置还包含：

判断模块，其用于依据所述双馈发电机的参数计算得到转子电压以及所述转子侧变流器的输出电压，当所述转子电压大于所述转子侧变流器的输出电压时，启动所述第一级控制策略。

本发明提供的用于双馈风力发电系统的变流器控制方法及装置针对双馈风力发电机组在超速的异常情况下需要变流器维持电机转矩受控的应用场景，无需增加硬件的情况下，能够利用组合式的优化控制方法，提升双馈变流器的输出电压能力，实现双馈发电机的转矩受控。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1显示了根据本发明的一个实施例的用于双馈风力发电系统的变流器控制方法流程图；

图2显示了根据本发明的另一个实施例的用于双馈风力发电系统的变流器控制方法流程图；

图3显示了根据本发明的一个实施例的用于双馈风力发电系统的变流器控制方法中不同调制方法谐波与调制比的关系图；以及

图4显示了根据本发明的一个实施例的用于双馈风力发电系统的变流器控制装置结构框图。

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，以下结合附图对本发明实施例作进一步地详细说明。

兆瓦级双馈型风电机组由于较大阵风或故障等原因，经常出现短时超速的工况。为了降低此工况下的风电机组机械载荷，需要双馈变流器在超出电机转速正常运行范围的情况下，仍能控制机组转矩。由双馈变流器电机系统转矩控制的原理可知，变流器实际输出电压大于发电机转子电压是电机转矩受控的前提。因此，在兆瓦级双馈型风电机组短时超速的工况下，改进变流器控制方法，提升双馈变流器的输出电压能力至关重要。

因此，如何在保留双馈机组现有电路参数不变，通过改进控制方法，实现短时超速工况下的转矩可控，实现高效双馈风电机组发电，一直是行业热点。目前，现有技术中，实现变流器输出电压能力提升的控制方法有以下几类，分别是：

现有技术中，一种二电平空间矢量脉冲宽度调制的过调制方法及系统，包括：由参考电压矢量和直流母线电压获得调制比；将调制比分为第一设定区间和第二设定区间；当调制比位于第一设定区间时，计算零矢量和有效矢量的作用时间；当零矢量的作用时间大于零时，计算补偿系数，根据补偿系数计算补偿后的零矢量和有效矢量的作用时间；当零矢量的作用时间小于或等于零时，零矢量不作用，计算有效矢量的作用时间；当调制比位于第二设定区间时，计算保持角；将保持角与参考电压矢量的相角进行比较，根据比较结果分区间计算有效矢量的作用时间；由所述作用时间进行过调制。但此种方法需要系统工作在过调制阶段，对于新能源发电等设备，以及对电网谐波要求较高的场合不适用。

另外，现有技术中，具有高直流电压利用率的三相正弦逆变器控制方法，在传统对称正弦调制信号上叠加一个直流分量来提高直流电压利用率，再在叠加直流分量的基础上构造一种新型的调制信号，使得共模电压为零，从而既能完全消除共模电压，又能降低谐波含量和提高直流电压利用率。但是，这种方法是现在的通用方法，效果并不令人满意，还需要效率更高，控制更加准确的方法。

图1显示了根据本发明的一个实施例的用于双馈风力发电系统的变流器控制方法流程图。

如图1，在步骤S101中，当检测到双馈发电机处于短时超速工况时，启动第一级控制策略，其中，第一级控制策略通过双馈发电机弱磁控制，实现转子电压的降低和转子侧变流器电流的减小。具体来说，利用双馈电机转子和定子输出无功可以解耦的特点，预测双馈电机所需的转子电压，通过双馈电机弱磁控制，实现转子电压的降低和机侧变流器电流的减小。通过网侧变流器，实现整机功率因数的不变。

依据双馈发电机的参数计算得到转子电压以及转子侧变流器的输出电压，当转子电压大于转子侧变流器的输出电压时，启动第一级控制策略。

一般来说，通过以下公式(1)计算得到转子电压：

其中，u_rd、u_rq分别表示转子电压d轴、q轴分量，R_r表示转子电阻，i_rd、i_rq分别表示转子电流d轴、q轴分量，σ表示网压不平度，L_r表示转子电感，L_m表示互感，L_s表示定子电感，u_s表示定子电压，ω_r表示机械转速，ω_sl表示转差，ψ_sd、ψ_sq分别表示定子磁链d轴、q轴分量。

网压不平度通过以下公式(2)计算：

一般来说，通过以下公式(3)-(4)计算得到变流器输出的电压：

其中，

表示双馈发电机转子指令输出d、q轴电压，

表示双馈发电机转子指令输出d、q轴电流，K_irP、K_irI分别为机侧电流环比例、积分参数。

其中，公式(4)如下：

其中，u_rdc、u_rqc分别表示双馈发电机转子d、q轴补偿电压，R_s表示定子电阻。

通过以下公式判断是否启动第一级控制策略：当满足下式(5)时，即预测的电机转子电压需求大于变流器输出电压，需要启动控制策略：

其中，U_Limit表示预测控制启动门槛电压。

在第一级控制策略中，双馈电机无功功率Q_s通过下式(6)计算：

另外，网侧变流器无功功率电流i_lq通过下式(7)计算：

如图1，在步骤S102中，在启动第一级控制策略后，若转子侧变流器的输出电压仍不能满足转子电压的要求，启动第二级控制策略，其中，第二级控制策略通过提升转子侧变流器的直流电压至最大允许阈值，以提升转子侧变流器的电压输出能力。具体来说，发出直流电压提升指令，通过直流电压提升指令，提升转子侧变流器的直流电压至最大允许阈值。

在一个实施例中，通过短时提升变流器直流电压至最大允许值，提升变流器输出电压能力。具体来说，采用SVPWM调制策略，变流器直流电压指令值计算如下：Min(Max(U_LL,U_r),U_{dc_cmd_max})，其中

U_LL表示网压线电压有效值，U_gRMS表示网压相电压有效值，U_r为预测的转子电压值，U_{dc_cmd_max}为直流电压允许短时最大值(最大允许阈值)。

如图1，在步骤S103中，在启动第二级控制策略后，若转子侧变流器的输出电压仍不能满足转子电压的要求，启动第三级控制策略，其中，第三级控制策略通过修改SVPWM的调制方法，降低转子侧变流器在过调制情况下的输出电流谐波畸变。具体来说，发出过调制指令，通过过调制指令，修改SVPWM的调制方式，由七段式改为五段式，使双馈风力发电系统工作在过调制阶段，以降低转子侧变流器在过调制情况下的输出电流谐波畸变。

在一个实施例中，若采取第一级控制策略以及第二季控制策略之后，转子侧变流器的输出电压任不能满足双馈发电机转子电压的要求，则需要采取第三级控制策略，让系统工作在过调制阶段。通过修改SVPWM的调制方式，由7段式改为5段式，降低变流器在过调制情况下的输出电流谐波畸变，满足新能源高效发电的需求。

一般来说，DPWM脉冲调制相比普通SVPWM调制，在高调制比时，谐波性能较好。如图3所示，图3中，横轴范围为[0，1]，每格间距为0.1，纵轴范围为[0，0.5]，每格间距0.05。

在具体应用中，五段式使能可以通过以下方式选择：当Max(U_LL,U_r)大于U_{dc_cmd_max}时，选择DPWM调制方式，让系统工作在波形畸变小的过调制方式。

一般来说，变流器的输出电压能力U_o通过以下公式(8)得到：

其中，U_dc为变流器直流电压，η为受变流器IGBT最小脉宽、死区时间、滤波器压降等因素影响后的修正系数。η根据开关周期和以上变量计算得到，具体与最小脉宽处理方式等有关系。

图2显示了根据本发明的另一个实施例的用于双馈风力发电系统的变流器控制方法流程图。

如图2所示的方法，可以用来判断是否需要切换控制策略，首先预测双馈电机(双馈发电机)转子所需电压A，需要的参数有电机转速、网压幅值频率以及双馈电机参数，其中，双馈电机参数包含额定电压、额定频率、额定功率、匝比、T型等效电路参数等。一般来说，可以通过公式(1)计算得到双馈电机的转子电压。

之后，计算变流器输出电压能力B，然后，判断A是否大于B？即转子所需电压A是否大于变流器输出电压能力B，当A大于B时，计算电机感性无功需求值。

接着，判断无功需求是否大于允许值(第一最大允许值)。如果大于，则计算抬升直流电压需求值，然后判断直流电压抬升值是否大于允许值(第二最大允许值)。如果大于，则修改当前调制策略。

图4显示了根据本发明的一个实施例的用于双馈风力发电系统的变流器控制装置结构框图。如图4所示，控制装置400包含第一模块401、第二模块402以及第三模块403。

其中，第一模块401用于当检测到双馈发电机处于短时超速工况时，启动第一级控制策略，其中，第一级控制策略通过双馈发电机弱磁控制，实现转子电压的降低和转子侧变流器电流的减小。

第二模块402用于在启动第一级控制策略后，若转子侧变流器的输出电压仍不能满足转子电压的要求，启动第二级控制策略，其中，第二级控制策略通过提升所述转子侧变流器的直流电压至最大允许阈值，以提升转子侧变流器的电压输出能力。

第三模块403用于在启动第二级控制策略后，若转子侧变流器的输出电压仍不能满足转子电压的要求，启动第三级控制策略，其中，第三级控制策略通过修改SVPWM的调制方法，降低转子侧变流器在过调制情况下的输出电流谐波畸变。

在一个实施例中，控制装置400还包含：判断模块，其用于依据双馈发电机的参数计算得到转子电压以及转子侧变流器的输出电压，当转子电压大于转子侧变流器的输出电压时，启动第一级控制策略。

综上所述，本发明提供的用于双馈风力发电系统的变流器控制方法及装置针对双馈风力发电机组在超速的异常情况下需要变流器维持电机转矩受控的应用场景，无需增加硬件的情况下，能够利用组合式的优化控制方法，提升双馈变流器的输出电压能力，实现双馈发电机的转矩受控。

应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种用于双馈风力发电系统的变流器控制方法，其特征在于，所述方法包含以下步骤：

当检测到双馈发电机处于短时超速工况时，启动第一级控制策略，其中，所述第一级控制策略通过双馈发电机弱磁控制，实现转子电压的降低和转子侧变流器电流的减小；

在启动所述第一级控制策略后，若所述转子侧变流器的输出电压仍不能满足转子电压的要求，启动第二级控制策略，其中，所述第二级控制策略通过提升所述转子侧变流器的直流电压至最大允许阈值，以提升所述转子侧变流器的电压输出能力；

在启动所述第二级控制策略后，若所述转子侧变流器的输出电压仍不能满足转子电压的要求，启动第三级控制策略，其中，所述第三级控制策略通过修改SVPWM的调制方法，降低所述转子侧变流器在过调制情况下的输出电流谐波畸变。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包含：依据所述双馈发电机的参数计算得到转子电压以及所述转子侧变流器的输出电压，当所述转子电压大于所述转子侧变流器的输出电压时，启动所述第一级控制策略。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，通过以下公式计算得到所述转子电压：

其中，u_rd、u_rq分别表示转子电压d轴、q轴分量，R_r表示转子电阻，i_rd、i_rq分别表示转子电流d轴、q轴分量，σ表示网压不平度，L_r表示转子电感，L_m表示互感，L_s表示定子电感，u_s表示定子电压，ω_r表示机械转速，ω_sl表示转差，ψ_sd、ψ_sq分别表示定子磁链d轴、q轴分量。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，通过以下公式计算得到所述转子侧变流器的输出电压：

其中，

表示双馈发电机转子指令输出d、q轴电压，

表示双馈发电机转子指令输出d、q轴电流，K_irP、K_irI分别为机侧电流环比例、积分参数，u_rdc、u_rqc分别表示双馈发电机转子d、q轴补偿电压，R_s表示定子电阻。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，通过以下公式判断是否启动所述第一级控制策略：

其中，U_Limit表示预测控制启动门槛电压。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在进行控制策略切换时，所述方法包含以下步骤：

计算所述双馈发电机的感性无功需求值，当所述感性无功需求值大于第一最大允许值时，计算所述转子侧变流器的抬升直流电压需求值；

当所述抬升直流电压需求值大于第二最大允许值时，进行控制策略切换。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述第二级控制策略下，所述方法包含以下步骤：发出直流电压提升指令，通过所述直流电压提升指令，提升所述转子侧变流器的直流电压至所述最大允许阈值。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述第三级控制策略下，所述方法包含以下步骤：发出过调制指令，通过所述过调制指令，修改SVPWM的调制方式，由七段式改为五段式，使所述双馈风力发电系统工作在过调制阶段，以降低所述转子侧变流器在过调制情况下的输出电流谐波畸变。

9.一种用于双馈风力发电系统的变流器控制装置，其特征在于，所述装置包含：

第一模块，其用于当检测到双馈发电机处于短时超速工况时，启动第一级控制策略，其中，所述第一级控制策略通过双馈发电机弱磁控制，实现转子电压的降低和转子侧变流器电流的减小；

第二模块，其用于在启动所述第一级控制策略后，若所述转子侧变流器的输出电压仍不能满足转子电压的要求，启动第二级控制策略，其中，所述第二级控制策略通过提升所述转子侧变流器的直流电压至最大允许阈值，以提升所述转子侧变流器的电压输出能力；

第三模块，其用于在启动所述第二级控制策略后，若所述转子侧变流器的输出电压仍不能满足转子电压的要求，启动第三级控制策略，其中，所述第三级控制策略通过修改SVPWM的调制方法，降低所述转子侧变流器在过调制情况下的输出电流谐波畸变。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述装置还包含：

判断模块，其用于依据所述双馈发电机的参数计算得到转子电压以及所述转子侧变流器的输出电压，当所述转子电压大于所述转子侧变流器的输出电压时，启动所述第一级控制策略。

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