CN112865189B - 基于转子角度补偿电压源型双馈风力发电机组预同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于转子角度补偿的电压源型双馈风力发电机组预同步方法，首先通过编码器得到转子角度θ_r，然后对并网点三相电压电流信号进行采样，再通过对坐标变换后得到的定子q轴电压U_Sq进行PI调节引入转子补偿角θ_r‑comp，将转子补偿角θ_r‑comp与编码器得到的转子角度θ_r相加，以得到准确的转子角度

进而开始预同步过程。本发明通过自动补偿编码器初始角度偏差，解决了预同步过程中定子电压逐渐发散的问题，使得预同步环节正常完成。

Description

基于转子角度补偿电压源型双馈风力发电机组预同步方法

技术领域

本发明涉及风力发电系统技术领域，具体的是说是一种双馈风力发电机组预同步方法，是通过控制环路自动补偿编码器初始角度偏差，使预同步环节能够正常完成。

背景技术

随着经济的快速发展、传统的化石能源日趋枯竭以及环境保护的要求。风力发电作为一种清洁能源，得到了快速的发展。由于我国风电发展中电力负荷中心与风能资源地理位置上的逆向分布问题，我国风电发展采取了“集中式开发、远距离输送”的配送模式，导致风电场大多建设在偏远地区连接末端电网，使得风电场直接连接的电网实际是一个存在谐波畸变，终端电压幅值波动等的“弱电网”，在“弱电网”条件下电网电压的幅值更加容易波动，对电网电压幅值、频率、相位的同步和控制更加困难，新能源并入/切出电网对系统的影响也越大。

在原有的预同步过程中，首先采集定子电压信号，通过锁相环来得到电网的频率、幅值、相位信息，通过编码器获取电机转子的相位信息，进而对采集到的信号进行坐标变换，将三相静止坐标系下的交流信号转为两相同步旋转坐标系下的直流量，方便对信号其进行控制，在此坐标变换过程中，变换角度起着很重要的作用。而现有通过编码器获得的转子角度会引入编码器初始补偿角偏差，此误差会导致预同步过程中定子电压逐渐发散，影响风电机组的预同步环节，但目前针对此问题的研究较少。

发明内容

本发明为克服现有技术的不足之处，提出一种基于转子角度补偿的电压源型双馈风力发电机组预同步方法，以期通过控制自动获取编码器初始补偿角，避免因编码器初始补偿角度偏差而引起的预同步失败，从而能解决预同步过程中定子电压逐渐发散的问题，使得预同步环节正常完成。

本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：

本发明一种基于转子角度补偿的电压源型双馈风力发电机组预同步方法的特点在于，是按照以下步骤进行：

步骤1、闭合网侧并网开关KM，建立直流电压U_dc，采样并网点的三相交流电压信号U_PCCa、U_PCCb、U_PCCc、并网点的三相交流电流信号I_PCCa、I_PCCb、I_PCCc，定子三相交流电压信号U_sa、U_sb、U_sc和转子三相交流电流信号I_ra、I_rb、I_rc；

步骤2、将所述并网点的三相交流电压信号U_PCCa、U_PCCb、U_PCCc通过坐标变换得到两相旋转坐标系下的直流量，所述直流量再经过环路滤波器和锁相环PI调节器的处理，进而得到电网电压的频率ω_g；

步骤3、通过编码器获取双馈电机的转子机械旋转角速度ω_r，再根据所述转子机械旋转角速度ω_r和双馈电机的极对数p，利用式(1)计算得到双馈发电机的转子电角度θ_r：

式(1)中，

为积分运算，p为发电机极对数；

步骤4、将所述定子三相交流电压信号U_sa、U_sb、U_sc以及三相交流电流信号I_PCCa，I_PCCb， I_PCCc依次经过Clarke变换和Park变换，再利用功率计算公式得到平均输出有功功率

和平均输出无功功率

步骤5、所述平均输出无功功率

与无功功率的给定值Q_ref经过下垂环节后得到电压环d 轴电压参考值U_{Sd_ref}；所述平均输出有功功率

与有功功率的给定值P_ref经过VSG环节得到频率偏差Δω，再与所述电网的频率ω_g相加，得到虚拟角频率ω_vsg；所述虚拟角频率ω_vsg经过积分环节后得到定子虚拟同步角θ_vsg；

步骤6、根据所述定子虚拟同步角θ_vsg，对所述定子三相交流电压信号U_sa、U_sb、U_sc进行坐标变换，得到双馈发电机的定子电压d分量U_sd和q分量U_sq，所述定子电压d分量U_sd和 q分量U_sq再分别经过d轴电压环和q轴电压环调节后得到电流内环的d轴参考值

q轴参考值

步骤7、所述定子电压q轴分量U_sq与q轴参考电压U_{Sq_ref}经过PI调节器，得到编码器初始角度偏差的补偿量θ_r-comp；

步骤8、根据所述转子电角度θ_r和所述转子角度偏差补偿角θ_r-comp，得到补偿后的转子角度

所述补偿后的转子角度

和所述定子虚拟同步角θ经过转差角度计算得到双馈发电机的转差角θ_ls；

步骤9、根据所述转子三相交流电流信号I_ra、I_rb、I_rc和所述转差角θ_ls，对转子三相交流电流信号进行坐标变换，得到同步旋转坐标系下的转子电流d轴分量I_rd和q轴分量I_rq，并作为电流内环的反馈值；

步骤10、对所述电流内环的d轴参考值

q轴参考值

以及所述转子电流d轴分量I_rd和q轴分量I_rq进行PI调节，得到两相同步旋转坐标系下的转子参考电压的d轴分量U_rd和q 轴分量U_rq；

步骤11、对所述双馈发电机的转差角θ_ls以及所述转子参考电压的d轴分量U_rd和q轴分量U_rq进行坐标变换，得到两相静止坐标系下的转子电压调制信号α轴分量U_{rα_m}、β分量U_{rβ_m}，从而根据转子电压调制信号α分量U_{rα_m}、β分量U_{rβ_m}以及直流母线电压U_dc生成双馈发电机转子侧变流器开关管的SVPWM控制信号S_abc，以实现双馈风力发电机组的预同步。

与现有技术相比，本发明达到的有益效果是：

1、本发明是由虚拟同步控制构成的有功功率-频率、无功功率-电压外环和电压电流双闭环的控制方式，本发明所设计的预同步改进控制方法，能自动补偿因为编码器初始角度偏差，解决了因编码器补偿角偏差引起的预同步失败问题，使双馈电机系统得预同步过程顺利完成。

2、本发明相比于原有的电压控制型双馈电机控制系统，不需要引入额外的采样信号、避免了增加传感器而引入的成本，只需要对原来系统中的控制变量进行处理，便可得到转编码器初始角度偏差，使系统预同步环节顺利完成。

3、本发明中用锁频环来取代原来的锁相环，只需要得到电网频率的基准值，对锁相环的快速性要求不高，这就避免了弱网下因降低锁相环带宽而引起动态性能变差的问题。

附图说明

图1为本发明所采用的电压控制型双馈电机预同步方法整体控制框图；

图2为本发明所采用的转子角度补偿控制框图；

图3为本发明所采用的VSG环节控制框图。

图4为本发明编码器初始补偿角有偏差时的预同步过程图；

图5为本发明转子角度补偿后的预同步过程图。

具体实施方式

本实施例中，一种基于转子角度补偿的电压源型双馈风力发电机组预同步方法，是通过对定子q轴电压进控制，引入编码器初始角度偏差的补偿量，并应用于如图1所示的电压源型双馈风力发电机组中，在图1所示的电压源型双馈风力发电机组中包含有编码器获取转子角度模块、电压电流调节模块、VSG模块、PWM发波模块。

该预同步方法是为了解决双馈风力发电机的预同步问题，通过自动补偿编码器初始角度偏差，解决了因编码器初始角度偏差引起的预同步失败问题，使双馈电机系统得预同步过程顺利完成，应用于双馈风力发电机组在预同步时，通过改进的方法获得准确的双馈电机转子角度，以改进双馈电机在预同步时的效果，具体的说是按照以下步骤进行：

步骤1、闭合网侧并网开关KM，建立直流电压U_dc；通过电压、电流传感器采样并网点的三相交流电压信号U_PCCa、U_PCCb、U_PCCc、并网点的三相交流电流信号I_PCCa、I_PCCb、I_PCCc，定子三相交流电压信号U_sa、U_sb、U_sc和转子三相交流电流信号I_ra、I_rb、I_rc；然后经过滤波器和采样电路，将实际信号转化为DSP可以接收的信号；

步骤2、根据步骤1得到的并网点三相交流电压信号U_PCCa、U_PCCb、U_PCCc，将三相电压信号通过Clarke变换和Park变换得到两相同步旋转坐标系下的直流量U_PCCd、U_PCCq，所述直流量U_PCCd、U_PCCq再经过环路滤波器和锁相环PI调节器进而得到电网电压的频率ω_g；

对并网点三相交流电压信号U_PCCa、U_PCCb、U_PCCc是按照式(1)进行3s/2r坐标变换：

式(1)中，U_pccd为并网点电压d轴分量、U_pccq为并网点电压q轴分量，θ_vsg为定子虚拟同步角；

步骤3、DSP采样板通过采集编码器信号，获取双馈电机的转子机械旋转角速度ω_r，再根据转子机械旋转角速度ω_r和双馈电机的极对数p，利用式(2)计算得到双馈发电机的转子电角度θ：

式(2)中，

为积分运算p为发电机极对数；

步骤4、将步骤1中采集的定子三相交流电压信号U_sa、U_sb、U_sc，并网点三相交流电流信号I_PCCa，I_PCCb，I_PCCc依次经过Clarke变换和Park变换，然后通过如式(3)所示的功率计算公式得到平均输出有功功率

和平均输出无功功率

式(3)中，U_sd、U_sq分别为定子电压d轴分量、q轴分量，I_d、I_q分别为并网点电流d轴分量、q轴分量；

步骤5、如图3所示，将步骤4得到的平均输出有功功率

与有功功率的给定值P_ref经过 VSG环节得到得到频率偏差Δω，然后将Δω与步骤2中电网电压的ω_g做和，得到虚拟角频率ω_vsg，再经过积分环节得到定子虚拟同步角θ_vsg；

将步骤4得到的平均输出无功功率

与无功功率的给定值Q_ref经过下垂环节得到电压环d 轴电压参考值U_{Sd_ref}；

步骤6、根据步骤5中得到的定子虚拟同步角θ_vsg，利用式(4)对步骤1中得到的定子三相交流电压信号U_Sa、U_Sb、U_Sc进行坐标变换，得到双馈发电机的定子电压d分量U_sd和q分量U_sq，然后经过如式(5)所示的d电压环和q轴电压环调节后得到电流内环的d轴参考值

q轴参考值

式(4)和式(5)中，U_Sd为定子电压d轴分量、U_Sq为定子电压q轴分量，U_{Sd_ref}为电压环d 轴参考值、U_{Sq_ref}为电压环q轴参考值，θ_vsg为定子虚拟同步角，k_pu、k_iu分别为电压环PI 参数，

分别为电流内换d轴参考值、q轴参考值；

步骤7、根据步骤6中得到的定子电压q轴分量U_Sq与q轴参考电压U_{Sq_ref}进行PI调节，从而利用式(6)自动调节编码器初始补偿角度偏差θ_r-comp，具体结构如图2所示；

式(6)中,K_p、K_i为转子偏差补偿角调节PI参数

步骤8、首先根据步骤步骤3中得到的双馈发电机的转子角度θ_r和步骤7中得到的转子角度偏差补偿角θ_r-comp，利用式(7)得到转子角度

再根据步骤5中得到的定子虚拟同步角θ_vsg，经过转差角度计算得到如式(8)所示的双馈发电机的转差角θ_ls；没有转子角度偏差补偿时的波形如图4所示，在励磁过程中会因为补偿角不合适导致励磁过程中定子电压逐渐发散，无法完成预同步。在使用本发明中的转子角度偏产补偿方式后，效果波形如图5所示，能顺利完成励磁和预同步过程。

式(7)和式(8)中，

为转子角度，θ_r-comp为转子角度偏差补偿角，θ_r为双馈发电机的转子角度，θ_ls为转差角。

步骤9、首先根据步骤1中的转子侧三相交流电流信号I_ra、I_rb、I_rc和步骤8中得到的转差角θ_ls对I_ra、I_rb、I_rc进行坐标变换，从而利用式(9)得到旋转同步坐标系下的d轴分量I_rd和 q轴分量I_rq，将得到的转子电流dq轴分量I_rd、I_rq作为电流内环PI调节器的反馈值；

步骤10、根据步骤6中得到的电流的参考值

结合步骤9中得到的转子电流dq轴分量I_rd、I_rq，对转子电流进行PI调节，从而利用式(10)得到两相同步旋转坐标系下的转子参考电压的dq轴分量U_rd、U_rq；

式(10)中,k_pi、k_ii分别为电流内环PI参数。

步骤11、根据步骤8中得到的双馈发电机的转差角度θ_ls和步骤10中得到的转子参考电压的dq轴分量U_rd、U_rq进行坐标变换，从而利用式(11)得到两相静止坐标系下的转子电压调制信号U_{α_m}、U_{β_m}，然后根据转子电压调制信号αβ分量U_{α_m}，U_{β_m}和直流母线电压U_dc生成双馈发电机转子侧变流器开关管的SVPWM控制信号S_abc；

综上所述，本发明在预同步过程中，通过对定子电压q轴分量U_Sq与q轴参考电压U_{Sq_ref}进行PI调节，自动获取编码器初始补偿角θ_r-comp，解决了预同步环节中因转子初始补偿角误差带来的励磁过程定子电压发散问题，使得预同步环节能够正常完成。

Claims (1)

1.一种基于转子角度补偿的电压源型双馈风力发电机组预同步方法，其特征在于，是按照以下步骤进行：

步骤1、闭合网侧并网开关KM，建立直流电压U_dc，采样并网点的三相交流电压信号U_PCCa、U_PCCb、U_PCCc、并网点的三相交流电流信号I_PCCa、I_PCCb、I_PCCc，定子三相交流电压信号U_sa、U_sb、U_sc和转子三相交流电流信号I_ra、I_rb、I_rc；

步骤2、将所述并网点的三相交流电压信号U_PCCa、U_PCCb、U_PCCc通过坐标变换得到两相旋转坐标系下的直流量，所述直流量再经过环路滤波器和锁相环PI调节器的处理，进而得到电网电压的频率ω_g；

步骤3、通过编码器获取双馈电机的转子机械旋转角速度ω_r，再根据所述转子机械旋转角速度ω_r和双馈电机的极对数p，利用式(1)计算得到双馈发电机的转子电角度θ_r：

式(1)中，

为积分运算，p为发电机极对数；

步骤4、将所述定子三相交流电压信号U_sa、U_sb、U_sc以及三相交流电流信号I_PCCa，I_PCCb，I_PCCc依次经过Clarke变换和Park变换，再利用功率计算公式得到平均输出有功功率

和平均输出无功功率

步骤5、所述平均输出无功功率

与无功功率的给定值Q_ref经过下垂环节后得到电压环d轴电压参考值U_{Sd_ref}；所述平均输出有功功率

与有功功率的给定值P_ref经过VSG环节得到频率偏差Δω，再与所述电网的频率ω_g相加，得到虚拟角频率ω_vsg；所述虚拟角频率ω_vsg经过积分环节后得到定子虚拟同步角θ_vsg；

步骤6、根据所述定子虚拟同步角θ_vsg，对所述定子三相交流电压信号U_sa、U_sb、U_sc进行坐标变换，得到双馈发电机的定子电压d分量U_sd和q分量U_sq，所述定子电压d分量U_sd和q分量U_sq再分别经过d轴电压环和q轴电压环调节后得到电流内环的d轴参考值

q轴参考值

步骤7、所述定子电压q轴分量U_sq与q轴参考电压U_{Sq_ref}经过PI调节器，得到编码器初始角度偏差的补偿量θ_r-comp；

步骤8、根据所述转子电角度θ_r和所述转子角度偏差补偿角θ_r-comp，得到补偿后的转子角度

所述补偿后的转子角度

和所述定子虚拟同步角θ_vsg经过转差角度计算得到双馈发电机的转差角θ_ls；

步骤9、根据所述转子三相交流电流信号I_ra、I_rb、I_rc和所述转差角θ_ls，对转子三相交流电流信号进行坐标变换，得到同步旋转坐标系下的转子电流d轴分量I_rd和q轴分量I_rq，并作为电流内环的反馈值；

步骤10、对所述电流内环的d轴参考值

q轴参考值

以及所述转子电流d轴分量I_rd和q轴分量I_rq进行PI调节，得到两相同步旋转坐标系下的转子参考电压的d轴分量U_rd和q轴分量U_rq；

步骤11、对所述双馈发电机的转差角θ_ls以及所述转子参考电压的d轴分量U_rd和q轴分量U_rq进行坐标变换，得到两相静止坐标系下的转子电压调制信号α轴分量U_{rα_m}、β分量U_{rβ_m}，从而根据转子电压调制信号α分量U_{rα_m}、β分量U_{rβ_m}以及直流母线电压U_dc生成双馈发电机转子侧变流器开关管的SVPWM控制信号S_abc，以实现双馈风力发电机组的预同步。

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