CN113364060B - 电网电压不对称跌落时直驱风机系统无功控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种电网电压不对称跌落时直驱风机系统无功控制方法，其根据风速计算风力机的最大输出功率Pmmax；计算电网电压不对称跌落时的正负序dq轴分量，根据电压及无功控制的需求确定直驱风机系统的无功功率，并计算网侧变流器的无功电流参考值；根据风力机的最大输出功率和网侧无功电流参考值计算网侧变流器有功电流参考值；根据网侧变流器的电流参考值计算机侧变流器的有功功率参考值，根据所得的有功功率参考值控制风力机的转速，使其工作在风力机转矩‑转速特性曲线的稳定运行区域。此种直驱风机系统控制方法可以在电网电压不对称跌落时，充分利用风机系统的无功调节能力，同时消除直流侧电容电压的二倍频波动，实现平衡正弦的并网电流，提高系统的性能。

Description

电网电压不对称跌落时直驱风机系统无功控制方法

技术领域

本发明属于功率变换器技术领域，尤其涉及一种电网电压不对称跌落时直驱风机系统无功控制方法。

背景技术

直驱式风力发电系统由风力机、永磁同步发电机、全功率电力电子变换器、直流电容等结构组成。风力机直接驱动发电机在低速下运行，省去了传统风力发电机组中的变速齿轮箱，提高了可靠性。发电机与电网直接通过全功率电力电子变换器连接，实现了电网侧有功、无功的独立控制，提高了故障下的低电压穿越能力。永磁直驱风力发电机组由于其高可靠性和高效率在海上风电中越来越受到关注。

当电网电压不对称跌落时，网侧无中性线连接的三相PWM变流器中存在正序和负序分量，若网侧变换器采取正常运行时的控制方法会产生交流电流畸变，进一步恶化电网电压的不平衡度，增大谐波含量。在三相电网电压不对称跌落时，目前网侧变换器广泛采用的控制方法为平衡正序控制，机侧变流器则由于直流电容的解耦作用保持原控制方法不变。该控制方法可以使得三相并网电流正弦平衡，但由于电网电压中存在负序分量，系统中将产生二次谐波功率脉动。此时若利用风机系统来参与风电场的无功调节，无功电流会进一步加大二次功率脉动。根据功率守恒，直流侧也会有二次脉动功率进而产生2倍频的电压波动。在兆瓦级风机中，这种功率脉动是不容忽视的，若仅仅依靠直流电容来吸收二倍频功率波动，则需要采用更大容量的电容，增加成本的同时会降低电容器的寿命，危及系统的正常运行。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷和不足，本发明提出了一种电网电压不对称跌落时直驱风机系统无功控制方法，其可以在电网电压不对称跌落时充分利用风机系统的无功调节能力，同时消除直流侧电容电压的二倍频波动，实现平衡正弦的并网电流，提高系统的性能。

其根据风速计算风力机的最大输出功率Pmmax；计算电网电压不对称跌落时的正负序dq轴分量，根据电压及无功控制的需求确定直驱风机系统的无功功率，并计算网侧变流器的无功电流参考值；根据风力机的最大输出功率和网侧无功电流参考值计算网侧变流器有功电流参考值；根据网侧变流器的电流参考值计算机侧变流器的有功功率参考值，根据所得的有功功率参考值控制风力机的转速，使其工作在风力机转矩-转速特性曲线的稳定运行区域。此种直驱风机系统控制方法可以在电网电压不对称跌落时，充分利用风机系统的无功调节能力，同时消除直流侧电容电压的二倍频波动，实现平衡正弦的并网电流，提高系统的性能。

其具体采用以下技术方案：

一种电网电压不对称跌落时直驱风机系统无功控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：根据风速计算风力机的最大输出功率Pmmax；

步骤S2：计算电网电压不对称跌落时电压的正负序dq轴分量，根据电压及无功控制的需求确定直驱风机系统的无功功率，并计算网侧变流器的无功电流参考值；

步骤S3：根据风力机的最大输出功率和网侧电流计算网侧变流器有功电流参考值；

步骤S4：根据网侧变流器的电流参考值计算机侧变流器的有功功率参考值，根据所得的有功功率参考值控制风力机的转速，使其工作在风力机转矩-转速特性曲线的稳定运行区域。

进一步地，步骤S1具体包括以下步骤：

测量风速v，根据下式计算风力机的最大输出功率Pmmax：

其中，ρ为空气密度，R为风轮半径，β为桨距角，λ为叶尖速比，Cp为风能利用系数；当λ取最佳叶尖速比λ_opt时，Cp为最大风能利用系数Cpmax，χ为中间参数。

进一步地，步骤S2中，计算网侧变流器的无功电流参考值具体包括以下步骤：

步骤S21：采集三相电网电压u_a、u_b和u_c；

步骤S22：根据下式计算出三相电网电压u_a、u_b和u_c在两相静止坐标系下的分量u_α和u_β：

步骤S23：根据下式计算两相静止坐标系下的电压正负序分量

和

其中，

是一个90°滞后的移相运算；

步骤S24：根据下式计算出电网电压在两相旋转坐标系下的正负序分量

和

其中，θ为电网电压矢量旋转角度；

步骤S25：根据系统无功控制需求，分配风机系统无功功率Q_ref，根据下式计算计算网侧变流器的无功电流参考值：

进一步地，在步骤S3中，据风力机的最大输出功率和网侧电流计算网侧变流器有功电流参考值的公式是：

其中，i^P为网侧电流幅值。

进一步地，步骤S4中，通过机侧变流器控制风力机转速具体包括以下步骤：

步骤S41：根据网侧变流器的电流参考值计算机侧变流器的有功功率参考值的公式是：

步骤S42：根据机侧变流器有功功率参考值计算发电机q轴电流参考值的公式是：

其中，pn为发电机的极对数，ψ_f为永磁体的磁链，ω_m为发电机的转速。

步骤S43：机侧变流器采用零d轴电流控制，通过控制机侧变流器实现对风力机转速的控制。

相对于现有技术，本发明及其优选方案：

1)在电网电压不对称跌落时仍能充分利用风机系统的无功调节能力，减少海上风电场无功补偿装置的容量。消除不平衡工况下的直流侧电容电压的二倍频波动，实现平衡正弦的并网电流，提高系统的性能。

2)无需改变电路的拓扑结构，仅需改进机侧和网侧控制器的控制算法。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：

图1是典型直驱式风力发电系统结构示意图；

图2是本发明具体实施方式中提出的网侧变流器控制框图；

图3是本发明具体实施方式中提出的机侧变流器控制框图；

图4是本发明具体实施方式中的电网电压正负序dq轴分量的计算方法示意图；

图5是本发明中风力机的运行范围示意图；

图6是本发明具体实施方式中电容电压波形示意图；

图7是本发明具体实施方式整体控制方案示意图。

具体实施方式

为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：

如图1所示，本实施例提供的电网电压不对称跌落时直驱风机系统无功控制方法可以适用于典型直驱式风力发电系统结构。

如图2-图4、图7所示，该方法具体包括以下步骤：

(1)根据风速计算风力机的最大输出功率P_mmax；

(2)计算电网电压不对称跌落时电压的正负序dq轴分量，根据电压及无功控制的需求分配直驱风机系统的无功功率，并计算网侧变流器的无功电流参考值；

(3)利用的风力机的最大输出功率和网侧电流计算网侧变流器有功电流参考值；

(4)利用网侧变流器的电流参考值计算机侧变流器的有功功率参考值，根据所得的有功功率参考值控制风力机的转速，使其工作在风力机转矩-转速特性曲线的稳定运行区域。

具体地，计算风力机的最大输出功率P_mmax的方法包括以下步骤：

S1.1：测量风力机处的风速v；

S1.2：根据式(1)计算风力机的最大输出功率P_mmax：

式中，ρ为空气密度，R为风轮半径，β为桨距角，λ为叶尖速比，Cp为风能利用系数。当λ取最佳叶尖速比λ_opt时，Cp为最大风能利用系数Cpmax。

计算网侧变流器的无功电流参考值的方法包括以下步骤：

S2.1：采集三相电网电压u_a、u_b和u_c；

S2.2：根据式(2)计算出三相电网电压u_a、u_b和u_c在两相静止坐标系下的分量u_α和u_β，如图4所示：

S2.3：根据式(3)计算两相静止坐标系下的电压正负序分量

和

式中，

是一个90°滞后的移相运算；

S2.4：根据式(4)计算出电网电压在两相旋转坐标系下的正负序分量

和

如图4所示：

式中，θ为电网电压矢量旋转角度。

S2.5：根据系统无功控制需求，按照等裕度分配的原则确定各风机系统无功功率参考值Q_ref，根据式(5)计算计算网侧变流器的无功电流参考值：

计算网侧变流器有功电流参考值方法包括以下步骤：

S3.1：根据式(6)计算网侧变流器有功电流参考值：

式中，i^P为网侧电流幅值。

通过机侧变流器控制风力机转速的方法包括以下步骤：

S4.1：根据式(7)计算机侧变流器的有功功率参考值：

S4.2：根据式(8)计算发电机的q轴电流参考值

式中，p_n为发电机的极对数，ψ_f为永磁体的磁链，ω_m为发电机的转速。

针对该控制方法中的各个步骤，并结合图2、图3、图4，对该控制方法进行具体说明：

利用式(1)根据风速计算风力机的最大输出功率P_mmax。

假设电网电压不对称跌落时电压表达式为：

式中

分别为三相电网电压正负序分量的幅值，α_P、α_N为对应分量的初始相位角。利用式(2)计算三相电网电压u_a、u_b和u_c在两相静止坐标系下的分量u_αβ

如图4所示，利用式(3)进行正负序电压分离得到

和

进行正负序分离所需要的正交信号m采用基于信号发生器的二阶广义积分器实现。根据式(4)将分离后的两相静止坐标系下的正负序电压分量分别变换到相应的同步旋转坐标系下，θ利用单同步参考坐标系锁相环获得。

为保证网侧变流器和电网的安全运行，令负序电流分量为零，则三相正序并网电流可表示为：

式中，

分别表示三相并网电流在dq旋转坐标系上的有功分量和无功分量。锁相环与电网电压同步时，电压的q轴分量为0，即有

则电网电压的复矢量可以表示成：

网侧变流器的复功率为：

将式(11)、(12)代入式(13)可得有功功率的瞬时值和无功功率的平均值分别为

根据系统无功管理的需求按照等裕度的原则给定每台风机的无功出力Q_ref，则网侧变流器的无功电流参考值可根据式(5)得到。计算有功功率P_g的最大值和最小值，令P_mmax＝P_gmax：

根据式(6)计算网侧变流器有功电流参考值，从而网侧变流器采用如图2所示的功率电流双环控制，输出无功参与风电场的无功调节。

机侧变流器的有功功率参考值如式(7)。根据式(8)计算发电机的q轴电流参考值。从而发电机侧采用如图3所示零d轴电流矢量控制方法，控制发电机的转速运行在图5中所示区域。本发明通过改变风力机的输出功率使得直流侧前后功率平衡，从而消除了电容电压的二倍频波动，提高了直驱风机系统参与风电场无功调节的能力。图6为本发明提出的方案与传统方案下的电容电压波形对比图体现了调控的效果。

本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的电网电压不对称跌落时直驱风机系统无功控制方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。

Claims (3)

1.一种电网电压不对称跌落时直驱风机系统无功控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：根据风速计算风力机的最大输出功率Pmmax；

步骤S2：计算电网电压不对称跌落时电压的正负序dq轴分量，根据电压及无功控制的需求确定直驱风机系统的无功功率，并计算网侧变流器的无功电流参考值；

步骤S3：根据风力机的最大输出功率和网侧电流计算网侧变流器有功电流参考值；

步骤S4：根据网侧变流器的电流参考值计算机侧变流器的有功功率参考值，根据所得的有功功率参考值控制风力机的转速，使其工作在风力机转矩-转速特性曲线的稳定运行区域；

步骤S1具体包括以下步骤：

测量风速v，根据下式计算风力机的最大输出功率Pmmax：

其中，ρ为空气密度，R为风轮半径，β为桨距角，λ为叶尖速比，Cp为风能利用系数；当λ取最佳叶尖速比λ_opt时，Cp为最大风能利用系数Cpmax，χ为中间参数；

步骤S2中，计算网侧变流器的无功电流参考值具体包括以下步骤：

步骤S21：采集三相电网电压u_a、u_b和u_c；

步骤S22：根据下式计算出三相电网电压u_a、u_b和u_c在两相静止坐标系下的分量u_α和u_β：

步骤S23：根据下式计算两相静止坐标系下的电压正负序分量

和

其中，

是一个90°滞后的移相运算；

步骤S24：根据下式计算出电网电压在两相旋转坐标系下的正负序分量

和

其中，θ为电网电压矢量旋转角度；

步骤S25：根据系统无功控制需求，分配风机系统无功功率Q_ref，根据下式计算网侧变流器的无功电流参考值：

2.根据权利要求1所述的电网电压不对称跌落时直驱风机系统无功控制方法，其特征在于：在步骤S3中，据风力机的最大输出功率和网侧电流计算网侧变流器有功电流参考值的公式是：

其中，i^P为网侧电流幅值。

3.根据权利要求2所述的电网电压不对称跌落时直驱风机系统无功控制方法，其特征在于：步骤S4中，通过机侧变流器控制风力机转速具体包括以下步骤：

步骤S41：根据网侧变流器的电流参考值计算机侧变流器的有功功率参考值的公式是：

步骤S42：根据机侧变流器有功功率参考值计算发电机q轴电流参考值的公式是：

其中，pn为发电机的极对数，ψ_f为永磁体的磁链，ω_m为发电机的转速；

步骤S43：机侧变流器采用零d轴电流控制，通过控制机侧变流器实现对风力机转速的控制。

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