CN113517696A - 孤岛模式开绕组双馈风力发电微电网系统的谐波消除设备 - Google Patents

孤岛模式开绕组双馈风力发电微电网系统的谐波消除设备 Download PDF

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CN113517696A CN202110697756.6A CN202110697756A CN113517696A CN 113517696 A CN113517696 A CN 113517696A CN 202110697756 A CN202110697756 A CN 202110697756A CN 113517696 A CN113517696 A CN 113517696A
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霍现旭
厉成元
李浩然
孙柏杨
徐晶
余真
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姚程
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State Grid Tianjin Electric Power Co Ltd
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Tianjin University
State Grid Tianjin Electric Power Co Ltd
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Abstract

本发明涉及孤岛模式开绕组双馈风力发电微电网系统的谐波消除设备，通过在转子侧变流器的控制器使用定子磁链观测器计算固定电压，使转子侧变流器的控制器的控制方式为外环电压和内环电流控制的双闭环控制，通过直流母线侧变流器的控制器的电压控制和谐波补偿环节，使得全谐振频率下无论发电机参数如何，传递函数均为零，能够完全抑制端口电压扰动的影响。本发明通过磁链定向的矢量控制方式对系统进行控制，利用定子侧变流器对系统谐波进行补偿，能够实现当开绕组双馈电机微电网系统由于带非线性负载运行等因素造成系统谐波较大时，谐波能够有效地被清除。

Description

孤岛模式开绕组双馈风力发电微电网系统的谐波消除设备
技术领域
本发明属于微电网控制领域，尤其是孤岛模式开绕组双馈风力发电微电网系统的谐波消除设备。
背景技术
双馈式风力发电机广泛应用在大中型风力发电机组中，双馈风力发电机的结构与组成与绕线式感应电动机相同，根据发电机的需要主要是电磁设计要求不同。双馈风力发电机一般采用4极或6极，2MW以下的发电机多采用4极，2MW以上的发电机多采用6极。双馈风力发电机定子直接与电网相连，绕线转子通过变频器与电网相连。当双馈发电机的负载和转速变化时，通过变频器调节馈入转子绕组的电流频率与相位，可保持定子输出的电压和频率稳定。但是当开绕组双馈风力发电机微电网系统由于带非线性负载运行等因素造成系统谐波较大时，端口电压的谐波较大，传统的开绕组双馈风力发电微电网系统无法解决现如今的问题，导致输出的电压不稳定，输电质量不佳。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出孤岛模式开绕组双馈风力发电微电网系统的谐波消除设备，能够当开绕组双馈电机微电网系统由于带非线性负载运行等因素造成系统谐波较大时，进行谐波消除。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
孤岛模式开绕组双馈风力发电微电网系统的谐波消除设备，包括转子侧变流器、转子侧变流器的控制器、定子侧变流器、定子侧变流器的控制器、直流母线侧变流器、直流母线侧变流器的控制器、开绕组双馈风力发电机和非线性负载，所述转子侧变流器的控制器连接并控制转子侧变流器，定子侧变流器的控制器连接并控制定子侧变流器，直流母线侧变流器的控制器连接并控制直流母线侧变流器，直流母线侧变流器的输入端连接电池，转子侧变流器和定子侧变流器分别连接直流母线侧变流器输出的直流电压Vdc，转子侧变流器连接开绕组双馈风力发电机的转子绕组，定子侧变流器连接开绕组双馈风力发电机的定子绕组，非线性负载连接开绕组双馈风力发电机定子绕组的另一端。
而且，所述直流母线侧变流器、转子侧变流器和定子侧变流器为电压源型逆变器。
而且，所述转子侧变流器的控制器包括定子磁链观测器、PIR控制器、PI控制器和SVPWM控制器，定子磁链观测器、PIR控制器、PI控制器和SVPWM控制器串行连接，SVPWM控制器进行电压外环的控制，PI控制器进行电流内环的控制。
而且，所述电压外环的电压控制器由如下数学模型构成：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 223263DEST_PATH_IMAGE002
为实际电压，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
为
Figure 687873DEST_PATH_IMAGE004
的α轴电压分量，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE005
为
Figure 264348DEST_PATH_IMAGE006
的β轴电压分量，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE007
和
Figure 721874DEST_PATH_IMAGE008
通过定子磁链观测器计算得到，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE009
为给定固定电压，
Figure 83717DEST_PATH_IMAGE010
的差值经过比例积分谐振（PIR）控制器进行控制；
电流内环的电流控制器由如下数学模型构成：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE011
Figure 702917DEST_PATH_IMAGE012
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE013
为转子电流d轴参考值，
Figure 517420DEST_PATH_IMAGE014
为转子电流q轴参考值，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE015
为转子电流d轴分量，
Figure 513058DEST_PATH_IMAGE016
为转子电流q轴分量，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE017
为电机定子电流，
Figure 244254DEST_PATH_IMAGE018
为电流控制器的比例系数，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE019
为电流控制器的积分系数，
Figure 788017DEST_PATH_IMAGE020
为转子侧变换器交流侧电压d轴输入参考值，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE021
为转子侧变换器交流侧电压q轴输入参考值，
Figure 339084DEST_PATH_IMAGE022
为开绕组双馈风力发电机励磁电感，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE023
为定子的电感，
Figure 623566DEST_PATH_IMAGE024
为转子的电感，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE025
为定子转差角速度。
而且，所述定子侧变流器的控制器包括电压控制和谐波补偿环节、PI控制器和SVPWM控制器，谐波补偿模块、PI控制器和SVPWM控制器串行连接，SVPWM控制器进行电压外环的控制，PI控制器进行电流内环的控制。
而且，所述电压控制和谐波补偿环节包括比例谐振电压控制器，该比例谐振电压控制器的开环传递函数
Figure 943689DEST_PATH_IMAGE026
为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE027
其中，
Figure 170271DEST_PATH_IMAGE028
为比例项系数，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE029
为积分项系数，
Figure 959367DEST_PATH_IMAGE030
为谐振项系数，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE031
为截止频率，
Figure 296807DEST_PATH_IMAGE032
定子角频率。
而且，所述直流母线侧变流器的控制器包括第一PI控制器、第二PI控制器和PWM信号发生器，第一PI控制器、第二PI控制器和PWM信号发生器串行连接，PWM信号发生器进行电压外环的控制，第二PI控制器进行电流内环的控制。
而且，所述开绕组双馈风力发电机包括定子端中性点打开并且串联变流器的开绕组双馈风力发电机，开绕组双馈风力发电机定子电压与定子侧变流器交流端口输出电压的矢量和为微电网的端口电压。
而且，所述非线性负载为电力电子电路。
本发明的优点和积极效果是：
本发明包括转子侧变流器、转子侧变流器的控制器、定子侧变流器、定子侧变流器的控制器、直流母线侧变流器、直流母线侧变流器的控制器、开绕组双馈风力发电机和非线性负载，通过在转子侧变流器的控制器使用定子磁链观测器计算固定电压，使转子侧变流器的控制器的控制方式为外环电压和内环电流控制的双闭环控制，通过直流母线侧变流器的控制器的电压控制和谐波补偿环节，使得全谐振频率下无论发电机参数如何，传递函数均为零，能够完全抑制端口电压扰动的影响。
本发明通过磁链定向的矢量控制方式对系统进行控制，利用定子侧变流器对系统谐波进行补偿，能够实现当开绕组双馈电机微电网系统由于带非线性负载运行等因素造成系统谐波较大时，谐波能够有效地被清除。
附图说明
图1为本发明的原理框图；
图2为本发明开绕组双馈风力发电机转子侧变换器的结构及其控制原理图；
图3为本发明开绕组双馈风力发电机定子侧变换器的结构及其控制原理；
图4为本发明开绕组双馈风力发电机直流侧变换器的结构及其原理图；
图5为本发明开绕组双馈风力发电机结构原理图；
图6为本发明二极管不控整流电路带纯电阻负载原理图；
图7为独立运行微电网系统谐波电压抑制原理；
图8为测试时未使用定子侧变流器端口电压电流波形图；
图9为测试时使用本发明定子侧变流器端口电压电流波形图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步详述。
孤岛模式开绕组双馈风力发电微电网系统的谐波消除设备，如图1所示，包括转子侧变流器、转子侧变流器的控制器、定子侧变流器、定子侧变流器的控制器、直流母线侧变流器、直流母线侧变流器的控制器、开绕组双馈风力发电机和非线性负载，转子侧变流器的控制器连接并控制转子侧变流器，定子侧变流器的控制器连接并控制定子侧变流器，直流母线侧变流器的控制器连接并控制直流母线侧变流器，直流母线侧变流器的输入端连接电池，转子侧变流器和定子侧变流器分别连接直流母线侧变流器输出的直流电压
Figure DEST_PATH_IMAGE033
，转子侧变流器连接开绕组双馈风力发电机的转子绕组，定子侧变流器连接开绕组双馈风力发电机的定子绕组，非线性负载连接开绕组双馈风力发电机定子绕组的另一端，使得负载侧输出电压为定子侧变流器和定子绕组电压的矢量和。
本发明与传统双馈电机不同，开绕组双馈风力发电机的定子绕组打开，这相比增加了系统的自由度，定子绕组的一端直接与非线性负载相连接，另一端连接定子侧变流器；而定子侧变流器的另一端与直流母线电压相连，且定子侧变流器和转子侧变流器共用一个直流母线电压
Figure 487748DEST_PATH_IMAGE034
，为维持该直流母线电压的恒定，采用可控PWM整流方式对直流母线侧变流器进行控制，变流器的另一端与电池相连接。
转子侧变流器为三相电压源型逆变器，其与直流母线和开绕组双馈风力发电机的转子绕组相连接，并通过转子侧变流器的控制器对开绕组双馈风力发电机进行控制。定子侧变流器为三相电压源型逆变器，其与直流母线和开绕组双馈风力发电机的定子绕组的一端进行连接，通过定子侧变流器的控制器对开绕组双馈风力发电机进行控制。直流母线侧变流器为三相电压源型逆变器。
如图2所示，转子侧变流器的控制器包括定子磁链观测器、PIR控制器、PI控制器和SVPWM控制器，定子磁链观测器、PIR控制器(比例积分谐振控制器)、PI控制器（比例积分控制器）和SVPWM控制器串行连接，SVPWM控制器进行电压外环的控制，PI控制器进行电流内环的控制。
电压外环的电压控制器由如下数学模型构成：
Figure DEST_PATH_IMAGE035
其中，
Figure 619652DEST_PATH_IMAGE036
为实际电压，
Figure DEST_PATH_IMAGE037
为
Figure 145312DEST_PATH_IMAGE038
的α轴电压分量，
Figure DEST_PATH_IMAGE039
为
Figure 34246DEST_PATH_IMAGE040
的β轴电压分量，
Figure DEST_PATH_IMAGE041
和
Figure 328961DEST_PATH_IMAGE042
通过定子磁链观测器计算得到，
Figure DEST_PATH_IMAGE043
为给定固定电压，
Figure 648078DEST_PATH_IMAGE044
的差值经过比例积分谐振（PIR）控制器进行控制。
开绕组双馈风力发电机定子电压控制是通过定子侧电压合成矢量直接控制的，固定电压
Figure DEST_PATH_IMAGE045
经过PIR控制器对其进行调节，从而得到转子电流d轴及q轴分量给定值，该值与转子电流反馈实际值（通过对转子侧三相电流进行观测，而后经过克拉克变换和派克变换得到）进行比较得到二者的差值，进而比较差值的d轴及q轴分量分别经过PI调节器和反派可变换，最终得到转子电压α轴及β轴分量，采用SVPWM的控制方式对定子侧逆变器进行控制。
电流内环的电流控制器由如下数学模型构成：
Figure 661033DEST_PATH_IMAGE046
Figure DEST_PATH_IMAGE047
其中，
Figure 340276DEST_PATH_IMAGE048
为转子电流d轴参考值，
Figure DEST_PATH_IMAGE049
为转子电流q轴参考值，
Figure 240230DEST_PATH_IMAGE050
为转子电流d轴分量，
Figure DEST_PATH_IMAGE051
为转子电流q轴分量，
Figure 979516DEST_PATH_IMAGE052
为电机定子电流，
Figure DEST_PATH_IMAGE053
为电流控制器的比例系数，
Figure 964921DEST_PATH_IMAGE054
为电流控制器的积分系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE055
为转子侧变换器交流侧电压d轴输入参考值，
Figure 182276DEST_PATH_IMAGE056
为转子侧变换器交流侧电压q轴输入参考值，
Figure DEST_PATH_IMAGE057
为开绕组双馈风力发电机励磁电感，
Figure 451583DEST_PATH_IMAGE058
为定子的电感，
Figure DEST_PATH_IMAGE059
为转子的电感，
Figure 369293DEST_PATH_IMAGE060
为定子转差角速度。
如图3所示，定子侧变流器的控制器包括电压控制和谐波补偿环节、PI控制器和SVPWM控制器，谐波补偿模块、PI控制器和SVPWM控制器串行连接，SVPWM控制器进行电压外环的控制，PI控制器进行电流内环的控制。
电压控制和谐波补偿环节包括比例谐振电压控制器。传统变流器消除端口电压谐波方式中需要对控制变量的正序分量和负序分量进行滤波分解，计算量大且会导致较大的时间延迟，降低了控制系统的性能。如图7所示，为谐波消去原理，本发明采用比例谐振电压控制器对开绕组双馈风力发电机进行控制，该比例谐振电压控制器的开环传递函数
Figure DEST_PATH_IMAGE061
为：
Figure 91261DEST_PATH_IMAGE062
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE063
为比例项系数，
Figure 863039DEST_PATH_IMAGE064
为积分项系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE065
为谐振项系数，
Figure 721274DEST_PATH_IMAGE066
为截止频率，
Figure DEST_PATH_IMAGE067
定子角频率。与传统控制方法相比，在全谐振频率下无论发电机参数如何，传递函数均为零。表明所提出的控制方案能够完全抑制端口电压扰动的影响。
如图4所示，直流母线侧变流器的控制器包括第一PI控制器、第二PI控制器和PWM信号发生器，第一PI控制器、第二PI控制器和PWM信号发生器串行连接，PWM信号发生器进行电压外环的控制，第二PI控制器进行电流内环的控制，通过第一PI控制器和第二PI控制器来维持直流母线电压的稳定。
如图5所示，开绕组双馈风力发电机包括定子端中性点打开并且串联变流器的开绕组双馈风力发电机，这样会增加零序通路，但是并没有改变电机的绕组的安装形式以及磁路分布，电机的特性没有改变，同时开绕组双馈风力发电机定子电压与定子侧变流器交流端口输出电压的矢量和为微电网的端口电压。
如图6所示，所述非线性负载为电力电子电路，本实施例中以二极管不控整流带纯电阻负载作为非线性负载。
根据上述孤岛模式开绕组双馈风力发电微电网系统的谐波消除设备，为试验其性能效果，在matlab/simulink仿真环境下对上述设备进行了验证，如图8及图9所示的端口电压THD看出，使用串联变流器谐振控制器前，端口电压THD为17%，使用以上方法后，端口电压THD被有效降低到3%，其中低次谐波可以被有效消除。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (9)

1.孤岛模式开绕组双馈风力发电微电网系统的谐波消除设备，其特征在于：包括转子侧变流器、转子侧变流器的控制器、定子侧变流器、定子侧变流器的控制器、直流母线侧变流器、直流母线侧变流器的控制器、开绕组双馈风力发电机和非线性负载，所述转子侧变流器的控制器连接并控制转子侧变流器，定子侧变流器的控制器连接并控制定子侧变流器，直流母线侧变流器的控制器连接并控制直流母线侧变流器，直流母线侧变流器的输入端连接电池，转子侧变流器和定子侧变流器分别连接直流母线侧变流器输出的直流电压Vdc，转子侧变流器连接开绕组双馈风力发电机的转子绕组，定子侧变流器连接开绕组双馈风力发电机的定子绕组，非线性负载连接开绕组双馈风力发电机定子绕组的另一端。
2.根据权利要求1所述的孤岛模式开绕组双馈风力发电微电网系统的谐波消除设备，其特征在于：所述直流母线侧变流器、转子侧变流器和定子侧变流器为电压源型逆变器。
3.根据权利要求1所述的孤岛模式开绕组双馈风力发电微电网系统的谐波消除设备，其特征在于：所述转子侧变流器的控制器包括定子磁链观测器、PIR控制器、PI控制器和SVPWM控制器，定子磁链观测器、PIR控制器、PI控制器和SVPWM控制器串行连接，SVPWM控制器进行电压外环的控制，PI控制器进行电流内环的控制。
4.根据权利要求3所述的孤岛模式开绕组双馈风力发电微电网系统的谐波消除设备，其特征在于：所述电压外环的电压控制器由如下数学模型构成：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 352655DEST_PATH_IMAGE002
为实际电压，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为
Figure 578231DEST_PATH_IMAGE004
的α轴电压分量，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为
Figure 934126DEST_PATH_IMAGE006
的β轴电压分量，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
和
Figure 928758DEST_PATH_IMAGE008
通过定子磁链观测器计算得到，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
为给定固定电压，
Figure 915169DEST_PATH_IMAGE010
的差值经过比例积分谐振（PIR）控制器进行控制；
电流内环的电流控制器由如下数学模型构成：
Figure DEST_PATH_IMAGE011
Figure 353673DEST_PATH_IMAGE012
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
为转子电流d轴参考值，
Figure 982100DEST_PATH_IMAGE014
为转子电流q轴参考值，
Figure DEST_PATH_IMAGE015
为转子电流d轴分量，
Figure 831238DEST_PATH_IMAGE016
为转子电流q轴分量，
Figure DEST_PATH_IMAGE017
为电机定子电流，
Figure 254130DEST_PATH_IMAGE018
为电流控制器的比例系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE019
为电流控制器的积分系数，
Figure 437986DEST_PATH_IMAGE020
为转子侧变换器交流侧电压d轴输入参考值，
Figure DEST_PATH_IMAGE021
为转子侧变换器交流侧电压q轴输入参考值，
Figure 355258DEST_PATH_IMAGE022
为开绕组双馈风力发电机励磁电感，
Figure DEST_PATH_IMAGE023
为定子的电感，
Figure 42591DEST_PATH_IMAGE024
为转子的电感，
Figure DEST_PATH_IMAGE025
为定子转差角速度。
5.根据权利要求1所述的孤岛模式开绕组双馈风力发电微电网系统的谐波消除设备，其特征在于：所述定子侧变流器的控制器包括电压控制和谐波补偿环节、PI控制器和SVPWM控制器，谐波补偿模块、PI控制器和SVPWM控制器串行连接，SVPWM控制器进行电压外环的控制，PI控制器进行电流内环的控制。
6.根据权利要求5所述的孤岛模式开绕组双馈风力发电微电网系统的谐波消除设备，其特征在于：所述电压控制和谐波补偿环节包括比例谐振电压控制器，该比例谐振电压控制器的开环传递函数
Figure 387116DEST_PATH_IMAGE026
为：
Figure DEST_PATH_IMAGE027
其中，
Figure 792689DEST_PATH_IMAGE028
为比例项系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE029
为积分项系数，
Figure 762919DEST_PATH_IMAGE030
为谐振项系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE031
为截止频率，
Figure 583720DEST_PATH_IMAGE032
定子角频率。
7.根据权利要求1所述的孤岛模式开绕组双馈风力发电微电网系统的谐波消除设备，其特征在于：所述直流母线侧变流器的控制器包括第一PI控制器、第二PI控制器和PWM信号发生器，第一PI控制器、第二PI控制器和PWM信号发生器串行连接，PWM信号发生器进行电压外环的控制，第二PI控制器进行电流内环的控制。
8.根据权利要求1所述的孤岛模式开绕组双馈风力发电微电网系统的谐波消除设备，其特征在于：所述开绕组双馈风力发电机包括定子端中性点打开并且串联变流器的开绕组双馈风力发电机，开绕组双馈风力发电机定子电压与定子侧变流器交流端口输出电压的矢量和为微电网的端口电压。
9.根据权利要求1所述的孤岛模式开绕组双馈风力发电微电网系统的谐波消除设备，其特征在于：所述非线性负载为电力电子电路。
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