CN113809777A - 一种全功率风电变流器的网侧控制方法和系统 - Google Patents

一种全功率风电变流器的网侧控制方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种全功率风电变流器的网侧控制方法和系统，通过控制网侧变流器的交流电压幅值来保证变流器直流电压稳定，使得网侧变流器具备了自身构造交流电网的能力，可以在无外部交流电网的情况下，构造出频率、幅值可控的交流电压，并实现风电功率的稳定输送。解决了现有的全功率风电变换器功率控制方式依赖于交流输电系统或柔性直流输电系统提供外部交流电压，受限于交流输电系统的输电距离和柔性直流输电系统的成本，不适于推动深远海风电的大规模开发的技术问题。本发明提供控制方法可适用于单台风电机组或风电场连接于无源网络或黑启动的工况。

Description

一种全功率风电变流器的网侧控制方法和系统
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种全功率风电变流器的网侧控制方法和系统。
背景技术
目前海上风电普遍采用全功率变流器来实现功率变换。全功率变流器的典型电气结构示意图如图1所示，机侧变流器经电感滤波后与同步发电机连接，网侧变流器经电感电容滤波后与交流电网连接。一般情况下，网侧变流器经滤波后，通过逐级变压器进行电压变换后，与交流电网连接。在海上风电的应用场合，图中所示的交流电网可以是岸上电网系统经电缆提供，也可以是柔性直流输电系统或其他型式的输电系统提供。直流侧回路主要有卸荷设备和直流支撑电容构成。在现有的全功率风电变换器控制方案下，需要通过交流输电系统或柔性直流输电系统，为全功率风电变流器的稳定运行提供频率和幅值稳定的交流电压来作为功率变换的支撑和锁相环的参考。这种依赖于外部交流电压的功率控制方式受限于交流输电系统的输电距离和柔性直流输电系统的成本，不适于推动深远海风电的大规模开发。
发明内容
本发明实施例提供了一种全功率风电变流器的网侧控制方法和系统，用以解决现有的全功率风电变换器功率控制方式依赖于交流输电系统或柔性直流输电系统提供外部交流电压，受限于交流输电系统的输电距离和柔性直流输电系统的成本，不适于推动深远海风电的大规模开发的技术问题。
有鉴于此，本发明第一方面提供了一种全功率风电变流器的网侧控制方法，包括：
以网侧变流器的直流侧电压为外环d轴控制目标，将直流电压参考值与直流电压实际值比较，差值经比例积分控制器得到内环d轴电流参考值；
将内环d轴电流参考值与内环d轴电流实际值比较，差值经比例积分控制器，比例积分控制器的输出叠加d轴的电压耦合项Δugd，得到d轴输出的电压参考值；
以网侧变流器的q轴电压为外环q轴控制目标，将q轴电压参考值与q轴电压实际值比较，差值经比例积分控制器得到内环q轴电流参考值；
将内环q轴电流参考值与内环q轴电流实际值比较，差值经比例积分控制器，比例积分控制器的输出叠加q轴电流的耦合项Δugq，得到q轴输出的电压参考值；
将d轴输出的电压参考值和q轴输出的电压参考值经dq/abc坐标变换器进行坐标变换，将坐标变换后的电压输入PWM调制器进行调制，输出PWM调制信号对网侧变流器的功率进行控制。
可选地，dq/abc坐标变换器进行坐标变换使用的相位信号由网侧变流器产生，产生方法包括：
将网侧变流器的无功功率参考值与无功功率实际值比较，差值经低通滤波器滤波后，叠加无功功率下垂系数，得到相位信号补偿量；
将外部全局时钟系统向风电变流器安装的时钟接受装置发送的基准相位信号与相位信号补偿量叠加，得到网侧相位信号。
可选地，dq/abc坐标变换器进行坐标变换使用的相位信号由网侧变流器产生，产生方法包括：
将网侧变流器的无功功率参考值与无功功率实际值比较，差值经低通滤波器滤波后，叠加无功功率下垂系数，得到角频率补偿量；
将角频率补偿量叠加给定的角频率，经积分器积分后得到网侧相位信号。可选地，d轴的电压耦合项Δugd为：
Δugd＝ωgLgigq+ugd
其中，Lg为网侧的滤波电感，ωg为网侧电压频率，ugd为d轴电压实际值，igq为q轴电流实际值。
可选地，q轴电流的耦合项Δugq为：
Δugq＝-ωgLgigd+ugq
其中，ugq为q轴电压实际值，igd为d轴电流实际值。
本发明第二方面提供了一种全功率风电变流器的网侧控制系统，包括：
第一d轴运算模块，用于以网侧变流器的直流侧电压为外环d轴控制目标，将直流电压参考值与直流电压实际值比较，差值经比例积分控制器得到内环d轴电流参考值；
第二d轴运算模块，用于将内环d轴电流参考值与内环d轴电流实际值比较，差值经比例积分控制器，比例积分控制器的输出叠加d轴的电压耦合项Δugd，得到d轴输出的电压参考值；
第一q轴运算模块，用于以网侧变流器的q轴电压为外环q轴控制目标，将q轴电压参考值与q轴电压实际值比较，差值经比例积分控制器得到内环q轴电流参考值；
第二q轴运算模块，用于将内环q轴电流参考值与内环q轴电流实际值比较，差值经比例积分控制器，比例积分控制器的输出叠加q轴电流的耦合项Δugq，得到q轴输出的电压参考值；
信号输出模块，用于将d轴输出的电压参考值和q轴输出的电压参考值经dq/abc坐标变换器进行坐标变换，将坐标变换后的电压输入PWM调制器进行调制，输出PWM调制信号对网侧变流器的功率进行控制。
可选地，还包括第一相位信号产生模块，第一相位信号产生模块用于产生dq/abc坐标变换器进行坐标变换使用的相位信号，产生方法包括：
将网侧变流器的无功功率参考值与无功功率实际值比较，差值经低通滤波器滤波后，叠加无功功率下垂系数，得到相位信号补偿量；
将外部全局时钟系统向风电变流器安装的时钟接受装置发送的基准相位信号与相位信号补偿量叠加，得到网侧相位信号。
可选地，还包括第二相位信号产生模块，第二相位信号产生模块用于产生dq/abc坐标变换器进行坐标变换使用的相位信号，产生方法包括：
将网侧变流器的无功功率参考值与无功功率实际值比较，差值经低通滤波器滤波后，叠加无功功率下垂系数，得到角频率补偿量；
将角频率补偿量叠加给定的角频率，经积分器积分后得到网侧相位信号。可选地，d轴的电压耦合项Δugd为：
Δugd＝ωgLgigq+ugd
其中，Lg为网侧的滤波电感，ωg为网侧电压频率，ugd为d轴电压实际值，igq为q轴电流实际值。
可选地，q轴电流的耦合项Δugq为：
Δugq＝-ωgLgigd+ugq
其中，ugq为q轴电压实际值，igd为d轴电流实际值。
从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：
本发明实施例提供的全功率风电变流器的网侧控制方法，通过控制网侧变流器的交流电压幅值来保证变流器直流电压稳定，使得网侧变流器具备了自身构造交流电网的能力，可以在无外部交流电网的情况下，构造出频率、幅值可控的交流电压，并实现风电功率的稳定输送。解决了现有的全功率风电变换器功率控制方式依赖于交流输电系统或柔性直流输电系统提供外部交流电压，受限于交流输电系统的输电距离和柔性直流输电系统的成本，不适于推动深远海风电的大规模开发的技术问题。本发明实施例提供控制方法可适用于单台风电机组或风电场连接于无源网络或黑启动的工况。
另外，现有的全功率风电变流器控制策略中，依赖于锁相环根据变流器所连接的交流电压信号来获得交流系统的相位信号，用于dq轴坐标变换。而本发明中网侧变流器的dq轴坐标变换所采用的相位信号为自身生成，不需要锁相环。
附图说明
图1为全功率变流器的典型电气结构示意图；
图2为本发明实施例中提供的全功率风电变流器的网侧控制方法的流程示意图；
图3为本发明实施例中提供的全功率风电变流器的网侧控制方法的原理框图；
图4为本发明实施例中提供的全功率风电变流器的网侧控制方法的网侧相位信号生成示意图之一；
图5为本发明实施例中提供的全功率风电变流器的网侧控制方法的网侧相位信号生成示意图之二；
图6为本发明实施例中提供的全功率风电变流器的网侧控制方法的网侧相位信号生成示意图之三；
图7为本发明实施例中提供的机侧变流器采用经典的控制策略原理框图；
图8为本发明实施例中提供的全功率风电变流器的网侧控制系统的一个结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了便于理解，请参阅图2和图3，本发明中提供了一种全功率风电变流器的网侧控制方法的实施例，包括以下步骤：
步骤101、以网侧变流器的直流侧电压为外环d轴控制目标，将直流电压参考值与直流电压实际值比较，差值经比例积分控制器得到内环d轴电流参考值；
步骤102、将内环d轴电流参考值与内环d轴电流实际值比较，差值经比例积分控制器，比例积分控制器的输出叠加d轴的电压耦合项Δugd，得到d轴输出的电压参考值；
步骤103、以网侧变流器的q轴电压为外环q轴控制目标，将q轴电压参考值与q轴电压实际值比较，差值经比例积分控制器得到内环q轴电流参考值；
步骤104、将内环q轴电流参考值与内环q轴电流实际值比较，差值经比例积分控制器，比例积分控制器的输出叠加q轴电流的耦合项Δugq，得到q轴输出的电压参考值；
步骤105、将d轴输出的电压参考值和q轴输出的电压参考值经dq/abc坐标变换器进行坐标变换，将坐标变换后的电压输入PWM调制器进行调制，输出PWM调制信号对网侧变流器的功率进行控制。
需要说明的是，本发明实施例中，网侧变流器采用构网型控制策略，具体为：外环d轴控制目标为网侧变流器的直流侧电压，直流电压参考值
Figure BDA0003323912760000051
与直流电压实际值udc比较后，两者的差值经比例积分控制器(即图3中的PI)，得到内环d轴电流的参考值
Figure BDA0003323912760000052
内环d轴电流的参考值
Figure BDA0003323912760000053
与内环d轴电流的实际值igd比较后，两者的差值经比例积分控制器，并叠加d轴的耦合项Δugd，得到d轴输出电压的参考值
Figure BDA0003323912760000062
d轴的电压耦合项Δugd＝ωgLgigq+ugd，Lg为网侧的滤波电感，ωg为网侧电压频率，ugd为d轴电压实际值，igq为q轴电流实际值。外环q轴控制目标为变流器的q轴电压，q轴电压参考值
Figure BDA0003323912760000061
与q轴电压实际值ugq比较后，两者的差值经比例积分控制器，得到内环q轴电流的参考值
Figure BDA0003323912760000063
内环q轴电流的参考值
Figure BDA00033239127600000611
与内环q轴电流的实际值igq比较后，两者的差值经比例积分控制器，并叠加q轴电流的耦合项Δugq，得到q轴输出电压的参考值
Figure BDA0003323912760000064
q轴电流的耦合项Δugq＝-ωgLgigd+ugq。d轴输出的电压参考值
Figure BDA0003323912760000065
和q轴输出的电压参考值
Figure BDA0003323912760000066
经dq/abc坐标变换器进行坐标变换，得到
Figure BDA0003323912760000067
和
Figure BDA0003323912760000068
将坐标变换后的电压
Figure BDA0003323912760000069
和
Figure BDA00033239127600000610
输入PWM调制器进行调制，输出PWM调制信号控制风电变流器功率器件的开通与关断，对网侧变流器的功率进行控制。本发明提供的全功率变换器的控制方法，只需要改变网侧变流器的控制策略，机侧变流器的控制策略可以沿用现有的经典控制方法。整体改动小，实现简单。
dq/abc坐标变换器进行坐标变换使用的相位信号θg由网侧变流器产生，如图4所示，产生方法包括：
将网侧变流器的无功功率参考值Qref与无功功率实际值Qg比较，差值经低通滤波器滤波(LPF)后，叠加无功功率下垂系数Mq，得到相位信号补偿量Δθ；
将外部全局时钟系统(如GPS或北斗系统)向风电变流器安装的时钟接受装置发送的基准相位信号θset与相位信号补偿量Δθ叠加，得到网侧相位信号θg用于网侧控制中的坐标变换。
图4还可以变换为图5，图5中，将网侧变流器的无功功率参考值Qref与无功功率实际值Qg比较，差值经低通滤波器滤波(LPF)后，叠加无功功率下垂系数Mq，得到角频率补偿量Δω。角频率补偿量Δω经过积分(1/s)后，得到相位信号补偿量Δθ，将外部全局时钟系统(如GPS或北斗系统)向风电变流器安装的时钟接受装置发送的基准相位信号θset与相位信号补偿量Δθ叠加，得到网侧相位信号θg用于网侧控制中的坐标变换。
由网侧变流器产生的dq/abc坐标变换器进行坐标变换使用的相位信号θg的另一种产生方式如图6所示，将网侧变流器的无功功率参考值Qref与无功功率实际值Qg比较，差值经低通滤波器(LPF)滤波后，叠加无功功率下垂系数Mq，得到角频率补偿量Δω；将角频率补偿量Δω叠加给定的角频率ωset，经积分器积分后得到网侧相位信号θg用于网侧控制中的坐标变换。在这种相位信号生成方式下，无需外部全局时钟系统发送基准相位信号θset，ωset可在控制界面或控制算法中直接给定。
本发明实施例提供的全功率风电变流器的网侧控制方法，通过控制网侧变流器的交流电压幅值来保证变流器直流电压稳定，使得网侧变流器具备了自身构造交流电网的能力，可以在无外部交流电网的情况下，构造出频率、幅值可控的交流电压，并实现风电功率的稳定输送。解决了现有的全功率风电变换器功率控制方式依赖于交流输电系统或柔性直流输电系统提供外部交流电压，受限于交流输电系统的输电距离和柔性直流输电系统的成本，不适于推动深远海风电的大规模开发的技术问题。本发明实施例提供控制方法可适用于单台风电机组或风电场连接于无源网络或黑启动的工况。
另外，现有的全功率风电变流器控制策略中，依赖于锁相环根据变流器所连接的交流电压信号来获得交流系统的相位信号，用于dq轴坐标变换。而本发明中网侧变流器的dq轴坐标变换所采用的相位信号为自身生成，不需要锁相环。
还需要说明的是，如图7所示，机侧变流器可以采用经典的控制策略：通过控制风电机组的转速或转矩或输出功率，实现最大风功率捕获或功率指令跟踪；所需要的相位信号由位置编码器或磁链方程计算得到。本发明中提供的全功率变换器控制方法，只需要改动改变网侧变流器的控制策略，机侧变流器的控制策略可使用现有控制策略，不受机侧变流器的控制策略的影响，在此不再对机侧变流器的控制策略进行赘述。
为了便于理解，请参阅图8，本发明中提供了一种全功率风电变流器的网侧控制系统的实施例，包括：
第一d轴运算模块801，用于以网侧变流器的直流侧电压为外环d轴控制目标，将直流电压参考值与直流电压实际值比较，差值经比例积分控制器得到内环d轴电流参考值；
第二d轴运算模块802，用于将内环d轴电流参考值与内环d轴电流实际值比较，差值经比例积分控制器，比例积分控制器的输出叠加d轴的电压耦合项Δugd，得到d轴输出的电压参考值；
第一q轴运算模块803，用于以网侧变流器的q轴电压为外环q轴控制目标，将q轴电压参考值与q轴电压实际值比较，差值经比例积分控制器得到内环q轴电流参考值；
第二q轴运算模块804，用于将内环q轴电流参考值与内环q轴电流实际值比较，差值经比例积分控制器，比例积分控制器的输出叠加q轴电流的耦合项Δugq，得到q轴输出的电压参考值；
信号输出模块805，用于将d轴输出的电压参考值和q轴输出的电压参考值经dq/abc坐标变换器进行坐标变换，将坐标变换后的电压输入PWM调制器进行调制，输出PWM调制信号对网侧变流器的功率进行控制。
还包括第一相位信号产生模块，第一相位信号产生模块用于产生dq/abc坐标变换器进行坐标变换使用的相位信号，产生方法包括：
将网侧变流器的无功功率参考值与无功功率实际值比较，差值经低通滤波器滤波后，叠加无功功率下垂系数，得到相位信号补偿量；
将外部全局时钟系统向风电变流器安装的时钟接受装置发送的基准相位信号与相位信号补偿量叠加，得到网侧相位信号。
还包括第二相位信号产生模块，第二相位信号产生模块用于产生dq/abc坐标变换器进行坐标变换使用的相位信号，产生方法包括：
将网侧变流器的无功功率参考值与无功功率实际值比较，差值经低通滤波器滤波后，叠加无功功率下垂系数，得到角频率补偿量；
将角频率补偿量叠加给定的角频率，经积分器积分后得到网侧相位信号。d轴的电压耦合项Δugd为：
Δugd＝ωgLgigq+ugd
其中，Lg为网侧的滤波电感，ωg为网侧电压频率，ugd为d轴电压实际值，igq为q轴电流实际值。
q轴电流的耦合项Δugq为：
Δugq＝-ωgLgigd+ugq
其中，ugq为q轴电压实际值，igd为d轴电流实际值。
本发明实施例提供的全功率风电变流器的网侧控制系统，通过控制网侧变流器的交流电压幅值来保证变流器直流电压稳定，使得网侧变流器具备了自身构造交流电网的能力，可以在无外部交流电网的情况下，构造出频率、幅值可控的交流电压，并实现风电功率的稳定输送。解决了现有的全功率风电变换器功率控制方式依赖于交流输电系统或柔性直流输电系统提供外部交流电压，受限于交流输电系统的输电距离和柔性直流输电系统的成本，不适于推动深远海风电的大规模开发的技术问题。本发明实施例提供控制系统可适用于单台风电机组或风电场连接于无源网络或黑启动的工况。
另外，现有的全功率风电变流器控制策略中，依赖于锁相环根据变流器所连接的交流电压信号来获得交流系统的相位信号，用于dq轴坐标变换。而本发明中网侧变流器的dq轴坐标变换所采用的相位信号为自身生成，不需要锁相环。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种全功率风电变流器的网侧控制方法，其特征在于，包括：
以网侧变流器的直流侧电压为外环d轴控制目标，将直流电压参考值与直流电压实际值比较，差值经比例积分控制器得到内环d轴电流参考值；
将内环d轴电流参考值与内环d轴电流实际值比较，差值经比例积分控制器，比例积分控制器的输出叠加d轴的电压耦合项Δugd，得到d轴输出的电压参考值；
以网侧变流器的q轴电压为外环q轴控制目标，将q轴电压参考值与q轴电压实际值比较，差值经比例积分控制器得到内环q轴电流参考值；
将内环q轴电流参考值与内环q轴电流实际值比较，差值经比例积分控制器，比例积分控制器的输出叠加q轴电流的耦合项Δugq，得到q轴输出的电压参考值；
将d轴输出的电压参考值和q轴输出的电压参考值经dq/abc坐标变换器进行坐标变换，将坐标变换后的电压输入PWM调制器进行调制，输出PWM调制信号对网侧变流器的功率进行控制。
2.根据权利要求1所述的全功率风电变流器的网侧控制方法，其特征在于，dq/abc坐标变换器进行坐标变换使用的相位信号由网侧变流器产生，产生方法包括：
将网侧变流器的无功功率参考值与无功功率实际值比较，差值经低通滤波器滤波后，叠加无功功率下垂系数，得到相位信号补偿量；
将外部全局时钟系统向风电变流器安装的时钟接受装置发送的基准相位信号与相位信号补偿量叠加，得到网侧相位信号。
3.根据权利要求1所述的全功率风电变流器的网侧控制方法，其特征在于，dq/abc坐标变换器进行坐标变换使用的相位信号由网侧变流器产生，产生方法包括：
将网侧变流器的无功功率参考值与无功功率实际值比较，差值经低通滤波器滤波后，叠加无功功率下垂系数，得到角频率补偿量；
将角频率补偿量叠加给定的角频率，经积分器积分后得到网侧相位信号。
4.根据权利要求1所述的全功率风电变流器的网侧控制方法，其特征在于，d轴的电压耦合项Δugd为：
Δugd＝ωgLgigq+ugd
其中，Lg为网侧的滤波电感，ωg为网侧电压频率，ugd为d轴电压实际值，igq为q轴电流实际值。
5.根据权利要求4所述的全功率风电变流器的网侧控制方法，其特征在于，q轴电流的耦合项Δugq为：
Δugq＝-ωgLgigd+ugq
其中，ugq为q轴电压实际值，igd为d轴电流实际值。
6.一种全功率风电变流器的网侧控制系统，其特征在于，包括：
第一d轴运算模块，用于以网侧变流器的直流侧电压为外环d轴控制目标，将直流电压参考值与直流电压实际值比较，差值经比例积分控制器得到内环d轴电流参考值；
第二d轴运算模块，用于将内环d轴电流参考值与内环d轴电流实际值比较，差值经比例积分控制器，比例积分控制器的输出叠加d轴的电压耦合项Δugd，得到d轴输出的电压参考值；
第一q轴运算模块，用于以网侧变流器的q轴电压为外环q轴控制目标，将q轴电压参考值与q轴电压实际值比较，差值经比例积分控制器得到内环q轴电流参考值；
第二q轴运算模块，用于将内环q轴电流参考值与内环q轴电流实际值比较，差值经比例积分控制器，比例积分控制器的输出叠加q轴电流的耦合项Δugq，得到q轴输出的电压参考值；
信号输出模块，用于将d轴输出的电压参考值和q轴输出的电压参考值经dq/abc坐标变换器进行坐标变换，将坐标变换后的电压输入PWM调制器进行调制，输出PWM调制信号对网侧变流器的功率进行控制。
7.根据权利要求6所述的全功率风电变流器的网侧控制系统，其特征在于，还包括第一相位信号产生模块，第一相位信号产生模块用于产生dq/abc坐标变换器进行坐标变换使用的相位信号，产生方法包括：
将网侧变流器的无功功率参考值与无功功率实际值比较，差值经低通滤波器滤波后，叠加无功功率下垂系数，得到相位信号补偿量；
将外部全局时钟系统向风电变流器安装的时钟接受装置发送的基准相位信号与相位信号补偿量叠加，得到网侧相位信号。
8.根据权利要求6所述的全功率风电变流器的网侧控制系统，其特征在于，还包括第二相位信号产生模块，第二相位信号产生模块用于产生dq/abc坐标变换器进行坐标变换使用的相位信号，产生方法包括：
将网侧变流器的无功功率参考值与无功功率实际值比较，差值经低通滤波器滤波后，叠加无功功率下垂系数，得到角频率补偿量；
将角频率补偿量叠加给定的角频率，经积分器积分后得到网侧相位信号。
9.根据权利要求6所述的全功率风电变流器的网侧控制系统，其特征在于，d轴的电压耦合项Δugd为：
Δugd＝ωgLgigq+ugd
其中，Lg为网侧的滤波电感，ωg为网侧电压频率，ugd为d轴电压实际值，igq为q轴电流实际值。
10.根据权利要求9所述的全功率风电变流器的网侧控制系统，其特征在于，q轴电流的耦合项Δugq为：
Δugq＝-ωgLgigd+ugq
其中，ugq为q轴电压实际值，igd为d轴电流实际值。
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