CN114427514A - 用于抑制系统低频振荡的双馈风机本地阻尼控制系统 - Google Patents

用于抑制系统低频振荡的双馈风机本地阻尼控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于抑制系统低频振荡的双馈风机本地阻尼控制系统，包括双馈风机、转子侧PWM变换器、网侧PWM变换器、转子侧控制器、网侧控制器、阻尼控制器、桨距角控制器、风力机控制器；阻尼控制器根据电网频率形成桨距角补偿信号输送至风力机控制器；桨距角控制器根据风速计算桨距角指令值，并输送至风力机控制器；风力机控制器根据桨距角补偿信号和桨距角指令值计算得到机械功率参考信号，并输出至转子侧控制器；所述转子侧变换器根据机械功率参考信号，并结合采集的风机发出有功功率、无功功率、并网点三相电压，生成驱动信号，并输出至转子侧PWM变换器。本发明有效抑制风机接入电网时产生的低频振荡，提高风机并网的稳定性。

Description

用于抑制系统低频振荡的双馈风机本地阻尼控制系统
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种用于抑制系统低频振荡的双馈风机本地阻尼控制系统。
背景技术
现有技术中，存在将阻尼控制器应用于反馈风机的技术方案。在专利201110175859.2中公布了一种利用风电机组附加阻尼控制器提高系统阻尼的方法，依据双馈风电机组最优转速控制的基本原理，引入交流电网受扰后低频振荡特征信号设计附加阻尼控制器。阻尼控制器输出为风机控制转速的调制分量，通过对风机转速控制实现其有功出力调节，从而达到抑制系统振荡的效果。在专利202011645227.3中公布了一种改善电力系统振荡的双馈风机模糊阻尼控制方法，实现了双馈风电场通过自身功率调节能力参与阻尼电力系统低频振荡的过程。相比传统的控制方法，可以提高风电场抑制电力系统低频振荡能力，提升电力系统的稳定性。
上述专利根据不同的方法控制了风机的转速控制，使之能够调节电力系统的阻尼。但是，对于复杂系统来说，其设计过程过于复杂，相关参数的整定计算量大。因此，在此方面需要寻找更具有一般性的控制方法以解决这个问题。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种用于抑制系统低频振荡的双馈风机本地阻尼控制系统，将风机的有功出力与电网频率联系起来，根据电网频率f来调节风机有功功率，由此有效抑制电网的有功功率低频振荡。
本发明采用的技术方案是：一种用于抑制系统低频振荡的双馈风机本地阻尼控制系统，包括双馈风机、转子侧PWM变换器、网侧PWM变换器、转子侧控制器、网侧控制器、变压器和电网；双馈风机的转子与转子侧PWM变换器的输出端电连接；双馈风机的输出端经变压器接入电网；网侧PWM变换器的输出端经滤波电感和变压器接入电网；转子侧PWM变换器与网侧PWM变换器通过直流母线电容电连接；网侧控制器用于根据实时采集到的双馈风机直流母线电容的电压和网侧q轴电流驱动网侧PWM变换器，网侧PWM变换器用于保持双馈风机的直流母线的电压稳定和控制双馈风机的输入功率因数；其特征在于：还包括阻尼控制器、桨距角控制器、风力机控制器、转子侧控制器；阻尼控制器用于根据采集到的电网频率形成桨距角补偿信号输送至风力机控制器；桨距角控制器用于根据实时采集到的风速计算出桨距角指令值，并输送至风力机控制器；风力机控制器用于根据接收桨距角补偿信号和桨距角指令值计算得到机械功率参考信号，并输出至转子侧控制器；所述转子侧变换器用于根据采集到的双馈风机的有功功率、无功功率、并网点三相电压以及接收到的机械功率参考信号生成驱动信号，并输出至转子侧PWM变换器；转子侧PWM变换器根据驱动信号向双馈风机的转子提供励磁所需的电流，以调节双馈风机的定子输出的无功功率；转子侧PWM变换器根据驱动信号控制双馈风机的转矩或定子输出有功功率，使双馈风机机组运行双馈风机的最佳功率曲线上，实现最大风能追踪运行。
上述技术方案中，所述阻尼控制器包括内部控制器和工作模式选择器；
其中，内部控制器用于采集电网频率并基于电网频率计算得到初始桨距角补偿信号，并输出至工作模式选择器；
工作模式选择器选择性输出桨距角补偿信号：令桨距角补偿信号等于初始桨距角补偿信号或者令桨距角补偿信号为0输出至风力控制器。工作模式选择器的有益效果是：使得阻尼控制器的投切可以根据实际情况而定。
上述技术方案中，所述内部控制器包括死区判断器、比例调节器、低通滤波器、限幅器；其中：
死区判断器用于采集电网频率，并判断电网频率否在死区外；若判断为否则不启动阻尼控制器，若判断为是则将输入的电网频率输出至比例调节器；死区的有益效果是：避免控制器频繁动作，当电网频率变化的不大时可以不启动，变化较大时启动。
比例调节器对接收到的电网频率进行放大处理后输出调理信号至低通滤波器；
低通滤波器根据接收到的调理信号计算出桨距角补偿量，并输出至限幅器；
限幅器判断桨距角补偿量是否在限幅内，若判断为是则输出数值与桨距角补偿量相等的初始桨距角补偿信号，若判断为否则输出数值与限幅器限幅的最大值或最小值相等的初始桨距角补偿信号。
所述阻尼控制器的有益效果是：使得风机接入电网具有良好的稳定性。阻尼控制器可以增大系统阻尼，有效的抑制风机接入电网时产生的低频振荡，提高了风机并网的稳定性。
上述技术方案中，风力机控制器包括加法器、减法器、比例积分器和限幅器；其中加法器接收桨距角指令值信号和阻尼控制器输出的初始的桨距角补偿信号，将二者相加得到桨距角修正参考信号并输出至减法器；减法器根据实时采集的双馈风机的桨距角信号与桨距角修正参考信号做差得到误差信号并输出至比例积分器；比例积分器根据接收到的误差信号计算得到初始机械功率参考信号并输出至限幅器；限幅器对初始机械功率参考信号进行限幅运算得到机械功率参考信号。风力机控制器的有益效果是：本发明的风力机控制器额外多一个加法器，用于接收桨距角指令值信号和阻尼控制器输出的初始的桨距角补偿信号，并将二者相加得到桨距角修正参考信号。
上述技术方案中，转子侧控制器包括功率转换器、有功控制器、无功控制器、电流控制器、信号发生器、和锁相环；
功率转换器通过接收到的机械功率参考信号计算得出双馈风机的有功功率指令值并输出至有功控制器；
有功控制器将接收到的有功功率指令值与采集到的有功功率值做差并调理，得到d轴电流参考信号并输出至电流控制器；
无功控制器接收双馈风机的无功功率信号并与人为给定的无功功率指令值做差，通过计算和调理得到q轴电流参考信号，并将q轴电流参考信号输出至电流控制器；
锁相环接收双馈风机的三相电压信号，通过锁相控制得到端电压相位信号并输出至电流控制器；
电流控制器根据接收到的d轴电流参考信号、q轴电流参考信号和端电压相位信号，通过计算和处理得到调制信号，并将调制信号输出至信号发生器；信号发生器根据所接收的调制信号得到驱动信号，并将驱动信号输送至转子侧PWM变换器。
上述技术方案中，限幅器限制桨距角补偿量必须大于或等于0，若桨距角补偿量小于0则按0输出。限幅器的有益效果是：使得输出量在合理的范围内，避免超过上限或下限。
本发明的有益效果是：使得风机接入电网具有良好的稳定性。阻尼控制器可以增大系统阻尼，有效的抑制风机接入电网时产生的低频振荡，提高了风机并网的稳定性。
附图说明
图1是双馈风机主电路及控制原理示意图；
图2是阻尼控制器整体示意图；
图3是阻尼控制器内部控制原理图；
图4是风力机控制器原理示意图；
图5是转子侧控制器原理示意图。
其中，1-风机叶片，2-多级齿轮箱，31-发电机，32-转子侧PWM变换器，33-直流母线电容，34-网侧PWM变换器，35-滤波电感，41-阻尼控制器，411-内部控制器，412-工作模式选择器，4111-死区判断器，4112-比例调节器，4113-低通滤波器，4114-限幅器，42-桨距角控制器，43-风力机控制器，431-加法器，432-减法器，433-比例积分器，434-限幅器，44-转子侧控制器，441-功率转换器，442-有功控制器，443-无功控制器，444-电流控制器，445-信号发生器，446-锁相环，45-网侧控制器，5-变压器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
如图1所示，本发明包括双馈风机(双馈风机包括风机叶片1、多级齿轮箱2、发电机31、转子侧PWM变换器32、直流母线电容33、网侧PWM变换器34、滤波电感35)、变压器5和电网；风机叶片1经多级齿轮箱2将获取的风能传递至发电机31的转子；发电机31的转子与转子侧PWM变换器32的输出端电连接；发电机31的输出端经变压器5接入电网；网侧PWM变换器45的输出端经滤波电感35和变压器5接入电网；转子侧PWM变换器32与网侧PWM变换器34通过直流母线电容33连接。本发明还包括阻尼控制器41，桨距角控制器42，风力机控制器43，转子侧控制器44，网侧控制器45。
阻尼控制器41用于实时采集电网频率f，并基于此信号通过计算和处理，得到桨距角补偿信号dβref，即信号41.1，然后将此桨距角补偿信号dβref输送至风力机控制器43。桨距角控制器42用于实时采集风速Vwind，并计算出桨距角指令值βref，即信号42.1，然后将此桨距角指令值βref输送至风力机控制器43。风力机控制器43接收桨距角补偿信号dβref和桨距角指令值βref，通过计算得到机械功率参考信号Pmref43.1，并将机械功率参考信号Pmref输送给转子侧控制器44。
转子侧控制器44用于实时采集风机输出的有功功率Pe、无功功率Q和三相电压uabc，并结合风力机控制器43的输出机械功率参考信号43.1。基于上述信号，通过计算和处理得到驱动信号44.1，然后通过驱动信号44.1实现对转子侧变换器32的控制。转子侧PWM变换器和转子侧控制器的控制目标有两个，一是给双馈风机的转子提供励磁所需的电流，以调节定子输出的无功功率；二是通过转子电流转矩分量来控制双馈风机的转矩或定子输出有功功率，使机组运行在风力机的最佳功率曲线上，实现最大风能追踪运行
网侧控制器45用于实时采集风机直流母线电容的电压Udc和网侧q轴电流igq。基于上述信号，通过计算和处理得到驱动信号45.1，然后通过驱动信号45.1实现对网侧变换器34的控制。其主要功能是保持直流母线的电压稳定和控制输入功率因数。
通过以上的控制思路，相比未加阻尼控制器的传统控制，本发明引入电网频率f，通过阻尼控制器41的计算，得到桨距角补偿信号41.1并输出至风力机控制器43，风力机控制器接收桨距角补偿信号dβref和桨距角指令值βref，通过计算得到机械功率参考信号Pmref，并将机械功率参考信号Pmref输送给转子侧控制器。转子侧控制器接收风力机控制器的信号，调节有功功率指令值，从而调节双馈风机的有功功率。这样，能够将双馈风机的有功出力Pe与电网频率f联系起来，根据电网频率f来调节风机有功功率Pe，由此有效抑制电网的有功功率低频振荡。
作为进一步优选地，如图2所示，阻尼控制器41包含其内部控制器411和工作模式选择器412。其中，控制器411用于采集电网频率f，然后基于此信号，根据阻尼控制器设计原理计算和处理得到初始桨距角补偿信号411.1并输出至工作模式选择器412。工作模式选择器412接受初始桨距角补偿信号411.1，并做出选择。其中模式1为：令桨距角补偿信号dβref(信号41.1)为初始桨距角补偿信号411.1实际值，即附加阻尼控制器；模式2为：令桨距角补偿信号dβref(信号41.1)为0，即不加阻尼控制器。工作模式选择器相当于阻尼控制器的开关，可以选择开启阻尼控制器也可以选择关闭关闭阻尼器。工作模式的选择可以人为选定。
作为进一步优选地，如图3所示，阻尼控制器中内部控制器411包括死区判断器4111、比例调节器4112、低通滤波器4113和限幅器4114。输入电网频率f，由死区判断器4111来判断此信号否在死区外，若否则结束(即不执行后续信号传递，不启动不阻尼控制器)，若是则将输入电网频率f输送给比例调节器4112进行放大处理。其中，死区是用来避免控制器频繁动作的，可以根据实际情况人为设定。
比例调节器4112随后输出调理信号4112.1通过低通滤波器4113。所述调理信号为放大的电网频率信号。低通滤波器4113用于接收调理信号，计算出桨距角补偿量4113.1，并输出至限幅器4114。其中，桨距角补偿量4113.1＝电网频率f*比例调节器参数K*1/(1+Ts)。T为低通滤波器4113的时间常数，s为微分环节。
由限幅器4114判断桨距角补偿量4113.1是否在限幅内，若是则输出初始桨距角补偿信号411.1，若否则经限幅后输出。由于物理限制，桨距角最小为0，故限幅器4114需要限制桨距角补偿量4113.1必须大于或等于0，若其小于0则按0输出，该量不能为负数。
由于风机物理限制决定，一般桨距角补偿信号dβref加桨距角参考βref的最大设置为27°。
限幅器判断桨距角补偿量是否在限幅内，若判断为是则输出初始桨距角补偿信号，此时初始桨距角补偿信号和桨距角补偿量相等；若判断为否则经限幅后输出初始桨距角补偿信号，此时初始桨距角补偿信号为设置的幅值上限或下限。即限幅器输入量越过限幅的上下限就按限幅的最大值或最小值输出，输入量在限幅值内就按输入量的数据输出。
作为进一步优选地，如图4所示，风力机控制器43包括加法器431、减法器432、比例积分器433和限幅器434。其中加法器431采集桨距角指令值信号βref和阻尼控制器输出的桨距角补偿信号dβref，将二者相加得到桨距角修正参考信号431.1，并将此信号输送至减法器432。减法器接收桨距角信号β和桨距角修正参考信号431.1，将二者做差得到误差信号432.1，并将此误差信号输送至比例积分器433。比例积分器433接收误差信号432.1，根据风机控制通过计算和处理得到初始机械功率参考信号433.1，并送至限幅器434。限幅器434对初始机械功率参考信号433.1进行限幅运算得到机械功率参考信号43.1。
作为进一步优选地，如图5所示，转子侧控制器44包括功率转换器441、有功控制器442、无功控制器443、电流控制器444、信号发生器445、和锁相环446。功率转换器441接收机械功率参考信号，通过计算得出风机有功功率指令值Peref，并将有功功率指令值Peref输送至有功控制器442中。其中，机械功率-损耗功率＝有功功率，其中损耗功率包括转轴的摩擦损耗、电磁转换损耗等。
有功控制器442接收功率指令值Peref，与采集到的有功功率值Pe做差，并通过采用PI控制器调理得到d轴电流参考信号442.1，并将此信号输送至电流控制器444。无功控制器443接收无功功率信号Q，与无功功率指令值Qref做差，通过计算和调理得到q轴电流参考信号443.1，并将此信号输送至电流控制器444。无功功率指令值Qref人为给定，一般风机不发无功功率，Qref＝0锁相环446接收双馈风机的三相电压信号uabc，采用锁相环控制器去锁定电压相位，通过锁相控制得到端电压相位信号446.1并输送至电流控制器444；电流控制器444接收d轴电流参考信号442.1、q轴电流参考信号443.1和端电压相位信号446.1，通过信号发生器计算和处理得到调制信号444.1，并将此信号输送至信号发生器445。信号发生器445根据所接收的调制信号得到驱动信号，并将驱动信号44.1输送至转子侧PWM变换器32。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (6)

1.一种用于抑制系统低频振荡的双馈风机本地阻尼控制系统，包括双馈风机、转子侧PWM变换器、网侧PWM变换器、转子侧控制器、网侧控制器、变压器和电网；双馈风机的转子与转子侧PWM变换器的输出端电连接；双馈风机的输出端经变压器接入电网；网侧PWM变换器的输出端经滤波电感和变压器接入电网；转子侧PWM变换器与网侧PWM变换器通过直流母线电容电连接；网侧控制器根据实时采集到的双馈风机直流母线电容的电压和网侧q轴电流驱动网侧PWM变换器，网侧PWM变换器用于保持双馈风机的直流母线的电压稳定和控制双馈风机的输入功率因数；其特征在于：还包括阻尼控制器、桨距角控制器、风力机控制器、转子侧控制器；阻尼控制器用于根据采集到的电网频率形成桨距角补偿信号输送至风力机控制器；桨距角控制器用于根据实时采集到的风速计算出桨距角指令值，并输送至风力机控制器；风力机控制器用于根据接收桨距角补偿信号和桨距角指令值计算得到机械功率参考信号，并输出至转子侧控制器；所述转子侧变换器用于根据采集到的双馈风机的有功功率、无功功率、并网点三相电压以及接收到的机械功率参考信号生成驱动信号，并输出至转子侧PWM变换器；转子侧PWM变换器根据驱动信号向双馈风机的转子提供励磁所需的电流，以调节双馈风机的定子输出的无功功率；转子侧PWM变换器根据驱动信号控制双馈风机的转矩或定子输出有功功率，使双馈风机机组运行双馈风机的最佳功率曲线上，实现最大风能追踪运行。
2.根据权利要求1所述的一种用于抑制系统低频振荡的双馈风机本地阻尼控制系统，其特征在于：所述阻尼控制器包括内部控制器和工作模式选择器；
其中，内部控制器用于采集电网频率并基于电网频率计算得到初始桨距角补偿信号，并输出至工作模式选择器；
工作模式选择器选择性输出桨距角补偿信号：令桨距角补偿信号等于初始桨距角补偿信号或者令桨距角补偿信号为0输出至风力控制器。
3.根据权利要求2所述的一种用于抑制系统低频振荡的双馈风机本地阻尼控制系统，其特征在于：所述内部控制器包括死区判断器、比例调节器、低通滤波器、限幅器；其中：
死区判断器用于采集电网频率，并判断电网频率否在死区外；若判断为否则不启动阻尼控制器，若判断为是则将输入的电网频率输出至比例调节器；
比例调节器对接收到的电网频率进行放大处理后输出调理信号至低通滤波器；
低通滤波器根据接收到的调理信号计算出桨距角补偿量，并输出至限幅器；
限幅器判断桨距角补偿量是否在限幅内，若判断为是则输出数值与桨距角补偿量相等的初始桨距角补偿信号，若判断为否则输出数值与限幅器限幅的最大值或最小值相等的初始桨距角补偿信号。
4.根据权利要求1所述的一种用于抑制系统低频振荡的双馈风机本地阻尼控制系统，其特征在于：风力机控制器包括加法器、减法器、比例积分器和限幅器；其中加法器接收桨距角指令值信号和阻尼控制器输出的初始的桨距角补偿信号，将二者相加得到桨距角修正参考信号并输出至减法器；减法器根据实时采集的双馈风机的桨距角信号与桨距角修正参考信号做差得到误差信号并输出至比例积分器；比例积分器根据接收到的误差信号计算得到初始机械功率参考信号并输出至限幅器；限幅器对初始机械功率参考信号进行限幅运算得到机械功率参考信号。
5.根据权利要求1所述的一种用于抑制系统低频振荡的双馈风机本地阻尼控制系统，其特征在于：转子侧控制器包括功率转换器、有功控制器、无功控制器、电流控制器、信号发生器、和锁相环；
功率转换器通过接收到的机械功率参考信号计算得出双馈风机的有功功率指令值并输出至有功控制器；
有功控制器将接收到的有功功率指令值与采集到的有功功率值做差并调理，得到d轴电流参考信号并输出至电流控制器；
无功控制器接收双馈风机的无功功率信号并与人为给定的无功功率指令值做差，通过计算和调理得到q轴电流参考信号，并将q轴电流参考信号输出至电流控制器；
锁相环接收双馈风机的三相电压信号，通过锁相控制得到端电压相位信号并输出至电流控制器；
电流控制器根据接收到的d轴电流参考信号、q轴电流参考信号和端电压相位信号，通过计算和处理得到调制信号，并将调制信号输出至信号发生器；信号发生器根据所接收的调制信号得到驱动信号，并将驱动信号输送至转子侧PWM变换器。
6.根据权利要求4所述的一种用于抑制系统低频振荡的双馈风机本地阻尼控制系统，其特征在于：限幅器限制桨距角补偿量必须大于或等于0，若桨距角补偿量小于0则按0输出。
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