CN114914915A - 一种具备负序主动补偿能力的dfig变流器控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种具备负序主动补偿能力的DFIG变流器控制方法，包括步骤：获取节点电压电流；计算满足PCC处三相电压不平衡限值的补偿电流目标值；建立三相坐标系下的DFIG定子补偿电流数学模型；建立定子补偿电流数学模型的约束条件；求解满足约束条件的定子可输出补偿电流最大值；通过比较补偿电流目标值与定子可输出最大值，确定机侧变流器控制模块的参考电流，使得定子输出相应负序电流实现对电网电压的不平衡补偿。本发明解决了DFIG自身运行性能与补偿性能的平衡问题，在维持其并网发电的同时，最大限度地利用设备冗余容量，输出负序电流以补偿PCC处电压不平衡，改善了电网电能质量，提高了容量利用率。

Description

一种具备负序主动补偿能力的DFIG变流器控制方法
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，特别是涉及一种具备负序主动补偿能力的DFIG变流器控制方法。
背景技术
风力发电作为当前技术最成熟和大规模开发条件最完备的绿色能源之一，在助力双碳目标实现中发挥了重要作用。在实际电力系统中，风电场常常建设在风力资源丰富的偏远地区，电网结构薄弱，三相电压不平衡现象严重，会造成风机定、转子绕组发热以及变流器增损，甚至触发风电机组不平衡保护，导致风机脱网，严重威胁到电网的安全稳定运行。由于双馈风力发电机(DFIG)具有有功无功独立调节、变流器容量小等优点，已成为风电系统的主力机型之一，大规模的双馈风电场一般接入在不平衡电网末端。
针对DFIG在不平衡电网下的运行特性及控制策略研究是当前国内外学者关注的热点，一方面，通过改善其自身性能来维持风机正常运行，例如消除定子不平衡电流，抑制功率或转矩的二倍频波动等，在电网电压不平衡条件下，采用直接功率控制对波动分量进行控制，实现不同的控制目标，如转子电流平衡、定子电流平衡、功率无脉动或转矩无脉动等。另一方面，利用DFIG的主动补偿性能来实现公共连接点(PCC)的电压不平衡补偿，利用双馈风机系统的冗余容量，输出一定的定子负序电流以补偿PCC的不平衡电压，但这会造成定子电流的不平衡。可见，前者要求尽可能地减小定子电流不平衡，使风电机组不平衡保护不动作；后者希望定子尽可能地输出较大的负序电流来补偿PCC的电压不平衡。
因此，在电网三相电压不对称条件下，如何权衡DFIG自身的运行性能和补偿性能，在保证双馈风机并网稳定运行前提下，能最大限度地补偿电网电压不平衡是目前面临的重大难题，这对于改善电网电能质量、提高DFIG容量利用率具有重要的现实意义。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种具备负序主动补偿能力的DFIG变流器控制方法，通过控制机侧变流器，充分利用其冗余容量，使定子尽可能多的输出负序电流补偿PCC电压不平衡，使得在最大化利用风机不平衡补偿性能的同时，保证风机安全稳定运行。
本发明提出的一种具备负序主动补偿能力的DFIG变流器控制方法，包括以下步骤：
步骤1：获取节点电压电流数据，包括PCC、不平衡负载和DFIG端口电压电流；
步骤2：根据步骤1得到的节点电压电流数据，计算满足电网三相电压不平衡限值的补偿电流目标值；
步骤3：根据Clark坐标变换，建立三相坐标系下的DFIG定子补偿电流数学模型；
步骤4：根据DFIG定转子绕组的电压电流限制，建立定子补偿电流数学模型的约束条件；
步骤5：根据步骤1得到的DFIG数据和步骤4的约束条件，求解步骤3的数学模型，得到定子可输出的补偿电流最大值；
步骤6：通过比较步骤2的补偿电流目标值与步骤5的定子可输出最大值，给出定子补偿电流参考值，并以此作为转子侧变流器控制模块的参考输入，使得定子输出相应负序电流对电网电压进行不平衡补偿。
进一步的是，所述步骤2中的补偿电流目标值为：
Figure BDA0003717066700000021
式中：kZ为比例参数，VUFG为电网电压不平衡度，
Figure BDA0003717066700000022
为电网不平衡负载负序电流。
进一步的是，所述步骤3中的定子补偿电流数学模型为：
Figure BDA0003717066700000023
式中：
Figure BDA0003717066700000024
为三相坐标系下的定子负序电流，
Figure BDA0003717066700000025
和
Figure BDA0003717066700000026
分别为负序同步旋转坐标系下的d轴、q轴定子电流负序分量，ωs为同步角频率，j为虚数符号，t为时间。
进一步的是，所述步骤4中的约束条件为：
容量约束：
Figure BDA0003717066700000027
式中：Isnom是定子额定电流，Isd为d轴定子电流分量，Isq为q轴定子电流分量。
机侧变流器电流约束：
Figure BDA0003717066700000031
式中：Ls为定子绕组的自阻抗，Lm为定转子绕组互阻抗，Irmax为机侧变流器的电流最大值。
转子电压约束：
Figure BDA0003717066700000032
式中：Lr为转子绕组的自阻抗，Urnom是转子额定电压，s为转差率，ωs为同步角频率，Usd为d轴定子电压分量。
进一步的是，所述步骤5中通过得到的DFIG数据和约束条件，求解定子输
出的补偿电流最大值：
Figure BDA0003717066700000033
式中：
Figure BDA0003717066700000034
为三相坐标系下的定子补偿电流最大值，
Figure BDA0003717066700000035
和
Figure BDA0003717066700000036
分别为正序同步旋转坐标系下的d轴、q轴定子电流，
Figure BDA0003717066700000037
和
Figure BDA0003717066700000038
分别为正序同步旋转坐标系下的d轴、q轴定子电流正序分量。
进一步的是，所述步骤6中定子补偿电流参考值为：
Figure BDA0003717066700000039
式中，k为安全系数，
Figure BDA00037170667000000310
为步骤2的补偿电流目标值。
本发明的有益效果：
1、本发明提供的电网电压不平衡补偿方法是在保证DFIG定转子电压电流质量合格，不触发保护装置动作的情况下，能够输出负序电流补偿PCC的电压不平衡度，有效减少电网负序补偿设备的安装容量，节约成本。
2、本发明中满足电网三相电压不平衡限值的补偿电流目标值计算方法无需检测线路阻抗，适用于任意拓扑结构的不平衡电网，避免了线路阻抗测量的复杂性。
3、本发明通过求解定子可输出的补偿电流最大值，解决了双馈风机自身运行性能与补偿性能的平衡问题，在维持风机并网运行的前提下，其冗余容量得到了完全利用，提高了容量利用率。
附图说明
图1为本发明的一种具备负序主动补偿能力的DFIG变流器控制方法流程示意图；
图2为本发明实施例中计算得到的定子补偿电流最大值；
图3为本发明实施例中定子补偿电流参考值波形图；
图4为本发明实施例中DFIG对PCC处的电压不平衡补偿效果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。
在本实施例中，参见图1所示，本发明提出了一种具备负序主动补偿能力的DFIG变流器控制方法。
在本发明具体实施例中，以一台容量为1.5MW，额定电压为575V的商用双馈风机为例，电网电压220kV，PCC处初始电压不平衡度为3.1％，具体为：
步骤1：采集风机定子侧电压
Figure BDA0003717066700000041
机侧输出电流
Figure BDA0003717066700000042
和负载三相不平衡电流
Figure BDA0003717066700000043
将
Figure BDA0003717066700000044
分别在正序旋转坐标系及负序旋转坐标系下进行dq变换，通过陷波器滤除二倍频分量，提取负载电流负序分量
Figure BDA0003717066700000045
通过实时测量PCC处三相电压，计算PCC初始电压不平衡度；
步骤2：根据步骤1得到的电网电压不平衡度和负载负序电流，计算满足电网三相电压不平衡限值的补偿电流目标值，根据IEC/TR 61000-3-13标准，PCC不平衡限值取2％；
Figure BDA0003717066700000046
式中：kZ为比例参数，VUFG为电网电压不平衡度，
Figure BDA0003717066700000047
为电网不平衡负载负序电流。
步骤3：根据Clark坐标变换，建立三相坐标系下的DFIG定子补偿电流数学模型；
定子补偿电流数学模型为：
Figure BDA0003717066700000051
式中：
Figure BDA0003717066700000052
为三相坐标系下的定子负序电流，
Figure BDA0003717066700000053
和
Figure BDA0003717066700000054
分别为负序同步旋转坐标系下的d轴、q轴定子电流负序分量，ωs为同步角频率。
步骤4：根据DFIG定转子绕组的电压电流限制，建立定子补偿电流数学模型的约束条件；
约束条件如下：
容量约束：
Figure BDA0003717066700000055
式中：Isnom是定子额定电流。
机侧变流器电流约束：
Figure BDA0003717066700000056
式中：Ls为定子绕组的自阻抗，Lm为定转子绕组互阻抗，Irmax为机侧变流器的电流最大值。
转子电压约束：
Figure BDA0003717066700000057
式中：Lr为转子绕组的自阻抗，Urnom是转子额定电压，s为转差率。
步骤5：将步骤1得到的
Figure BDA0003717066700000058
和表1所示的DFIG出厂参数代入步骤4的约束条件，以步骤3的数学模型输出值最大为目标函数，得到定子可输出的补偿电流最大值；
定子补偿电流最大值：
Figure BDA0003717066700000059
式中：
Figure BDA00037170667000000510
为三相坐标系下的定子补偿电流最大值，
Figure BDA00037170667000000511
和
Figure BDA00037170667000000512
分别为正序同步旋转坐标系下的d轴、q轴定子电流，
Figure BDA00037170667000000513
和
Figure BDA00037170667000000514
分别为正序同步旋转坐标系下的d轴、q轴定子电流正序分量。
DFIG参数如表1所示：
表1 DFIG参数
Figure BDA0003717066700000061
步骤6：计算定子补偿电流参考值，并以此作为转子侧变流器控制模块的参考输入，使得定子输出相应负序电流对电网电压进行不平衡补偿。
定子补偿电流参考值为：
Figure BDA0003717066700000062
式中，k为安全系数，取0.8。
图4为DFIG对PCC的电压不平衡补偿效果图。从图中可以看出，DFIG的负序补偿能力在2s时发挥作用。在2s前，PCC电压不平衡度为3.1％，由其余不平衡负载造成，此时定子补偿电流指令为0，即DFIG不起补偿作用；2s后，如图3所示，加入步骤6计算的补偿电流参考值，PCC的三相电压不平衡精准补偿到规定的限值2％，证明了步骤6计算方法的正确性。同时从图2与图3可看出，由于步骤2计算所得的补偿电流目标值小于步骤5计算的定子补偿电流最大值，所以输入转子的参考电流指令为步骤2计算的参考电流，此时的补偿效果完全满足要求。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种具备负序主动补偿能力的DFIG变流器控制方法，其特征在于，包括步骤：
步骤1：获取节点电压电流数据，包括PCC、不平衡负载和DFIG端口电压电流；
步骤2：根据步骤1得到的节点电压电流数据，计算满足电网三相电压不平衡限值的补偿电流目标值；
步骤3：根据Clark坐标变换，建立三相坐标系下的DFIG定子补偿电流数学模型；
步骤4：根据DFIG定转子绕组的电压电流限制，建立定子补偿电流数学模型的约束条件；
步骤5：根据步骤1得到的DFIG数据和步骤4的约束条件，求解步骤3的数学模型，得到定子可输出的补偿电流最大值；
步骤6：通过比较步骤2的补偿电流目标值与步骤5的定子可输出最大值，给出定子补偿电流参考值，并以此作为转子侧变流器控制模块的参考输入，使得定子输出相应负序电流对电网电压进行不平衡补偿。
2.根据权利要求1所述的一种具备负序主动补偿能力的DFIG变流器控制方法，其特征在于，所述步骤2中的补偿电流目标值为：
Figure FDA0003717066690000011
式中：kz为比例参数，VUFG为电网电压不平衡度，
Figure FDA0003717066690000012
为电网不平衡负载负序电流。
3.根据权利要求1所述的一种具备负序主动补偿能力的DFIG变流器控制方法，其特征在于，所述步骤3中的定子补偿电流数学模型为：
Figure FDA0003717066690000013
式中：
Figure FDA0003717066690000014
为三相坐标系下的定子负序电流，
Figure FDA0003717066690000015
和
Figure FDA0003717066690000016
分别为负序同步旋转坐标系下的d轴、q轴定子电流负序分量，ωs为同步角频率，j为虚数符号，t为时间。
4.根据权利要求1或3所述的一种具备负序主动补偿能力的DFIG变流器控制方法，其特征在于，所述步骤4中的约束条件为：
容量约束：
Figure FDA0003717066690000021
式中：Isnom是定子额定电流，Isd为d轴定子电流分量，Isq为q轴定子电流分量；
机侧变流器电流约束：
Figure FDA0003717066690000022
式中：Ls为定子绕组的自阻抗，Lm为定转子绕组互阻抗，Irmax为机侧变流器的电流最大值，ωs为同步角频率，Usd为d轴定子电压分量；
转子电压约束：
Figure FDA0003717066690000023
式中：Lr为转子绕组的自阻抗，Urnom是转子额定电压，s为转差率。
5.根据权利要求4所述的一种具备负序主动补偿能力的DFIG变流器控制方法，其特征在于，所述步骤5中通过得到的DFIG数据和约束条件，求解定子输出的补偿电流最大值：
Figure FDA0003717066690000024
式中：
Figure FDA0003717066690000025
为三相坐标系下的定子补偿电流最大值，
Figure FDA0003717066690000026
和
Figure FDA0003717066690000027
分别为正序同步旋转坐标系下的d轴、q轴定子电流，
Figure FDA0003717066690000028
和
Figure FDA0003717066690000029
分别为正序同步旋转坐标系下的d轴、q轴定子电流正序分量。
6.根据权利要求5所述的一种具备负序主动补偿能力的DFIG变流器控制方法，其特征在于，所述步骤6中定子补偿电流参考值为：
Figure FDA00037170666900000210
式中，k为安全系数，
Figure FDA00037170666900000211
为补偿电流目标值。
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