CN116231726A - 全功率变流器风电机组自适应控制方法 - Google Patents

全功率变流器风电机组自适应控制方法 Download PDF

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CN116231726A CN202211640813.8A CN202211640813A CN116231726A CN 116231726 A CN116231726 A CN 116231726A CN 202211640813 A CN202211640813 A CN 202211640813A CN 116231726 A CN116231726 A CN 116231726A
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陈怡静
郭小江
李春华
李铮
申旭辉
孙栩
奚嘉雯
张钧阳
章卓雨
彭程
付明志
牛晨晖
吴凯
严祺慧
翟玥
张中鼎
沈泛怡
曲益夆
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Huaneng Clean Energy Research Institute
Clean Energy Branch of Huaneng International Power Jiangsu Energy Development Co Ltd Clean Energy Branch
Huaneng International Power Jiangsu Energy Development Co Ltd
Shengdong Rudong Offshore Wind Power Co Ltd
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Huaneng Clean Energy Research Institute
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Shengdong Rudong Offshore Wind Power Co Ltd
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Abstract

本申请提供了一种全功率变流器风电机组自适应控制方法，包括：对网侧变流器的交流侧换流器和电网之间的等效电感的取值进行至少一次迭代更新，以得到迭代更新后的所述等效电感的取值；其中，所述迭代更新后的所述等效电感的取值符合预设收敛条件；基于所述迭代更新后的所述等效电感的取值，计算所述网侧变流器的调制参数；根据所述调制参数对所述网侧变流器进行自适应控制。通过对网侧变流器的交流侧换流器和电网之间的等效电感的迭代更新，实现对控制算法中关键参数的自适应调节，从而提升风力发电机并网稳定性及风电系统整体运行特性。

Description

全功率变流器风电机组自适应控制方法
技术领域
本申请涉及风电系统控制技术领域，尤其涉及一种全功率变流器风电机组自适应控制方法。
背景技术
基于全功率变流器的风力发电机组是一个高度电力电子化、具备非线性运行特性的设备。对于非线性电力电子特性的设备，当风电机组接入弱电网系统后，风电场出力波动、电网系统架构变化等影响均会对接入的弱电网的整体运行特性带来巨大影响。
因此，需要一种能够对风电控制系统中的关键参数进行自适应调节的方法，以提升风电系统运行整体的性能。
发明内容
本申请提供了一种全功率变流器风电机组自适应控制方法，以提升风电系统运行整体性能。本申请的技术方案如下：
本申请实施例提供了一种全功率变流器风电机组自适应控制方法，包括：
对网侧变流器的交流侧换流器和电网之间的等效电感的取值进行至少一次迭代更新，以得到迭代更新后的所述等效电感的取值；其中，所述迭代更新后的所述等效电感的取值符合预设收敛条件；
基于所述迭代更新后的所述等效电感的取值，计算所述网侧变流器的调制参数；
根据所述调制参数对所述网侧变流器进行自适应控制。
在一些实现方式中，所述对网侧变流器的交流侧换流器和电网之间的等效电感的取值进行至少一次迭代更新的任意一次迭代更新，包括：
获取上一次迭代更新后的等效电感的取值；
将所述上一次迭代更新后的等效电感的取值代入所述网侧变流器的状态空间方程，得到上一次迭代更新后的所述网侧变流器的交流侧电流；
根据所述上一次迭代更新后的所述网侧变流器的交流侧电流更新所述上一次迭代更新后的等效电感的取值，得到当前次迭代更新后的等效电感的取值；
若所述当前次迭代更新后的等效电感的取值不符合预设收敛条件，则对所述等效电感的取值进行下一次迭代更新。
在一些实现方式中，所述根据所述上一次迭代更新后的所述网侧变流器的交流侧电流更新所述上一次迭代更新后的等效电感的取值，得到当前次迭代更新后的等效电感的取值，包括：
基于所述上一次迭代更新后的所述网侧变流器的交流侧电流与电流内环电流参考值的比较结果，通过微分方程迭代更新所述上一次迭代更新后的等效电感的取值，得到当前次迭代更新后的等效电感的取值。
在一些实现方式中，所述基于所述上一次迭代更新后的所述网侧变流器的交流侧电流与电流内环电流参考值的比较结果，通过微分方程迭代更新所述上一次迭代更新后的等效电感的取值，得到当前次迭代更新后的等效电感的取值，包括：
通过第一公式迭代更新所述等效电感的取值，其中，所述第一公式表示如下：
Figure BDA0004008879100000021
其中，L0为网侧变流器的交流侧换流器和电网之间的等效电感的取值，ild、ilq为网侧变流器的交流侧电流在dq轴上的分量；il*q、il*d为电流内环电流参考值在dq轴上的分量；k1、k2为网侧控制器的控制参数。
在一些实现方式中，所述网侧变流器的状态空间方程通过第二公式表示，其中，所述第二公式表示如下：
Figure BDA0004008879100000022
Figure BDA0004008879100000023
其中，vld、vlq为网侧变流器的并网点电压在dq轴上的分量；ild、ilq为网侧变流器的交流侧电流在dq轴上的分量；uc为网侧变流器的直流电压；Md、Mq为网侧变流器的调制参数在dq轴上的分量；ω为并网点角频率；Rl、Ll分别为网侧变流器的交流侧换流器和电网之间的等效电阻和等效电感。
在一些实现方式中，所述网侧变流器的调制参数通过第三公式表示，其中，所述第三公式表示如下：
Figure BDA0004008879100000024
Figure BDA0004008879100000025
其中，vd、vq为网侧变流器的出口电压在dq轴上的分量，vd＝ucMd/2，vq＝ucMq/2。
在一些实现方式中，所述方法还包括：
通过第四公式获取所述网侧变流器的出口电压vd、vq，其中，所述第四公式表示如下：
Figure BDA0004008879100000031
其中，il*,dq为电流内环电流参考值，在dq轴上的分量分别为il*q和il*d。
在一些实现方式中，所述方法还包括：
通过第五公式获取分量il*q的值，其中，所述第五公式表示如下：：
Figure BDA0004008879100000032
其中，Ql*为网侧换流器无功功率参考值。
在一些实现方式中，所述方法还包括：
通过第六公式获取分量il*d，其中，所述第六公式表示如下：
il*d＝-kup(uc-uc*)-kui∫(uc-uc*)dt；
其中，uc为网侧变流器的直流电压，uc*为网侧变流器的直流电压参考值，kup、kui为控制器的控制参数。
基于上述技术方案，本申请实施例针对风电机组接入弱电网存在的稳定性问题，通过对网侧变流器的交流侧换流器和电网之间的等效电感的迭代更新，实现对控制算法中关键参数的自适应调节，从而提升风力发电机并网稳定性及风电系统整体运行特性。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理，并不构成对本申请的不当限定。
图1是根据本申请实施例的全功率变流器风电机组自适应控制方法的示意性流程图。
图2是全功率变流器风电机组的拓扑结构的示意图。
具体实施方式
为了使本领域普通人员更好地理解本申请的技术方案，下面将结合附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
需要说明的是，本申请中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
如图1所示，本申请实施例提供了一种全功率变流器风电机组自适应控制方法。该全功率变流器风电机组自适应控制方法可以包括如下步骤S101-S103。
首先需要说明的是，全功率变流器是一种由直流环节连接两组电力电子变流器组成的背靠背变频系统，这两个变频器分别为发电机侧变流器和电网侧变流器。发电机侧变流器接收感应发电机产生的有功功率，并将功率通过直流环节送往电网侧变流器。发电机侧变流器也用来通过感应发电机的定子端对感应发电机励磁。电网侧变流器接收通过直流环节输送来的有功功率，并将其输送到电网，即平衡了直流环节两侧的电压。如图2所示，背靠背双PWM变流器是目前风电系统中常见的一种拓扑结构。
在步骤S101中，对网侧变流器的交流侧换流器和电网之间的等效电感的取值进行至少一次迭代更新，以得到迭代更新后的所述等效电感的取值；其中，所述迭代更新后的所述等效电感的取值符合预设收敛条件。
可以理解为，一般将电网作为一个很强的电网，此时，网侧变流器的交流侧换流器和电网之间的等效电感L来源于两部分，分别为网侧变流器交流侧的电抗器的等效电感(即交流侧的等效电感)以及变压器的等效电感，而这两部分的等效电感是可以由设备参数得到精确的数值的。但是，当风电系统接入的为弱电网的时候，弱电网则会有自己的阻抗，此时，换流器和电网之间的等效电感L来源于四部分，分别为交流侧的等效电感、变压器的等效电感、线路电感以及弱电网的等效电感。上面提到，对于交流侧的等效电感以及变压器的等效电感是可以由设备参数得到，但是线路电感以及弱电网的等效电感是无法得到精确值的。而换流器和电网之间的等效电感L是一个很重要的参数，如果L的取值不准确的话，有可能会出现一些过流的情况。
在本实施例中，不确定等效电感L的值，在这种情况下，L不是一个给定值，假设控制器中将L的取值设定为L0，通过对L0进行在线的迭代更新，收敛到一个值，从而实现对控制器的控制算法的提升。
即可以理解为，控制器中对网侧变流器的交流侧换流器和电网之间的等效电感的取值为一个估计值。其中，预设收敛条件为该估计值收敛到一个值。
在步骤S102中，基于所述迭代更新后的所述等效电感的取值，计算所述网侧变流器的调制参数。
在步骤S103中，根据所述调制参数对所述网侧变流器进行自适应控制。
本申请实施例的全功率变流器风电机组自适应控制方法，针对风电机组接入弱电网存在的稳定性问题，通过对网侧变流器的交流侧换流器和电网之间的等效电感的迭代更新，实现对控制算法中关键参数的自适应调节，从而提升风力发电机并网稳定性及风电系统整体运行特性。
在一些实现方式中，所述网侧变流器的状态空间方程通过如下公式表示：
Figure BDA0004008879100000051
Figure BDA0004008879100000052
其中，vld、vlq为网侧变流器的并网点电压在dq轴上的分量；ild、ilq为网侧变流器的交流侧电流在dq轴上的分量；uc为网侧变流器的直流电压；Md、Mq为网侧变流器的调制参数在dq轴上的分量；ω为并网点角频率；Rl、Ll分别为网侧变流器的交流侧换流器和电网之间的等效电阻和等效电感。
在上述实施例的基础上，所述网侧变流器的调制参数通过如下公式表示：
Figure BDA0004008879100000053
Figure BDA0004008879100000054
其中，vd、vq为网侧变流器的出口电压在dq轴上的分量，vd＝ucMd/2，vq＝ucMq/2。
可选的，其中，所述网侧变流器的出口电压vd、vq可以通过如下公式表示：
Figure BDA0004008879100000055
/>
其中，il*，dq为电流内环电流参考值，在dq轴上的分量分别为il*q和il*d。
可选的，其中，分量il*q的值可以通过如下公式表示：
Figure BDA0004008879100000056
其中，Ql*为网侧换流器无功功率参考值。
可选的，其中，分量il*d的值可以通过如下公式表示：
il*d＝-kup(uc-uc*)-kui∫(uc-uc*)dt (5)
其中，uc为网侧变流器的直流电压，
Figure BDA0004008879100000065
为网侧变流器的直流电压参考值，kup、kui为控制器的控制参数。
需要说明的是，对于网侧变流器的状态空间方程，通常控制器处理方式是认为网侧变流器的并网点电压vld、vlq是不变的，且如上所述，认为网侧变流器的交流侧换流器和电网之间的等效电感L来源于两部分，分别为网侧变流器交流侧的等效电感以及变压器的等效电感，是可以由设备参数得到精确值的。但是，在接入若电网的情况下，网侧变流器的并网点电压vld、vlq是随着输出功率的变化而变化的，特别是当风电系统越弱，变化的越明显；且网侧变流器的交流侧换流器和电网之间的等效电感L的取值是不确定的，不能是一个给定值。
网侧变流器的状态空间方程中的耦合项ωLlilq和ωLlild在动态性能上，特别是故障穿越期间的动态性能上起到重要作用。由于等效电感L的取值是不确定的，若控制器中使用了非常不精确的L的取值，假设控制器中的等效电阻R与等效电感L的取值都不是精确的值，例如不精确值为R0和L0，则网侧变流器的调制参数的值表示如下：
Figure BDA0004008879100000061
Figure BDA0004008879100000062
需要说明的是，得到迭代更新后的L0之后，可以通过公式(6)计算网侧变流器的调制参数的值。
将上述公式(6)代入公式(1)得到公式(7)：
Figure BDA0004008879100000063
Figure BDA0004008879100000064
R0和L0为控制器中针对等效电阻和等效电感的取值，不是实际值，而状态方程中的Rl、Ll代表等效电阻和等效电感的实际值，但是实际值并不确定。由公式(7)可知，控制器中使用的取值R0和L0与系统实际的R与L的值Rl、Ll存在差异性，那么意味着耦合项ωLlilq和ωLlild无法精确的去除掉，那么系统存在较大的非稳定性因素，尤其是当Ll-L0之间的差值越大，耦合项带来的非稳定因素越大。
基于上述分析，在一些实施例中，对网侧变流器的交流侧换流器和电网之间的等效电感的取值进行至少一次迭代更新的任意一次迭代更新，包括：
获取上一次迭代更新后的等效电感的取值；
将所述上一次迭代更新后的等效电感的取值代入所述网侧变流器的状态空间方程，得到上一次迭代更新后的所述网侧变流器的交流侧电流；
根据所述上一次迭代更新后的所述网侧变流器的交流侧电流更新所述上一次迭代更新后的等效电感的取值，得到当前次迭代更新后的等效电感的取值；
若所述当前次迭代更新后的等效电感的取值不符合预设收敛条件，则对所述等效电感的取值进行下一次迭代更新。
进一步的，所述根据所述上一次迭代更新后的所述网侧变流器的交流侧电流更新所述上一次迭代更新后的等效电感的取值，得到当前次迭代更新后的等效电感的取值，包括：
基于所述上一次迭代更新后的所述网侧变流器的交流侧电流与电流内环电流参考值的比较结果，通过微分方程迭代更新所述上一次迭代更新后的等效电感的取值，得到当前次迭代更新后的等效电感的取值。
优选的，通过如下公式迭代更新等效电感的取值L0：
Figure BDA0004008879100000071
其中，L0为网侧变流器的交流侧换流器和电网之间的等效电感的取值，ild、ilq为网侧变流器的交流侧电流在dq轴上的分量；il*q、il*d为电流内环电流参考值在dq轴上的分量；k1、k2为网侧控制器的控制参数。
在本实施例中，具体通过公式(8)对取值L0进行在线迭代更新。也就是说，控制器中的L0是通过公式(8)进行在线计算得到的。
作为一个示例，在初始时刻，L0有初始值，将初始值代入网侧变流器的状态空间方程，得到当前时刻的ild、ilq，之后，将当前时刻的ild、ilq代入公式(8)得到下一时刻的L0，再将下一时刻的L0代入状态空间方程，得到下一时刻的ild、ilq，之后，将下一时刻的ild、ilq代入公式(8)得到新的下一时刻的L0，如此迭代计算之后，则L0会收敛到一个值，即通过公式(8)收敛到一个值，使系统是稳定的，最终整个系统会收敛到一个平衡点。
本申请实施例的全功率变流器风电机组自适应控制方法，针对风电机组接入弱电网存在的稳定性问题，基于当前时刻的网侧变流器的交流侧电流与电流内环电流参考值的比较结果，通过微分方程迭代更新等效电感的取值，直到等效电感的取值收敛到一个值，尽可能抵消掉耦合项带来的影响；实现对控制算法中关键参数的自适应调节，从而提升风力发电机并网稳定性及风电系统整体运行特性。
还需要说明的是，本发明中提及的示例性实施例，基于一系列的步骤或者装置描述一些方法或系统。但是，本发明不局限于上述步骤的顺序，也就是说，可以按照实施例中提及的顺序执行步骤，也可以不同于实施例中的顺序，或者若干步骤同时执行。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的。
应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (9)

1.一种全功率变流器风电机组自适应控制方法，其特征在于，包括：
对网侧变流器的交流侧换流器和电网之间的等效电感的取值进行至少一次迭代更新，以得到迭代更新后的所述等效电感的取值；其中，所述迭代更新后的所述等效电感的取值符合预设收敛条件；
基于所述迭代更新后的所述等效电感的取值，计算所述网侧变流器的调制参数；
根据所述调制参数对所述网侧变流器进行自适应控制。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对网侧变流器的交流侧换流器和电网之间的等效电感的取值进行至少一次迭代更新的任意一次迭代更新，包括：
获取上一次迭代更新后的等效电感的取值；
将所述上一次迭代更新后的等效电感的取值代入所述网侧变流器的状态空间方程，得到上一次迭代更新后的所述网侧变流器的交流侧电流；
根据所述上一次迭代更新后的所述网侧变流器的交流侧电流更新所述上一次迭代更新后的等效电感的取值，得到当前次迭代更新后的等效电感的取值；
若所述当前次迭代更新后的等效电感的取值不符合预设收敛条件，则对所述等效电感的取值进行下一次迭代更新。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述上一次迭代更新后的所述网侧变流器的交流侧电流更新所述上一次迭代更新后的等效电感的取值，得到当前次迭代更新后的等效电感的取值，包括：
基于所述上一次迭代更新后的所述网侧变流器的交流侧电流与电流内环电流参考值的比较结果，通过微分方程迭代更新所述上一次迭代更新后的等效电感的取值，得到当前次迭代更新后的等效电感的取值。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述基于所述上一次迭代更新后的所述网侧变流器的交流侧电流与电流内环电流参考值的比较结果，通过微分方程迭代更新所述上一次迭代更新后的等效电感的取值，得到当前次迭代更新后的等效电感的取值，包括：
通过第一公式迭代更新所述等效电感的取值，其中，所述第一公式表示如下：
Figure FDA0004008879090000011
其中，L0为网侧变流器的交流侧换流器和电网之间的等效电感的取值，ild、ilq为网侧变流器的交流侧电流在dq轴上的分量；il*q、il*d为电流内环电流参考值在dq轴上的分量；k1、k2为网侧控制器的控制参数。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述网侧变流器的状态空间方程通过第二公式表示，其中，所述第二公式表示如下：
Figure FDA0004008879090000021
Figure FDA0004008879090000022
其中，vld、vlq为网侧变流器的并网点电压在dq轴上的分量；ild、ilq为网侧变流器的交流侧电流在dq轴上的分量；uc为网侧变流器的直流电压；d、Mq为网侧变流器的调制参数在dq轴上的分量；ω为并网点角频率；Rl、Ll分别为网侧变流器的交流侧换流器和电网之间的等效电阻和等效电感。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述网侧变流器的调制参数通过第三公式表示，其中，所述第三公式表示如下：
Figure FDA0004008879090000023
Figure FDA0004008879090000024
其中，vd、vq为网侧变流器的出口电压在dq轴上的分量，vd＝ucMd/2,vq＝ucMq/2。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
通过第四公式获取所述网侧变流器的出口电压vd、vq，其中，所述第四公式表示如下：
Figure FDA0004008879090000025
其中，il*,dq为电流内环电流参考值，在dq轴上的分量分别为il*q和il*d。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
通过第五公式获取分量il*q的值，其中，所述第五公式表示如下：：
Figure FDA0004008879090000026
其中，Ql*为网侧换流器无功功率参考值。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
通过第六公式获取分量il*d，其中，所述第六公式表示如下：
il*d＝-kup(uc-uc*)-kui∫(uc-uc*)dt；
其中，uc为网侧变流器的直流电压，uc*为网侧变流器的直流电压参考值，kup、kui为控制器的控制参数。
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