CN1983785A - 双馈式变速恒频风力发电机励磁电源网侧变换器的控制器 - Google Patents

Abstract

双馈式变速恒频风力发电机励磁电源网侧变换器的控制器，采用基于预测电流的无差拍控制方法对电流进行控制，将dq坐标系下电流给定指令旋转到两相静止坐标系下，得到在α，β轴的正负序电流给定量，通过加法运算得到两相静止坐标系下电流的给定；通过将电网电流进行静止坐标变换，得到实际电流值的α，β分量，将给定和实际值做差，根据电流的变化率得到电感压降，由此可以计算得到输入电压，然后通过SVPWM(空间电压矢量)产生控制开关管导通的脉冲信号。本发明可以在电网不平衡的状态下，保持直流电压的控制精度，消除了直流侧电压的波动对转子侧变换器的影响，抑制了转子侧变换器输出的共模电压和差模电压，减少了处理器的负担。

Description

双馈式变速恒频风力发电机励磁电源网侧变换器的控制器

技术领域

本发明涉及双馈式变速恒频风力发电机的励磁电源，特别是涉及变速恒频风力发电机的励磁电源网侧变换器的控制器。

背景技术

目前世界上主要的风力发电技术有以下4种：定桨距调节风电技术、变桨距调节技术、主动定桨距调节技术和变速恒频风力发电技术等。在这四种调节方式里面，从理论上讲，变速恒频风力发电技术是最优化的技术，而且其自身又有着以下的优点：

1、最大限度捕获风能。

2、较宽的转速运行范围，适用由于风速变化引起的风力机转速的变化。

3、采用先进的PWM控制技术可以抑制谐波，减小开关损耗，提高效率，降低成本。

目前兆瓦级风力发电机组已经成为国际上的主流机型，因此兆瓦级变速恒频风力发电技术受到了最广泛的关注，也必将成为风力发电技术的发展方向。

变速恒频风力发电技术采用的交流励磁双馈发电机风力发电方案如图1所示。图1中与电网侧相连的为网侧变换器，它的作用为为转子侧变换器提供稳定的直流母线电压和控制网侧电流波形，实现可控功率因数。图1中与电机转子侧相连的为转子侧变换器，它给电机的转子输入励磁电流，通过调节该励磁电流的幅值、频率和相位，实现定子侧输出电压的恒频恒压。

图2为网侧变换器传统的双闭环控制方法。

该控制方法假定三相电网平衡，根据理想情况下变换器的数学模型得到网侧变换器的控制系统。硬件电路由L滤波电感，整流桥以及负载组成。其中整流器为三臂六管开关电路，负载可以为线性或非线性负载。基本控制原理为将电网的三相电压和网侧的三相电流的检测值分别经过静止/旋转坐标变换到dq坐标系下，结合给定直流侧电压和无功电流，通过电流反馈和电压前馈控制，使整个控制系统有功和无功电流解藕，最终得到dq坐标下的网侧变换器的输入电压信号，再对其进行旋转坐标到两相静止坐标系下的反变换，得到α，β下输入电压的值，然后通过SVPWM(空间电压矢量)调制，得到控制开关管导通的控制信号。如图2所示该控制系统可划分为以下几个方面：

(1)电压环调节部分

将直流电压偏差信号通过PI控制器，得到内环输入有功电流信号I_d ^*。无功电流信号I_q ^*一般为零。

(2)电压电流量的旋转坐标变换

由ABC坐标系到两相静止坐标变换，得到两相静止坐标系下的电网电压，然后通过反正切计算得到旋转角度θ，进而将两相静止坐标下的电压通过旋转变换得到E_d，E_q。将三相电流利用旋转角度θ旋转变换得到电流I_d，I_q。

(3)内环电流控制环节

通过内环PI和电流反馈与电压前馈补偿，得到在两相旋转坐标系下网侧变换器的输出电压V_d ^*，V_q ^*。通过角θ，经过反变换，将V_d ^*，V_q ^*变换到两相静止坐标下V_α，V_β。

(4)SVPWM(空间电压矢量)产生部分

由步骤(3)的V_α，V_β和直流侧电压，采用空间矢量调制，产生控制开关管导通的PWM信号。

按上述方法设计的网侧变换器，稳定性比较高。在双馈式变速恒频风力发电机的励磁电源的设计中基本都是采用这种控制方法。但是，当电网不平衡时，按上述控制方法设计的励磁电源虽然可以部分抑制电网不平衡对输出电压和输入电流的影响，但是由于PI本身的增益有限，并不能完全抑制不平衡电网所造成的影响。不平衡现象比较严重时，甚至会导致这种控制方法的失败。而且当直流侧电压有波动时，会导致励磁电源输出电压中的差摸电压(负序电压)和共摸电压成分(零序电压)增大，当励磁电源与双馈发电机的转子连线比较长时，可能造成比较大的反射电压，损坏电机的绝缘。

发明内容

本发明针对电网不平衡时现有励磁电源电网侧输入电流谐波大，直流电压波动和输出差模电压、共模电压大的技术不足，提出了一种网侧变换器的控制器，本发明可以有效的抑制不平衡电网对励磁电源性能的影响。

本发明在现有技术的网侧变换器控制方法基础上，检测网侧电网的正负序电压，结合系统的功率给定，计算电网不平衡时的网侧电流正负序给定指令，对此电流进行无差跟踪，保证在电网不平衡时输出电压的控制精度，减少网侧电流谐波和消除直流侧波动对转子侧变换器的影响。

本发明采用基于预测电流的无差拍控制方法对电流进行控制，将dq坐标系下电流给定指令旋转到两相静止坐标系下，得到在α，β轴的正负序电流给定量，通过加法运算可以得到两相静止坐标系下电流的给定；通过将电网电流进行静止坐标变换，得到实际电流值的α，β分量，将给定和实际值做差，根据电流的变化率得到电感压降，由此可以计算得到输入电压，然后通过SVPWM(空间电压矢量)产生控制开关管导通的脉冲信号。

本发明网侧变换器控制方法包括以下步骤：

(1)检测并计算输入电网电压的正序负序分量，将输入电压的正负序分量分别进行旋转坐标变换，得到在dq坐标下的正负序直流量；

(2)检测并计算输入电网侧的电流量，通过三相到两相的静止坐标变换，得到在α，β坐标系下的电流值；

(3)检测直流侧电压值；

(4)将直流侧电压给定值减去检测值，以获得直流侧电压的偏差信号。将该偏差信号通过PI调节器，其输出乘以直流侧电压给定值，以获得有功功率给定，无功给定为零；

(5)根据(4)中的有功无功给定和(1)中的网侧电压的正负序直流量，计算得到网侧正负序电流给定指令；

(6)将(5)中正负序电流给定指令进行静止坐标变换，得到α，β坐标下的电流给定值；

(7)将(6)中的电流给定与(2)中的检测电流实际值做差，得到电流的变换率，以获得电感压降；由电感压降求出变换器的输入电压；

(8)由输入电压和直流母线电压进行SVPWM调制。

在电网不平衡的情况下，本发明可调节网侧变换器的有功无功电流，控制网侧功率因数，满足电网对功率因数的要求；能确保网侧变换器输出(直流电压)恒定；减少网侧电流谐波；消除直流侧波动时转子侧变换器输出的共模电压和差模电压。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

图1是双馈式变速恒频风力发电框图。

图2是传统技术的网侧变换器的控制框图。

图3是本发明的网侧变换器的硬件框图。

图4为本发明的网侧变换器的控制方法原理框图。

图5为本发明的网侧变换器的控制步骤。

具体实施方式

如图3所示，本发明的硬件电路包括电流互感器1、电压互感器2、电压电流处理单元3、DSP处理单元单元4、IPM驱动保护单元5、L滤波电感7、整流桥电路6。电网经过滤波电感7与整流器电路6相连。电压互感器1测量三相电网电压，电流互感器2测量三相电流，将测量所得的电压电流数字量输入到电压电流处理单元3。在电压电流处理单元单元3中对电压和电流进行滤波和AD转换，得到电压和电流的数字信号，输入到DSP处理单元4。DSP处理单元4进行控制运算，输出PWM信号，输入到驱动保护单元5，驱动保护单元5最终输出6路开关信号，控制整流器电路6中的六个开关管。

图4所示为电压不平衡时本发明的网侧变换器的控制方法原理框图。图4所示的控制方法均在DSP处理单元4中进行。

在DSP处理单元4中，由模块8对模块3输出的电网电压进行3/2变换和正负序分解，将旋转坐标系下的dq分量e_d ^p，e_d ⁿ，e_q ^p，e_q ⁿ输入到模块13，e_α，e_β输入到模块17。模块9对模块3输出的电流进行3/2变换，得到两相静止坐标系下的电流值i_α，i_β，i_α，i_β输入到模块17中。模块10为一个加法器，将给定的直流电压与采集的直流电压做差，得到直流电压的偏差信号，直流电压的偏差信号输出到模块11。模块11为PI调节器，模块11对模块10的偏差信号进行比例积分运算，得到直流侧电流值，直流侧电流值输入到模块12。模块12对直流电压给定值和直流侧电流值进行乘法运算，得到有功功率给定p₀ ^*。p₀ ^*输入到模块13。模块13完成对电流给定指令的计算，具体方法为：为了消除不平衡电网对输出的影响和保证单位功率因数，令q₀ ^*，p_s2 ^*，P_c2 ^*都为零，电流给定可以由下式给出

$\left[\begin{array}{c}{i}_d^{p^{*}}\\ i_q^{p^{*}}\\ i_d^{n^{*}}\\ i_q^{n^{*}}\end{array}\right]=\frac{2p_0^{*}}{3D_1}\left[\begin{array}{c}{e}_d^p\\ e_q^p\\ -e_d^n\\ -e_q^n\end{array}\right]$

其中 $D_1={\left(e_d^p\right)}^2+{\left(e_q^p\right)}^2-{\left(e_d^n\right)}^2-{\left(e_q^n\right)}^2\≠0$

将模块13计算得到的正序电流给定指令i_d ^p*，i_q ^p*输出到模块14，模块14通过坐标变换，得到在两相静止坐标下的正序电流给定i_α ^p*，i_β ^p*。将模块13计算得到的负序电流给定指令i_d ^n*，i_q ^n*输出到模块15，通过坐标变换得到两相静止坐标系下的负序电流给定指令i_α ^n*，i_β ^n*。i_d ^n*，i_q ^n*，i_α ^p*，i_β ^p*输入到模块16，由模块16进行加法运算，得到两相静止坐标系下电流的给定i_α ^*，i_β ^*。i_α ^*，i_β ^*输入到模块17。模块17计算控制电压ν_α ^*，ν_β ^*，以给定电流i_α ^*，i_β ^*和模块9输出的实际电流i_α，i_β做差，得到电流的变换率，由此可以求出电感压降：

$v_{\mathrm{\αL}}=L\frac{d{i}_{\mathrm{\α}}}{\mathrm{dt}}+R{i}_{\mathrm{\α}}=L\frac{i_{\mathrm{\α}}^{*}-i_{\mathrm{\α}}}{\mathrm{dt}}+R{i}_{\mathrm{\α}}$

结合模块8输出的电源电压e_α，e_β，则可以得到在两相静止坐标下整流器的输入电压

$v_{\mathrm{\α}}^{*}=e_{\mathrm{\α}}-v_{\mathrm{\αL}}$

$v_{\mathrm{\β}}^{*}=e_{\mathrm{\β}}-v_{\mathrm{\βL}}$

ν_α ^*，ν_β ^*输入到模块18，进行SVWPM调制，得到控制模块6三相丌关管的开关信号，将开关信号输出到模块5中，经过驱动隔离放大，得到控制模块6三相开关管的脉冲信号。从而实现本发明的控制目的。

图5为本控制方法的步骤流程图，是对图4所示原理框图控制步骤的描述。

步骤101完成对电压和电流的采样。然后执行步骤102，由模块8对模块3输出的电网电压进行3/2变换和正负序分解，模块9对模块3输出的电流进行3/2变换，计算出电压的正负序分量和两相静止坐标系下的电压电流值。再执行步骤103，完成模块11、12、13、14、15、16的功能：模块11为一PI调节器，将输入的直流电压偏差信号通过比例积分运算得到直流侧有功电流；模块12对此电流和直流给定电压做乘法运算，得到有功功率给定。模块13计算出在两相静止坐标下的正负序电流的给定指令，模块14将正序电流给定指令通过坐标变换得到两相静止坐标系下的电流给定值，模块15将模块13计算得到的负序电流给定指令，通过坐标变换得到两相静止坐标系下的负序电流给定指令。然后进入步骤104，模块17计算得到网侧变换器的输入电压，实现基于预测电流的电流无差拍跟踪控制。进入步骤105，模块18进行SVPWM控制，得到控制三相开关管的六路脉冲信号，驱动网侧变换器。

本发明可以使网侧变换器在不平衡的电网电压下，保持稳定的直流电压，减少交流侧电流的谐波；稳定的直流母线电压可以减少励磁电源的转子侧变换器输出的共模电压和差模电压，从而减少对双馈发电机转子绝缘的破坏。应用本发明的网侧变换器具有设计独立、实现简单等优点。

Claims (3)

1、一种双馈式变速恒频风力发电机励磁电源网侧变换器的控制器，主要包括、电压电流处理单元[3]、DSP处理单元单元[4]、IPM驱动保护单元[5]、L滤波电感[7]、整流桥电路[6]，整流单元[6]为三臂六管开关电路；电网经过滤波电感[7]与整流器电路[6]相连，DSP的输出与IPM驱动保护单元5相连，其特征在于还包括电流互感器[1]、电压互感器[2]；电压互感器[1]测量三相电网电压，电流互感器[2]测量三相电流，测量结果输入到电压电流处理单元[3]；在电压电流处理单元单元[3]中经过电压和电流的滤波和AD转换，将所得的电压电流数字量输入到DSP处理单元[4]，DSP处理单元[4]输出PWM开关信号到驱动保护单元[5]，驱动保护单元[5]最终输出6路开关信号，控制整流器电路[6]中的六个开关管组成。

2、按照权利要求1所述的双馈式变速恒频风力发电机励磁电源网侧变换器的控制器，其特征在于DSP处理单元4完成以下动作：

(1)计算电网电压的正负序分量，对电网电压和电流进行坐标变换，得到选择坐标系下电压的正负序分量和两相静止坐标系下的电压和电流；

(2)结合功率给定，计算正负序电流的给定值。将所得的正负序电流经过坐标变换得到在两相静止坐标系下的电流给定值；

(3)通过基于预测电流的无差怕跟踪控制方法，计算得到变换器输入端的电压值；

(4)将(3)中的电压值通过SVPWM调制，得到整流桥[6]的开关信号，驱动网侧变换器；

3、按照权利要求1或2所述的双馈式变速恒频风力发电机励磁电源网侧变换器的控制器，其特征在于网侧变换器控制器的控制步骤如下：

步骤101完成对电压和电流的采样；然后执行步骤102，由模块8对模块3输出的电网电压进行3/2变换和正负序分解，模块9对模块3输出的电流进行3/2变换，计算出电压的正负序分量和两相静止坐标系下的电压电流值；再执行步骤103，完成模块11、12、13、14、15、16的功能：模块11将输入的直流电压偏差信号通过比例积分运算得到直流侧有功电流；模块12对此电流和直流给定电压做乘法运算，得到有功功率给定；模块13计算出在两相静止坐标下的正负序电流的给定指令，模块14将正序电流给定指令通过坐标变换得到两相静止坐标系下的电流给定值，模块15将模块13计算得到的负序电流给定指令，通过坐标变换得到两相静止坐标系下的负序电流给定指令；然后进入步骤104，模块17计算得到网侧变换器的输入电压，实现基于预测电流的电流跟踪控制；进入步骤105，模块18进行SVPWM控制，得到控制三相开关管的六路脉冲信号，驱动网侧变换器。

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