CN202602584U - 一种双馈型风力发电系统机侧变频器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种双馈型风力发电系统机侧变频器，包括：连接双馈感应发电机的采样处理单元，用于采样定子电压、定子电流、转子电流及转子角度，并根据定子电压、定子电流确定定子无功功率，根据转子角度确定转子转速；连接所述采样处理单元的转速外环PI控制器，用于根据转子转速、定子无功功率、比例系数调节参数确定参考电流；连接转速外环PI控制器以及采样处理单元的基于内模控制IMC的电流内环PI控制器，用于根据参考电流、转子电流确定参考电压；连接转速外环PI控制器以及采样处理单元的适配单元，用于将参考电压转换成调整转子转速的脉宽调制信号；连接适配单元的功率单元，用于输出用来控制双馈感应发电机转子转速的电流。

Description

一种双馈型风力发电系统机侧变频器

技术领域

本实用新型涉及风力发电机组，特别涉及一种双馈型风力发电系统机侧变频器。

背景技术

双馈感应发电机在电网电压对称的条件下采用基于定子磁场矢量定向控制的励磁控制器，采取双闭环控制策略，内环为转子电流闭环控制，外环为发电机转速闭环控制，但传统的PI(Proportion Integration，比例积分)调节器需要调节比例增益K_p和积分增益K_i两个参数才能实现跟踪控制，两个参数难于同时取得最优控制值，不利于控制算法的精确、快速实现。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种双馈型风力发电系统机侧变频器，能更好地解决闭环控制过程中动态响应慢、超调等问题。

根据本实用新型的一个方面，提供了一种双馈型风力发电系统机侧变频器，包括：

连接双馈感应发电机的采样处理单元，用于采样双馈感应发电机的定子电压、定子电流、转子电流及转子角度，并根据所述定子电压、定子电流确定定子无功功率，根据所述转子角度确定转子转速；

连接所述采样处理单元的转速外环PI控制器，用于根据所述转子转速、所述定子无功功率、预先设置的参考转子转速、预先设置的参考定子无功功率、比例系数调节参数确定参考电流；

连接所述转速外环PI控制器以及所述采样处理单元的基于内模控制IMC的电流内环PI控制器，用于根据所述参考电流、所述转子电流确定参考电压；

连接所述转速外环PI控制器以及所述采样处理单元的适配单元，用于根据转子角度将所述参考电压转换成调整转子转速的脉宽调制信号；

连接所述适配单元的功率单元，用于根据所述脉宽调制信号输出用来控制双馈感应发电机转子转速的电流。

优选的，所述电流内环PI控制器包括一阶滤波器，用于通过调整滤波参数确定所述电流内环PI控制器的比例增益和积分增益。

优选的，所述采样处理单元还包括连接双馈感应发电机的位置传感器，用于检测所述双馈感应发电机的转子角度。

优选的，所述转速外环PI控制器还包括连接采样处理单元的第一PI控制器，用于根据所述转子转速、预先设置的参考转子转速、比例系数调节参数确定第一参考电流。

优选的，所述转速外环PI控制器还包括连接采样处理单元的第二PI控制器，用于根据所述定子无功功率、预先设置的参考定子无功功率、比例系数调节参数确定第二参考电流。

优选的，所述电流内环PI控制器还包括连接所述第一PI控制器的第三PI控制器，用于根据所述第一参考电流、所述转子电流确定第一参考电压并输入到适配单元。

优选的，所述电流内环PI控制器还包括连接所述第二PI控制器的第四PI控制器，用于根据所述第二参考电流、所述转子电流确定第二参考电压并输入到适配单元。

优选的，所述适配单元还包括连接第三PI控制器和第四PI控制器的转换器，用于处理第一参考电压和第二参考电压生成适宜脉宽调制的电压。

优选的，所述适配单元还包括连接所述转换器的脉冲宽度调制器，用于将所述转换器处理后的电压转换成调整转子转速的脉宽调制信号。

优选的，所述采样处理单元还用于根据定子电压、定子电流、转子电流及转子角度建立两相同步旋转坐标下的数学模型，并根据所述数学模型对所述定子电压、定子电流、转子电流及转子角度进行解耦，建立双闭环控制系统。

与现有技术相比较，本实用新型的有益效果在于：本实用新型通过建立电流内环和转子转速外环的双闭环控制系统，并在电流内环PI控制器内引入内模控制策略，在转速外环PI控制器中引入比例系数调整参数b，在很大程度上提高了双闭环PI调节的控制效率和控制精度，实现系统的快速、实时、准确地执行控制策略，提高系统的动态性能和鲁棒性。

附图说明

图1是现有技术提供的一种双馈风力发电系统的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的一种双馈型风力发电系统机侧变频器的结构示意图；

图3是本实用新型实施例提供的一种双馈型风力发电系统机侧变频器的工作流程图；

图3a是本实用新型实施例提供的一种双馈型风力发电系统机侧变频器的转速外环PI控制器第一PI控制器的原理框图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行详细说明，应当理解，以下所说明的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

图1是现有技术提供的一种双馈风力发电系统的结构示意图，如图1所示，所述系统包括电网101、变压器102、断路器103、DFIG104(Doubly-Fed InductionGenerator，双馈感应发电机)、传动装置105、机侧变频器106、网侧变频器107、斩波器108以及保护电路(Crowbar)109。DFIG104分别与传动装置104、机侧变频器106、断路器103相连。机侧变频器106除了与DFIG104相连外，还与保护电路109相连，此外，还通过斩波器108与网侧变频器107相连。断路器103通过变压器102连接到电网101。

图2是本实用新型实施例提供的一种双馈型风力发电系统机侧变频器的结构示意图，如图2所示，所述变频器包括：采样处理单元201、转速外环PI控制器202、电流内环PI控制器203、适配单元204、功率单元205。其中，采样处理单元201的输入端与双馈感应发电机相连，输出端分别与转速外环PI控制器202、电流内环PI控制器203、适配单元204的输入端相连；转速外环PI控制器202的输出端与电流内环PI控制器203的输入端相连；电流内环PI控制器203的输出端与适配单元204的输入端相连；适配单元204的输出端与功率单元205的输入端相连；功率单元205的输出端与双馈感应发电机相连。

采样处理单元201用于采样双馈感应发电机的定子电压、定子电流、转子电流及转子角度，并根据所述定子电压、定子电流确定定子无功功率，根据所述转子角度确定转子转速。采样处理单元还包括连接双馈感应发电机的位置传感器，用于检测所述双馈感应发电机的转子角度。具体的采样处理过程如下：首先建立双馈感应发电机的两相旋转坐标下的数学模型，并对相关物理量进行解耦。即根据双馈感应发电机的定、转子电压、电流、磁链建立双馈感应发电机在两相同步旋转坐标系下的数学模型，并按照基于定子磁链矢量定向的控制策略，对双馈感应发电机内的定、转子电压、电流、磁链进行解耦运算，并通过解耦运算建立双闭环控制系统。

转速外环PI控制器202用于根据所述转子转速、所述定子无功功率、预先设置的参考转子转速、预先设置的参考定子无功功率、比例系数调节参数确定参考电流值。转速外环PI控制器202还包括连接采样处理单元201的第一PI控制器和第二PI控制器。其中第一PI控制器用于根据所述转子转速、预先设置的参考转子转速、比例系数调节参数确定第一参考电流。第二PI控制器用于根据所述定子无功功率、预先设置的参考定子无功功率、比例系数调节参数确定第二参考电流。

基于内模控制IMC的电流内环PI控制器203，用于根据所述参考电流值、所述转子电流确定参考电压值。电流内环PI控制器203包括一阶滤波器，用于通过调整滤波参数确定所述电流内环PI控制器的比例增益和积分增益。电流内环PI控制器203还包括连接所述第一PI控制器的第三PI控制器以及连接所述第二PI控制器的第四PI控制器。其中第三PI控制器用于根据所述第一参考电流、所述转子电流确定第一参考电压并输入到适配单元；第四PI控制器用于根据所述第二参考电流、所述转子电流确定第二参考电压并输入到适配单元204。

适配单元204用于根据转子角度将所述参考电压值转换成调整转子转速的脉宽调制信号。适配单元204还包括连接第三PI控制器和第四PI控制器的转换器，用于处理第一参考电压和第二参考电压生成适宜脉宽调制的电压。另外，适配单元204还包括连接所述转换器的脉冲宽度调制器，用于将所述转换器处理后的电压转换成调整转子转速的脉宽调制信号。

功率单元205用于根据所述脉宽调制信号输出用来控制双馈感应发电机的转子转速的电流。

图3是本实用新型实施例提供的一种双馈型风力发电系统机侧变频器的工作流程图。变频器在开始工作之前，首先需要建立基于定子磁链矢量定向的双闭环控制系统。在电网电压对称的情况、采用基于定子磁场矢量定向的控制策略、并且忽略定子磁链暂态过程与定子电阻的前提下，双馈感应发电机主要参数在两相旋转坐标系下的表达公式如下：

U_ds＝0

U_qs＝U_s

U_dr＝(R_r+σL_rp)i_dr-ωxσL_ri_qr

$U_{\mathrm{qr}}=(R_r+\mathrm{\σ}{L}_{r}p)i_{\mathrm{qr}}+{\mathrm{\ω}}_2(\mathrm{\σ}{L}_r{i}_{\mathrm{dr}}+\frac{L_0^2}{L_s}{i}_{\mathrm{ms}})$

$Q_s=U_s\frac{L_0}{L_s}{i}_{\mathrm{dr}}-\frac{U_s^2}{{\mathrm{\ω}}_1{L}_s}$

$J\frac{d{\mathrm{\ω}}_r}{\mathrm{dt}}+B{\mathrm{\ω}}_r=n_p(T_m-\frac{n_p{L}_0{U}_s}{L_s{\mathrm{\ω}}_1}{i}_{\mathrm{qr}})$

上述公式中，U_ds为定子电压d轴分量，U_qs为定子电压q轴分量，U_dr为转子电压d轴分量，U_qr为转子电压q轴分量，Q_s为定子无功功率，L_s为定子绕组自感，L_r为转子绕组自感，L₀为dq坐标系下的同轴定子绕组与转子绕组间的等效互感，

称为漏抗因子，ω_r为转子角速度，ω₂为转差角速度，n_p和p相等为发电机极对数，T_m为发电机转子转轴输入的机械转矩，J为发电机转动惯量，B为与转速成正比的阻转矩阻尼系数，R_r为转子电阻。根据上述公式，建立基于定子磁链矢量定向的双闭环控制系统。

如图3及图2所示，具体工作流程如下：

步骤S301，保护现场。

变频器在开始采样前接收到中断信号后，设置中断标志，把中断的入口地址、相应的数据保存在寄存器中，随后转向AD采样处理。保护现场其实是保存中断前一时刻的状态不被破坏。

步骤S302，AD采样。

采样处理单元201从双馈感应发电机侧采样转子电流、转子角度、定子电压、定子电流，其中转子角度是通过位置传感器检测到的。

步骤S303，判断IGBT(绝缘栅双极型晶体管)是否过流。

判断所采样到的转子电流是否超过预先设置的阈值，如果超过即过流，执行步骤S316，否则执行步骤S304。

步骤S304，确定定子无功功率、转子电流、转子转速

采样处理单元201将采样得到的定子电流、定子电压进行处理，得到定子无功功率以及定子角度，并将定子无功功率输入到转速外环PI控制器202。

采样处理单元201对位置传感器检测到的转子角度进行处理，得到转子转速即转子角速度ω_r，并将其输入到转速外环PI控制器202。另外，将转子角度及定子角度之间的角度差值输入到适配单元204。

采样处理单元201根据所述转子角度、定子电压、定子电流以及所述转子转速确定转差角速度，并将其输入到电流内环PI控制器203。

采样处理单元201对采样得到的转子电流进行处理，得到转子电流在q轴上的分量以及转子电流在d轴上的分量，并将其输入到电流内环PI控制器203。

步骤S305，判断是否并网。

判断是否并网，即双馈感应发电机是否与电网相连，如果并网，执行步骤S306，否则执行步骤S314。

步骤S306，确定参考转速。

参考转速是变频器根据其双闭环控制系统的参数预先计算出来的，此处为现有技术，不再赘述。

步骤S307，确定参考电流。

转速外环PI控制器202的比例系数引入了比例系数调整参数b。图3a是本发明实施例提供的转速外环PI控制器第一PI控制器的原理框图，如图3a所示，转速外环PI控制器202第一PI控制器输出第一参考电流

其中，K_ps和K_is分别为转速外环PI控制器202第一PI控制器的比例增益和积分增益参数。

是转子的参考转速，ω_r是转子转速，s是复参数。同理，转速外环PI控制器202的第二PI控制器输出第二参考电流

其中，

是预先设置的参考定子无功功率，Q_s是采样处理单元输出的定子无功功率。

由于闭环系统存在零点的影响，系统一般存在超调，参数b允许独立地设置零点位置，尤其当b值取0时，系统零点位置趋于负无穷，能够消除超调量对闭环响应时间的影响。

步骤S308，确定参考电压。

基于IMC(Internal Model Control，内模控制)设计控制器的电流内环控制器203具有良好的跟踪和抗干扰能力。电流内环控制器203的第三PI控制器和第四PI控制器的控制对象的基准模型为

其中，σ是漏抗因子，L_r是转子绕组自感，R_r是转子电阻，s是复参数。令第三PI控制器和第四PI控制器

其中，F(s)是一阶滤波器，τ是滤波器参数，s是复参数。第三PI控制器和第四PI控制器的传递函数为

又因为C(s)＝K_pc+K_ic/s，比较二者得到第三PI控制器和第四PI控制器的比例增益和积分增益参数分别为：K_pc＝σL_r/τ，K_ic＝R_r/τ，其中σ是漏抗因子，L_r是转子绕组自感，R_r是转子电阻。上述表达式表明，只需要调整滤波参数τ即可得到合理的PI参数，并且滤波器参数代表了系统的动态稳定性与鲁棒性，由此可见系统的整体性能因此显著提高。

基于内模控制的第三PI控制器根据转子电流在q轴上的分量和第一参考电流确定第一参考电压；内模控制第四PI控制器根据转子电流在d轴上的分量和第二参考电流确定第二参考电压。第一参考电压和第二参考电压根据转差角速度及转子电流进行矫正，并将矫正后的第一参考电压和第二参考电压输入到适配单元204。

步骤S309，判断是否转速正常。

适配单元204判断当前的转速是否正常，如果正常，执行步骤S310，否则执行步骤S312。

步骤S310，进行脉冲宽度调制。

第三PI控制器输出的第一参考电压和第四PI控制器输出的第二参考电压输入到适配单元204，适配单元204的转换器根据采样处理单元201输入的定子角度和转子角度的差值将第一参考电压和第二参考电压进行处理，并经脉冲宽度调整器调制，输出脉宽调制信号到功率单元205。

步骤S311，进行整流。

功率单元205根据输入的脉宽调制信号进行整流，输出电流到双馈感应发电机中，控制双馈感应发电机转子转速。

步骤S312，清中断标志。

清除中断标志。

步骤S313，恢复现场。

退出中断程序恢复保存寄存器的数据，结束中断程序。

步骤S314，并网前参考电流。

计算并网前参考电流，此处为现有技术，不再赘述。

步骤S315，并网前参考电压。

计算并网前参考电压，此处为现有技术，不再赘述。执行步骤S309。

步骤S316，封锁PWM脉冲。

封锁脉冲宽度调制器输出的脉宽调制信号。

步骤S317，故障指示。

提示系统出现故障，执行步骤S312。

综上所述，本实用新型通过将发电机模型的动力环节包含进入闭环系统，系统的有功功率、转矩平衡过程和转速跟踪过程是可控的，动态响应时间短，利于实现最大风能追踪，且在风速变化过程中能够起到对机械扰动量的抑制作用。基于内模控制的电流内环PI控制器和比例系数引入了参数b的速度外环PI控制器，能够提高系统的响应速度和精度，增强系统的动态稳定性和鲁棒性，降低系统的超调量。

尽管上文对本实用新型进行了详细说明，但是本实用新型不限于此，本技术领域技术人员可以根据本实用新型的原理进行各种修改。因此，凡按照本实用新型原理所作的修改，都应当理解为落入本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种双馈型风力发电系统机侧变频器，其特征在于，包括：

连接双馈感应发电机的采样处理单元，用于采样双馈感应发电机的定子电压、定子电流、转子电流及转子角度，并根据所述定子电压、定子电流确定定子无功功率，根据所述转子角度确定转子转速；

连接所述采样处理单元的转速外环PI控制器，用于根据所述转子转速、所述定子无功功率、预先设置的参考转子转速、预先设置的参考定子无功功率、比例系数调节参数确定参考电流；

连接所述转速外环PI控制器以及所述采样处理单元的基于内模控制IMC的电流内环PI控制器，用于根据所述参考电流、所述转子电流确定参考电压；

连接所述转速外环PI控制器以及所述采样处理单元的适配单元，用于根据转子角度将所述参考电压转换成调整转子转速的脉宽调制信号；

连接所述适配单元的功率单元，用于根据所述脉宽调制信号输出用来控制双馈感应发电机转子转速的电流。

2.根据权利要求1所述的变频器，其特征在于，所述电流内环PI控制器包括一阶滤波器，用于通过调整滤波参数确定所述电流内环PI控制器的比例增益和积分增益。

3.根据权利要求1所述的变频器，其特征在于，所述采样处理单元还包括连接双馈感应发电机的位置传感器，用于检测所述双馈感应发电机的转子角度。

4.根据权利要求1所述的变频器，其特征在于，所述转速外环PI控制器还包括连接采样处理单元的第一PI控制器，用于根据所述转子转速、预先设置的参考转子转速、比例系数调节参数确定第一参考电流。

5.根据权利要求4所述的变频器，其特征在于，所述转速外环PI控制器还包括连接采样处理单元的第二PI控制器，用于根据所述定子无功功率、预先设置的参考定子无功功率、比例系数调节参数确定第二参考电流。

6.根据权利要求5所述的变频器，其特征在于，所述电流内环PI控制器还包括连接所述第一PI控制器的第三PI控制器，用于根据所述第一参考电流、所述转子电流确定第一参考电压并输入到适配单元。

7.根据权利要求6所述的变频器，其特征在于，所述电流内环PI控制器还包括连接所述第二PI控制器的第四PI控制器，用于根据所述第二参考电流、所述转子电流确定第二参考电压并输入到适配单元。

8.根据权利要求7所述的变频器，其特征在于，所述适配单元还包括连接第三PI控制器和第四PI控制器的转换器，用于处理第一参考电压和第二参考电压生成适宜脉宽调制的电压。

9.根据权利要求8所述的变频器，其特征在于，所述适配单元还包括连接所述转换器的脉冲宽度调制器，用于将所述转换器处理后的电压转换成调整转子转速的脉宽调制信号。

10.根据权利要求1所述的变频器，其特征在于，所述采样处理单元还用于根据定子电压、定子电流、转子电流及转子角度建立两相同步旋转坐标下的数学模型，并根据所述数学模型对所述定子电压、定子电流、转子电流及转子角度进行解耦，建立双闭环控制系统。