不平衡电网电压下风力发电机变换器直接功率的控制方法

摘要

本发明公开了一种不平衡电网电压下风力发电机变换器直接功率的控制方法，采用含有振荡项的功率作为功率给定对网侧变换器和转子侧变换器进行直接功率控制来解决在不平衡电网电压下风力发电机电磁转矩振荡和电流畸变的问题。本发明通过一种无需计算定子电压和定子电流的正负序分量的新方法来得出转子侧变换器含有振荡项的功率给定值，对转子侧变换器采用直接功率控制技术，解决了风电发电机在不平衡电网电压下电磁转矩振荡和定子电流畸变的问题；对三相定子电压和三相网侧变换器电流的正序、负序分量的计算，得到网侧含有振荡项的有功功率和无功功率给定，并对网侧变换器采用直接功率控制技术，得到了对称的、正弦变化的网侧电流。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种风力发电机电磁转矩脉动的控制方法，尤其涉及的是一种不平衡电 网电压下风力发电机变换器直接功率的控制方法。

背景技术

针对不平衡电网电压会引起风力发电机电磁转矩脉动，从而导致输向电网功率发生振荡 的问题，许多学者对此进行了广泛研究。有学者通过对网侧变换器的控制部分弥补了不平衡 运行所带来的问题，但它是在单机独立运行情况下实现的，同时未对转子侧变换器进行改进 控制。有学者为了对不对称输出进行校正，将负序分量用在转子侧变换器中。但它也是在单 机独立运行情况下实现的，同时由于风力发电机是四线制系统，不同于电网运行系统。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于解决在不平衡电网电压下风力发电机电磁转矩振荡和电流 畸变的问题，提供了一种不平衡电网电压下风力发电机变换器直接功率的控制方法：通过一 种无需计算定子电压和定子电流的正负序分量的新方法来得出转子侧变换器含有振荡项的功 率给定值，对转子侧变换器采用直接功率控制技术，解决了风电发电机在不平衡电网电压下 电磁转矩振荡和定子电流畸变的问题；对三相定子电压和三相网侧变换器电流的正序、负序 分量的计算，得到网侧含有振荡项的有功功率和无功功率给定，并对网侧变换器采用直接功 率控制技术，得到了对称的、正弦变化的网侧电流。

技术方案：本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：

(1)检测三相定子电压u_sa、u_sb、u_sc，三相定子电流i_sa、i_sb、i_sc，三相转子电流i_ra、i_rb、 i_rc以及转子位置角θ_r；

(2)将步骤(1)中三相定子电压u_sa、u_sb、u_sc经过3/2变换得到两相静止坐标系αβ下 的定子电压u_sα、u_sβ；三相定子电流i_sa、i_sb、i_sc经过3/2变换得到两相静止坐标系αβ下的定 子电流i_sα、i_sβ；三相转子电流i_ra、i_rb、i_rc经过3/2变换得到两相静止坐标系αβ下的转子电 流i_rα、i_rβ；转子位置角θ_r经过微分得到转子旋转角速度ω_r；

(3)根据步骤(2)中定子两相静止坐标系αβ下的定子电压u_sα、u_sβ与定子电流i_sα、i_sβ进行磁链计算，得到定子磁链ψ_r和定子磁链位置角θ_s；计算定子磁链ψ_r在两相静止坐标系αβ 下的定子磁链ψ_sα、ψ_sβ；将定子磁链位置角θ_s微分后得到同步旋转角速度ω_s；

(4)根据步骤(3)得到的定子两相静止坐标系αβ下的定子磁链ψ_sα、ψ_sβ，定子电流i_sα、 i_sβ和电机极对数p进行转矩T_em计算；根据步骤(2)中定子两相静止坐标系αβ下的定子电 压u_sα、u_sβ与定子电流i_sα、i_sβ进行瞬时功率计算，得到瞬时有功功率P_s和瞬时无功功率Q_s；

(5)根据得到的转矩T_em，瞬时有功功率P_s和定子需用有功功率P_{s_req}，计算出含有振荡 项的定子有功功率给定P_{s_ref}，并将定子需用无功功率Q_{s_req}作为定子无功功率给定Q_{s_ref}；

(6)检测三相网侧变换器电流i_ga、i_gb、i_gc，并经过正序滤波器得到其正序分量；将三 相定子电压u_sa、u_sb、u_sc经过负序滤波器得到定子电压负序分量；

(7)由步骤(6)中三相网侧变换器电流正序分量、定子电压负序分量和网侧变换器需 用功率，计算出网侧变换器含有振荡项的有功功率给定P_{g_ref}和网侧无功功率给定Q_{g_ref}；

(8)根据步骤(5)和步骤(7)得到含有振荡项的定子有功功率给定P_{s_ref}、定子无功 功率给定Q_{s_ref}、网侧有功功率给定P_{g_ref}和网侧无功功率给定Q_{g_ref}，采用直接功率控制方 法分别对转子侧和网侧变换器进行功率控制。

所述步骤(4)中，转矩T_em为：

$T_{\mathrm{em}}=\frac{3}{2}p({\psi }_{\mathrm{s\alpha }}{i}_{\mathrm{s\beta }}-{\psi }_{\mathrm{s\beta }}{i}_{\mathrm{s\alpha }})$

瞬时有功功率P_s为：

$P_s=\frac{3}{2}(u_{\mathrm{s\alpha }}{i}_{\mathrm{s\alpha }}+u_{\mathrm{s\beta }}{i}_{\mathrm{s\beta }});$

瞬时无功功率Q_s为：

$Q_s=\frac{3}{2}(u_{\mathrm{s\beta }}{i}_{\mathrm{s\alpha }}-u_{\mathrm{s\alpha }}{i}_{\mathrm{s\beta }})$

所述步骤(5)中定子有功功率给定P_{s_ref}是一个从瞬时有功功率和电磁转矩所得到的振 荡项与需用有功功率相加，即：

$P_{s\_\mathrm{ref}}=P_{s\_\mathrm{req}}+(P_s-\frac{{\omega }_s}{p}{T}_{\mathrm{em}}),$ω_s是同步旋转角速度。

所述步骤(7)中网侧含有振荡项的有功功率给定P_{g_ref}和网侧无功功率给定Q_{g_ref}分别 为：

$P_{g\_\mathrm{ref}}=P_{g\_\mathrm{ref}}+\frac{3}{2}\mathrm{Re}\{u_s^{-}·i_g^{+*}\};$

$Q_{g\_\mathrm{ref}}=Q_{g\_\mathrm{ref}}+\frac{3}{2}\mathrm{Im}\{u_s^{-}·i_g^{+*}\}.$

有益效果：本发明相比现有技术具有以下优点：本发明提出一种无需对定子电压和定子 电流的正序、负序分量计算来得到一个含有振荡项的定子有功功率给定的控制方法，并采用 直接功率控制技术，解决了风电发电机在不平衡电网电压下电磁转矩振荡和定子电流畸变的 问题；本发明通过对三相定子电压和三相网侧变换器电流的正序、负序分量的计算，得到网 侧含有振荡项的有功功率和无功功率给定，并采用直接功率控制技术，得到了对称的、正弦 变化的网侧电流；本发明采用直接功率控制技术，不需要采用电流调节器就可获得较好的动 态性能，并且简单易实现。

附图说明

附图是本发明不平衡电压电网下风力发电机变换器直接功率控制系统示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施， 给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如附图所示，不平衡负载2连接在电网1上，控制器3分别控制转子侧变换器4和网侧 变换器5，风力机7通过齿轮箱带动双馈感应电机(doubly-fed induction generator，DFIG)发电。

控制器3包括控制模块8和直接功率控制单元(direct power control，DPC)，控制模块8 通过算法为直接功率控制单元提供含振荡项的功率给定，直接功率控制单元对转子侧变换器 4和网侧变化器5进行功率控制。

为了构造不平衡电压，本实施例的负载选用不平衡负载2，负载电流的不平衡和线路阻 抗将导致定子和网侧电压的不平衡。在转子侧变换器4和网侧变换器5采用直接功率控制技 术。在转子侧变换器4，定子的有功功率和无功功率被直接控制；相应网侧变换器5的有功 功率和无功功率也被直接控制。因此，转子侧变换器4和网侧变换器5的控制脉冲由两个直 接功率控制技术中有功功率和无功功率给定值来决定。这样，采用直接功率控制技术不需要 采用电流调节器就可获得较好的动态性能，并且简单易实现。其中，合适的功率给定值是关 键问题。

本实施例包括以下步骤：

(1)检测三相定子电压u_sa、u_sb、u_sc，三相定子电流i_sa、i_sb、i_sc，三相转子电流i_ra、i_rb、 i_rc以及转子位置角θ_r；

(2)将步骤(1)中三相定子电压u_sa、u_sb、u_sc经过3/2变换得到两相静止坐标系αβ下 的定子电压u_sα、u_sβ；三相定子电流i_sa、i_sb、i_sc经过3/2变换得到两相静止坐标系αβ下的定 子电流i_sα、i_sβ；三相转子电流i_ra、i_rb、i_rc经过3/2变换得到两相静止坐标系αβ下的转子电 流i_rα、i_rβ；转子位置角θ_r经过微分得到转子旋转角速度ω_r；

(3)根据步骤(2)中定子两相静止坐标系αβ下的定子电压u_sα、u_sβ与定子电流i_sα、i_sβ进行磁链计算，得到定子磁链ψ_r和定子磁链位置角θ_s；计算定子磁链ψ_r在两相静止坐标系αβ 下的定子磁链ψ_sα、ψ_sβ；将定子磁链位置角θ_s微分后得到同步旋转角速度ω_s；

磁链计算是现有技术，是利用电压和电流计算对应磁链和磁链位置角的计算模块。

(4)根据步骤(3)得到的定子两相静止坐标系αβ下的定子磁链ψ_sα、ψ_sβ，定子电流i_sα、 i_sβ和电机极对数p进行转矩T_em计算；根据步骤(2)中定子两相静止坐标系αβ下的定子电 压u_sα、u_sβ与定子电流i_sα、i_sβ进行瞬时功率计算，得到瞬时功率P_s和瞬时无功功率Q_s；

所述步骤(4)中，转矩T_em为：

$T_{\mathrm{em}}=\frac{3}{2}p({\psi }_{\mathrm{s\alpha }}{i}_{\mathrm{s\beta }}-{\psi }_{\mathrm{s\beta }}{i}_{\mathrm{s\alpha }})$

瞬时有功功率的计算公式：

$P_s=\frac{3}{2}(u_{\mathrm{s\alpha }}{i}_{\mathrm{s\alpha }}+u_{\mathrm{s\beta }}{i}_{\mathrm{s\beta }})$

瞬时无功功率的计算公式：

$Q_s=\frac{3}{2}(u_{\mathrm{s\beta }}{i}_{\mathrm{s\alpha }}-u_{\mathrm{s\alpha }}{i}_{\mathrm{s\beta }})$

(5)根据得到的转矩T_em，瞬时有功功率P_s和定子需用有功功率，计算出含有振荡项的 定子有功功率给定，并将定子需用无功功率Q_{s_req}作为定子无功功率给定Q_{s_ref}；

得到含有振荡项的定子有功功率给定的依据如下：

本实施例的风力发电机采用双馈型风力发电机，在定子静止参照系下电机数学模型的基 本方程如下：

$u_s=R_s{i}_s+\frac{d}{\mathrm{dt}}{\psi }_s---\left(1\right)$

ψ_s＝L_si_s+L_hi_r    (2)

$T_{\mathrm{em}}=\frac{3}{2}\mathrm{pIm}\{{\psi }_s^{*}·i_s\}=\frac{3}{2}p({\psi }_{\mathrm{s\alpha }}{i}_{\mathrm{s\beta }}-{\psi }_{\mathrm{s\beta }}{i}_{\mathrm{s\alpha }})---\left(3\right)$

其中：u_s为定子电压，R_s是定子电阻，i_s是定子电流，ψ_s为定子磁链，L_s是定子电感， L_h是定子和转子间的互感，i_r是转子电流，T_em是电磁转矩，p是电机极对数，*为向量的共 轭。

风力发电机在不平衡条件下，上述方程中的空间矢量都含有正序分量和负序分量，定子 电压和定子磁链的关系：

$u_s^{+}=R_s{i}_s^{+}+{\mathrm{j\omega \psi }}_s^{+}---\left(4\right)$

$u_s^{-}=R_s{i}_s^{-}-{\mathrm{j\omega \psi }}_s^{-}---\left(5\right)$

其中：为定子电压正序分量，为定子电流正序分量，为定子磁链正序分量，为定子电压负序分量，为定子电流负序分量，为定子磁链负序分量，j是虚数单位。 将定子磁链和定子电流的正序和负序分量带入式(3)得到：

$T_{\mathrm{em}}=\frac{3}{2}\mathrm{pIm}\{{\psi }_s^{+*}·i_s^{+}+{\psi }_s^{+*}·i_s^{-}+{\psi }_s^{-*}·i_s^{+}+{\psi }_s^{-*}·i_s^{-}\}---\left(6\right)$

将式(4)和式(5)代入式(6)得：

$T_{\mathrm{em}}=\frac{3}{2}\mathrm{pRe}\{u_s^{+}·i_s^{+*}-u_s^{-}·i_s^{-*}-u_s^{-}·i_s^{+*}+u_s^{+}·i_s^{-*}-R_s({\left|i_s^{+}\right|}^2-{\left|i_s^{-}\right|}^2)\}---\left(7\right)$

定子的有功功率P_s：

$P_s=\frac{3}{2}\mathrm{Re}\{u_s^{+}·i_s^{+*}\}+\frac{3}{2}\mathrm{Re}\{u_s^{-}·i_s^{-*}\}+\frac{3}{2}\mathrm{Re}\{u_s^{+}·i_s^{-*}\}+\frac{3}{2}\mathrm{Re}\{u_s^{-}·i_s^{+*}\}---\left(8\right)$

由式(7)和式(8)可知：

$P_s=\frac{T_{\mathrm{em}}{\omega }_s}{p}+\frac{6}{2}\mathrm{Re}\{u_s^{-}·i_s^{-*}\}+\frac{6}{2}\mathrm{Re}\{u_s^{-}·i_s^{+*}\}+\frac{3}{2}{R}_s({\left|i_s^{+}\right|}^2-{\left|i_s^{-}\right|}^2)---\left(9\right)$

在不平衡电网电压条件下，为了消除电磁转矩的振荡，由式(7)可知，就要使得：

$\frac{3}{2}\mathrm{Re}\{u_s^{+}·i_s^{-*}\}-\frac{3}{2}\mathrm{Re}\{u_s^{-}·i_s^{+*}\}=0---\left(10\right)$

转矩T_em为：

$T_{\mathrm{em}}=\frac{3}{2}\mathrm{pRe}\{u_s^{+}·i_s^{+*}-u_s^{-}·i_s^{-*}-R_s({\left|i_s^{+}\right|}^2-{\left|i_s^{-}\right|}^2)\}---\left(11\right)$

由式(11)可知，此时的转矩T_em不含有振荡项。

在上述条件下，定子有功功率给定P_{s_ref}与定子需用有功功率P_{s_req}之间的关系为：

$P_{s\_\mathrm{ref}}=P_{s\_\mathrm{req}}+\frac{6}{2}\mathrm{Re}\{u_s^{+}·i_s^{-*}\}=P_{s\_\mathrm{req}}+\frac{6}{2}\mathrm{Re}\{u_s^{-}·i_s^{+*}\}---\left(12\right)$

由式(12)可知，为了得到定子有功功率给定P_{s_ref}，需要计算出定子电压和定子电流的正 序、负序分量。为了避免对正序、负序分量的计算，下面提出一种得到定子有功功率给定， 并能消除电磁转矩的新方法。

定子需用有功功率P_{s_req}根据风力机特性曲线和角速度可以得出，为现有技术。

将一个从瞬时有功功率和转矩所得到的振荡项和需用有功功率相加，得到定子有功功率 给定P_{s_ref}，即：

$P_{s\_\mathrm{ref}}=P_{s\_\mathrm{req}}+(P_s-\frac{{\omega }_s}{p}{T}_{\mathrm{em}})---\left(13\right)$

ω_s是同步旋转角速度。

由式(9)和式(13)可得：

$P_{s\_\mathrm{ref}}=P_{s\_\mathrm{req}}+\frac{6}{2}\mathrm{Re}\{u_s^{-}·i_s^{-*}\}+\frac{6}{2}\mathrm{Re}\{u_s^{-}·i_s^{+*}\}+\frac{3}{2}{R}_s({\left|i_s^{+}\right|}^2-{\left|i_s^{-}\right|}^2)---\left(14\right)$

式(14)和式(8)中的振荡项应该相等，即：

$\frac{3}{2}\mathrm{Re}\{u_s^{+}·i_s^{-*}\}+\frac{3}{2}\mathrm{Re}\{u_s^{-}·i_s^{+*}\}=\frac{6}{2}\mathrm{Re}\{u_s^{-}·i_s^{+*}\}---\left(15\right)$

式(15)正好满足式(10)，即此时电磁转矩不存在振荡项。

(6)检测三相网侧变换器5电流i_ga、i_gb、i_gc，并经过正序滤波器得到其正序分量；将 三相定子电压u_sa、u_sb、u_sc经过负序滤波器得到定子电压负序分量；

(7)由步骤(6)中三相网侧变换器5电流正序分量、定子电压负序分量和网侧变换器 5需用功率，计算出网侧变换器5的功率给定；

通过对对称分量法的分析，增加两个振荡项到功率给定，就可以消除网侧电流的负序分 量，从而得到正弦的交变电流。

网侧有功功率给定P_{g_ref}和网侧无功功率给定Q_{g_ref}分别为：

$P_{g\_\mathrm{ref}}=P_{g\_\mathrm{ref}}+\frac{3}{2}\mathrm{Re}\{u_s^{-}·i_g^{+*}\}---\left(16\right)$

$Q_{g\_\mathrm{ref}}=Q_{g\_\mathrm{ref}}+\frac{3}{2}\mathrm{Im}\{u_s^{-}·i_g^{+*}\}---\left(17\right)$

其中：P_{g_ref}是网侧需用有功功率，Q_{g_ref}是网侧需用无功功率，是三相网侧变换 器的电流的正序向量。

(8)根据步骤(5)和步骤(7)得到含有振荡项的功率给定，采用直接功率控制方法分 别对转子侧和网侧的变换器进行功率控制。

综上所述，本发明提出一种无需对定子电压和定子电流的正序、负序分量计算来得到一 个含有振荡项的定子有功功率给定的新方法，并采用直接功率控制技术，解决了风电发电机 在不平衡网压下电磁转矩振荡和定子电流畸变的问题。此外，本发明通过对三相定子电压和 三相网侧变换器电流的正序、负序分量的计算，得到网侧含有振荡项的有功功率和无功功率 给定，并采用直接功率控制技术，得到了对称的、正弦变化的网侧电流。本发明采用直接功 率控制技术，不需要采用电流调节器就可获得较好的动态性能，并且简单易实现。