專利名稱：一種風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)變流器直流母線電壓波動抑制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及風(fēng)カ發(fā)電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)變流器的控制，尤其是在電網(wǎng)發(fā)生畸變和不平衡情況下網(wǎng)側(cè)變流器直流母線電壓波動抑制方法。
背景技術(shù)：
目前風(fēng)カ發(fā)電系統(tǒng)主要采用變速恒頻運(yùn)行，變速恒頻系統(tǒng)主要包括永磁同步發(fā)電機(jī)和雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)兩種類型。無論采用哪種拓?fù)?，功率變流器通常采用背靠背變流器結(jié)構(gòu)，背靠背結(jié)構(gòu)變流器最大優(yōu)點(diǎn)在于直流側(cè)電容解耦，從而使得前級和后級變流器能夠獨(dú)立控制。隨著風(fēng)電穿透力的増加，風(fēng)カ發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)之間的關(guān)系越來越緊密。由于電網(wǎng)經(jīng)常會受到各種擾動，這其中短路故障對風(fēng)カ發(fā)電系統(tǒng)的影響最大。目前電網(wǎng)準(zhǔn)則要求風(fēng)カ發(fā)電系統(tǒng)需具有一定的低電壓運(yùn)行能力，這就使得低電壓穿越技術(shù)(LVRT)成為ー個研究熱點(diǎn)。無論是機(jī)側(cè)變流器穿越控制技術(shù)還是網(wǎng)側(cè)變流器穿越控制技木，目前主要集中于假設(shè)電網(wǎng)無諧波情況下對稱故障和不對稱故障的研究，很少涉及到在電網(wǎng)畸變情況下發(fā)生不對稱故障時(shí)的研究。在エ業(yè)電網(wǎng)中，電網(wǎng)中的諧波是普遍存在的。在風(fēng)カ發(fā)電系統(tǒng)中，即使電網(wǎng)不發(fā)生故障，電網(wǎng)中的諧波也會對風(fēng)カ發(fā)電系統(tǒng)造成不利的影響，對于風(fēng)カ發(fā)電系統(tǒng)的網(wǎng)側(cè)變換器而言，其主要控制目標(biāo)是維持直流側(cè)電壓恒定以及有功和無功的控制。在背靠背變流器的拓?fù)渲?，無論是在正常情況下運(yùn)行還是在故障情況下運(yùn)行，維持直流側(cè)電壓恒定是風(fēng)カ發(fā)電系統(tǒng)正常運(yùn)行的必要條件；而在電網(wǎng)發(fā)生畸變和不平衡時(shí)，直流側(cè)電壓將會產(chǎn)生脈動分量，直流側(cè)的這個脈動就會導(dǎo)致變流器側(cè)輸出電壓的波動，從而導(dǎo)致輸出功率的波動，這將會嚴(yán)重影響電能質(zhì)量。而且，直流側(cè)波動還會縮減直流側(cè)電容的使用壽命，更嚴(yán)重的是如果直流側(cè)電壓波動很大，將會造成直流側(cè)過電壓，從而導(dǎo)致系統(tǒng)跳閘，使得風(fēng)機(jī)與電網(wǎng)斷開連接，致使風(fēng)カ發(fā)電系統(tǒng)低壓穿越運(yùn)行失敗。如果對網(wǎng)側(cè)變流器采取適當(dāng)?shù)目刂?，不僅可以有效抑制直流側(cè)電壓振蕩，還可以提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低壓穿越運(yùn)行能力，因此在風(fēng)カ發(fā)電系統(tǒng)電網(wǎng)畸變和不平衡的情況下，控制直流側(cè)母線電壓恒定是及其重要的。目前所檢索到的與本專利密切相關(guān)的文獻(xiàn)和專利有《IEEE Transactions on Industrial Electronics))雜志 1999 年 46 卷第 5 期k 弟-953-959 頁)〈〈Dual current control scheme for PWM converter under unbalancedinput voltage conditions》(文獻(xiàn) I) 一文中，H.-S. Song and K. Nam,所提出的方法是基于功率平衡的雙電流旋轉(zhuǎn)矢量控制，該方法是基于功率平衡單電流矢量控制基礎(chǔ)上提出的，基于功率平衡原理，使得輸入功率與直流側(cè)輸出功率平衡，通過功率矩陣算出電流正序和負(fù)序參考，而雙電流內(nèi)環(huán)分別對電流正序分量和負(fù)序分量進(jìn)行獨(dú)立控制。該方法解決單電流矢量控制的不足，對負(fù)序同樣進(jìn)行控制，有效抑制直流側(cè)電壓脈動，但是該方法缺點(diǎn)在 于，控制結(jié)構(gòu)和算法復(fù)雜，需要電網(wǎng)電壓和電流的正負(fù)序提取電路，電壓和電流正負(fù)序提取電路通常采用陷波器進(jìn)行提取，這會引入延遲影響到系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，而且該方法忽略濾波電感和電阻上的損耗，所以即使完全消除輸入功率的脈動分量也無法消除直流側(cè)電壓中的波動?！禝EEE Transactions on Industry Applications》雜志2010 年46 卷第 I 期(268-277頁)《New Stationary Frame Control Scheme for Three-Phase PWMRectifiersUnderUnbalanced Voltage Dips Conditions》(文獻(xiàn) II) 一文中，Daniel Roiu 等人介紹了一種基于功率平衡靜止坐標(biāo)系下的改進(jìn)式電流矢量控制該方法同樣基于功率平衡原理，相比于文獻(xiàn)I，該方法考慮了濾波電感和電阻上的損耗，而且在靜止坐標(biāo)系下對電流直接進(jìn)行控制，無需電流正負(fù)序提取電路，也不需要對正負(fù)序電流分別獨(dú)立進(jìn)行控制。該方法優(yōu)點(diǎn)在于它克服了文獻(xiàn)I中存在的不足，考慮了電感和電阻上的損耗，使其抑制直流側(cè)電壓波動控制效果明顯好于前者，而且還進(jìn)ー步簡化了控制結(jié)構(gòu)。但是該方法缺點(diǎn)在于參考電流計(jì)算矩陣中引入了更多的變量，使得控制算法更加復(fù)雜，而且仍然需要電網(wǎng)電壓正負(fù)序提取電路。中國專利號CN101615854B，授權(quán)公告日2011年4月20日，名稱為《電網(wǎng)電壓不平衡下三相電壓型PWM整流器的控制方法》(文獻(xiàn)III)，該專利公開了ー種基于功率平衡的靜 止坐標(biāo)系下的控制方法，該方法的控制原理和文獻(xiàn)I相同，兩者之間的區(qū)別在于文獻(xiàn)I是在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下進(jìn)行控制，而專利III是在兩相靜止坐標(biāo)系下進(jìn)行的控制，這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于不需要大量的dq變換，減小了計(jì)算量，在靜止坐標(biāo)系下的控制不需要電流正序和負(fù)序提取，簡化了結(jié)構(gòu)，但是這種方法與文獻(xiàn)I 一樣仍然沒有考慮電感和電阻上的損耗問題，其不足是它的控制效果有限。從上述幾種傳統(tǒng)控制方法中可以看出，其缺點(diǎn)主要在于控制算法和結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，需要大量的變換計(jì)算，控制結(jié)構(gòu)多采用正負(fù)序提取電路，這會引起延時(shí)，將嚴(yán)重影響系統(tǒng)動態(tài)性能。而且傳統(tǒng)控制方法僅僅考慮電網(wǎng)無諧波情況下不對稱故障的情況，沒有考慮電網(wǎng)存在諧波的情況。在エ業(yè)電網(wǎng)中，電網(wǎng)電壓中不可避免地存在諧波，諧波的存在不僅會造成風(fēng)カ發(fā)電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)變流器電流畸變，而且還會使得直流側(cè)電壓存在脈動分量，嚴(yán)重時(shí)將會導(dǎo)致直流側(cè)過電壓和網(wǎng)側(cè)過電流問題。在電網(wǎng)畸變不平衡現(xiàn)象同時(shí)發(fā)生時(shí)，如果仍然采用傳統(tǒng)方法，那么將會導(dǎo)致控制算法和結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種在電網(wǎng)畸變和不平衡情況下風(fēng)カ發(fā)電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)變流器直流母線電壓波動抑制的一種簡單有效的控制方法。該方法無需矩陣變換等復(fù)雜控制算法，也無需電壓或電流的正負(fù)序提取和鎖相環(huán)電路，就可以簡化系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)，在電網(wǎng)畸變和不平衡情況下，維持風(fēng)カ發(fā)電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)變流器直流母線電壓恒定，避免了直流側(cè)過電壓導(dǎo)致風(fēng)カ發(fā)電系統(tǒng)脫網(wǎng)運(yùn)行。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種風(fēng)カ發(fā)電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)變流器直流母線波動抑制方法，該方法包括如下步驟⑴首先利用電壓霍爾傳感器采樣三相電網(wǎng)電壓信號Eabe和直流側(cè)電壓信號Vdc，利用電流霍爾傳感器采樣三相電流信號Iab。，將三相電網(wǎng)電壓信號Eabe經(jīng)過Clarke變換模塊I得到α β坐標(biāo)系下的電網(wǎng)電壓信號Ea和Ee，將三相電流信號Iab。經(jīng)過Clarke變換模塊2得到α β坐標(biāo)系下的電流信號Ia和Ie ;
(ii)將直流側(cè)電壓參考FdI與電壓霍爾傳感器采樣得到的直流側(cè)電壓信號Vd。相減得到直流側(cè)電壓的誤差信號Λ Vdc,將該誤差信號Λ Vdc送入調(diào)節(jié)器模塊3和4，調(diào)節(jié)器模塊
3為PI調(diào)節(jié)器，傳遞函數(shù)為+ ，其中kvp和kvi為PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)和積分系數(shù)，調(diào)
節(jié)器模塊4傳遞函數(shù)為⑺，⑺.、，其中N(S)和D(S)為多項(xiàng)式，η代表直流側(cè)電壓中交流分量的諧波次數(shù)；(iii)將調(diào)節(jié)器模塊3的輸出和調(diào)節(jié)器模塊4的輸出相加得到Id。，再將Id。與Ea相乘得到電流參考信號/1，將Id。和Ee信號相乘得到電流參考信號/;;(iv)將電流參考信號/1與α β坐標(biāo)系下的電流信號Ia相減得到電流誤差信號Λ Ia，再將電流參考信號/;與α β坐標(biāo)系下的電流信號Ie相減得到電流誤差信號ΛΙ0，將誤差信號AIa送入電流調(diào)節(jié)器模塊5，將誤差信號AIe送入電流調(diào)節(jié)器模塊6，調(diào)節(jié)器 模塊5和模塊6的傳遞函數(shù)表達(dá)式為ん+Σρ(ザレ).，)，其中kip為電流調(diào)節(jié)器中的比
例系數(shù)，N(s)和D(S)為多項(xiàng)式，η代表電流中交流分量的諧波次數(shù)；(V)將電流調(diào)節(jié)器模塊5和模塊6的輸出直接送入SVPWM調(diào)制模塊7，經(jīng)過SVPWM調(diào)制模塊7調(diào)制后得到網(wǎng)側(cè)變流器功率器件驅(qū)動信號Sa、Sb和S。。本發(fā)明所述的調(diào)節(jié)器模塊3和4包括PI調(diào)節(jié)器和無限大增益控制器，無限大増益控制器能夠?qū)崿F(xiàn)對直流側(cè)電壓中交流脈動分量的有效抑制。本發(fā)明的控制方法是基于α β坐標(biāo)系下進(jìn)行控制的。該方法主要針對電網(wǎng)畸變和不平衡情況下，風(fēng)カ發(fā)電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)變流器直流母線電壓波動抑制的一種控制方法，該方法摒棄了以往的控制思路，以往大多數(shù)控制無論是基于功率平衡控制還是瞬時(shí)無功功率理論，它都是基于功率角度上考慮來消除直流側(cè)電壓紋波，屬于通過消除功率脈動來消除直流側(cè)電壓的波動的ー種間接控制方法，而本發(fā)明所采用的思路是ー種直接電壓控制方法，其核心思想是根據(jù)電網(wǎng)畸變和不平衡時(shí)所引起直流側(cè)電壓波動的交流成分，在電壓外環(huán)加入相對應(yīng)的交流頻率無限大增益控制器來實(shí)現(xiàn)對直流側(cè)電壓中交流成分的有效抑制。本發(fā)明的有益效果是該方法無需大量矩陣變換等復(fù)雜的計(jì)算，也無需電壓和電流的正負(fù)序提取電路和鎖相電路，僅通過直流側(cè)電壓外環(huán)中疊加的無限大增益控制器(控制器中的參數(shù)η對應(yīng)直流側(cè)電壓中交流分量的諧波次數(shù))即可實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電壓脈動分量的有效抑制，從而使系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)和控制算法得到最大程度的簡化。即使在電網(wǎng)畸變和不平衡同時(shí)發(fā)生情況下，本發(fā)明提出的控制方法仍然可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)カ發(fā)電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)變流器直流母線電壓恒定無脈動。


圖I風(fēng)カ發(fā)電系統(tǒng)主電路原理圖；圖2本發(fā)明提出的風(fēng)カ發(fā)電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)變流器控制原理圖；圖3電網(wǎng)電壓仿真波形；圖4傳統(tǒng)控制策略下網(wǎng)側(cè)變流器直流母線電壓仿真波形；
圖5本發(fā)明提出控制策略下網(wǎng)側(cè)變流器直流母線電壓仿真波形。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施實(shí)例對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)ー步詳細(xì)具體的說明。在分析原理之前，首先對直流側(cè)電壓中的脈動分量產(chǎn)生原理作簡要分析，假設(shè)電網(wǎng)電壓不平衡，且存在_5次諧波，電網(wǎng)電壓表達(dá)式為
權(quán)利要求
1.一種風(fēng)カ發(fā)電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)變流器直流母線波動抑制方法，其特征在于，該方法包括如下步驟 (i)首先利用電壓霍爾傳感器采樣三相電網(wǎng)電壓信號Eab。和直流側(cè)電壓信號Vd。，利用電流霍爾傳感器采樣三相電流信號Iab。，將三相電網(wǎng)電壓信號Eabe經(jīng)過Clarke變換模塊I得到α β坐標(biāo)系下的電網(wǎng)電壓信號Ea和Ee，將三相電流信號Iab。經(jīng)過Clarke變換模塊2得到α β坐標(biāo)系下的電流信號Ia和Ie ; ( )將直流側(cè)電壓參考匕:與電壓霍爾傳感器采樣得到的直流側(cè)電壓信號Vd。相減得到直流側(cè)電壓的誤差信號ΛVd。，將該誤差信號ΛVd。送入調(diào)節(jié)器模塊3和4，調(diào)節(jié)器模塊3為PI調(diào)節(jié)器，傳遞函數(shù)為、/ + <，其中、和kvi為PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)和積分系數(shù)，調(diào)節(jié)器模塊4傳遞函數(shù)為刀mm:).)，其中N(S)和D (s)為多項(xiàng)式，η代表直流側(cè)電壓中交流分量的諧波次數(shù)； (iii)將調(diào)節(jié)器模塊3的輸出和調(diào)節(jié)器模塊4的輸出相加得到Id。，再將Id。與Ea相乘得到電流參考信號/1，將Id。和Ee信號相乘得到電流參考信號/;； (iv)將電流參考信號/1與αβ坐標(biāo)系下的電流信號Ia相減得到電流誤差信號ΛΙα，再將電流參考信號/;與α β坐標(biāo)系下的電流信號Ie相減得到電流誤差信號AI0，將誤差信號AIa送入電流調(diào)節(jié)器模塊5，將誤差信號AIe送入電流調(diào)節(jié)器模塊6，調(diào)節(jié)器模塊5和模塊6的傳遞函數(shù)表達(dá)式為 ,)，其中kip為電流調(diào)節(jié)器中的比例系數(shù)，N(s)和D(S)為多項(xiàng)式，η代表電流中交流分量的諧波次數(shù)； (V)將電流調(diào)節(jié)器模塊5和模塊6的輸出直接送入SVPWM調(diào)制模塊7，經(jīng)過SVPWM調(diào)制模塊7調(diào)制后得到網(wǎng)側(cè)變流器功率器件驅(qū)動信號Sa、Sb和S。。
全文摘要
一種風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)變流器直流母線電壓波動抑制方法，涉及風(fēng)力發(fā)電以及電力電子領(lǐng)域。該方法首先將電網(wǎng)電壓信號Eabc和電流信號Iabc進(jìn)行Clarke變換得到αβ坐標(biāo)系下Eα、Eβ和Iα、Iβ。將直流側(cè)電壓參考與采樣得到直流側(cè)電壓信號Vdc相減之后得到直流側(cè)電壓誤差信號ΔVdc，將誤差信號ΔVdc送入電壓調(diào)節(jié)器模塊3和模塊4得到Idc，在將Idc分別與Eα和Eβ相乘得到電流參考信號和將電流參考信號與電流反饋信號相減送入電流調(diào)節(jié)器得到調(diào)制信號將送入SVPWM模塊調(diào)制后得到功率開關(guān)驅(qū)動信號。該方法消除了傳統(tǒng)控制策略中電壓/電流的正序負(fù)序提取、參考電流矩陣運(yùn)算和鎖相環(huán)等復(fù)雜控制結(jié)構(gòu)，只需采用簡單控制結(jié)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓畸變且不平衡情況下，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)變流器直流母線電壓波動的有效抑制。
文檔編號H02J3/36GK102651548SQ201210109670
公開日2012年8月29日 申請日期2012年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月16日
發(fā)明者張學(xué), 鄔偉揚(yáng), 郭小強(qiáng) 申請人:燕山大學(xué)