CN101814893A - 双馈式风力发电机组定子电流不平衡抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及双馈式风力发电机组定子电流不平衡抑制方法，本发明引入基于双同步旋转坐标系的正负序矢量解耦模块，将双馈式异步发电机定子电压及定、转子电流分解成基于双同步旋转坐标系下的正负序分量，实现了定、转子正负序电流的快速解耦；构造定子电流负序双闭环抑制网络，抑制电网不平衡条件下双馈式异步发电机定子电流的不平衡，避免因电网不平衡造成的双馈式异步发电机损耗增大、发热增多以及电能质量下降等问题的出现，提高了双馈式风力发电机组在电网不平衡条件下的适应能力，使得电网电压的不平衡度在一定范围内，双馈式风力发电机组不离网运行。

Description

双馈式风力发电机组定子电流不平衡抑制方法

技术领域

本发明涉及一种电流不平衡抑制方法，具体涉及一种发电机定子电流不平衡抑制方法。

背景技术

风能作为一种清洁无污染的可再生能源，是目前最具大规模开发利用的低碳能源。变速恒频双馈式风力发电机组能在各种风速下最大限度地捕获风能，很适合风力发电技术发展的方向。由于交流励磁变频器只需供给转差功率，大大减少了对变频器容量的要求，使的双馈式风力发电机组成为目前风力发电领域的主力机型之一。双馈式异步发电机是一个高阶非线性强耦合的多变量***，忽略空间谐波、磁路饱和及铁芯损耗的情况下，双馈式异步发电机在同步dq旋转坐标系中的等效电路。为了实现有功功率和无功功率控制的解耦，常用的控制方法有定子电压定向矢量控制和定子磁链定向矢量控制。双馈式异步发电机，尤其是MW级大功率双馈式异步发电机，其定子电阻与其阻抗相比通常可以忽略。在忽略定子电阻的情况下，采用定子电压定向和定子磁链定向的矢量控制技术本质上是一样的。一般情况下，电网电压是一定的，即定子电压一定，也就是定子磁链一定。在忽略定子电阻的情况下，定子电流和转子电流呈线性关系，因此只要控制转子电流便可以控制定子电流的大小，从而达到控制定子电流即定子输出功率的目的。但是一般双馈式风力发电机组控制***的设计只考虑了三相电网电压平衡的情况，当三相电网电压不平衡时，便会引起三相定子电流的不平衡，导致损耗增大、发热增多、转矩脉动以及由于转矩脉动所引发的齿轮箱和机械传输轴的疲劳损耗、无功功率脉动、电能质量下降等问题的出现。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种能抑制电网不平衡条件下双馈式异步发电机定子电流的不平衡，避免因电网不平衡造成的双馈式异步发电机损耗增大、发热增多以及电能质量下降等问题的出现的方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

双馈式风力发电机组定子电流不平衡抑制方法，其步骤如下：

(1)采集定子电压，经坐标变换，得到定子电压分别在同步旋转dq^p、dqⁿ坐标系下的值u_sd ^p、u_sq ^p、u_sd ⁿ、u_sq ⁿ；

(2)经定子电压正负序解耦模块，分别计算出定子电压正负序分量u_sd ^*p、u_sq ^*p、u_sd ^*n、u_sq ^*q；

(3)由定子电压锁相环模块得到定子电压正序空间矢量角θ_s ^p，并计算出定子电压负序空间矢量角θ_s ⁿ；

(4)采集定、转子电流及转子位置角θ_r，计算出转子电流的正负序矢量角θ_sl ^p、θ_sl ⁿ；然后分别通过坐标变换，利用定、转子电流正负序解耦模块，分别计算出定、转子电流的正负序分量i_sd ^*p、i_sq ^*p、i_sd ^*n、i_sq ^*n、i_rd ^*p、i_rq ^*p、i_rd ^*n、i_rq ^*n；

(5)由定子电流负序调节器模块和转子电流负序调节器模块构成定子电流负序双闭环抑制网络；同时，定子电流负序调节器模块的输出i_{rd_ref} ^*n、i_{rq_ref} ^*n作为转子电流负序调节器模块的输入；

(6)由转子电流正序调节器模块构成定子电流正序控制网络；同时，转子电流正序调节器模块的输入i_{rd_ref} ^*p、i_{rq_ref} ^*p由外部给定；

(7)转子电流正序调节器输出u_rd ^*p、u_rq ^*p及转子电流负序调节器输出u_rd ^*n、u_rq ^*n分别通过Park^-1变换、矢量合成，得到转子电压空间矢量发生模块的输入u_rα、u_rβ。

双馈式风力发电机组定子电流不平衡抑制方法，上述步骤(3)中将定子电压正负序解耦模块的输出u_sq ^*p作为锁相环模块的输入，得到定子电压正序空间矢量角θ_s ^p。

双馈式风力发电机组定子电流不平衡抑制方法，上述步骤(3)中对正序矢量角θ_s ^p取反得到定子电压负序空间矢量角θ_s ⁿ。

双馈式风力发电机组定子电流不平衡抑制方法，其特征在于上述步骤(3)中计算出的定子电压正负序矢量角θ_s ^p、θ_s ⁿ再反馈到定子电压正负序解耦模块用于定子电压的正负序解耦。

双馈式风力发电机组定子电流不平衡抑制方法，上述步骤(4)中通过公式

得到转子电流的正序矢量角，得到转子电流的负序矢量角。

双馈式风力发电机组定子电流不平衡抑制方法，上述步骤(7)中转子电流的正、负序调节器的输出u_rd ^*p、u_rq ^*p、u_rd ^*n、u_rq ^*n分别通过Park^-1，得到各自调节器输出在静止坐标系下转子电压给定值的正负序的分量u_rα ^*p、u_rβ ^*p、u_rα ^*n、u_rβ ^*n；再通过合成静止坐标系下转子电压给定值的正负序的分量u_rα ^*p、u_rβ ^*p、u_rα ^*n、u_rβ ^*n得到转子电压空间矢量发生模块的输入u_rα、u_rβ。

引入基于双同步旋转坐标系的正负序矢量解耦模块，将双馈式异步发电机定子电压及定、转子电流分解成基于双同步旋转坐标系下的正负序分量，实现了定、转子正负序电流的快速解耦；构造定子电流负序双闭环抑制网络，抑制了电网不平衡条件下双馈式异步发电机定子电流的不平衡。

本发明提出的控制方法，无需准确的双馈式异步发电机参数的情况下，就可以实现定、转子电流正负序分量的快速解耦，通过控制定子电流的负序分量达到抑制电网不平衡引起的定子电流不平衡的目的，从而避免因电网不平衡造成的双馈式异步发电机损耗增大、发热增多以及电能质量下降等问题的出现，提高了双馈式风力发电机组在电网不平衡条件下的适应能力，使得电网电压的不平衡度在一定范围内，双馈式风力发电机组不离网运行。

附图说明

图1为背景技术中双馈式风力发电机组***拓扑图。

图2为同步坐标系d轴双馈式异步发电机的等效电路图。

图3为同步坐标系q轴双馈式异步发电机的等效电路图。

图4为定子电流正负序解耦模块。

图5为定子电压正负序解耦模块。

图6为转子电流正负序解耦模块。

图7为双馈式风力发电机组定子电流正负序解耦控制框图。

图8为双馈式风力发电机组转子侧变流器软件工作示意图。

具体实施方式

在对不平衡电力***进行分析时，通常运用对称分量法理论，将电路中不对称部分化为电压、电流不对称的边界条件，其余电路仍视为对称的线性电路。任何一组不对称的三相相量，如电压、电流等，都可以分解成相序各不相同的三组对称的三相相量，即零序分量、正序分量和负序分量。为便于分析，首先对不平衡电流在双同步坐标系(Double Synchronous Reference Frame，DSRF)下的情况进行分析。DSRF包括两个旋转坐标系，其中正序同步dq^p旋转坐标系以ω^p角速度逆时针旋转，其相位设为

而负序同步dqⁿ旋转坐标系是以ωⁿ角速度顺时针旋转，其相位设为下面以双馈式异步发电机定子电流矢量为例，忽略定子电流高次谐波条件下，分析基于双同步旋转坐标系的正负序矢量解耦。对于无中线***，由于不能形成零序电流，因此无中线三相***的电流在静止坐标系下可以分解成基波正序分量(简称正序分量)和基波负序分量(简称负序分量)，即：

在单个正序同步dq^p旋转坐标系中电流矢量可以表示成：

而在单个负序同步dqⁿ旋转坐标系中电流矢量又可以表示成：

从式(2)、(3)可以看出，若仍然单独采用正序或负序同步旋转坐标系做参考坐标系时，电流矢量幅值均含有角速度(ω^p+ωⁿ)的脉动量。同步dq^p旋转坐标系中的振荡量的幅值由负序分量的幅值来决定；而同步dqⁿ旋转坐标系中的振荡量的幅值由正序分量幅值来决定。为了快速地分解出定子电流的正、负序分量，将式(2)、(3)近似改写成：

按照式(4)、(5)，采用了如图2所示的解耦模块。图中的i_sd ^*p、i_sq ^*p、i_sd ^*n和i_sq ^*n分别为解耦后的正负序电流d、q轴瞬时分量，

和

分别为解耦后的正负序电流d、q轴分量的瞬时平均值。类似地，可以构造出定子电压正负序解耦模块及转子电流正负序解耦模块，如图4、5示。

定子电压一定，定子磁链的正负序分量便一定，因此只要控制转子电流的负序分量i_rd ^*n、i_rq ^*n便可以达到抑制电网电压不平衡条件下双馈式风力发电机组定子电流不平衡的目的。

图6为双馈式风力发电机组定子电流正负序解耦控制框图。其功能模块主要包括定子电压正负序解耦模块、定子电压锁相环模块、定子电流正负序解耦模块、转子电流正负序解耦模块、定子电流负序调节器模块、转子电流正序调节器模块、转子电流负序调节器模块、转子电压空间矢量发生模块。其步骤如下：

1.采集定子三相电压，利用定子电压正负序解耦模块对定子电压进行正负序解耦；同时将定子电压正负序解耦模块的输出u_sq ^*p作为软件锁相环模块的输入，得到定子电压正序空间矢量角θ_s ^p；对正序矢量角θ_s ^p取反得到定子电压负序空间矢量角θ_s ⁿ；计算出的定子电压正负序矢量角θ_s ^p、θ_s ⁿ再反馈到定子电压正负序解耦模块用于定子电压的正负序解耦。

2.读取转子位置角θ_r，通过公式

得到转子电流的正序矢量角，

得到转子电流的负序矢量角；采集三相定、转子电流，利用定、转子电流正负序解耦模块，分别计算出定、转子电流的正负序分量i_sd ^*p、i_sq ^*p、i_sd ^*n、i_sq ^*n、i_rd ^*p、i_rq ^*p、i_rd ^*n、i_rq ^*n。

3.由定子电流负序调节器模块和转子电流负序调节器模块构成定子电流负序双闭环抑制网络。定子电流负序调节器模块的输入给定为0；同时，定子电流负序调节器模块的输出作为转子电流负序调节器模块的输入i_{rd_ref} ^*n、i_{rq_ref} ^*n。

4.由转子电流正序调节模块构成定子电流正序控制网络。转子电流

正序调节模块的输入i_{rd_ref} ^*p、i_{rq_ref} ^*p由外部给定。

5.转子电流的正、负调节器的输出u_rd ^*p、u_rq ^*p、u_rd ^*n、u_rq ^*n分别通过Park^-1，得到各自调节器输出在静止坐标系下转子电压给定值的正负序的分量u_rα ^*p、u_rβ ^*p、u_rα ^*n、u_rβ ^*n；再通过合成静止坐标系下转子电压给定值的正负序的分量u_rα ^*p、u_rβ ^*p、u_rα ^*n、u_rβ ^*n得到转子电压空间矢量发生模块的输入u_rα、u_rβ。

图7为本发明用于抑制电网不平衡引起定子电流的不平衡的转子侧变流器软件工作示意图。通常由于双馈式风力发电用变流器分空载励磁和定子并网运行两步，由于定子并网前，定子没有电流流过，因此本发明具体实现时，要分定子并网前和定子并网后两部分。

定子并网前，只有转子电流正序调节器用于双馈式异步发电机的空载励磁。空载励磁时，由于定子未并网，采样的定子电压并非实际的定子电压，而是电网电压。定子电流正负序解耦模块及定、转子电流负序调节器模块都不参与工作，仅有转子电流正序调节器的输出u_rd ^*p、u_rq ^*p经Park^-1变换后作为空间电压矢量发生模块的输入u_rα、u_rβ。

定子并网后，定子电流正负序解耦模块及定、转子电流负序调节器模块参与工作。由于定子与电网相连，定子电压实际上就等于电网电压。定子电流正负序解耦出的定子电流负序i_sd ^*n、i_sq ^*n分量作为定子电流负序调节器的反馈；定子电流负序调节器的输出i_{rd_ref} ^*n、i_{rq_ref} ^*n作为转子电流负序调节器的输入；转子电流正序调节器的输入由主控通讯给定；转子电流正、负序调节器的输出分别经Park^-1变换、矢量合成后作为空间电压矢量发生模块的输入。定子并网后，由于定子电流负序调节器模块和转子电流负序调节器模块构成的定子电流负序双闭环抑制网络的作用，从而达到抑制电网不平衡条件下双馈式风力发电机组定子电流不平衡的目的。

Claims (6)

1.双馈式风力发电机组定子电流不平衡抑制方法，其步骤如下：

(1)采集定子电压，经坐标变换，得到定子电压分别在同步旋转dq^p、dqⁿ坐标系下的值u_sd ^p、u_sq ^p、u_sd ⁿ、u_sq ⁿ；

(2)经定子电压正负序解耦模块，分别计算出定子电压正负序分量u_sd ^*p、u_sq ^*p、u_sd ^*n、u_sq ^*n；

(3)由定子电压锁相环模块得到定子电压正序空间矢量角θ_s ^p，并计算出定子电压负序空间矢量角θ_s ⁿ；

(4)采集定、转子电流及转子位置角θ_r，计算出转子电流的正负序矢量角θ_sl ^p、θ_sl ⁿ；然后分别通过坐标变换，利用定、转子电流正负序解耦模块，分别计算出定、转子电流的正负序分量i_sd ^*p、i_sq ^*p、i_sd ^*n、i_sq ^*n、i_rd ^*p、i_rq ^*p、i_rd ^*n、i_rq ^*n；

(5)由定子电流负序调节器模块和转子电流负序调节器模块构成定子电流负序双闭环抑制网络；同时，定子电流负序调节器模块的输出i_{rd_ref} ^*n、i_{rq_ref} ^*n作为转子电流负序调节器模块的输入；

(6)由转子电流正序调节器模块构成定子电流正序控制网络；同时，转子电流正序调节器模块的输入i_{rd_ref} ^*p、i_{rq_ref} ^*p由外部给定；

(7)转子电流正序调节器输出u_rd ^*p、u_rq ^*p及转子电流负序调节器输出u_rd ^*n、u_rq ^*n分别通过Park^-1变换、矢量合成，得到转子电压空间矢量发生模块的输入u_rα、u_rβ。

2.根据权利要求1所述的双馈式风力发电机组定子电流不平衡抑制方法，其特征在于所述步骤(3)中将定子电压正负序解耦模块的输出u_sq ^*p作为锁相环模块的输入，得到定子电压正序空间矢量角θ_s ^p。

3.根据权利要求1所述的双馈式风力发电机组定子电流不平衡抑制方法，其特征在于所述步骤(3)中对正序矢量角θ_s ^p取反得到定子电压负序空间矢量角θ_s ⁿ。

4.根据权利要求1或3所述的双馈式风力发电机组定子电流不平衡抑制方法，其特征在于所述步骤(3)中计算出的定子电压正负序矢量角θ_s ^p、θ_s ⁿ再反馈到定子电压正负序解耦模块用于定子电压的正负序解耦。

5.根据权利要求1所述的双馈式风力发电机组定子电流不平衡抑制方法，其特征在于所述步骤(4)中通过公式

得到转子电流的正序矢量角，

得到转子电流的负序矢量角。

6.根据权利要求1所述的双馈式风力发电机组定子电流不平衡抑制方法，其特征在于所述步骤(7)中转子电流的正、负序调节器的输出u_rd ^*p、u_rq ^*p、u_rd ^*n、u_rq ^*n分别通过Park^-1，得到各自调节器输出在静止坐标系下转子电压给定值的正负序的分量u_rα ^*p、u_rβ ^*p、u_rα ^*n、u_rβ ^*n；再通过合成静止坐标系下转子电压给定值的正负序的分量u_rα ^*p、u_rβ ^*p、u_rα ^*n、u_rβ ^*n得到转子电压空间矢量发生模块的输入u_rα、u_rβ。

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