CN109378836A - 一种直驱式永磁同步发电机在不平衡及谐波电网下的协调控制方法 - Google Patents

一种直驱式永磁同步发电机在不平衡及谐波电网下的协调控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种直驱式永磁同步发电机在不平衡及谐波电网下的协调控制方法。将一组三个进线电抗器分别串联到网侧变流器三相输入端，将一个网侧变流器、一个机侧变流器通过直流母线电容器实现背靠背式电气连接，将一个直驱式永磁同步发电机串联至机侧变流器输出端，从而构建出永磁风电机组；通过向网侧注入幅值相等、相位相反的谐波电流，并在机侧引入谐振控制器使永磁机组充当部分有源滤波器，可以实现在电网电压发生不平衡及谐波畸变时，抑制由非平衡和非线性负载引入公共耦合点的负序及谐波电流，同时抑制由网侧向机侧传递的脉动功率引起的电磁转矩振荡。

Description

一种直驱式永磁同步发电机在不平衡及谐波电网下的协调控 制方法
技术领域
本发明涉及一种直驱式永磁同步发电机在不平衡及谐波电网下的协调控制方法，可作为基于永磁同步电机的风力发电***在电网电压发生负序及谐波畸变时的改进控制方法。
背景技术
随着能源危机和环境污染问题的严重并存，开发利用风能等可再生能源已经成为世界各国的共识，越来越多的国家把发展风电作为未来电力投资的重点。风力发电机主要有两种类型，即双馈感应发电机(doubly fed induction generator DFIG)和直驱式永磁同步发电机(directly driven permanent magnet synchronous generator D-PMSG)。目前基于DFIG的风电机组在风电市场上占据着主导地位，但是基于D-PMSG的风电机组由于其结构简单、维护成本低、功率密度高、运行可靠性高等优点，越来越受到人们的关注。近年来，尤其是基于D-PMSG的海上全直流风电场的快速建设，经济有效的大规模海上风能汇聚和传输方式已日益进入人们的视线。
通过世界各国的风电并网规程来看，当电网出现一定的电压波动与闪变、三相不平衡、谐波畸变等故障时，要求风力发电机仍能与电网保持联接而不解列，即须满足一定的故障穿越运行能力。对此，国内外学者作了大量研究工作，提出了一些可行的控制方案。
现有的文献主要研究了全功率并网的D-PMSG在电网发生故障时的低电压穿越性能。在正常电网电压条件下，一般机侧控制输出发电机功率，网侧保持直流链路电压。但在农村地区，风电机组并网较弱，共同耦合点的电压可能由于不平衡和非线性负载而出现不平衡和谐波畸变。而且，随着风力发电机在电网中装机容量越来越大，D-PMSG应该成为电网友好型电源，当电网发生故障时对其快速恢复提供帮助。
发明内容
本发明的目的在于针对现有方案的不足，提供一种D-PMSG机侧与网侧协调控制的控制方法，在抑制电网电压畸变引起的电流波动的同时，对机侧的电磁转矩振荡也起到抑制作用，显著提高了永磁发电***的抗扰动性能。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种直驱式永磁同步发电机在不平衡及谐波电网下的协调控制方法，该方法包括以下步骤：
(1)构建永磁风电机组：将一组三个进线电抗器分别串联到网侧变流器三相输入端；将一个网侧变流器、一个机侧变流器通过直流母线电容器实现背靠背式电气连接；将一个直驱式永磁同步发电机(D-PMSG)串联至机侧变流器输出端；
(2)将永磁风电机组的网侧变流器采用在正序同步旋转坐标系下同时对正、负序电流进行控制的控制方法；
(3)将永磁风电机组的机侧变流器采用电流单环控制并加入谐振控制器的控制方法。
进一步地，所述步骤(2)中，网侧变流器的控制方法包括以下步骤：
(2.1)测量网侧线电压Ugab、Ugbc、Ugca与网侧相电流Iga、Igb、Igc；
(2.2)将步骤(2.1)测得的线电压转换为相电压Uga、Ugb、Ugc；
(2.3)通过锁相环模块得到基波电网角频率ω＝2πfN，fN为电网频率，对ω进行积分运算得到电网角度信号θ；
(2.4)将网侧相电压根据电网角度信号θ进行正、负序的同步坐标变换，得到各同步参考坐标系下d、q轴分量将网侧相电流根据电网角度信号θ进行正序同步坐标变换，得到正序同步参考坐标系下d、q轴分量
(2.5)将步骤(2.4)得到的各同步参考坐标系下d、q轴分量通过功率方程得到正序坐标系下的电流参考值由于网侧变流器的控制目标为抑制负序、谐波电流，因此网侧控制器的负序电流指令值五次谐波电流指令值七次谐波电流指令值应设置为零；
(2.6)将步骤(2.5)得到的各电流参考值之和与正序同步参考坐标系下的网侧电流相减，得到网侧电流误差信号ΔIgdq；
(2.7)将步骤(2.6)得到的网侧电流误差信号ΔIgdq送入比例积分谐振(PI-R)控制器进行调节，并加入前馈补偿项，得到网侧电压信号Vgdq；
(2.8)将步骤(2.7)得到的网侧电压信号Vgdq进行反同步坐标变换，得到两相静止坐标系下的电压信号Vgαβ，将Vgαβ送入空间矢量调制(SVPWM)模块，即可得到控制网侧变流器的脉冲信号。
进一步地，所述步骤(3)中，机侧变流器的控制方法包括以下步骤：
(3.1)测量机侧相电流Isa、Isb、Isc；
(3.2)将机侧相电流根据直驱式永磁同步发电机的角度信号θm进行正序同步坐标变换，得到同步参考坐标系下d、q轴分量Isd、Isq；
(3.3)机侧变流器采用转子磁链定向的控制方式，根据D-PMSG的转矩方程可得到d、q轴指令值
(3.4)将Isd、Isq分别与各自轴的指令值作减法运算，得到机侧电流误差信号ΔIsdq；
(3.5)将步骤(3.4)得到的机侧电流误差信号ΔIsdq送入比例积分谐振(PI-R)控制器进行调节，并加入前馈补偿项，得到机侧电压信号Vsdq；
(3.6)将步骤(3.5)得到的机侧电压信号Vsdq进行反同步坐标变换，得到两相静止坐标系下的电压信号Vsαβ，将Vsαβ送入空间矢量调制(SVPWM)模块，即可得到控制机侧变流器的脉冲信号。
进一步地，所述锁相环模块采用谐振式PLL锁相环，即在传统锁相环中增加两个谐振频率分别为100Hz和300Hz的谐振补偿器，以此消除电网电压负序及谐波分量对基波电压正序分量频率和相位检测的影响。
进一步地，所述比例积分谐振(PI-R)控制器为在传统PI调节器的基础上增加2倍与6倍电网频率的谐振(Resonant,R)控制器，能够准确、快速的实现无静差调节。
本发明具有如下有益效果：当电网电压处于不平衡及谐波畸变的条件下，本发明的控制方法可以快速抑制网侧电流波动，有助于电网故障的恢复。同时，使D-PMSG作为部分容量的有源电力滤波器(APF)，对于由网侧向机侧传递的脉动功率引起的电磁转矩振荡也能够起到很好的抑制作用，显著提高了永磁发电***的抗扰动性能。
附图说明
图1表示本发明中网侧变流器的控制方法原理图；
图2表示本发明中机侧变流器的控制方法原理图；
图3表示D-PMSG网侧变流器的控制中引入的谐振式PLL的原理图；
图4表示D-PMSG机侧与网侧变流器的控制中引入的PI-R控制器的原理图；
图5表示D-PMSG网侧三相电流在不平衡及谐波条件下加入本发明控制方法前后的仿真波形；
图6表示图5仿真波形的FFT分析结果；
图7表示D-PMSG机侧电磁转矩在不平衡及谐波条件下加入本发明控制方法前后的仿真波形；
图8表示图7仿真波形的FFT分析结果。
具体实施方式
本发明提供了一种直驱式永磁同步发电机在不平衡及谐波电网下的控制方法，可实现当电网电压发生不平衡及谐波畸变时，抑制由非平衡和非线性负载引入的共同耦合点(PCC)的负序及谐波电流，并且抑制由网侧向机侧传递的脉动功率引起的电磁转矩振荡。推导了两个变流器的功率和电流参考，并在控制***中引入了谐振控制器使其实现准确、快速的无静差调节。
下面结合附图和实施案例对本发明作进一步说明。
参照图1，本发明提供的一种直驱式永磁同步发电机协调控制方法的网侧控制方法包括以下步骤：
1.一个网侧变流器、一个机侧变流器通过直流母线电容器实现背靠背式电气连接，其中，直流母线电容器的大小为50mF；
2.一组(三个)进线电抗器分别串联到网侧变流器三相输入端，其中，进线电抗器的大小为0.2mH；
3.测量网侧线电压Ugab、Ugbc、Ugca与网侧相电流Iga、Igb、Igc；
4.将步骤3测得的线电压转换为相电压Uga、Ugb、Ugc，转换表达式为：
5.将步骤4获得的相电压进行两相静止坐标变换，得到两相静止坐标系下α、β轴分量Ugα、Ugβ，转换表达式为：
6.将步骤5得到的Ugα、Ugβ通过锁相环模块得到基波电网角频率ω，ω＝2πfN，fN为电网频率，对ω进行积分运算得到电网角度信号θ；
本发明引用了一种谐振式PLL锁相技术，即在传统锁相环中增加两个谐振频率分别为100Hz和300Hz的谐振补偿器，以此消除电网电压负序及谐波分量对基波电压正序分量频率和相位检测的影响；谐振式PLL原理图如图3所示，其中，MRC为多频谐振补偿器，由两个截止频率为100Hz与300Hz的谐振控制器组成；
7.将网侧相电压根据电网角度信号θ进行正、负序的同步坐标变换，得到各同步参考坐标系下d、q轴分量将网侧相电流根据电网角度信号θ进行正序同步坐标变换，得到正序同步参考坐标系下d、q轴分量正、负序坐标变换表达式为：
8.将步骤7得到的各同步参考坐标系下d、q轴分量通过功率方程得到正序坐标系下的电流参考值由于网侧变流器的控制目标为抑制负序、谐波电流，因此网侧控制器的负序电流指令值五次谐波电流指令值七次谐波电流指令值应设置为零，即各坐标系下的电流参考值计算公式为：
其中，Pg为网侧有功功率，
9.将步骤8得到的各电流参考值之和与正序同步坐标系下的网侧电流相减，得到网侧电流误差信号ΔIgdq；
10.将步骤9得到的网侧电流误差信号ΔIgdq送入比例积分谐振(PI-R)控制器进行调节，并加入前馈补偿项，得到网侧电压信号Vgdq，前馈补偿项计算公式如下：
其中，比例积分谐振(PI-R)控制器采用在传统PI调节器的基础上增加2倍与6倍电网频率的谐振(Resonant,R)控制器，能够使控制***准确、快速的实现无静差调节，结构框图如图4所示，其传递函数应为：
式中：Kp、Ki分别为PI控制器的比例、积分系数；Kr0、Kr1分别为2倍频、6倍频谐振器的谐振系数；ωc0、ωc1分别为2倍频、6倍频谐振器的截止频率。
11.将步骤10得到的网侧电压信号Vgdq进行反同步坐标变换，得到两相静止坐标系下的电压信号Vgαβ，将Vgαβ送入空间矢量调制(SVPWM)模块，即可得到控制网侧变流器的脉冲信号。
参照图2，本发明提供的一种直驱式永磁同步发电机协调控制方法的机侧控制方法包括以下步骤：
1.一个直驱式永磁同步发电机(D-PMSG)串联至机侧变流器输出端；
其中，D-PMSG额定功率为1MW；额定电压为690V；额定转速为20r/min；定子电阻为16.28mΩ；d、q轴等效电感为1.109mH；转子磁链为5.74Wb；极对数为48；
2.测量机侧相电流Isa、Isb、Isc；
3.将机侧相电流根据直驱式永磁同步发电机的角度信号θm进行正序同步坐标变换，得到同步参考坐标系下d、q轴分量Isd、Isq，坐标转换公式为：
4.机侧变流器采用转子磁链定向的控制方式，根据D-PMSG的转矩方程可得到d、q轴指令值
5.将d、q轴分量Isd、Isq分别与各自轴的指令值作减法运算，得到机侧电流误差信号ΔIsdq，其中，由于机侧采用转子磁链定向的方式，所以d轴电流参考值应为零，q轴电流参考值根据D-PMSG的转矩方程可求得：
其中，Te为永磁电机的电磁转矩，p为永磁电机的极对数，ψf为永磁电机转子的永磁体磁链；
6.将步骤5得到的机侧电流误差信号ΔIsdq送入比例积分谐振(PI-R)控制器进行调节，并加入前馈补偿项，得到机侧电压信号Vsdq，前馈补偿项计算公式如下：
7.将步骤6得到的机侧电压信号Vsdq进行反同步坐标变换，得到两相静止坐标系下的电压信号Vsαβ，将Vsαβ送入空间矢量调制(SVPWM)模块，即可得到控制机侧变流器的脉冲信号。
图5表示D-PMSG网侧三相电流在不平衡及谐波条件下加入本发明控制方法前后的仿真波形。其中，网侧三相电源在0.2s时人为注入负序及谐波分量，在0.3s时引入本发明控制方法，通过对加入控制前后的波形进行比较来验证谐波抑制方法的有效性。由图中Igabc的波形可以看出，采用传统PI控制器无法有效抑制谐波电流，电流中谐波含量较高；当加入PI-R控制器时，二次与六次谐波明显得到抑制，有效改善了电流波形的正弦性。
图6表示图5中网侧电流仿真波形的FFT分析结果。对比图中的THD分析可以看出，二次与六次谐波含量显著减少，该控制方法达到了预期效果。
图7表示D-PMSG机侧电磁转矩在不平衡及谐波条件下加入本发明控制方法前后的仿真波形。由图中可以看出，由于网侧电压的畸变，向机侧传递的脉动功率引起了电磁转矩的振荡，当加入PI-R控制器后，转矩脉动得到明显抑制。
图8表示图7仿真波形的FFT分析结果。对比图中的THD分析可以看出，谐波含量显著减少，准确、快速的抑制了电磁转矩的谐波分量。
综上所述，本发明所公开的直驱式永磁同步发电机在不平衡及谐波电网条件下的机侧、网侧协同控制方法，能够有效抑制网侧电流及电磁转矩的谐波分量，仿真实验结果验证了该方法的有效性，有效的抑制了电流畸变，并且消除了电磁转矩的波动，能够使永磁风力发电***处于良好的运行状态。

Claims (5)

1.一种直驱式永磁同步发电机在不平衡及谐波电网下的协调控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)构建永磁风电机组：将一组三个进线电抗器分别串联到网侧变流器三相输入端；将一个网侧变流器、一个机侧变流器通过直流母线电容器实现背靠背式电气连接；将一个直驱式永磁同步发电机D-PMSG串联至机侧变流器输出端；
(2)将永磁风电机组的网侧变流器采用在正序同步旋转坐标系下同时对正、负序电流进行控制的控制方法；
(3)将永磁风电机组的机侧变流器采用电流单环控制并加入谐振控制器的控制方法。
2.根据权利要求1所述的一种直驱式永磁同步发电机在不平衡及谐波电网下的协调控制方法，其特征在于，所述步骤(2)中，网侧变流器的控制方法包括以下步骤：
(2.1)测量网侧线电压Ugab、Ugbc、Ugca与网侧相电流Iga、Igb、Igc；
(2.2)将步骤(2.1)测得的线电压转换为相电压Uga、Ugb、Ugc；
(2.3)通过锁相环模块得到基波电网角频率ω＝2πfN，fN为电网频率，对ω进行积分运算得到电网角度信号θ；
(2.4)将网侧相电压根据电网角度信号θ进行正、负序的同步坐标变换，得到各同步参考坐标系下d、q轴分量将网侧相电流根据电网角度信号θ进行正序同步坐标变换，得到正序同步参考坐标系下d、q轴分量
(2.5)将步骤(2.4)得到的各同步参考坐标系下d、q轴分量通过功率方程得到正序坐标系下的电流参考值由于网侧变流器的控制目标为抑制负序、谐波电流，因此网侧控制器的负序电流指令值五次谐波电流指令值七次谐波电流指令值应设置为零；
(2.6)将步骤(2.5)得到的各电流参考值之和与正序同步参考坐标系下的网侧电流相减，得到网侧电流误差信号ΔIgdq；
(2.7)将步骤(2.6)得到的网侧电流误差信号ΔIgdq送入比例积分谐振(PI-R)控制器进行调节，并加入前馈补偿项，得到网侧电压信号Vgdq；
(2.8)将步骤(2.7)得到的网侧电压信号Vgdq进行反同步坐标变换，得到两相静止坐标系下的电压信号Vgαβ，将Vgαβ送入空间矢量调制(SVPWM)模块，即可得到控制网侧变流器的脉冲信号。
3.根据权利要求1所述的一种直驱式永磁同步发电机在不平衡及谐波电网下的协调控制方法，其特征在于，所述步骤(3)中，机侧变流器的控制方法包括以下步骤：
(3.1)测量机侧相电流Isa、Isb、Isc；
(3.2)将机侧相电流根据直驱式永磁同步发电机的角度信号θm进行正序同步坐标变换，得到同步参考坐标系下d、q轴分量Isd、Isq；
(3.3)机侧变流器采用转子磁链定向的控制方式，根据D-PMSG的转矩方程可得到d、q轴指令值
(3.4)将Isd、Isq分别与各自轴的指令值作减法运算，得到机侧电流误差信号ΔIsdq；
(3.5)将步骤(3.4)得到的机侧电流误差信号ΔIsdq送入比例积分谐振(PI-R)控制器进行调节，并加入前馈补偿项，得到机侧电压信号Vsdq；
(3.6)将步骤(3.5)得到的机侧电压信号Vsdq进行反同步坐标变换，得到两相静止坐标系下的电压信号Vsαβ，将Vsαβ送入空间矢量调制(SVPWM)模块，即可得到控制机侧变流器的脉冲信号。
4.根据权利要求2所述的一种直驱式永磁同步发电机在不平衡及谐波电网下的协调控制方法，其特征在于，所述锁相环模块采用谐振式PLL锁相环，即在传统锁相环中增加两个谐振频率分别为100Hz和300Hz的谐振补偿器，以此消除电网电压负序及谐波分量对基波电压正序分量频率和相位检测的影响。
5.根据权利要求2或3所述的一种直驱式永磁同步发电机在不平衡及谐波电网下的协调控制方法，其特征在于，所述比例积分谐振(PI-R)控制器为在传统PI调节器的基础上增加2倍与6倍电网频率的谐振(Resonant,R)控制器，能够准确、快速的实现无静差调节。
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