一种电网电压不平衡时双馈风力发电机组直流侧电压的控制方法

摘要

一种电网电压不平衡时双馈风力发电机组直流侧电压的控制方法，其特征在于：该控制方法在电网电压不平衡时，建立一种双馈风力发电机组的网侧变换器在正、负序同步旋转坐标系下考虑并网电抗器有功功率波动的数学模型，并根据该模型中的直流侧电压与网侧变换器交流侧端口输出的有功功率的对应关系而提出的一种消除直流侧电压2倍频波动的控制方法。该控制方法有效消除了电网电压不平衡时双馈风力发电机组直流侧电压的2倍频波动，提高了直流侧电容的使用寿命，同时抑制了馈入电网的电流谐波分量，特别适用于电网电压不平衡时双馈风力发电机组的控制领域。

主权项

一种电网电压不平衡时双馈风力发电机组直流侧电压的增强控制方法，其特征在于，该控制方法包括以下步骤：1)直流侧电容功率平衡方程$C\frac{{\mathrm{du}}_{\mathrm{dc}}}{\mathrm{dt}}+P_r=P_c$P_c＝P_g+P_l其中：C为直流侧电容值；u_dc为直流侧电容电压；P_r为双馈风力发电机转子侧输出瞬时有功功率；P_c为网侧变换器交流侧端口瞬时有功功率；P_g为网侧变换器馈入电网的瞬时有功功率；P_l为并网电抗器吸收的瞬时有功功率。2)正负序同步旋转坐标轴系下的各有功功率方程$\left[\begin{array}{c}{P}_{g0}\\ P_{\mathrm{gc}2}\\ P_{\mathrm{gs}2}\\ P_{l0}\\ P_{\mathrm{lc}2}\\ P_{\mathrm{ls}2}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{u_{\mathrm{gd}}}^p& {u_{\mathrm{gq}}}^p& {u_{\mathrm{gd}}}^n& {u_{\mathrm{gq}}}^n\\ {u_{\mathrm{gd}}}^n& {u_{\mathrm{gq}}}^n& {u_{\mathrm{gd}}}^p& {u_{\mathrm{gq}}}^p\\ {u_{\mathrm{gq}}}^n& -{u_{\mathrm{gd}}}^n& -{u_{\mathrm{gq}}}^p& {u_{\mathrm{gd}}}^p\\ R_g{i_{\mathrm{gd}}}^p& R_g{i_{\mathrm{gq}}}^p& R_g{i_{\mathrm{gd}}}^n& R_g{i_{\mathrm{gq}}}^n\\ 2\omega L_g{i_{\mathrm{gq}}}^n& -2\omega L_g{i_{\mathrm{gd}}}^n& 2R_g{i_{\mathrm{gd}}}^p& 2R_g{i_{\mathrm{gq}}}^p\\ -2\omega L_g{i_{\mathrm{gd}}}^n& -2\omega L_g{i_{\mathrm{gq}}}^n& -2R_g{i_{\mathrm{gq}}}^p& 2R_g{i_{\mathrm{gd}}}^p\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i_{\mathrm{gd}}}^p\\ {i_{\mathrm{gq}}}^p\\ {i_{\mathrm{gd}}}^n\\ {i_{\mathrm{gq}}}^n\end{array}\right]$其中：P_g0为网侧变换器馈入电网的有功功率的直流分量；P_gc2、P_gs2为有功功率的余、正弦2倍电网频率波动分量；P_l0为并网电抗器吸收的有功功率的直流分量；P_lc2、P_ls2为并网电抗器吸收的有功功率的余、正弦2倍电网频率波动分量；u_gd^p、u_gq^p为正序电网电压d、q轴分量；u_gdⁿ、u_gqⁿ为负序电网电压d、q轴分量；i_gd^p、i_gq^p为正序电网电流d、q轴分量；i_gdⁿ、i_gqⁿ为负序电网电流的d、q轴分量；R_g、L_g为并网电抗器电阻和电感；ω为电网频率。3)负序d、q轴电流指令值计算方程由1)获得的直流侧电容功率平衡方程可知，为控制直流侧电压无2倍频分量，需要控制电网侧变换器交流侧端口输出的有功功率P_c无2倍频分量，即满足下式：$\left\{\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{gc}2}+P_{\mathrm{lc}2}=0\\ P_{\mathrm{gs}2}+P_{\mathrm{ls}2}=0\end{array}\right.$根据2)获得的有功功率方程，则有$\left\{\begin{array}{c}({u_{\mathrm{gd}}}^n{i_{\mathrm{gd}}}^p+{u_{\mathrm{gq}}}^n{i_{\mathrm{gq}}}^p+{u_{\mathrm{gd}}}^p{i_{\mathrm{gd}}}^n+{u_{\mathrm{gq}}}^p{i_{\mathrm{gq}}}^n)\\ +2[R_g({i_{\mathrm{gd}}}^p{i_{\mathrm{gd}}}^n+{i_{\mathrm{gq}}}^n{i_{\mathrm{gq}}}^n)+\omega L_g({i_{\mathrm{gd}}}^p{i_{\mathrm{gq}}}^n-{i_{\mathrm{gq}}}^p{i_{\mathrm{gd}}}^n)]=0\\ ({u_{\mathrm{gq}}}^n{i_{\mathrm{gd}}}^p-{u_{\mathrm{gd}}}^n{i_{\mathrm{gq}}}^p-{u_{\mathrm{gq}}}^p{i_{\mathrm{gd}}}^n+{u_{\mathrm{gd}}}^p{i_{\mathrm{gq}}}^n)\\ +2[R_g({i_{\mathrm{gd}}}^p{i_{\mathrm{gq}}}^n-{i_{\mathrm{gq}}}^p{i_{\mathrm{gd}}}^n)-\omega L_g({i_{\mathrm{gd}}}^p{i_{\mathrm{gd}}}^n+{i_{\mathrm{gq}}}^p{i_{\mathrm{gq}}}^n)]=0\end{array}\right.$正序旋转坐标系下的d轴按正序电网电压定向，简化上式为：$\left\{\begin{array}{c}{u_{\mathrm{gd}}}^n{i_{\mathrm{gd}}}^p+{u_{\mathrm{gd}}}^p{i_{\mathrm{gd}}}^n+2(R_g{i_{\mathrm{gd}}}^p{i_{\mathrm{gd}}}^n+\omega L_g{i_{\mathrm{gd}}}^p{i_{\mathrm{gq}}}^n)=0\\ {u_{\mathrm{gq}}}^n{i_{\mathrm{gd}}}^p+{u_{\mathrm{gd}}}^p{i_{\mathrm{gq}}}^n+2(R_g{i_{\mathrm{gd}}}^p{i_{\mathrm{gq}}}^n-\omega L_g{i_{\mathrm{gd}}}^p{i_{\mathrm{gd}}}^n)=0\end{array}\right.$由上式计算出负序电流指令值，即有$\left\{\begin{array}{c}{i_{\mathrm{gd}}}^{n^{*}}=-\frac{{u_{\mathrm{gd}}}^p{u_{\mathrm{gd}}}^n{i_{\mathrm{gd}}}^p-2{\left({i_{\mathrm{gd}}}^p\right)}^2(R_g{u_{\mathrm{gd}}}^n-\omega L_g{u_{\mathrm{gq}}}^n)}{{\left({u_{\mathrm{gd}}}^p\right)}^2+4R_g{i_{\mathrm{gd}}}^p({u_{\mathrm{gd}}}^p+R_g{i_{\mathrm{gd}}}^p)+{\left(2\omega L_g{i_{\mathrm{gd}}}^p\right)}^2}\\ {i_{\mathrm{gq}}}^{n^{*}}=-\frac{{u_{\mathrm{gd}}}^p{u_{\mathrm{gq}}}^n{i_{\mathrm{gd}}}^p+2{\left({i_{\mathrm{gd}}}^p\right)}^2(R_g{u_{\mathrm{gq}}}^n+\omega L_g{u_{\mathrm{gd}}}^n)}{{\left({u_{\mathrm{gd}}}^p\right)}^2+4R_g{i_{\mathrm{gd}}}^p({u_{\mathrm{gd}}}^p+R_g{i_{\mathrm{gd}}}^p){\left(2\omega L_g{i_{\mathrm{gd}}}^p\right)}^2}\end{array}\right.$上式表明，在正负序同步旋转轴系下网侧变换器负序电流指令值的计算仅需简单的代数运算，避免了复杂高阶矩阵逆的求解。4)电网电压和电流的正、负序分量的检测采用T/4延时法(T为电网周期)：将三相静止ABC轴系下的三相电量值变换到两相静止αβ轴系下，同时获得延时T/4后的值；利用这两组值进行代数运算得到αβ坐标系下的各正、负序分量；利用αβ‑dp的坐标变换，得到正、负序dp坐标系下的各分量值。电网电压αβ坐标系下的正、负序分量$\left[\begin{array}{c}{u_{\mathrm{g\alpha }}}^p\left(t\right)\\ {u_{\mathrm{g\beta }}}^p\left(t\right)\\ {u_{\mathrm{g\alpha }}}^n\left(t\right)\\ {u_{\mathrm{g\beta }}}^n\left(t\right)\end{array}\right]=\frac{1}{2}\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& -1\\ 0& 1& 1& 0\\ 1& 0& 0& 1\\ 0& 1& -1& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{g\alpha }}\left(t\right)\\ u_{\mathrm{g\beta }}\left(t\right)\\ u_{\mathrm{g\alpha }}(t-T/4)\\ u_{\mathrm{g\beta }}(t-T/4)\end{array}\right]$电网电压αβ坐标系下的正、负序分量$\begin{array}{cc}\left[\begin{array}{c}{u_{\mathrm{gd}}}^p\left(t\right)\\ {u_{\mathrm{gq}}}^p\left(t\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \theta & \sin \theta \\ -\sin \theta & \cos \theta \end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u_{\mathrm{g\alpha }}}^p\left(t\right)\\ {u_{\mathrm{g\beta }}}^p\left(t\right)\end{array}\right]& \left[\begin{array}{c}{u_{\mathrm{gd}}}^n\left(t\right)\\ {u_{\mathrm{gq}}}^n\left(t\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos (-\theta )& \sin (-\theta )\\ -\sin (-\theta )& \cos (-\theta )\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u_{\mathrm{g\alpha }}}^n\left(t\right)\\ {u_{\mathrm{g\beta }}}^n\left(t\right)\end{array}\right]\end{array}$电网电流αβ坐标系下的正、负序分量$\left[\begin{array}{c}{i_{\mathrm{g\alpha }}}^p\left(t\right)\\ {i_{\mathrm{g\beta }}}^p\left(t\right)\\ {i_{\mathrm{g\alpha }}}^n\left(t\right)\\ {i_{\mathrm{g\beta }}}^n\left(t\right)\end{array}\right]=\frac{1}{2}\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& -1\\ 0& 1& 1& 0\\ 1& 0& 0& 1\\ 0& 1& -1& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{g\alpha }}\left(t\right)\\ i_{\mathrm{g\beta }}\left(t\right)\\ i_{\mathrm{g\alpha }}(t-T/4)\\ i_{\mathrm{g\beta }}(t-T/4)\end{array}\right]$电网电流αβ坐标系下的正、负序分量$\begin{array}{cc}\left[\begin{array}{c}{i_{\mathrm{gd}}}^p\left(t\right)\\ {i_{\mathrm{gq}}}^p\left(t\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \theta & \sin \theta \\ -\sin \theta & \cos \theta \end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i_{\mathrm{g\alpha }}}^p\left(t\right)\\ {i_{\mathrm{g\beta }}}^p\left(t\right)\end{array}\right]& \left[\begin{array}{c}{i_{\mathrm{gd}}}^n\left(t\right)\\ {i_{\mathrm{gq}}}^n\left(t\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos (-\theta )& \sin (-\theta )\\ -\sin (-\theta )& \cos (-\theta )\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i_{\mathrm{g\alpha }}}^n\left(t\right)\\ {i_{\mathrm{g\beta }}}^n\left(t\right)\end{array}\right]\end{array}$5)正负序电流控制方程正序旋转坐标系下的d轴按正序电网电压定向后的正序电流的控制方程为$\left\{\begin{array}{c}{u_{\mathrm{cd}}}^p={u_{\mathrm{gd}}}^p-R_g{i_{\mathrm{gd}}}^p+\omega L_g{i_{\mathrm{gq}}}^p-\mathrm{PI}({i_{\mathrm{gd}}}^{p^{*}}-{i_{\mathrm{gd}}}^p)\\ {u_{\mathrm{cq}}}^p=-R_g{i_{\mathrm{gq}}}^p-\omega L_g{i_{\mathrm{gd}}}^p-\mathrm{PI}({i_{\mathrm{gq}}}^{p^{*}}-{i_{\mathrm{gq}}}^p)\end{array}\right.$负序电流的控制方程为$\left\{\begin{array}{c}{u_{\mathrm{cd}}}^n={u_{\mathrm{gd}}}^n-R_g{i_{\mathrm{gd}}}^n-\omega L_g{i_{\mathrm{gq}}}^n-\mathrm{PI}({i_{\mathrm{gd}}}^{n^{*}}-{i_{\mathrm{gd}}}^n)\\ {u_{\mathrm{cq}}}^n={u_{\mathrm{gq}}}^n-R_g{i_{\mathrm{gq}}}^n+\omega L_g{i_{\mathrm{gd}}}^n-\mathrm{PI}({i_{\mathrm{gq}}}^{n^{*}}-{i_{\mathrm{gq}}}^n)\end{array}\right.$