一种基于直接功率控制的新型双馈风机控制方法

1.本发明涉及一种控制方法，具体为一种基于直接功率控制的新型双馈风机控制方法，属于风力发电控制及新能源并网控制技术领域。


背景技术：

2.随着新能源发电技术的不断成熟，风力发电产业飞速发展。风力发电系统的规模也在日渐扩大，随着电力系统总的装机容量也在不断增加，其运行状态对电网无功不足导致电压降落的功率平衡和电压稳定性也非常大，同时当电网电压瞬时跌落时也会对风电机组造成很大的影响，在电网无功不足电压突然跌落时会引起机组定子侧电压幅值的突变，电压的变化会导致转子电流变大，转子绕组的过电流和过电压都会对连接在转子侧的变换器造成严重损害，同时也会导致直流母线的过电压，单相或多相的电压跌落会严重危害到电力电子器件，降低电力电子器件和机械寿命。
3.实际应用过程中，使用双馈风电机组可以实现变速恒频发电、最大风能跟踪及功率解耦控制等优点，但是，由于双馈风机定子与电网直接相联接，这大大增加了双馈风机变换器的控制难度，为了应对电网无功不足电压跌落时风电机并网的稳定性问题，需要对双馈风力发电机组的控制方法进行改进，并准确地提供电网所需的无功支持。
4.有鉴于此，特提出一种优化改进后的基于直接功率控制的新型双馈风机控制方法。


技术实现要素：

5.本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种基于直接功率控制的新型双馈风机控制方法，能够实现快速的动态响应且抗干扰性能好，能够实现迅速为电网输送所需无功的目的。
6.本发明通过以下技术方案来实现上述目的，一种基于直接功率控制的新型双馈风机控制方法，包括转子侧变换器控制器、网侧变换器控制器、新型转子侧变换器控制系统和网侧变换器控制系统，所述新型转子侧变换器控制系统和所述网侧变换器控制系统分别与所述转子变换器控制器和所述网侧变换器控制器相连接，所述转子侧变换器控制系统用于将q轴在功率外环的基础上加入电压外环，d轴采用电磁转矩控制并引入磁链反馈，所述网侧变换器控制器用于稳定直流侧电压。
7.优选的，为了通过网侧变换器pwm驱动信号能够维持直流母线电压的稳定，所述新型网侧变换器控制系统包括矢量控制模块，所述矢量控制模块用于对网侧变换器进行矢量控制，所述网侧变换器控制器用于采集直流母线电压v
bus
，并将所述直流母线电压v
bus
与直流电压参考值v
nom
之间的差值v
bus_nom
经过pi控制器，得到d轴参考电流，通过空间矢量调制产生网侧变换器pwm驱动信号。
8.优选的，为了通过网侧变换器控制器和转子侧变换器控制器能够使风电机组中和转子侧多余无用功输送到电网中，所述网侧变换器控制器还用于把风电机组中多余无功通
过网侧变换器输向电网，所述网侧变换器控制器改变q轴电流参考值，对功率进行解耦控制，所述转子侧变换器控制器用于把转子侧多余无功，通过电容和转子侧变换器输送到电网。
9.优选的，为了更好的稳定机端电压，所述转子侧变换器控制系统包括定子磁链观测模块、d轴参考电流限制模块、带有限制的离散积分器、离散时间积分器和pi控制器，所述转子侧变换器控制步骤如下：
10.步骤一：所述转子侧变换器控制器采集三项电网电压信号v
abc
、电流信号i
abc
和电角速度信号ω，双馈风电机组转子侧变换器采用定子电压定向控制，通过三相abc静止坐标轴系到两相dq同步旋转坐标轴系的变换得到电网电压u
dq
，其中u
ds
＝ug，u
qs
＝0，ψ
ds
＝0，ψ
qs
＝ψ1。
11.步骤二：电网电压电流及电角速度信号通过所述定子磁链观测模块与电磁转矩参考值t
em_cmd
，通过计算公式，得到d轴电流参考值i
dr_ref
，再经过所述d轴参考电流限制模块与所述pi控制器，输出电压参考值u
d_ref
,所述输出电压参考值u
d_ref
经过解耦补偿项输出最终电压值u
rd
，所述输出最终电压值u
rd
与u
rq
变换为三相abc静止坐标轴系下u
a_ref
、u
b_ref
、u
c_ref
用来生成触发脉冲。
12.优选的，为了使得定子磁链的暂态过程能够更好的观测与控制，所述定子磁链观测模块定向控制获得d轴定向与定子磁链时，电压与q轴同向，得出定子有功和无功功率计算公式，根据所述定子有功和无功功率计算公式，得出定转子电流间关系式。
13.优选的，为了防止定子侧电压幅值的突变导致转子电流过大，能够预防电子器件出现损坏，计算q轴参考值时加入了无功功率外环控制，所述无功功率外环，用于实现对定子功率的精确计算，所述无功功率外环为给定无功功率参考值q
ref
与实际无功功率差值通过离散pi控制器得到电压参考值v
ref
,所述电压参考值v
ref
再与所述步骤一中采集的电网电压实际值v
meas
的差值形成电压外环,并通过所述带有限制的离散积分器得到q轴电流参考值i
dr ref
，再通过所述pi控制器，输出电压参考值u
q_ref
,所述输出电压参考值u
q_ref
再经过解耦补偿项
△uqr
输出最终电压值u
rq
,所述输出最终电压值u
rd
与u
rq
变换为三相abc静止坐标轴系下u
a_ref
、u
b_ref
、u
c_ref
用来生成触发脉冲。
14.优选的，为了通过带有限制的离散积分器对q轴电流参考值i
qr_ref
和d轴电流参考值i
dr_ref
进行限定，所述带有限制的离散积分器具体限制条件包括q轴电流参考值范围、比例增益系数和逻辑运算器，所述电压参考值v
ref
与电网电压实际值v
meas
的差值与增益系数相乘，通过具有q轴电流参考值范围限制条件的逻辑关系运算，输出q轴电流参考值i
qr_ref
，根据q轴电流参考值范围计算公式，在步骤二得到的d轴电流参考值i
dr_ref
的基础上，得到q轴电流参考值i
qr_ref
范围。
15.本发明的有益效果是：在控制方法中引入这两个外环，可以消除由于忽略定子电阻、电机参数不精确及坐标系存在偏差等误差，d轴的电磁转矩控制可以实现快速的动态响应且抗干扰性能好，能够实现迅速为电网输送所需无功的目的，在风电机组输出无功功率的同时可以更好的稳定机端电压，在并网点电压跌落时，直接功率控制可以实现风电机组的无功直接控制，为提供电网所需的无功支持，能够提高电网电压的稳定性。
附图说明
16.图1为本发明的整体框架示意图。
17.图2为本发明双馈风电场接入电力系统结构示意图。
18.图3为本发明新型双馈风机控制方法的网侧控制框图。
19.图4为本发明新型双馈风机控制方法的转子侧控制框图。
20.图5a为本发明双馈风电机组输出无功调节过程仿真波形图(风电机组输出无功功率设定值为0pu)。
21.图5b为本发明双馈风电机组输出无功调节过程仿真波形图(风电机组输出无功功率设定值为0.1pu)。
22.图5c为本发明双馈风电机组输出无功调节过程仿真波形图(风电机组输出无功功率设定值为0.3pu)。
具体实施方式
23.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
24.请参阅图1-5所示，一种基于直接功率控制的新型双馈风机控制方法，包括包括转子侧变换器控制器、网侧变换器控制器、转子侧变换器控制系统和新型网侧变换器控制系统，转子侧变换器控制系统和新型网侧变换器控制系统分别与转子变换器控制器和网侧变换器控制器相连接，转子侧变换器控制系统用于将q轴在功率外环的基础上加入电压外环，d轴采用电磁转矩控制并引入磁链反馈，在风电机组输出无功功率的同时可以更好的稳定机端电压，并且在电压跌落时，定子磁链的暂态过程可以更好的观测与控制，同时d轴的电磁转矩控制可以实现快速的动态响应且抗干扰性能好，在转子侧变换控制系统中引入两个外环，可以消除由于忽略定子电阻、电机参数不精确及坐标系存在偏差等误差，网侧变换器控制器用于稳定直流侧电压，使用时，双馈风电场含有20台功率都为1.5mw的双馈风电机组，风电机组先通过自身变压器升压至25kv后在经过pcc并网点电压升至125kv并入电网，电网无功不足导致电压跌落后，风电场中20台风电机组充分利用自身机组容量向电网提供满足电网导则的最大无功输出，以提高电网电压稳定性水平。
25.如图3所示，网侧变换器控制系统包括矢量控制模块，在电压跌落时，矢量控制模块用于对网侧变换器进行矢量控制，网侧变换器控制器用于采集直流母线电压v
bus
，并将直流母线电压v
bus
与直流电压参考值v
nom
之间的差值v
bus_nom
经过pi控制器，得到d轴参考电流，所述d轴参考电流与网侧实际电流id做差后经过pi控制器，输出电压参考值u
d_ref
，所述输出电压参考值u
d_ref
再加上解耦补偿项iqωl输出最终电压值ud，所述输出最终电压值ud与以下步骤要求解的uq变换为三相abc静止坐标轴系下u
a_ref
、u
b_ref
和u
c_ref
用来生成触发脉冲。最后通过空间矢量调制产生网侧变换器pwm驱动信号，以维持直流母线电压稳定。
26.如图3所示，网侧变换器控制器还用于把风电机组中多余无功通过网侧变换器输向电网，当电压跌落时，控制器检测到并网点电压过低导致无功功率下降，即控制器可以设置无功功率参考值q
ref
，再经过公式计算得到无功电流参考值i
q_ref
，所述q轴参考电流与网
侧实际电流iq做差后经过pi控制器，输出电压参考值u
q_ref
，所述输出电压参考值u
q_ref
再经过解耦补偿项iqωl输出最终电压值uq，所述输出最终电压值uq和ud变换为三相abc静止坐标轴系下u
a_ref
、u
b_ref
和u
c_ref
用来生成触发脉冲,网侧变换器实现将转子侧多余无功，通过电容和网侧变换器输送到电网。
27.如图4所示，新型转子侧变换器控制系统包括定子磁链观测模块、d轴参考电流限制模块、带有限制的离散积分器、离散时间积分器和pi控制器，转子侧变换器控制步骤如下：
28.步骤一：转子侧变换器控制器采集三项电网电压信号v
abc
、电流信号i
abc
和电角速度信号ω，双馈风电机组转子侧变换器采用定子电压定向控制，通过三相abc静止坐标轴系到两相dq同步旋转坐标轴系的变换得到电网电压u
dq
，其中u
ds
＝ug，u
qs
＝0，ψ
ds
＝0，ψ
qs
＝ψ1。
29.步骤二：电网电压电流及电角速度信号通过定子磁链观测模块与电磁转矩参考值t
em_cmd
，通过计算公式，得到d轴电流参考值i
dr_ref
，再经过d轴参考电流限制模块与pi控制器，输出电压参考值u
d_ref
,输出电压参考值u
d_ref
经过解耦补偿项输出最终电压值ud，输出最终电压值ud与uq变换为三相abc静止坐标轴系下u
a_ref
、u
b_ref
、u
c_ref
用来生成触发脉冲,d轴电流参考值i
dr_ref
计算公式如下所示：
[0030][0031]
式中t
em_cmd
为电磁转矩参考值，lm为双馈风机定转子间的互感，ls＝l
is
+lm为定子电感，l
is
为定子漏感，ψ
qs
为定子q轴磁链。
[0032]
如图4所示，定子磁链观测模块定向控制获得d轴定向与定子磁链时，电压与q轴同向，得出定子有功和无功功率计算公式，根据定子有功和无功功率计算公式，得出定转子电流间关系式,定子有功和无功功率计算公式和定转子电流间关系式分别如下所示：
[0033][0034]
式中，ug为定子电压即网侧电压；i
qs
和i
ds
分别为定子电流d、q轴分量。
[0035][0036]
式中，us为定子电压，lm为双馈风机定转子间的互感，ls为定子电感，i
dr
、i
qr
分别为电机转子d、q轴电流分量，ωs为双馈风电机组同步转速。
[0037]
上述该式表明，定子电压定向时，有功和无功功率可解耦并通过转子电流进行控制,可实现通过d轴电流控制有功功率、通过q轴电流控制无功功率。
[0038]
如图4所示，计算q轴参考值时加入了无功功率外环控制，无功功率外环，用于实现
对定子功率的精确计算，无功功率外环为给定无功功率参考值q
ref
与实际无功功率差值通过离散pi控制器得到电压参考值v
ref
,电压参考值v
ref
再与步骤一中采集的电网电压实际值v
meas
的差值形成电压外环,并通过带有限制的离散积分器得到q轴电流参考值i
dr_ref
，再通过pi控制器，输出电压参考值u
q_ref
,输出电压参考值u
q_ref
再经过解耦补偿项
△uqr
输出最终电压值u
rq
,输出最终电压值u
rd
与u
rq
变换为三相abc静止坐标轴系下u
a_ref
、u
b_ref
、u
c_ref
用来生成触发脉冲，使用时，双馈电机定子侧有功、无功功率运行范围主要受定转子绕组和变换器的电流限制影响，因此对于给定有功功率ps情况下定子无功功率的范围为为：q
smin
《qs《q
smax
。
[0039][0040]
式中xs为定子总电抗，xm为互感总感抗，ps为定子有功功率，i rmax
为转子最大电流；对于一台固定的风电机组，它的转子电流最大值一般为固定值，从上式可以得知，机组输出无功极限主要和定子电压与有功率相关。
[0041]
如图4所示，带有限制的离散积分器具体限制条件包括q轴电流参考值范围、比例增益系数和逻辑运算器，电压参考值v
ref
与电网电压实际值v
meas
的差值与增益系数相乘，通过具有q轴电流参考值范围限制条件的逻辑关系运算，输出q轴电流参考值i
qr_ref
。
[0042]
如图4所示，根据q轴电流参考值范围计算公式，在步骤二得到的d轴电流参考值i
dr_ref
的基础上，得到q轴电流参考值i
qr_ref
范围，q轴电流参考值范围计算公式如下所示：
[0043][0044]
如图5所示，设定风电机组输出无功功率为0pu、0.1pu、0.3pu，对应功率输出(这里无功输出为定子侧无功功率输出，网侧变换器不参与无功输出)波形图分别为图5a、5b、5c。图5a中有功功率为额定输出功率1pu，无功功率为0，对应在电网不需要无功的情况；图5b中无功功率设定为0.1pu，设定值为无功功率极限范围内，有功仍然保持不变，机组输出定额无功功率为0.1pu；图5c中无功功率设定值为0.3pu，设定值超出机组定子侧无功输出极限，无功实际输出值为0.16pu，有功功率在额定风速下保持不变，故无功极限也保持不变；从图5中的波形图中可以看出机组在输出定额无功的时候有功功率稳定不变，可以在保持功率输出的同时维持电网电压的稳定，有效改善了由于忽略定子电阻、电机参数不精确及坐标系存在偏差等误差，无功功率变化快速响应且抗干扰性能好，能够迅速为电网输送所需无功的目的，在风电机组输出无功功率的同时可以更好的稳定机端电压。
[0045]
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
[0046]
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

技术特征：
1.一种基于直接功率控制的新型双馈风机控制方法，其特征在于：包括转子侧变换器控制器、网侧变换器控制器、新型转子侧变换器控制系统和网侧变换器控制系统，所述新型转子侧变换器控制系统和所述网侧变换器控制系统分别与所述转子变换器控制器和所述网侧变换器控制器相连接，所述转子侧变换器控制系统用于将q轴在功率外环的基础上加入电压外环，d轴采用电磁转矩控制并引入磁链反馈，所述网侧变换器控制器用于稳定直流侧电压。2.根据权利要求1所述的一种基于直接功率控制的新型双馈风机控制方法，其特征在于：所述网侧变换器控制系统包括矢量控制模块，所述矢量控制模块用于对网侧变换器进行矢量控制，所述网侧变换器控制器用于采集直流母线电压v
bus
，并将所述直流母线电压v
bus
与直流电压参考值v
nom
之间的差值v
bus_nom
经过pi控制器，得到d轴参考电流，通过空间矢量调制产生网侧变换器pwm驱动信号。3.根据权利要求1所述的一种基于直接功率控制的新型双馈风机控制方法，其特征在于：所述网侧变换器控制器还用于把风电机组中多余无功通过网侧变换器输向电网，所述网侧变换器控制器改变q轴电流参考值，对功率进行解耦控制，所述转子侧变换器控制器用于把转子侧多余无功，通过电容和转子侧变换器输送到电网。4.根据权利要求1所述的一种基于直接功率控制的新型双馈风机控制方法，其特征在于：所述新型转子侧变换器控制系统包括定子磁链观测模块、d轴参考电流限制模块、带有限制的离散积分器、离散时间积分器和pi控制器，所述转子侧变换器控制步骤如下：步骤一：所述转子侧变换器控制器采集三项电网电压信号v
abc
、电流信号i
abc
和电角速度信号ω，双馈风电机组转子侧变换器采用定子电压定向控制，通过三相abc静止坐标轴系到两相dq同步旋转坐标轴系的变换得到电网电压u
dq
，其中u
ds
＝u
g
，u
qs
＝0，ψ
ds
＝0，ψ
qs
＝ψ1；步骤二：电网电压电流及电角速度信号通过所述定子磁链观测模块与电磁转矩参考值t
em_cmd
，通过计算公式，得到d轴电流参考值i
dr_ref
，再经过所述d轴参考电流限制模块与所述pi控制器，输出电压参考值u
d_ref
,所述输出电压参考值u
d_ref
经过解耦补偿项输出最终电压值u
rd
，所述输出最终电压值u
rd
与u
rq
变换为三相abc静止坐标轴系下u
a_ref
、u
b_ref
、u
c_ref
用来生成触发脉冲。5.根据权利要求4所述的一种基于直接功率控制的新型双馈风机控制方法，其特征在于：所述定子磁链观测模块定向控制获得d轴定向与定子磁链时，电压与q轴同向，得出定子有功和无功功率计算公式，根据所述定子有功和无功功率计算公式，得出定转子电流间关系式。6.根据权利要求4所述的一种基于直接功率控制的新型双馈风机控制方法，其特征在于：计算q轴参考值时加入了无功功率外环控制，所述无功功率外环，用于实现对定子功率的精确计算，所述无功功率外环为给定无功功率参考值q
ref
与实际无功功率差值通过离散pi控制器得到电压参考值v
ref
,所述电压参考值v
ref
再与所述步骤一中采集的电网电压实际值v
meas
的差值形成电压外环,并通过所述带有限制的离散积分器得到q轴电流参考值i
qr_ref
，再通过所述pi控制器，输出电压参考值u
q_ref
,所述输出电压参考值u
q_ref
再经过解耦补偿项
△
u
qr
输出最终电压值u
rq
,所述输出最终电压值u
rd
与u
rq
变换为三相abc静止坐标轴系下u
a_ref
、u
b_ref
、u
c_ref
用来生成触发脉冲。
7.根据权利要求4所述的一种基于直接功率控制的新型双馈风机控制方法，其特征在于：所述带有限制的离散积分器具体限制条件包括q轴电流参考值范围、比例增益系数和逻辑运算器，所述电压参考值v
ref
与电网电压实际值v
meas
的差值与增益系数相乘，通过具有q轴电流参考值范围限制条件的逻辑关系运算，输出q轴电流参考值i
qr_ref
。8.根据权利要求7所述的一种基于直接功率控制的新型双馈风机控制方法，其特征在于：根据q轴电流参考值范围计算公式，在步骤二得到的d轴电流参考值i
dr_ref
的基础上，得到q轴电流参考值i
qr_ref
范围。

技术总结
本发明涉及一种控制方法，具体为一种基于直接功率控制的新型双馈风机控制方法，属于风力发电控制及新能源并网控制技术领域，包括转子侧变换器控制器、网侧变换器控制器、新型转子侧变换器控制系统和网侧变换器控制系统，所述新型转子侧变换器控制系统和所述网侧变换器控制系统分别与所述转子变换器控制器和所述网侧变换器控制器相连接，所述新型转子侧变换器控制系统用于将q轴在功率外环的基础上加入电压外环，d轴采用电磁转矩控制并引入磁链反馈，所述网侧变换器控制器用于稳定直流侧电压，本发明能够在并网点电压跌落时，直接功率控制可以实现风电机组的无功直接控制，为提供电网所需的无功支持，能够提高电网电压的稳定性。性。性。


技术研发人员：夏正龙 陆良帅 吴启凡 陈宇
受保护的技术使用者：江苏师范大学
技术研发日：2023.05.23
技术公布日：2023/8/21