一种DFIG网侧及转子侧PWM变流器的运行控制方法技术

本发明专利技术公开了一种DFIG网侧及转子侧PWM变流器的运行控制方法，针对并网型风力发电系统仿真分析的工程需求，本发明专利技术建立了双馈型感应风力发电机网侧PWM变流器数学模型，设计了基于d轴电网电压定向的网侧变流器控制方法，实现电流跟踪控制和逆变器直流母线电压均衡控制。建立了转子侧变流器数学模型，设计了定子磁链定向的DFIG转子电流控制方法。通过在PLECS软件平台下搭建了2MW双馈异步发电机仿真分析模型，对次同步状态、超同步状态，以及次同步到超同步状态之间的过渡过程进行了详细分析，结果表明所设计的数学模型和控制方法是可行的。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电力系统领域，涉及并网型风力发电系统及其控制，具体涉及到一种风力发电系统电磁暂态数学建模及其软件仿真技术与方法。
技术介绍
作为新能源发电之一，风力发电已经成为当今世界上规模化开发程度最高、技术最成熟和发展速度最快的可再生能源之一。近年来，风力发电技术在全世界范围内发展迅速，风力发电系统正在经历从小容量到大容量、从单风机系统向大规模风电场、从陆上风电向海上风电发展过渡的时期。双馈风力发电系统采用双PWM变流器进行励磁控制，具有有功和无功功率解耦控制的优点，从而能够调节发电机输出的有功和无功功率，具有与同步机类似的系统调节能力，能够对电网频率和电压起到调节和支撑的作用。大多数风电场双馈风力发电机主要以单位功率因数方式运行，未能充分发挥其功率调节能力参与电网调节。存在如何最大限度发挥双馈风力发电系统无功功率调节性能，以满足电网多目标需求问题，对双变流器协调控制策略进行深入研究是解决该问题的关键，开展双馈风力发电系统双PWM变流器控制策略研究，具有重要的理论价值和工程实际意义。
技术实现思路
基于现有技术存在的问题，本专利技术提出了一种DFIG网侧PWM变流器的运行控制方法，具体为：导出基于d轴电网电压定向(ugq＝0)、dq分量形式的网侧变流器交流侧电压表达式为：其中，Lg和Rg分别为网侧变流器的并网电抗和及其等效电阻，igd和igq分别为网侧变流器的d轴和q轴电流，ugd为电网电压d轴分量，ω1为电网电压的角频率；式(10)表明网侧变流器d轴、q轴电流除受vgd、vgq的控制以外，还受电流交叉耦合项ω1Lgigq、ω1Lgigq，电压降Rgigd、Rgigq以及电网电压ugd的影响；设：为了消除控制静差，引入积分环节，设计如下电流控制器：式中，分别为d、q轴电流参考值，kigp、kigi分别为电流控制器的比例、积分系数；式(12)给出了电流控制器的输出电压，代入式(10)可得网侧变流器交流侧电压参考值：式(13)表明，由于引入了电流状态反馈量ω1Lgigq、ω1Lgigq来实现解耦，同时又引入了电网扰动电压项和电压降项Rgigd、Rgigq进行前馈补偿，从而实现d、q轴电流的解耦控制；直流环节电压控制器可采用类似式(12)所示电流控制器的方式来设计，即：式中，为直流母线电压参考值，kvp、kvi分别为直流电压控制器的比例、积分系数；此外，网侧变流器直流侧与交流侧的功率平衡关系为：则d轴电流的参考值可由式(13)、式(14)和式(15)求得为：即实现网侧PWM变流器的运行控制。为解决上述问题，本专利技术还提出了一种DFIG转子侧PWM变流器的运行控制方法，具体为：同步速旋转坐标系的d轴定向与定子磁链矢量Ψs时，有：ψsd＝|Ψs|＝ψs，ψsq＝0(17)其中，ψs为定子磁链矢量的幅值；|Ims|为定子励磁电流矢量幅值，在理想电网电压条件下，视为常量；Lm为互感；imsq为定子励磁电流q轴分量；ψsq为定子磁链q轴分量。定子磁链幅值和坐标变换用空间位置角度θ1可通过定子磁链矢量的αβ分量来计算：式中，Rs为定子电电阻；ψsα、ψsβ分别为定子磁链矢量的α、β分量；usα、usβ分别为定子电压矢量的α、β分量；isα、isβ分别为定子电流矢量的α、β分量；根据定子磁链定向下DFIG的定子有功、无功功率表达式为：其中，Us为定子电压；Pcus、ψs分别为定子绕组铜耗和定子磁链；Pes为定子输出的励磁功率；为定子电流矢量的共轭矢量；定子铜耗相对于电磁功率很小，在功率控制时，忽略不计，可得：根据式(23)，化简可得到：其中，ird为转子电流的d轴分量；为转子电流矢量的共轭矢量；由式(23)和式(24)可以看出，采用定子磁链定向后，控制转子电流q轴分量就可以控制DFIG定子输出有功功率，控制转子电流d轴分量就可以控制DFIG定子输出无功功率，实现了有功和无功功率的解耦控制。设计转子电流的闭环控制器时，可将转子电压矢量方程写成d、q分量形式：其中，Lr、Rr分别为转子绕组电阻和转子等效两相绕组自感；ψrd、ψrq分别为转子磁链的d、q轴分量；ird、irq分别为转子电流的d、q轴分量；ωslip、σ分别为为转差电角速度和为发电机的漏磁系数；由于采用定子磁链定向，将转子磁链用定子磁链和转子电流来表示：式中，Ls为dq坐标系中定子等效两相绕组自感；将式(26)代入式(25)中，得到：式(27)表明，转子d、q轴电压除受到id、iq的控制以外，还受到电流交叉耦合项，转子电压降以及定子磁链的影响；按式(28)引入中间变量：为消除静差，引入积分环节，按式(27)设计如下电流控制器：其中，分别为转子d、q轴电流参考值，kirp、kiri分别为转子电流控制器的比例、积分系数。将式(29)代入式(27)中，得到：式(30)表明，通过引入电流交叉耦合项，转子电压降以及定子磁链前馈补偿，从而实现了d、q轴电流的解耦控制。本专利技术的有益效果：针对并网型风力发电系统仿真分析的工程需求，本专利技术建立了双馈型感应风力发电机(DFIG)网侧PWM变流器数学模型，设计了基于d轴电网电压定向的网侧变流器控制方法，实现电流跟踪控制和逆变器直流母线电压均衡控制。建立了转子侧变流器数学模型，设计了定子磁链定向的DFIG转子电流控制方法。通过在PLECS软件平台下搭建了2MW双馈异步发电机仿真分析模型，对次同步状态、超同步状态，以及次同步到超同步状态之间的过渡过程进行了详细分析，结果表明所设计的数学模型和控制方法是可行的，本专利技术的方法可以进一步拓展到大规模风电场接入电网的稳态和动态特性研究。附图说明图1DIFG网侧PWM变流器的主电路示意图；图2网侧变流器控制系统结构示意图；图3基于d轴电网电压定向的网侧变流器控制框图；图4基于定子磁链定向的DFIG转子电流控制框图；图5基于PLECS的DFIG风电系统仿真框图；图6次同步稳态运行时DFIG定、转子和总输出有功、无功功率(a)有功功率(b)无功功率示意图；图7次同步稳态运行时DFIG转子电流、电压(a)转子电压(b)转子电流示意图；图8次同步稳态运行时DFIG定子输出电流、电压(a)定子电压(b)定子电流示意图；图9超同步稳态运行时DFIG定、转子和总输出有功、无功功率(a)有功功率(b)无功功率示意图；图10超同步稳态运行时DFIG转子电流、电压(a)转子电压(b)转子电流示意图；图11超同步稳态运行时DFIG定子输出电流、电压(a)定子电压(b)定子电流示意图；图12过渡过程DFIG定、转子和总输出有功、无功功率(a)有功功率(b)无功功率示意图；图13过渡过程中DFIG的转子电流、电压(a)转子电压(b)转子电流示意图；图14过渡过程电网侧相电压、电流与直流母线电压(a)相电压(b)相电流(c)直流母线电压示意图；图15过渡过程转子转速与转矩(a)转子转速(b)转子转矩示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的实施例做进一步的说明。具体从以下几个方面进行说明：建立DFIG网侧PWM变流器数学模型双馈型风力发电机网侧变流器的主电路如图1所示。图中，uga、ugb、ugc分别为三相电网的相电压；iga、igb、igc分别为三相输入电流；vga、vgb、vgc分别为变流器交流侧三相电压；Udc为变流本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种DFIG网侧PWM变流器的运行控制方法，具体为：导出基于d轴电网电压定向(ugq＝0)、dq分量形式的网侧变流器交流侧电压表达式为：vgd=-Rgigd-Lgdigddt+ω1Lgigq+ugdvgq=-Rgigq-Lgdigqdt-ω1Lgigd---(10)]]>其中，Lg和Rg分别为网侧变流器的并网电抗和及其等效电阻，igd和igq分别为网侧变流器的d轴和q轴电流，ugd为电网电压d轴分量，ω1为电网电压的角频率；式(10)表明网侧变流器d轴、q轴电流除受vgd、vgq的控制以外，还受电流交叉耦合项ω1Lgigq、ω1Lgigq，电压降Rgigd、Rgigq以及电网电压ugd的影响；设：vgd′=Lgdigddt,vgq′=Lgdigqdt---(11)]]>为了消除控制静差，引入积分环节，设计如下电流控制器：vgd′=Lgdigddt=Lgdigd*dt+kigp(igd*-igd)+kigi∫(igd*-igd)dtvgq′=Lgdigqdt=Lgdigq*dt+kigp(igq*-igq)+kigi∫(igq*-igq)dt---(12)]]>式中，分别为d、q轴电流参考值，kigp、kigi分别为电流控制器的比例、积分系数；式(12)给出了电流控制器的输出电压，代入式(10)可得网侧变流器交流侧电压参考值：vgd*=-vgd′-Rgigd+ω1Lgigq+ugdvgq*=-vgq′-Rgigq-ω1Lgigd---(13)]]>式(13)表明，由于引入了电流状态反馈量ω1Lgigq、ω1Lgigq来实现解耦，同时又引入了电网扰动电压项和电压降项Rgigd、Rgigq进行前馈补偿，从而实现d、q轴电流的解耦控制；直流环节电压控制器可采用类似式(12)所示电流控制器的方式来设计，即：ic=CdUdcdt=CdUdc*dt+kvp(Udc*-Udc)+kvi∫(Udc*-Udc)dt---(14)]]>式中，为直流母线电压参考值，kvp、kvi分别为直流电压控制器的比例、积分系数；此外，网侧变流器直流侧与交流侧的功率平衡关系为：Pg=-32ugdigd=Udciload=Pload---(15)]]>则d轴电流的参考值可由式(13)、式(14)和式(15)求得为：igd*=-32Udcugd(iload-ic)---(16)]]>即实现网侧PWM变流器的运行控制。...

【技术特征摘要】
1.一种DFIG网侧PWM变流器的运行控制方法，具体为：导出基于d轴电网电压定向(ugq＝0)、dq分量形式的网侧变流器交流侧电压表达式为：vgd=-Rgigd-Lgdigddt+ω1Lgigq+ugdvgq=-Rgigq-Lgdigqdt-ω1Lgigd---(10)]]>其中，Lg和Rg分别为网侧变流器的并网电抗和及其等效电阻，igd和igq分别为网侧变流器的d轴和q轴电流，ugd为电网电压d轴分量，ω1为电网电压的角频率；式(10)表明网侧变流器d轴、q轴电流除受vgd、vgq的控制以外，还受电流交叉耦合项ω1Lgigq、ω1Lgigq，电压降Rgigd、Rgigq以及电网电压ugd的影响；设：vgd′=Lgdigddt,vgq′=Lgdigqdt---(11)]]>为了消除控制静差，引入积分环节，设计如下电流控制器：vgd′=Lgdigddt=Lgdigd*dt+kigp(igd*-igd)+kigi∫(igd*-igd)dtvgq′=Lgdigqdt=Lgdigq*dt+kigp(igq*-igq)+kigi∫(igq*-igq)dt---(12)]]>式中，分别为d、q轴电流参考值，kigp、kigi分别为电流控制器的比例、积分系数；式(12)给出了电流控制器的输出电压，代入式(10)可得网侧变流器交流侧电压参考值：vgd*=-vgd′-Rgigd+ω1Lgigq+ugdvgq*=-vgq′-Rgigq-ω1Lgigd---(13)]]>式(13)表明，由于引入了电流状态反馈量ω1Lgigq、ω1Lgigq来实现解耦，同时又引入了电网扰动电压项和电压降项Rgigd、Rgigq进行前馈补偿，从而实现d、q轴电流的解耦控制；直流环节电压控制器可采用类似式(12)所示电流控制器的方式来设计，即：ic=CdUdcdt=CdUdc*dt+kvp(Udc*-Udc)+kvi∫(Udc*-Udc)dt---(14)]]>式中，为直流母线电压参考值，kvp、kvi分别为直流电压控制器的比例、积分系数；此外，网侧变流器直流侧与交流侧的功率平衡关系为：Pg=-32ugdigd=Udciload=Pload---(15)]]>则d轴电流的参考值可由式(13)、式(14)和式(15)求得为：igd*=-32Udcugd(iload-ic)---(16)]]>即实现网侧PWM变流器的运行控制。2.一种DFIG转子侧PWM变流器的运行控制方法，具体为：同步速旋转坐标系的d轴定向与定子磁链矢量Ψs时，有：ψsd＝|Ψs|＝ψs，ψsq＝0(17)imsd=|Ims|=ψsLm,imsq=0---(18)]]>其中，ψs为定子磁链矢量的幅值；|Ims|为定子励磁电流矢量幅值，在理想电网电压条件下，视为常量；Lm为互感；imsq为定子励磁电流q轴分量；ψsq为定子磁链q轴分量。定子磁链幅值和坐标变换用空间位置角度θ1可通过定子磁链矢量的αβ分量来计算：ψsα=∫(usα-Rsisα)dtψsβ=∫(usβ-Rsisβ)dt---(19)]]>ψs=ψsα2+ψsβ2---(20)]]>θ1=arctanψsβψsα---(21)]]>式中，Rs为定子电电阻；ψsα、ψsβ分别为定子磁链矢量的α、β分量；usα、usβ分别为定子电压矢量的α、β分量；isα、isβ分别为定子电流矢量的α、β分量；根据定子磁链定向下DFIG的定子有功、无功功率表达式为：Ps=-Re[32UsI^s]≈Pes+PcusQs=-32Im[UsI...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆畅，付晓，智勇军，
申请(专利权)人：国网河南省电力公司平顶山供电公司，
类型：发明
国别省市：河南;41