电压源型的永磁同步风电机组在弱网下的并网控制方法技术

本发明专利技术公开了一种电压源型的永磁同步风电机组在弱网下的并网控制方法，涉及风力发电领域。该并网控制方法通过对网侧变流器实施基于虚拟同步发电机的模型预测控制，实现了对风电机组的并网控制。即在常规的虚拟同步发电机控制的基础上采用直流电压电压环对直流电压进行直接控制；在常规电容电压内环基础上，采用具有有限集模型预测控制的电流内环，并且将电流作为优化目标，实现了对电容电压和滤波电感电流的有效控制。该控制方法涉及的风电机组结构可以在低开关频率下运行，降低损耗，并且有很好的动态性能。同时在弱电网条件下也可以具有很大的惯性、电压和频率支撑能力，直流电压的稳定控制也使得系统稳定性得到提高。压的稳定控制也使得系统稳定性得到提高。压的稳定控制也使得系统稳定性得到提高。

【技术实现步骤摘要】
电压源型的永磁同步风电机组在弱网下的并网控制方法


[0001]本专利技术涉及风力发电领域，具体提出一种电压源型的永磁同步风电机组在弱网下的并网控制方法。

技术介绍

[0002]风能作为一种清洁新能源，是新能源发电领域不可或缺的一部分，随着我国的风力发电需求的增高，大容量、高比例的风电系统不断并入电网，对电网频率的稳定造成了影响。风电机组的发电机本身具备惯量，但是其电网侧并网的控制结构，使得风电机组的输出功率与电网频率解耦，频率波动时难以发出相应的补偿功率，以维持系统频率的稳定；另一方面，在弱电网条件下，网侧频率和电压的波动会导致直流侧电压的不稳定，从而使整个系统存在功率震荡而不稳定。
[0003]采用基于电网电压矢量定向控制策略的并网变流器一般通过锁相环(PLL)实现与电网的同步，但锁相环带来的稳定性问题不可忽视，尤其是在短路比(SCR)较低的弱电网条件下，采用锁相环实现电网同步并网变流器难以实现较好的控制效果，不合适的参数设计甚至会导致系统失稳。
[0004]永磁同步风力发电机经过一个背靠背变流器与电网相连，发电机所产生的电能由此背靠背变流器输送至电网。背靠背变流器由机侧变流器、网侧变流器及直流母线电容组成。这种直流侧为电容的变流器又被称为电压源型变流器。电压源型变流器作为一种并网接口被广泛应用于新能源领域，其一般通过锁相环(PLL)实现与电网同步，但在弱电网条件下，锁相环的动态性能严重恶化，甚至会导致变流器失稳。本专利技术提出一种应用于永磁同步风电机组网侧变流器改进的虚拟同步机控制方法，该方法通过直流侧电容电压实现与电网的自同步，避免了锁相环在弱电网条件下的不利影响，提高弱电网条件下的稳定性。
[0005]为解决风电机组无法参与频率调节的问题，现有的控制策略中永磁同步风力发电机的机侧变流器常常采用虚拟惯量控制方法，该方法类比火电机组转子运动方程，通过锁相环(PLL)检测并网点的频率，将其进行处理附加在机侧的功率给定上，通过释放风力发电机的转子动能为电网提供补偿功率，而网侧变流器也为了提供一定的频率和电压支撑能力，通常也有采用虚拟同步机控制的方法。然而，随着风电比例的进一步增高以及弱电网条件下的扰动情况，网侧变流器常规的控制不能满足频率调节的条件，并且在频率调节过程中不具有稳定直流电压的能力，同时也不能在弱网条件下达到很好的频率电压的支撑效果，故需要采取一种方法对系统惯量和直流电压稳定进行协调优化。
[0006]近年来通过对同步机调速及励磁器特性模拟实现的虚拟同步思想能够满足相应的要求，但如何在风电中实现虚拟同步控制以及相关分析虽有涉及，但仍然不够充分。文献“贺家发，宋美艳，兰洲，黄林彬，辛焕海，汪震.适应于弱电网的永磁直驱风电机组虚拟惯量协调控制策略[J].电力系统自动化，2018，42(09)：83-90.”提出一种适应于弱电网的永磁直驱风电机组虚拟惯量协调控制策略，该控制策略可利用存储于风机的旋转动能为电网提供虚拟惯量，利用直流电容动态实现直驱风电机组网侧逆变器的并网自同步。其本质上是
利用风机转子中蕴含的动能去弥补风机的频率响应能力，使风机具有一定的惯性响应能力，但风机转子中的动能有限，当系统扰动较大时，转子动能无法提供足够的有功支撑，同时直流电压控制结构参数较多，调节难度较大。
[0007]目前针对于直流侧电压的稳定的虚拟同步控制策略主要还只是在于逆变器方面的研究，而应用于风电机组的研究的较少，而逆变器的部分控制方法由于风电机组背靠背的并网结构而不能直接应用于直驱风电机组的并网变流器中。
[0008]有限集模型预测控制因其算法简单、动态性能优越、多目标约束等优点受到很多学者关注研究，并应用到了风力发电机组的控制算法中。文献“朱沙，卢子广，王子豪，叶伟清.永磁同步电机转矩预测虚拟电压矢量控制[J].电气传动，2019，49(06)：24-29.”提出了转矩预测虚拟电压矢量控制方法，通过预测转矩抑制转矩脉动，增加系统稳定性。但目前对于风力发电机组的模型预测控制方面的研究并没有与虚拟同步控制结合在一起，在弱网下缺少频率和惯性的支撑能力。
[0009]综上所述，现有的虚拟同步控制技术还存在如下问题：
[0010]1、弱电网条件下，锁相环的性能被严重恶化，进而影响到系统的稳定性；
[0011]2、采用有功-频率虚拟同步的局限性，意味着网侧接受功率指令控制有功输出而需要机侧对直流电压进行控制，可能会造成机侧控制不稳定；
[0012]3、传统虚拟同步发电机控制通常包含有电压电流双环控制，需要调节整定的参数要多。

技术实现思路

[0013]本专利技术旨在基于常规的虚拟同步控制的基础上，对大功率、高比例风电情况下的电网频率和风电机组稳定运行进行优化，提高弱网下风电机组的并网稳定性，抑制由扰动引发直流侧电压波动。具体的，在本专利技术中，采用了风力机、永磁同步发电机、实行常规虚拟惯量控制的机侧变流器和基于虚拟同步的有限集模型预测控制的网侧变流器构成的风电机组，并通过对网侧变流器实施虚拟同步与模型预测控制实现了风电机组的在弱网条件下的并网优化控制。
[0014]本专利技术的目的是这样实现的，本专利技术提供了一种电压源型的永磁同步风电机组在弱网下的并网控制方法，应用该控制方法的永磁同步风电机组包括风力机、永磁同步发电机、机侧变流器、网侧变流器、直流电容C、滤波器、线路电感和电网，所述的滤波器包括滤波电感和滤波电容；所述风力机、永磁同步发电机、机侧变流器、网侧变流器、滤波电感、线路电感、电网顺序连接；滤波电容的一端连接在滤波电感和线路电感之间，另一端接地；直流电容C并联在机侧变流器和网侧变流器之间的直流正母线P和直流负母线N之间；所述的网侧变流器由a、b、c三相桥臂组成，每相桥臂包括2个开关管，即网侧变流器共包括6个开关管，分别记为开关管S
a1
、开关管S
a2
、开关管S
b1
、开关管S
b2
、开关管S
c1
、开关管S
c2
；
[0015]所述并网控制方法通过对网侧变流器实施基于虚拟同步发电机的模型预测控制，实现了对永磁同步风电机组的并网控制，具体步骤如下：
[0016]步骤1，设当前时刻为k，进行信号采集及坐标变换：
[0017]采样k时刻滤波电感电流i
La
(k)，i
Lb
(k)，i
Lc
(k)，并进行坐标变换得到同步旋转dq坐标系下的k时刻滤波电感电流dq轴分量i
Ld
(k)，i
Lq
(k)；采样k时刻并网点电压U
sa
(k)，U
sb
(k)，U
sc
(k)，并进行坐标变换得到同步旋转dq坐标系下的k时刻并网点电压dq轴分量U
sd
(k)，U
sq
(k)；采样k时刻并网点电流i
sa
(k)，i
sb
(k)，i
sc
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电压源型的永磁同步风电机组在弱网下的并网控制方法，应用该控制方法的永磁同步风电机组包括风力机、永磁同步发电机、机侧变流器、网侧变流器、直流电容C、滤波器、线路电感和电网，所述的滤波器包括滤波电感和滤波电容；所述风力机、永磁同步发电机、机侧变流器、网侧变流器、滤波电感、线路电感、电网顺序连接；滤波电容的一端连接在滤波电感和线路电感之间，另一端接地；直流电容C并联在机侧变流器和网侧变流器之间的直流正母线P和直流负母线N之间；所述的网侧变流器由a、b、c三相桥臂组成，每相桥臂包括2个开关管，即网侧变流器共包括6个开关管，分别记为开关管S
a1
、开关管S
a2
、开关管S
b1
、开关管S
b2
、开关管S
c1
、开关管S
c2
；其特征在于，所述并网控制方法通过对网侧变流器实施基于虚拟同步发电机的模型预测控制，实现了对永磁同步风电机组的并网控制，具体步骤如下：步骤1，设当前时刻为k，进行信号采集及坐标变换：采样k时刻滤波电感电流i
La
(k)，i
Lb
(k)，i
Lc
(k)，并进行坐标变换得到同步旋转dq坐标系下的k时刻滤波电感电流dq轴分量i
Ld
(k)，i
Lq
(k)；采样k时刻并网点电压U
sa
(k)，U
sb
(k)，U
sc
(k)，并进行坐标变换得到同步旋转dq坐标系下的k时刻并网点电压dq轴分量U
sd
(k)，U
sq
(k)；采样k时刻并网点电流i
sa
(k)，i
sb
(k)，i
sc
(k)，并进行坐标变换得到同步旋转dq坐标系下的k时刻并网点电流dq轴量i
sd
(k)，i
sq
(k)；采样直流电容两侧的电压并记为直流电压U
dc
；步骤2，将步骤1得到的k时刻并网点电压dq轴分量U
sd
(k)，U
sq
(k)和k时刻并网点电流dq轴分量i
sd
(k)，i
sq
(k)代入到功率计算方程计算得到k时刻并网点有功功率P
e
(k)和k时刻并网点无功功率Q
e
(k)，所述功率计算方程的表达式如下：步骤3，计算k时刻虚拟电网相位角步骤3.1，将步骤1中得到的直流电压U
dc
代入功率参考值计算方程，得到功率参考值P
ref
，所述功率参考值计算方程的表达式如下：式中，为直流电压参考值，K
p
为直流电压环的比例系数，K
i
为直流电压环的积分系数，S为拉普拉斯算子；步骤3.2，将步骤2中得到的K时刻并网点有功功率P
e
(k)与步骤3.1中得到的功率参考值P
ref
代入到虚拟同步机模拟调速器方程，得到k时刻模拟电网角频率ω
*
(k)，所述虚拟同步机模拟调速器方程的表达式如下：式中，ω0为电网角频率的额定值，D为阻尼系数，J为惯性系数，ω(k)为k时刻虚拟电网角频率，Δω为频率差；
步骤3.3，对步骤3.2中得到的k时刻模拟电网角频率ω
*
(k)进行积分，得到k时刻虚拟电网相位角步骤4，将步骤2中得到的k时刻并网点无功功率Q
e
(k)代入到无功电压方程，得到电压参考值U
ref
，所述无功电压方程的表达式如下：U
ref
＝E0+n
×
{Q
ref-Q
e
(k)}式中，E0为虚拟同步发电机机端电压给定值，n为无功功率调节下垂系数，Q
ref
为无功功率给定值；步骤5，将步骤1得到的k时刻并网点电压dq轴分量U
sd
(k)，U
sq
(k)代入电流参考值计算方程计算得到k时刻滤波电感电流参考值dq轴分量所述电流参考值计算方程的表达式如下：式中，K
pu
为电压环PI的比例系数，K
iu
为电压环PI的积分系数，C
f
为滤波器的电容值；步骤6，网侧变流器开关状态信号的设定；根据网侧变流器的驱动信号得到网侧变流器k时刻三相桥臂的开关状态信号，并分别记为k时刻网侧变流器a相桥臂的开关状态信号S
a
、k时刻网侧变流器b相桥臂的开关状态信号S
b
、k时刻网侧变流器c相桥臂的开关状态信号S
c
；开关状态信号S
a
、S
b
、S
c
等于0或1；根据网侧变流器三相桥臂的开关状态，得到8个k时刻作用的电压矢量u
j
(S
a
，S

【专利技术属性】
技术研发人员：谢震，张悬光，高翔，张兴，王超，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：