一种永磁直驱风电系统网侧逆变器低电压穿越控制方法转让专利
申请号 : CN201210252092.3
文献号 : CN102769306B
文献日 : 2014-10-29
发明人 : 张友鹏 , 董唯光 , 郭瑾 , 高锋阳 , 刘景利 , 叶爱贤 , 李萌 , 赵斌
申请人 : 兰州交通大学
摘要 :
本发明公开了一种永磁直驱风电系统网侧逆变器低电压穿越控制方法，包括功率检测器a、功率检测器b、功率变化检测器和控制电路，功率变化检测器用于接收功率检测器a和b的输出信号，以记录功率变化，功率变化检测器中有一个比较器，用于比较风电机输出功率和网侧逆变器输出功率，产生实际功率差信号ΔP，将此信号ΔP输入到控制电路的外环控制器中；控制电路实现电流解耦，并产生PWM控制信号，驱动逆变器；本发明提出使用功率外环的控制方法保证电压跌落并网期间系统的稳定和无功能够跟随电网跌落深度进行补偿，同时对网侧变流器过流进行限制，保证网侧变流器稳定工作。
权利要求 :
1.一种永磁直驱风电系统网侧逆变器低电压穿越控制方法，其特征在于，包括功率检测器a、功率检测器b、功率变化检测器和控制电路，其中：功率检测器a用于连续的监测风电机输出功率，并提供正比于风电机输出功率的输出信号；功率检测器b用于连续的监测网侧逆变器输出功率，并提供正比于网侧逆变器输出功率的输出信号；功率变化检测器用于接收功率检测器a和b的输出信号，以记录功率变化，功率变化检测器中有一个比较器，用于比较风电机输出功率和网侧逆变器输出功率，产生实际功率差信号ΔP，将此信号ΔP输入到控制电路的外环控制器中；控制电路实现电流解耦，并产生PWM控制信号，驱动逆变器，控制电路包括内环控制器和外环控制器，外环控制器接收实际功率差信号ΔP。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，具体控制步骤如下；
步骤一、外环控制器接收功率变化检测器产生的实际功率差信号ΔP和系统设定的功*率差信号ΔP，外环控制器中的比较器经过比较实际功率差信号ΔP、系统设定的功率差信*号ΔP 得到功率差偏差信号；
步骤二、步骤一得到的功率差偏差信号经外环控制器调节产生q轴无功电流参考值*iq ；
*
步骤三、d轴有功电流参考值id 根据下式确定，即 式中：imax为逆变器允许通过最大电流；
* *
步骤四、通过park变换得到实际的iq和id并与iq 和id 进行比较，偏差通过内环控制* * * *器然后进行park逆变换，得到q轴控制电压和d轴控制电压uq 和ud ；uq 和ud 经过park* * * *逆变换产生uα 和uβ，uα 和uβ 驱动SVPWM模块产生六路脉冲信号，控制网侧逆变器开关信号，实现功率变换。
说明书 :
一种永磁直驱风电系统网侧逆变器低电压穿越控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及的是一种永磁直驱风电系统网侧逆变器低电压穿越控制方法。
背景技术
[0002] 风能是一种可再生能源，据估计，地球上的风能理论储存量约为2.74×109MW，可7
开发利用的风能为2×10MW，只要利用地球上1％的风能就能满足全球的能源需求。但是风能是一种间歇性能源，不稳定、地区差异大，加之我国风电事业起步较晚，国产化水平不高，尤其是我国在风电并网技术上还存在较多问题，近年风电脱网事故频出，暴露出当前风电机组的低电压穿越能力欠缺的问题，对于低电压穿越能力各国都出台了相应的标准，我国标准Q/GDW 392-2009。
开发利用的风能为2×10MW，只要利用地球上1％的风能就能满足全球的能源需求。但是风能是一种间歇性能源，不稳定、地区差异大，加之我国风电事业起步较晚，国产化水平不高，尤其是我国在风电并网技术上还存在较多问题，近年风电脱网事故频出，暴露出当前风电机组的低电压穿越能力欠缺的问题，对于低电压穿越能力各国都出台了相应的标准，我国标准Q/GDW 392-2009。
[0003] 在电网电压跌落期间，对于永磁直驱风电系统来说，直流母线电压上升和逆变器输出电流激增，以及如何实现对电网的无功补偿，是其在低电压穿越过程中面对的主要问题。由于风机输入能量瞬时不变，而逆变器输出能量瞬时减小，在直流母线上会产生不平衡的能量，如果这部分能量不能尽快输送出去，将导致直流侧电容持续充电，对电容造成损害。同时为了使能量得到平衡，网侧逆变器要增大输出电流，同样过大的电流会对网侧逆变器造成损害。而且如果电网电压不能及时得到无功支持而恢复，风机在超出标准规定的时间内仍会断网，所以无功支持也是提高低电压穿越的一个重要技术保障。
[0004] 硬件方法：在直流侧增加卸荷负载电路以消耗或存储不平衡功率，保证直流电容电压稳定，；增设SVC补偿无功缺失，稳定母线电压。卸荷电路通过IGBT和直流母线直接相连，当电网电压跌落时，电压跌落检测装置会将电压跌落信号传到网侧变流器控制器中，控制器根据跌落深度控制卸荷负载的投入大小。同时，自动采样控制电路采集电网电压跌落信号，控制晶闸管触发角控制无功输出，进而对无功进行补偿。对于增加卸荷负载和SVC的硬件方法会带来如下问题：
[0005] 1、使系统复杂化，可靠性下降，卸荷负载电路以及SVC价格昂贵，成本、体积增加；
[0006] 2、在并网电压跌落时需要转变工作模式，需要对电网电压进行快速精确的监测，同时在转换过程中增加系统不可控因素，给系统带来暂态扰动；
[0007] 3、卸荷负载和SVC投放时机和程度不易确定，调节精度不高，调节时间长。
[0008] 控制方法：现行网侧变流器控制一般采用电压外环和电流内环控制系统。电压外环稳定直流电容电压，将采集值与设定值进行比较，偏差通过PI调节器输出有功无功电流参考量；电流内环将有功电流和无功电流解耦控制，通过SVPWM控制逆变器输出能量。对于控制方法，采集直流母线电压作为电压外环采集时间长，由于是对电容电压进行采集，电容电压不能突变，因此采集信息时间长，反应慢，存在滞后现象。
[0009] 术语解释；
[0010] 1.低电压穿越(low voltage ride-through，LVRT)：指在风力发电机并网点电压跌落的时候，风机能够保持并网，甚至向电网提供一定的无功功率，支持电网电压恢复，“穿越”这个低电压时间(区域)。
[0011] 2.静止动态无功补偿器(static var compensator，SVC)：一种可控的电力电子器件，由电抗器和电力电容器组成，可以补偿无功电流，改善功率因数。
[0012] 3.永磁直驱同步风力发电机(direct-driven wind turbine with permanent magnet synchronous generator，D-PMSG)：一种风力发电机，一般采用全功率变流器并网。
发明内容
[0013] 本发明针对硬件电路的控制难度大，在投出和切除的时候对系统带来暂态影响以及增大系统成本的不足上，提出使用功率外环的控制方法保证电压跌落并网期间系统的稳定和无功能够跟随电网跌落深度进行补偿，同时对网侧变流器过流进行限制，保证网侧变流器稳定工作。因为引起直流电容电压升高的根本原因是母线上存在不平衡功率，所以用功率环作为保证电容电压的控制器更能体现出其本质问题，也能得到更好的控制效果。
[0014] 本发明的技术方案如下：
[0015] 一种永磁直驱风电系统网侧逆变器低电压穿越控制方法，包括功率检测器a、功率检测器b、功率变化检测器和控制电路，其中：功率检测器a用于连续的监测风电机输出功率，并提供正比于风电机输出功率的输出信号；功率检测器b用于连续的监测网侧逆变器输出功率，并提供正比于网侧逆变器输出功率的输出信号；功率变化检测器用于接收功率检测器a和b的输出信号，以记录功率变化，功率变化检测器中有一个比较器，用于比较风电机输出功率和网侧逆变器输出功率，产生实际功率差信号ΔP，将此信号ΔP输入到控制电路的外环控制器中；控制电路实现电流解耦，并产生PWM控制信号，驱动逆变器，控制电路包括内环控制器和外环控制器，外环控制器接收实际功率差信号ΔP；
[0016] 具体控制步骤如下；
[0017] 步骤一、外坏控制器接收功率变化检测器产生的实际功率差信号ΔP和系统设定*的功率差信号ΔP，外环控制器中的比较器经过比较实际功率差信号ΔP、系统设定的功率*
差信号ΔP 得到功率差偏差信号；
差信号ΔP 得到功率差偏差信号；
[0018] 步骤二、步骤一得到的功率差偏差信号经外环控制器调节产生q轴无功电流参考*值iq ；
[0019] 步骤三、d轴有功电流参考值id*根据下式确定，即 式中：imax为逆变器允许通过最大电流；* *
[0020] 步骤四、通过park变换得到实际的iq和id并与iq 和id 进行比较，偏差通过内* * * *环控制器然后进行park逆变换，得到q轴控制电压和d轴控制电压uq 和ud ；uq 和ud 经* * * *
过park逆变换产生uα 和uβ，uα 和uβ 驱动SVPWM模块产生六路脉冲信号，控制网侧逆变器开关信号，实现功率变换。
过park逆变换产生uα 和uβ，uα 和uβ 驱动SVPWM模块产生六路脉冲信号，控制网侧逆变器开关信号，实现功率变换。
[0021] 本发明针对硬件电路的控制难度大，在投出和切除的时候对系统带来暂态影响以及增大系统成本的不足上，提出使用功率外环的控制方法保证电压跌落并网期间系统的稳定和无功能够跟随电网跌落深度进行补偿，同时对网侧变流器过流进行限制，保证网侧变流器稳定工作。因为引起直流电容电压升高的根本原因是母线上存在不平衡功率，所以用功率环作为保证电容电压的控制器更能体现出其本质问题，也能得到更好的控制效果，具体优点如下；
[0022] (1)运用合理的控制策略提高低电压穿越能力，省去需要添加的复杂电路和设备，降低成本，减少功耗和系统体积，同时可以提高系统在电压跌落时的可控性；
[0023] (2)直流母线电压波动的根本原因是由于母线上存在不平衡功率，所以用功率差作为控制信号能，能更好的控制电流内环，减少因电容电压不能突变而延迟的时间，使系统更快稳定直流母线电压；
[0024] (3)使用imax对网侧变流器进行过流保护，保证加大无功电流输出时，网侧变流器能够不过流；
[0025] (4)根据式 可以对无功电流和有功电流重新分配，在电网电压降低时将风机作为无功电源，不用增加SVC等无功补偿设备；
[0026] 运行控制系统采用PI控制器，不需要复杂的数学算法，控制方法原理简单，易于工程实现，控制系统动态性能良好。
附图说明
[0027] 图1为网侧逆变器控制原理图；
[0028] 图2为网侧逆变器内外环控制结构图；
[0029] 图3为网侧逆变器解耦控制框图；
[0030] 图4为电网电压跌落波形；
[0031] 图5为直流电容电压波形；
[0032] 图6为系统无功输出。
具体实施方式
[0033] 以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
[0034] 图1为网侧逆变器控制原理图。其中包括功率检测器a、功率检测器b、功率变化检测器和控制电路。其中：
[0035] 功率检测器a用于连续的监测风电机输出功率，并提供正比于风电机输出功率的输出信号；
[0036] 功率检测器b用于连续的监测网侧逆变器输出功率，并提供正比于网侧逆变器输出功率的输出信号；
[0037] 功率变化检测器用于接收功率检测器a和b的输出信号，以记录功率变化，功率变化检测器中有一个比较器，用于比较风电机输出功率和网侧逆变器输出功率，产生实际功率差信号ΔP，将此信号ΔP输入到控制电路的外环控制器中；
[0038] 控制电路实现电流解耦，并产生PWM控制信号，驱动逆变器，控制电路包括内环控制器和外环控制器，外环控制器接收实际功率差信号ΔP。
[0039] 图2为网侧逆变器内外环控制结构图，控制步骤如下；
[0040] 步骤一、外环控制器接收功率变化检测器产生的实际功率差信号ΔP和系统设定*的功率差信号ΔP，外环控制器中的比较器经过比较实际功率差信号ΔP、系统设定的功率*
差信号ΔP 得到功率差偏差信号；
差信号ΔP 得到功率差偏差信号；
[0041] 步骤二、步骤一得到的功率差偏差信号经外环控制器调节产生q轴无功电流参考*值iq ；
[0042] 步骤三、d轴有功电流参考值id*根据下式确定，即 式中：imax为逆变器允许通过最大电流；* *
[0043] 步骤四、通过park变换得到实际的iq和id并与iq 和id 进行比较，偏差通过内* * * *环控制器然后进行park逆变换，得到q轴控制电压和d轴控制电压uq 和ud ；uq 和ud 经* * * *
过park逆变换产生uα 和uβ，uα 和uβ 驱动SVPWM模块产生六路脉冲信号，控制网侧逆变器开关信号，实现功率变换。
过park逆变换产生uα 和uβ，uα 和uβ 驱动SVPWM模块产生六路脉冲信号，控制网侧逆变器开关信号，实现功率变换。
[0044] 图4为电网在0.3s发生三相对称故障时，电压跌落至20％，在0.5秒恢复正常水平的仿真图，跌落持续时间为0.2s。
[0045] 图5为电网电压跌落期间，功率外环控制下的直流母线电压波形。从仿真波形可以看出在电压跌落期间直流母线由于功率不平衡造成电压波动，但是在PI控制器下，波动幅度不大，波动幅度限制在±6V内。
[0046] 图6为在电压跌落期间网侧逆变器输出的无功情况，在正常状态下系统输出无功为0，保持最大有功输出，当电网电压跌落后，系统根据跌落深度对无功电流迅速进行计算，控制无功电流输出，帮助母线电压保持稳定。
[0047] 应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。