基于分数阶滤波的电压源型双馈风机前馈阻尼控制方法

摘要

本发明公开了一种基于分数阶滤波的电压源型双馈风机前馈阻尼控制方法，其步骤包括：1、数据采样和数据转换；2、根据有功功率和无功功率，对双馈电机进行下垂控制；3、将下垂控制得到的电压幅值和频率作为电压和电流控制环的给定；4、比例反馈系数K_FO的选取。本发明能有效提高系统的动态和稳态抑制谐振能力，从而能使双馈电机的运行更加稳定。

权利要求

1.一种基于分数阶滤波的电压源型双馈风机前馈阻尼控制方法，其特征是按如下步骤进行：步骤一、数据采样和数据转换：

步骤1.1、采样双馈发电机定子的三相输出电压uA、uB、uC和三相输出电流iA、iB、iC以及双馈发电机转子的三相电流ia、ib、ic；并利用锁相环采集公共耦合点的电网三相电压upcc，利用光电编码器采集双馈电机转子的角速度ωr；

步骤1.2、将双馈发电机定子的三相输出电压uA、uB、uC进行同步旋转坐标变换，得到定子电压dq轴分量usd、usq；

将定子三相输出电流iA、iB、iC进行同步旋转坐标变换，得到定子电流dq轴分量isd、isq；

将转子三相电流ia、ib、ic进行同步旋转坐标变换，得到转子电流dq轴分量ird、irq；

由电网三相电压upcc得到电网电压幅值U0和电网频率ω0；

对转子角速度ωr进行积分运算，得到转子旋转角度θr；

步骤二、利用式(1)得到定子输出的有功功率P和无功功率Q：利用式(2)得到滤波后的有功功率P′和无功功率Q′：式(2)中：ωp为滤波器的截止频率，s表示微分算子；

步骤三、下垂控制：

利用式(3)得到有功功率的频率ωs和电压指令分量Us，并将频率ωs积分后得到功角θs，从而实现双馈电机的下垂控制；

式(3)中：Pref、Qref分别为有功功率和无功功率的并网功率给定值；ω0、u0分别为电网额定工作频率和额定电压幅值；KP、KQ分别为双馈电机网侧有功功率和无功功率的下垂系数；

步骤四、电压和电流控制环：

利用式(4)得到转子电流的d轴分量参考值ird_ref和q轴分量参考值irq_ref：式(4)中：Kp为电压环PI调节器的比例控制系数，Ki为电压环PI调节器的积分控制系数；

为电流环PI调节器的积分运算；irq_ref为电流环q轴电流指令分量，ird_ref为电流环d轴电流指令分量；

利用式(5)得到转子电压的q轴电压分量urq和d轴电压分量urd：式(5)中：K′p为电流环PI调节器的比例控制系数，K′i为电流环PI调节器的积分控制系数；iqFO、idFO分别为q轴、d轴的分数阶带通滤波器反馈分量；且iqFO、idFO分别由定子电流dq轴分量isq、isd经过分数阶带通滤波器后乘以比例反馈系数K_FO得到；

步骤五、所述转子电压d轴给定值和q轴给定值经过SVPWM调制后生成逆变器功率器件的开关信号，从而控制转子侧逆变器的功率器件的开通和关断。

2.根据权利要求1所述的基于分数阶滤波的电压源型双馈风机前馈阻尼控制方法，其特征是，所述步骤4中的比例反馈系数K_FO是按如下步骤获得：步骤a、利用式(6)得到等效开环传递函数Gkus：式(6)中，Gi、Gu分别为电流环PI控制器的表达式及电压环PI控制器的表达式，Zgrid表示弱电网的阻抗，Ls为定子漏抗，Lm为励磁电抗；G1、G2、Gp表示简化电机模型中的三个传递函数；并有：式(7)中，ωsl为转差角频率，σ为双馈发电机的漏磁系数，Lr为双馈发电机的等效电感，Rr为双馈发电机的等效电阻；j为复数的虚部；

步骤b、利用式(8)得到相位裕度γ：

式(8)中，ωc为所述等效开环传递函数Gkus的截止频率； 为等效开环传递函数Gkus的相角运算；

步骤c、由所述相位裕度γ得到开环bode图，从而在开环bode图中选取相位裕度γ的取值在30°～70°之间所对应的任一谐波电压的比例反馈系数K_FO；

所述步骤4中的分数阶带通滤波器是采用分数阶传递函数的整数阶近似的方法获得如式(9)所示的基于分数阶带通滤波器的传递函数GFO：式(9)中，α和β分别为独立调节低频带和高频带的衰减比。

说明书

基于分数阶滤波的电压源型双馈风机前馈阻尼控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及风力发电领域，具体的说是一种基于分数阶滤波的电压源型双馈风机前馈阻尼控制方法。

背景技术

[0002] 随着风力发电技术的迅速发展，单机容量和总装机容量的不断提升，电网逐渐适应消纳大规模风电。但是，大容量的风力发电机组集中式接入电网，也给电力系统带来了许多稳定性问题。受限于风能资源与负荷的逆向分布，大规模风电基地大多呈现高感抗的弱电网特征，而弱电网与风力发电系统容易产生强的交互影响，严重威胁系统的稳定性；在极弱电网条件下，R/X较小时，会产生功率传递限制问题；在弱电网场景中，为了提高远距离输电线路的输送容量、节约输电走廊而采用串联补偿技术，为了提高弱电网环境下电网电压的稳定性，必须要提高其无功补偿容量，将动态无功补偿装置安装在风电场的接入点中，这样能有效抑制电压波动与闪变。这样与弱电网连接的系统中若含有串联或者并联补偿，会和发电系统交互影响，产生次同步谐振和高频谐振。因此，在弱电网环境下，大容量风电场对电网的适应性需满足更高的要求。

[0003] 针对弱电网环境下电网电压稳定性的问题，根据已有公开的参考文献，一些研究的主要方法有：

[0004] 题为“Placement and Implementation of Grid‑Forming and Grid‑Following Virtual Inertia and Fast Frequency Response”的文献针对低惯性系统的惯性模拟和快速频率响应问题，建立了电网跟随式和主动式惯量支撑的模型，对系统中器件位置和参数进行优化，但是实现起来较本方法繁琐复杂。

[0005] 题为“Direct Active and Reactive Power Regulation of DFIG Using Sliding‑Mode Control Approach的文献提出一种基于双馈发电机虚拟同步控制的方法，能够为弱电网提供较大的惯量支撑，增强了电网频率的稳定性，但是并没有考虑到频率响应的快速性。

[0006] 题为“Direct Power Control of Doubly Fed Induction Generator Using Extended Power Theory UnderUnbalanced Network的文献提出了一种新的直接功率控制(DPC)方法。该方法基于无差拍功率控制原理计算转子参考电压。然后，利用空间矢量调制(SVM)合成转子参考电压，但是并没有考虑到不平衡后恢复的快速性以及谐振抑制能力不足的问题。

[0007] 总之现有研究主要是以电流控制型DFIG的中高频谐振问题研究较多，而对于电压控制型DFIG系统在这方面的研究仍然相对空缺。

发明内容

[0008] 本发明为解决现有技术的不足之处，提出一种基于分数阶滤波的电压源型双馈风机前馈阻尼控制方法，以期能有效提高系统的动态和稳态抑制谐振能力，从而使双馈电机的运行更加稳定。

[0009] 本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

[0010] 本发明一种基于分数阶滤波的电压源型双馈风机前馈阻尼控制方法的特点是按如下步骤进行：

[0011] 步骤一、数据采样和数据转换：

[0012] 步骤1.1、采样双馈发电机定子的三相输出电压uA、uB、uC和三相输出电流iA、iB、iC以及双馈发电机转子的三相电流ia、ib、ic；并利用锁相环采集公共耦合点的电网三相电压upcc，利用光电编码器采集双馈电机转子的角速度ωr；

[0013] 步骤1.2、将双馈发电机定子的三相输出电压uA、uB、uC进行同步旋转坐标变换，得到定子电压dq轴分量usd、usq；

[0014] 将定子三相输出电流iA、iB、iC进行同步旋转坐标变换，得到定子电流dq轴分量isd、isq；

[0015] 将转子三相电流ia、ib、ic进行同步旋转坐标变换，得到转子电流dq轴分量ird、irq；

[0016] 由电网三相电压upcc得到电网电压幅值U0和电网频率ω0；

[0017] 对转子角速度ωr进行积分运算，得到转子旋转角度θr；

[0018] 步骤二、利用式(1)得到定子输出的有功功率P和无功功率Q：

[0019]

[0020] 利用式(2)得到滤波后的有功功率P′和无功功率Q′：

[0021]

[0022] 式(2)中：ωp为滤波器的截止频率，s表示微分算子；

[0023] 步骤三、下垂控制：

[0024] 利用式(3)得到有功功率的频率ωs和电压指令分量Us，并将频率ωs积分后得到功角θs，从而实现双馈电机的下垂控制；

[0025]

[0026] 式(3)中：Pref、Qref分别为有功功率和无功功率的并网功率给定值；ω0、u0分别为电网额定工作频率和额定电压幅值；KP、KQ分别为双馈电机网侧有功功率和无功功率的下垂系数；

[0027] 步骤四、电压和电流控制环：

[0028] 利用式(4)得到转子电流的q轴分量参考值ird_ref和d轴分量参考值irq_ref：

[0029]

[0030] 式(4)中：Kp为电压环PI调节器的比例控制系数，Ki为电压环PI调节器的积分控制系数； 为电流环PI调节器的积分运算；irq_ref为电流环q轴电流指令分量，ird_ref为电流环d轴电流指令分量；

[0031] 利用式(5)得到转子电压的q轴电压分量urq和d轴电压分量urd：

[0032]

[0033] 式(5)中：K′p为电流环PI调节器的比例控制系数，K′i为电流环PI调节器的积分控制系数；iqFO、idFO分别为q轴、d轴的分数阶带通滤波器反馈分量；且iqFO、idFO分别由定子电流dq轴分量isq、isd经过分数阶带通滤波器后乘以比例反馈系数K_FO得到；

[0034] 步骤五、所述转子电压d轴给定值和q轴给定值经过SVPWM调制后生成逆变器功率器件的开关信号，从而控制转子侧逆变器的功率器件的开通和关断。

[0035] 本发明所述的基于分数阶滤波的电压源型双馈风机前馈阻尼控制方法的特点也在于，所述步骤4中的比例反馈系数K_FO是按如下步骤获得：

[0036] 步骤a、利用式(6)得到等效开环传递函数Gkus：

[0037]

[0038] 式(6)中，Gi、Gu分别为电流环PI控制器的表达式及电压环PI控制器的表达式，Zgrid表示弱电网的阻抗，Ls为定子漏抗，Lm为励磁电抗；G1、G2、Gp表示简化电机模型中的三个传递函数；并有：

[0039]

[0040] 式(7)中，ωsl为转差角频率，σ为双馈发电机的漏磁系数，Lr为双馈发电机的等效电感，Rr为双馈发电机的等效电阻；j为复数的虚部；

[0041] 步骤b、利用式(8)得到相位裕度γ：

[0042]

[0043] 式(8)中，ωc为所述等效开环传递函数Gkus的截止频率； 为等效开环传递函数Gkus的相角运算；

[0044] 步骤c、由所述相位裕度γ得到开环bode图，从而在开环bode图中选取相位裕度γ的取值在30°～70°之间所对应的任一谐波电压的比例反馈系数K_FO。

[0045] 所述步骤4中的分数阶带通滤波器是采用分数阶传递函数的整数阶近似的方法获得如式(9)所示的基于分数阶带通滤波器的传递函数GFO：

[0046]

[0047] 式(9)中，α和β分别为独立调节低频带和高频带的衰减比。

[0048] 与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

[0049] 1、本发明采用双馈发电机下垂控制策略，内层结构为电压和电流控制双闭环，此结构增加了系统的稳定性。

[0050] 2、本发明通过在电网电流前馈控制通道上加入基于分数阶的带通滤波器，有效提高了系统的动态和稳态抑制谐振能力。

[0051] 3、本发明仅需在电网电压前馈通道上添加一个分数阶带通滤波器及比例前馈系数K_FO的补偿环节，实现方式简单有效。

附图说明

[0052] 图1为本发明等效开环传递函数K_FO的控制框图；

[0053] 图2为本发明双馈发电机分数阶阻抗重塑的控制框图。

具体实施方式

[0054] 本实施例中，双馈感应风电机组的组成包括：风力机、感应电机、转子侧变流器和直流侧电容，感应电机包括转子和定子。风力机捕捉的风能通过感应电机转换为电能注入电网，转子侧变流器连接发电机转子，本发明利用在转子侧变流器中加入谐波抑制的方法，设计下垂并网的双馈风力发电机谐波电压抑制策略。

[0055] 本次实验平台用INOVANCEMD320变频器驱动一台三相鼠笼式异步电动机拖动双馈发电机，采用串联电感来模拟不同弱电网程度。该模拟平台中的双馈发电机额定参数为：额定功率：11kW，电网电压：195V，直流电压：350V，定子电感：0.06892H，转子电感：0.06938H，互感：0.0676H，定子电阻：0.2852Ω，转子电阻：0.2938Ω，极对数：2，额定频率：50Hz，额定转速：1500rpm，开关频率：8kHz。

[0056] 该种基于分数阶滤波的电压源型双馈风机前馈阻尼控制方法是按如下步骤进行：

[0057] 步骤一、数据采样和数据转换：

[0058] 步骤1.1、如图2控制框图所示，采样双馈发电机定子的三相输出电压uA、uB、uC和三相输出电流iA、iB、iC以及双馈发电机转子的三相电流ia、ib、ic；并利用锁相环采集公共耦合点的电网三相电压upcc，利用光电编码器采集双馈电机转子的角速度ωr；

[0059] 步骤1.2、将双馈发电机定子的三相输出电压uA、uB、uC进行同步旋转坐标变换，得到定子电压dq轴分量usd、usq；

[0060] 将定子三相输出电流iA、iB、iC进行同步旋转坐标变换，得到定子电流dq轴分量isd、isq；

[0061] 将转子三相电流ia、ib、ic进行同步旋转坐标变换，得到转子电流dq轴分量ird、irq；

[0062] 由电网三相电压upcc得到电网电压幅值U0和电网频率ω0；

[0063] 对转子角速度ωr进行积分运算，得到转子旋转角度θr；

[0064] 步骤二、利用式(1)得到定子输出的有功功率P和无功功率Q：

[0065]

[0066] 利用式(2)得到滤波后的有功功率P′和无功功率Q′：

[0067]

[0068] 式(2)中：ωp为滤波器的截止频率，s表示微分算子；

[0069] 步骤三、下垂控制：

[0070] 如图2控制框图所示，利用式(3)得到有功功率的频率ωs和电压指令分量Us，并将频率ωs积分后得到功角θs，从而实现双馈电机的下垂控制；

[0071]

[0072] 式(3)中：Pref、Qref分别为有功功率和无功功率的并网功率给定值；ω0、u0分别为电网额定工作频率和额定电压幅值；KP、KQ分别为双馈电机网侧有功功率和无功功率的下垂系数；

[0073] 步骤四、电压和电流控制环：

[0074] 如图2控制框图所示，利用式(4)得到转子电流的q轴分量参考值ird_ref和d轴分量参考值irq_ref：

[0075]

[0076] 式(4)中：Kp为电压环PI调节器的比例控制系数，Ki为电压环PI调节器的积分控制系数；为电流环PI调节器的积分运算；irq_ref为电流环q轴电流指令分量，ird_ref为电流环d轴电流指令分量；

[0077] 利用式(5)得到转子电压的q轴电压分量urq和d轴电压分量urd：

[0078]

[0079] 式(5)中：K′p为电流环PI调节器的比例控制系数，K′i为电流环PI调节器的积分控制系数；iqFO、idFO分别为q轴、d轴的分数阶带通滤波器反馈分量；其中，iqFO、idFO分别由定子电流dq轴分量isq、isd经过分数阶带通滤波器后乘以比例参数K_FO得到；

[0080] 3、比例反馈系数K_FO是按如下步骤获得：

[0081] 步骤a、如图1所示，利用式(6)得到等效开环传递函数Gkus：

[0082]

[0083] 式(6)中，Gi、Gu分别为电流环PI控制器的表达式及电压环PI控制器的表达式，Zgrid表示弱电网的阻抗，Ls为定子漏抗，Lm为励磁电抗；G1、G2、Gp表示简化电机模型中的三个传递函数；并有：

[0084]

[0085] 式(7)中，ωsl为转差角频率，σ为双馈发电机的漏磁系数，Lr为双馈发电机的等效电感，Rr为双馈发电机的等效电阻；j为复数的虚部；

[0086] 结合bode图，发现比例反馈系数K_FO系数增大，在谐振频率段处的增益逐渐减小，电压控制型DFIG系统抑制谐振的能力也就越强，系统抗弱电网的扰动能力也就越强。

[0087] 步骤b、利用式(8)得到相位裕度γ：

[0088]

[0089] 式(8)中，ωc为等效开环传递函数Gkus的截止频率； 为等效开环传递函数Gkus的相角运算；

[0090] 步骤c、由相位裕度γ得到开环bode图，从而在开环bode图中选取相位裕度γ的取值在30°～70°之间所对应的任一谐波电压比例反馈系数K_FO。结合开环系统bode图，K_FO参数从0.001、0.01、0.1、0.2时，系统稳定裕度为40°、65°、70°和82°，结合抑制效果，选择分数阶阻尼系数范围为K_FO＝0.01～0.02。

[0091] 分数阶带通滤波器是采用分数阶传递函数的整数阶近似的方法获得如式(9)所示的基于分数阶带通滤波器的传递函数GFO：

[0092]

[0093] 式(9)中，α和β能独立调节低频带和高频带的衰减比，低频带衰减比仅依赖于分数阶电容的α阶数，而高频带衰减仅依赖于分数阶电感的β阶数，而在相位特性上满足α+β＞2时，在高频段相位270°，在α+β≤2时，相位为90°，呈电容特性。本实施例中取α＝1、β＝0.8，相对拥有更高的带宽，能保证对基频影响相对较小且在谐振频段有更好的提取效果。

[0094] 步骤五、如图2控制框图所示，转子电压d轴给定值和q轴给定值经过SVPWM调制后生成逆变器功率器件的开关信号，从而控制转子侧逆变器的功率器件的开通和关断。