电网电压不平衡时双馈电机的网侧变流器控制方法与流程

本发明涉及一种分布式发电技术，特别涉及一种电网电压不平衡时双馈电机的网侧变流器控制方法。

背景技术：

随着风电机组对电力系统稳定性影响的增加，保证在电网电压出现不平衡时风电机组不脱网运行显得尤为重要。在众多的风力发电机中双馈异步风力发电机(Doubly Fed Induction Generator，DFIG)以其相对低廉的成本而得到广泛应用。DFIG的转子采用两个PWM变换器，即转子侧变换器(Rotor-Side Converter，RSC)和网侧变换器(Grid-Side Converter，GSC)。由于两个变换器通过中间的直流母线和大电容相连接，因此，可以通过网侧变换器实现网侧独立的解耦控制，得到其控制目标，改善控制质量。2014年第4期《电力系统自动化》中《双馈风力发电机网侧变流器的PCHD建模与IDA-PB控制》一文提出根据双馈电机的物理模型引入了基于端口受控的耗散哈密顿(Port-Controlled Hamilton with Dissipation，PCHD)模型的无源控制(Passivity-based Control，PBC)方法，该方法具有响应速度快、鲁棒性强、系统结构简单、物理意义明确、易于实现等优点。然而，无源控制是在忽略线路中电感、电阻值参数摄动、整流器存在内扰和外扰情况下建立的，因此单纯的的互联和阻尼配置无源控制策略对网侧变换器的控制效果会受到影响。

技术实现要素：

本发明是针对双馈异步风力发电机无源控制存在的问题，提出了一种电网电压不平衡时双馈电机的网侧变流器控制方法，采用无源控制策略在减小不平衡电网电压对RSC系统的影响、提高RSC系统不平衡电网电压的穿越运行能力的同时，能够抑制系统参数摄动和干扰等不确定因素对网侧电流的不利影响。

本发明的技术方案为：一种电网电压不平衡时双馈电机的网侧变流器控制方法，双馈电机的转子采用转子侧变换器和网侧变换器两个变换器控制，两个变换器通过中间的直流母线和大电容相连接，网侧变流器控制采用PID电压外环控制，电流内环采用IMO内模观测器与无源控制器相结合的控制方法，具体包括：外环电压环的PID控制器输出后与直流母线电压相乘得到平均有功功率分量P_g0，与平均无功功率分量Q_g0一起再经过3种控制目标计算，得到内环电流环网侧电流的参考值输入到无源控制器中；

网侧电压、电流的瞬时值经过正负序分离后，得到的正负序电流值，通过IMO内模观测器，计算得到内环电流补偿量；网侧电流的瞬时值经过正负序分离后，得到的正负序电流值与内环电流环网侧电流的参考值一起送入无源控制器，电流内环的IMO内模观测器和无源控制器，分别在正负双同步旋转坐标系中控制各自的正、负序分量，使得各电磁量的正、负序分量在各自坐标系中变为直流量进行控制；

3种控制目标分别为1)网侧输入有功功率只含有直流分量；2)网侧输入的无功功率只含有直流分量；3)网侧输入的电流不含负序分量。

所述无源控制器在端口受控的耗散哈密顿PCHD模型的基础上，采用互联和阻尼分配无源性控制方法设计，设计前提条件为：

A:系统能量增长综合总是小于系统能量耗散总和，即系统具有耗散性；

B:系统是耗散的，且满足输入严格无源和输出严格无源，则系统是严格无源的。定义网侧变流器的数学模型为：

L_gpq_gp+C_gpq_gp+R_gpq_gp＝u_gp

其中，

其中R_g为线路阻抗与电感等效串联电阻总和，L_g为滤波电感，ω为电网同步角速度，和分别为正序分量在正转坐标系d轴和q轴上的网侧电压分量、网侧变流器交流侧电压分量、网侧变流器交流侧电流分量；和为负序分量在负转坐标系d轴和q轴上的网侧电压分量、网侧变流器交流侧电压分量、网侧变流器交流侧电流分量；

取系统的能量函数H_gp为：

L系统能量函数中的正定对称矩阵，

取和

上标T为转置，上标-1为矩阵的逆，上面打点是对其求导；

得电网网侧正序的PCHD模型为：

式中：J_gp为互联矩阵，为反对称矩阵；为耗散矩阵，为正定的对称矩阵；

同理，得到负转同步旋转坐标系下负序分量的PCHD模型为：

由于新旧的互联矩阵结构守恒，取注入的新的互联矩阵和阻尼矩阵分别为：

为互联系数；和为阻尼系数，它们均为非负数且不同时为0。

所述IMO内模观测器针对控制器中电流环存在参数摄动、干扰不确定因素，在无源控制基础上加入了基于内模控制的状态观测器，由极点配置方法优化观测器参数，实现了对电流的补偿控制；

改写网侧变流器的数学模型为：

其中，上式增加的干扰量项可表示为：

为不可测干扰；ΔL_g＝L_g-L_g0，ΔR_g＝R_g-R_g0分别为系统实际参数值L_g、R_g与滤波电感额定值L_g0、线路等效串联电阻额定值R_g0之间的偏差；

本发明的有益效果在于：本发明电网电压不平衡时双馈电机的网侧变流器控制方法，实现了对电流的补偿控制，使得电流稳态波动变小。与现有技术相比，本发明具有理论先进、动态响应速度快、鲁棒性强等优点。

附图说明

图1为本发明网侧变换器的结构框图；

图2为本发明不平衡电压下网侧变流器控制系统原理框图；

图3为本发明3种控制策略下直流母线电压波形图；

图4-1为本发明PID控制的网侧电流波形图；

图4-2为本发明PBC控制的网侧电流波图；

图4-3为本发明IMO+PBC控制策略网侧电流波形图；

图5-1为本发明3种控制策略下网侧有功功率波形图；

图5-2为本发明3种控制策略下网侧无功功率波形图；

图6为本发明IMO观测器估计的不确定量示意图。

具体实施方式

本发明涉及电网电压不平衡情况下双馈电机的网侧变流器的控制策略，该方法基于内模观测器和无源控制策略。首先，根据电网电压不平衡情况下网侧变换器内环的电流双环控制，建立其正负序模型，计算不同控制目标下的网侧电流参考值；然后，基于端口受控的耗散哈密顿(PCHD)模型，采用互联和阻尼分配无源性控制(IDA-PBC)方法，设计出了GSC无源控制器；最后，针对控制器中电流环存在参数摄动、干扰等不确定因素，在无源控制基础上加入了基于内模控制(IMC)的状态观测器，由极点配置方法优化观测器参数，实现了对电流的补偿控制，使得电流稳态波动变小。

如图1所示，本发明实施例所提供的一种电网电压不平衡时双馈电机的网侧变流器控制方法，图中，u_a、u_b、u_c为电网电压，v_a、v_b、v_c为网侧变换器GSC交流侧电压，R_g为线路阻抗与电感等效串联电阻总和，L_g为滤波电感，i_a、i_b、i_c为GSC输入电流，C为直流母线的电容，u_dc为直流母线的电压，i_load为网侧流到RSC的电流。网侧变流器控制方法，即电压外环仍采用PID控制，电流内环采用本文提出的IMO内模观测器与PBC无源控制相结合的控制策略。外环电压环的PID控制器输出后与直流母线电压相乘得到平均有功功率分量P_g0，与平均无功功率分量Q_g0一起再经过3种控制目标计算，就可得到内环电流环网侧电流的参考值输入到PBC无源控制器中。网侧电压、电流的瞬时值经过正负序分离后，得到的正负序电流值，通过IMO内模观测器，计算得到内环电流补偿量。网侧电流的瞬时值经过正负序分离后，得到的正负序电流值与内环电流环网侧电流的参考值一起送入无源控制器，电流内环采用IMO+PBC无源控制器，它们分别在正负双同步旋转坐标系(SRF)中控制各自的正、负序分量，使得各电磁量的正、负序分量在各自坐标系中变为直流量，以方便控制。具体步骤如下：

步骤S1：根据电网电压不平衡情况下变换器内环的电流双环控制，建立其正负序模型，计算不同控制目标下的网侧电流参考值。

电压不平衡下电网输至网侧变流器的瞬时功率S为：

式中：P_g0为平均有功功率分量，P_g2sin、P_g2cos为2倍频正弦、余弦有功功率分量；Q_g0为平均无功功率分量；Q_g2sin、Q_g2cos为2倍频正弦、余弦无功功率分量；θ为坐标系中转子a轴与定子三相绕组参考轴线A轴间的角位移；ω为电网同步角速度。

整理成矩阵形式为：

(1)目标1：网侧输入有功功率只含有直流分量(P_g2sin＝P_g2cos＝0)

式中：分别为正序分量在正转坐标系d轴和q轴上的指令电流值；和分别为正序分量在正转坐标系d轴和q轴上的网侧电压分量、网侧变流器交流侧电压分量、网侧变流器交流侧电流分量；和为负序分量在负转坐标系d轴和q轴上的网侧电压分量、网侧变流器交流侧电压分量、网侧变流器交流侧电流分量；D₃、D₄分别为：

(2)目标2：网侧输入的无功功率只含有直流分量(Q_g2sin＝Q_g2cos＝0)

(3)控制目标3网侧输入的电流不含负序分量

步骤S2：基于端口受控的耗散哈密顿(PCHD)模型，采用互联和阻尼分配无源性控制(IDA-PBC)方法，设计出GSC无源控制器，其前提条件为：

1)系统能量增长综合总是小于系统能量耗散总和，即系统具有耗散性；

2)系统是耗散的，且满足输入严格无源和输出严格无源，则系统是严格无源的。

系统中各物理量都是能量变化的反映，只要系统的能量得以控制，系统的物理量就得以控制。无源控制理论是从系统的能量入手的非线性控制理论，较传统的控制策略更接近于双馈电机的物理模型，利于实现系统的全局稳定性。

定义网侧变流器的数学模型为：

L_gpq_gp+C_gpq_gp+R_gpq_gp＝u_gp

其中，

取系统的能量函数H_gp为：

L系统能量函数中的正定对称矩阵，

取和

上标T为转置，上标-1为矩阵的逆，上面打点是对其求导。

可得DFIG网侧(电网网侧)正序的PCHD模型为：

式中：J_gp为互联矩阵，为反对称矩阵；为耗散矩阵，为正定的对称矩阵。

同理，可以得到负转同步旋转坐标系下负序分量的PCHD模型为：

由于新旧的互联矩阵结构守恒，取注入的新的互联矩阵和阻尼矩阵分别为：

为互联系数；和为阻尼系数，它们均为非负数且不同时为0，其取值原则为：在满足系统无源的情况下尽量使控制器结构简单。

步骤S3：针对控制器中电流环存在参数摄动、干扰等不确定因素，在无源控制基础上加入了基于内模控制(IMC)的状态观测器，由极点配置方法优化观测器参数，实现了对电流的补偿控制，使得电流稳态波动变小；

改写网侧变流器的数学模型为：

其中，上式增加的干扰量项可表示为：

为不可测干扰；ΔL_g＝L_g-L_g0，ΔR_g＝R_g-R_g0分别为系统实际参数值L_g、R_g与滤波电感额定值L_g0、线路等效串联电阻额定值R_g0之间的偏差。

在MATLAB/Simulink仿真平台中对上面提出的基于IMO和PBC相结合的DFIG网侧变换器正负序控制方法的可行性进行了仿真研究。系统仿真参数取值为：双馈电机DFIG的主要参数取值见表1；内模观测器(IMO)参数为：ΔR_g＝0.2δR_g0，ΔL_g＝0.2δL_g0，ε_q＝ε_d＝5δ，(其中δ为0均值，幅值为±1.0均匀分布随机噪声)；在满足系统严格无源的基础上进一步简化控制器结构，选取：阻尼系数互联系数J₁₂＝J₁₁＝J₂₂＝0；外环电压环PID控制参数为：k_p＝0.05，k_i＝25，k_d＝0；给定的不平衡电压为a相跌落10％。

表1

为了说明本方法的优越性，本文对GSC的外环电压环采用完全相同参数的PID控制，但对GSC的内环电流环分别采用了本文提出的控制、PBC无源控制、传统的PID控制3种方法进行仿真对比，在不同时段内实现3种不同控制目标，其中：

1)t＝0～0.2s：按照控制目标1下运行，以消除网侧有功功率2倍频；

2)t＝0.2～0.4s：按照控制目标2下运行，以消除网侧无功功率2倍频；

3)t＝0.4～0.6s：按照控制目标3下运行，以消除网侧电流负序分量。具体实验效果为：

图3为3种控制策略下直流母线电压波形。由图可见，在电压不平衡情况下，选择控制目标1时，传统PID控制策略下，DFIG在0.05s时直流母线电压达到稳定值，而在无源控制和本文的控制策略下0.01s便稳定；在控制目标2、3下，本文控制策略较传统PID控制和PBC无源控制，震荡小，且波形更加平滑。因此，本文所提的控制策略的动态响应速度更快、抗干扰能力更强。

图4-1、4-2、4-3为3种控制策略下网侧的电流波形。由图可见，控制目标1下，采用传统PID控制策略，网侧电流值在0～0.05s时间内超调量较大，易导致变换器饱和，而无源控制与本文控制策略无超调；控制目标2时，3种控制策略效果相仿；在控制目标3时，传统的PID控制策略下，网侧电流0.5s时达到相对平衡，无源控制与本文所提的控制策略下0.4s平衡，但无源控制策略中a相电流相对b、c相仍有轻微跌落。因此，本文所提的控制策略在动态响应速度和稳定性方面具有明显优势。

图5为3种控制策略下网侧功率波形。表2为在3种不同控制目标下采用3种控制策略时有功、无功2倍频谐波脉动分量与平均功率的比值表。由图5-1、5-2和表2可见，在控制目标1、2、3下，相比于传统PID控制、PBC控制，本文所提的控制策略下有功、无功的稳定时间、超调量和谐波含量更小。因此，本文所提出控制策略的网侧功率在控制性能上优于前两种控制策略。

表2

图6为IMO观测器所得到的不确定量估计值和由图6可见，IMO观测器通过估计GSC系统的不确定量，将估计值补偿给电流环，与PBC无源控制策略相结合，在提高反应速度的同时，电流纹波和直流母线电压稳态误差均有下降。因此，仿真结果说明IMO观测器能够很好地实现电流补偿，抑制电流纹波。