基于定子双绕组异步风电机组虚拟同步化并网控制方法及系统与流程

本发明涉及一种分布式微网系统的并网控制方法，尤其涉及基于定子双绕组异步风电机组虚拟同步化并网控制方法及系统。

背景技术：

定子双绕组感应发电机(Dual Stator-Winding Induction Generator，简称DWIG)采用无刷结构，结构简单坚固，无电刷和滑环；定子上布置了两套绕组，一套为功率绕组，输出端接有励磁电容、整流器、滤波电容，输出直流电压；另一套为控制绕组，接有静止励磁变换器，此励磁变换器的容量只需系统容量的1/3左右，由变换器提供系统所需的无功电流，采用一定的控制策略，可以有效地控制功率绕组输出直流电压的幅值保持恒定。这两套绕组具有相同的极对数，因此其工作频率也相同，它们在电气上没有任何连接，是通过磁进行耦合，所以可以减小由于变换器开关动作引起的高频谐波对功率绕组的影响，提高系统的电磁兼容能力和效率。

大量的理论和实验都证明，DWIG在高速运行环境下的独立电源系统中拥有优异的动静态性能，鉴于此研究成果，再结合DWIG功率绕组侧整流输出直流的特性，以及DWIG自身独特的特点和优点，将其应用于风力发电系统中，可具备一定的竞争优势，尤其适用于海上风力发电场的直流集电输送系统。DWIG风力发电系统作为一个新兴的风电系统，电机成本低廉、无刷、可灵活弱磁，在较宽的转速运行范围内运行只需小容量的励磁控制器，与当前最主流的有刷双馈和直驱永磁机型相比，不仅继承了有刷双馈和直驱永磁这两种机型的相关优点，还弥补了一些致命的缺点，如不易弱磁，有电刷滑环等。可见，将DWIG用于风力发电具有很大的创新性和可行性，具有广阔应用前景。

在传统发电机并网控制策略中，微网逆变器通常在并网运行时用P/Q控制，而孤岛运行时用V/F控制，但该方法难以实现不同运行模式间的平滑切换。针对这个问题，为提高电网对分布式电源的接纳能力，近期国内外学者提出虚拟同步发电机技术(Virtual Synchronous Generator，简称VSG)，使分布式电源具有同步发电机的转动惯性、一次调频、一次调压的特性。如何对微网中逆变器进行有效的控制,借鉴继承传统并网控制策略的优势并发扬虚拟同步发电机自身独有的特点，如何与前级定子双转子发电机控制策略匹配兼容协调工作，如何解决母线电压波动引起的虚拟同步化并网控制策略中调制波畸变问题，如何抑制并网瞬间的冲击电流，是虚拟同步化并网控制策略能否可靠高效运行的关键。这就亟需本领域技术人员解决相应的技术问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供基于定子双绕组异步风电机组虚拟同步化并网控制方法及系统，改善传统并网算法的缺陷发扬虚拟同步算法的优势，并且使虚拟同步化并网控制方法与定子双绕组异步风电机组控制方法相互匹配，抑制母线电压波动对虚拟同步化并网控制方法产生的影响的同时抑制虚拟同步化并网控制方法输出调制波的畸变而对发电机侧控制算法的影响，从而实现整个定子双绕组异步风电系统高效稳定运行，而且使电网侧断路器前输出电压矢量快速追踪电网电压矢量，选择适当并网时机使并网瞬间无冲击电流，可实现高效柔性并网。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一方面，本发明提供了基于定子双绕组异步风电机组虚拟同步化并网控制系统，所述系统包括定子双绕组异步风电机组以及虚拟同步控制装置，所述定子双绕组异步风电机组与所述虚拟同步控制装置电连接。

所述定子双绕组异步风电机组具体包括定子双绕组感应电机、励磁电容、不控整流桥、滤波电容、轻载、滤波电感、控制侧逆变器、电力二极管、蓄电池、电机侧控制器以及驱动电路；

电机功率侧与所述励磁电容、不控整流桥、滤波电容、轻载依次电连接，电机控制侧与所述滤波电感、控制侧逆变器、滤波电容依次电连接，并与电力二极管和蓄电池的串联支路电连接，采集不控整流桥处的电压信号和控制侧逆变器处的电压信号并送入电机侧控制器，采集滤波电感处的电流信号并和所述电机侧控制器的输出信号一起送入驱动电路，所述驱动电路与所述控制侧逆变器电连接。

所述虚拟同步控制装置具体包括电网侧逆变器、LCL滤波电路、三相断路器、电网、瞬时功率计算模块、虚拟同步发电机控制器、虚拟阻抗、准比例谐振双环控制器、空间电压矢量调制器、预同步控制器、准同期并列控制器、LCL侧锁相环以及电网侧锁相环；

所述电网侧逆变器、LCL滤波电路、三相断路器、电网依次电连接，所述电网侧逆变器与所述不控整流桥电连接，采集LCL侧电压信号送入所述瞬时功率计算模块，所述瞬时功率计算模块、虚拟同步发电机控制器、准比例谐振双环控制器、空间电压矢量调制器依次连接，所述虚拟阻抗、虚拟同步发电机控制器、预同步控制器、准同期并列控制器依次连接，所述空间电压矢量调制器的输出端与所述电网侧逆变器电连接。

另一方面，本发明提供了基于定子双绕组异步风电机组虚拟同步化并网控制方法，采用定子双绕组异步风电机组对虚拟同步控制装置输送功率；采用电压外环的电流滞环控制算法控制定子双绕组异步风电机组，所述虚拟同步控制装置采用基于采用虚拟同步化并网控制策略实现并网。

进一步的,所述定子双绕组异步风电机组的定子上包括控制绕组和功率绕组；

所述功率绕组与不控整流桥相连接，向直流母线输送功率，为所述虚拟同步控制装置提供电源；

所述控制绕组侧逆变器采用电压外环的电流滞环控制算法控制定子双绕组感应电机。

进一步的,所述控制绕组侧逆变器采用电压外环的电流滞环控制算法控制定子双绕组感应电机，具体包括：

电机侧控制器根据控制绕组侧的电压与控制侧的电压给定值的比较值、功率绕组侧的电压与功率绕组侧的电压给定值的比较值计算得到d、q轴给定电流，由直接磁场定向得到定向角，产生控制侧逆变器开关管的PWM开关驱动信号，所述控制侧逆变器根据所述PWM开关驱动信号控制定子双绕组感应电机。

进一步的,所述虚拟同步控制装置采用基于采用虚拟同步化并网控制方法实现并网，具体包括：

S1、采用瞬时功率计算方法根据采集得到的逆变器输出的电压和电流瞬时值，计算得到有功功率和无功功率；

S2、采用VSG控制算法对所述有功功率和无功功率进行计算得到电压调制波信号；

S3、所述电压调制波信号与虚拟阻抗模块输出的电压信号进行比较计算得到输入调制波信号，所述电压信号是由所述虚拟阻抗模块根据逆变器输出电流计算得到；

S4、双闭环控制器根据所述输入调制波信号、逆变器输出的电压和电感电流计算得到输出参考调制波信号，并将该电压信号作为PWM调制器的调制波信号；

S5、所述PWM调制器根据所述PWM调制器的参考调制波信号得到逆变器调制信号，并将其输出至逆变器。

S6、采用预同步控制算法，在未并网时调节LCL滤波电路的输出电压与电网电压的波形重合。

S7、采用准同期并列控制算法发出电网侧断路器的合闸信号，以进行并网。

进一步的,所述S3中所述虚拟阻抗模块具体为基于降阶谐振器和三阶广义积分器级联的虚拟阻抗模块。

进一步的,所述S4中所述双闭环控制器具体为电压外环电流内环的基于准比例谐振的双闭环控制器。

进一步的,所述S6中所述预同步控制算法通过两个积分与VSG控制算法中的有功下垂系数和无功下垂系数构成两个PI调节器，在未并网时通过两个PI调节器调节LCL滤波电路的输出电压与电网电压的波形重合。

进一步的,所述S7中所述准同期并列控制算法通过两个锁相环分别检测逆变器输出电压与电网侧电压的幅值、角频率以及相位，并在判断逆变器输出电压与电网侧电压幅值的差值以及角频率的差值小于各自的允许误差，且逆变器输出电压相位与电网侧电压相位一致时，发出电网侧断路器的合闸信号。

本发明的有益效果：

1.将定子双绕组异步发电机控制方法与虚拟同步化并网控制方法相结合，其算法相互匹配，整个并网型定子双绕组异步发电机组运行可靠，发电机工作于额定状态，运行情况良好，电网侧电流正弦度高对称性好。

2.发电机侧控制算法采用电流滞环控制方法，控制算法简单高效，且动态性能很好，在控制效果上母线电压的平稳性高，从而为后级电网侧逆变器的稳定工作打下坚实基础。

3.将虚拟同步化并网控制方法引进风电机组控制算法中，改进传统并网控制算法在离网与并网时需要切换控制算法的缺陷，并且可以实现并网瞬间无冲击电流，从而可以完成柔性并网。

4.在虚拟同步化并网控制方法中加入基于二阶广义积分器的虚拟阻抗，可以抑制负荷扰动形成的电流偏差，也可以有效避免因为后级控制算法产生的电流波形畸变而对发电机侧控制算法的干扰，还有利于在多台同步逆变器间实现功率的均分，使整个定子双绕组异步风电机组运行稳定。

5.在虚拟同步化并网控制方法中加入基于准比例谐振的空间电压矢量调制，采用准比例谐振的双环控制器方法有利于分离出调制波的基波，有利于抑制三相不平衡电流，提高电网电流的正弦度和对称性，并且可以避免因传统算法所需坐标变换带来的计算麻烦；采用空间电压矢量调制方法可以使输出电压矢量快速跟踪电网电压矢量，从而高效精确地完成输出电压矢量与电网电压矢量的同步工作。

6.在虚拟同步化并网控制方法中加入预同步控制算法，不断调节电网侧逆变器输出电压，使其经LCL滤波电路后的输出电压波形与电网电压波形快速重合，为准同期并列算法打下良好基础。

7.在虚拟同步化并网控制方法中加入准同期并列算法，不断计算将电网侧断路器前的电压和电网电压的幅值、频率、相位相比较，直到两者达到合适的并网条件时发出断路器合闸信号，有利于减小并网时的冲击电流，实现柔性并网。

附图说明

图1为本发明的基于定子双绕组异步风电机组虚拟同步化并网控制方法及系统整体框图；

图2为本发明的基于定子双绕组异步风电机组发电机侧控制算法框图；

图3为本发明的虚拟同步化并网控制方法框图；

图4为本发明的准同期并列算法框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1、基于定子双绕组异步风电机组虚拟同步化并网控制系统。下面结合图1至图4对本实施例提供的系统进行详细说明。

参见图1至图4，基于定子双绕组异步风电机组虚拟同步化并网控制系统，所述系统包括定子双绕组异步风电机组以及虚拟同步控制装置，所述定子双绕组异步风电机组与所述虚拟同步控制装置电连接；所述定子双绕组异步风电机组，用于为所述虚拟同步控制装置输送功率。

具体的，基于定子双绕组异步风电机组虚拟同步化并网控制系统包括定子双绕组感应电机(1)、滤波电感(2)、控制侧逆变器(3)、励磁电容(4)、不控整流桥(5)、电网侧逆变器(6)、LCL滤波电路(7)、三相断路器(8)、电网(9)、电机侧控制器(10)、驱动电路(11)、瞬时功率计算模块(12)、虚拟同步发电机控制器(13)、虚拟阻抗(14)、准比例谐振器(15)、空间电压矢量调制器(16)、LCL侧锁相环(17)、电网侧锁相环(18)、预同步控制器(19)、准同期并列控制器(20)、滤波电容、电力二极管、蓄电池、电压传感器、电流传感器。

电机功率侧与所述励磁电容、不控整流桥、滤波电容、轻载依次电连接，电机控制侧与所述滤波电感、控制侧逆变器、滤波电容依次电连接，并与电力二极管和蓄电池的串联支路电连接，采集不控整流桥处的电压信号和控制侧逆变器处的电压信号并送入电机侧控制器，采集滤波电感处的电流信号并和所述电机侧控制器的输出信号一起送入驱动电路，所述驱动电路与所述控制侧逆变器电连接。

所述电网侧逆变器、LCL滤波电路、三相断路器、电网依次电连接，所述电网侧逆变器与所述不控整流桥电连接，采集LCL侧电压信号送入所述瞬时功率计算模块，所述瞬时功率计算模块、虚拟同步发电机控制器、准比例谐振双环控制器、空间电压矢量调制器依次连接，所述虚拟阻抗、虚拟同步发电机控制器、预同步控制器、准同期并列控制器依次连接，所述空间电压矢量调制器的输出端与所述电网侧逆变器电连接。

发电机侧采用电压外环的电流滞环控制算法，使其保持母线电压稳定，并向网侧逆变器输出功率，控制算法简单高效，且动态性能很好，从而为后级电网侧逆变器的稳定工作打下坚实基础；网侧逆变器采用虚拟同步化并网控制方法，使电网侧断路器前输出电压矢量快速追踪电网电压矢量，选择适当并网时机使并网瞬间无冲击电流，使其将发电机传输过来的功率完成柔性并网。并且使虚拟同步化并网控制方法与定子双绕组异步风电机组控制算法相互匹配，从而实现整个定子双绕组异步风电系统高效稳定运行，发电机工作于额定状态运行情况良好，电网侧电流正弦度高对称性好。

实施例2、基于定子双绕组异步风电机组虚拟同步化并网控制方法。下面结合图1至图4对本实施例提供的方法进行详细说明。

参见图1至图4，基于定子双绕组异步风电机组虚拟同步化并网控制方法，采用定子双绕组异步风电机组对虚拟同步控制装置输送功率；采用电压外环的电流滞环控制算法控制定子双绕组异步风电机组，所述虚拟同步控制装置采用基于采用虚拟同步化并网控制策略实现并网。

所述定子双绕组异步风电机组的定子上包括控制绕组和功率绕组；所述功率绕组与不控整流桥相连接，向直流母线输送功率，为所述虚拟同步控制装置提供电源；所述控制绕组侧逆变器采用电压外环的电流滞环控制算法控制定子双绕组感应电机。

具体的，定子双绕组异步发电机侧控制算法的原理如图2所示，根据直接磁场定向方法相量图可知，控制绕组的端电压矢量U_s与磁链ψ_s是几乎垂直的，如果忽略控制绕组阻抗压降，则定子磁链与控制绕组端电压在dq坐标系下如公式(1)所示：

U_s≈∫ψ_sdt (1)

由公式(1)可知，可将反电势E_s定于q轴，将磁链ψ_s定于d轴。由瞬时功率理论得到公式(2)：

则控制绕组电流矢量I_s的d轴分量I_sd调节控制绕组的磁链，而控制绕组电流矢量I_s的q轴分量I_sq调节控制绕组的有功功率；而DWIG控制侧的电磁转矩与磁链可表示为公式(3)：

通过对控制绕组侧瞬时有功功率的调节，可以实现对电磁转矩T_ems的控制，而改变无功功率则可以调节控制绕组磁链ψ_s，由于两套定子绕组通过发电机内部磁场耦合，进而可以对整个发电机的内部磁场实施控制，使系统输出稳定；综上，若忽略逆变器损耗，则ψ_s与U_s近似垂直，且U_s超前ψ_s90°，因此在这里将ψ_s定于d轴，将反电势定于q轴，则控制绕组电流矢量I_s的d轴分量I_sd调节控制绕组的磁链，而I_s的q轴分量I_sq调节着控制绕组侧的有功功率。

发电机侧电流滞环控制算法将控制侧电压与控制侧给定值比较，其误差值经过PI调节器计算为给定q轴电流；将功率侧电压与功率侧给定值比较，其误差值经过PI调节器计算为d轴给定；其定向角由直接磁场定向计算得到；将d轴和q轴电流给定值、直接磁场定向角经坐标变换后用电流滞环方法产生开关信号，经驱动电路控制发电机。

所述控制绕组侧逆变器采用电压外环的电流滞环控制算法控制定子双绕组感应电机，具体包括：电机侧控制器根据控制绕组侧的电压与控制侧的电压给定值的比较值、功率绕组侧的电压与功率绕组侧的电压给定值的比较值计算得到d、q轴给定电流，由直接磁场定向得到定向角，产生控制侧逆变器开关管的PWM开关驱动信号，所述控制侧逆变器根据所述PWM开关驱动信号控制定子双绕组感应电机。

具体如图2所示，如图2所示为定子双绕组异步风电机组发电机侧控制方法原理图，将功率绕组侧直流母线电压瞬时值U_pDC与给定电压值U_pDC^*比较，差值经过PI调节器运算，得到控制绕组给定电流的d轴分量I_sd^*，调节I_sd进而调节电机内部的无功能量，用以维持U_pDC的稳定；例如负载功率突加时，为使功率侧电压U_pDC维持稳定，则此时励磁电容上的电流增加，则励磁电容向发电机提供的无功增加，则发电机从控制侧吸收的无功功率减小，则需调节I_sd使其减小；同理，将控制绕组侧直流母线电压瞬时值U_sDC与参考电压值U_sDC^*比较，差值经过PI调节器运算，得到控制绕组给定电流的q轴分量I_sq^*，调节I_sq进而调节电机内部的有功能量，用以维持U_sDC的稳定；例如负载功率突加时，控制侧需要吸收更多的有功能量来维持U_sDC的稳定，则需调节I_sq使其增大；再根据直接磁场定向控制得到的定向角Θ,结合I_sd^*、I_sq^*的值,即可得到控制绕组三相电流的给定值；将计算得到的给定电流与实测电流做差后送入数字滞环比较器，得到控制侧逆变器开关管的PWM开关驱动信号。原理如下式所示：

所述虚拟同步控制装置采用基于采用虚拟同步化并网控制方法实现并网，具体包括以下步骤：

S1、采用瞬时功率计算方法根据采集得到的逆变电源输出的电压和电流瞬时值，计算得到有功功率和无功功率。

S2、采用VSG控制算法对所述有功功率和无功功率进行计算得到逆变器输出电压调制波信号。

具体的，如图3所示，基于虚拟同步发电机的并网逆变器控制方法，借鉴了同步发电机的二阶经典方程及调速器和励磁控制器，设计了VSG控制算法，其数学方程如下所示：

其中，T_set、T_e为给定转矩和电磁转矩；P_set、Q_set为有功和无功功率给定；D_p、D_q为有功-频率和无功-电压下垂系数；θ为电角度；Δω为电角速度差，Δω＝ω_n-ω；ω_n、ω为额定电角速度和实际电角速度；Δu为输出电压差，Δu＝u_n-u_o；u_n、u_o为额定电压有效值和输出电压有效值；J为转动惯量；K为惯性系数。

采样电网三相电压和三相电流，计算得电网消耗的有功和无功；将有功给定值P_set与有功反馈值P_e比较，采样的角频率和角频率给定值比较并乘以有功下垂系数，其结果经惯性环节后即得到角频率输出值，将其积分记得到此时调制波的相位Θ；同理将无功给定值Q_set与无功反馈值Q_e比较，采样的相电压幅值和其给定值比较并乘以无功下垂系数，其结果经惯性环节后即得到相电压幅值输出值，其值即为此时调制波的相电压幅值；至此，可由有功环和无功环的输出生成三相调制波。

未并网时，P_set和Q_set均为0，为了使电网侧逆变器的输出电压矢量经LCL滤波电路后能准确追踪上电网电压矢量，同时为了使其波形完全与电网电压波形重合，在虚拟同步化并网控制方法中加入预同步控制方法。

S3、所述逆变器输出电压调制波信号与虚拟阻抗模块输出的电压信号进行比较计算得到输入调制波信号，所述电压信号是由所述虚拟阻抗模块根据逆变器输出电流计算得到。

所述虚拟阻抗模块具体为基于广义二阶积分器的虚拟阻抗模块，优化的，所述虚拟阻抗模块为基于降阶谐振器和三阶广义积分器级联的虚拟阻抗模块。

所述基于广义二阶积分的虚拟阻抗，导前角的计算公式如下式：

Z_v＝R_vv_d(t)-ωL_vv_q(t) (7)

上式中，R_v为虚拟电阻，L_v为虚拟电感，用以抑制负荷扰动引起的电流变化量及实现功率的均分。

S4、双闭环控制器根据所述输入调制波信号、逆变器输出的电压和电感电流计算得到输出参考调制波信号，并将该调制波信号作为PWM调制器的参考电压信号。具体的，所述双闭环控制器具体为基于准比例谐振的双闭环控制器。

S5、所述PWM调制器根据所述PWM调制器的参考电压信号得到逆变器调制信号，并将其输出至逆变器。

基于准比例谐振的空间电压矢量调制，采用基于准比例谐振(PR)的双闭环控制来抑制同步逆变器输出电流的不平衡与谐波分量，将其输出的U_α、U_β采用空间电压矢量调制方式，可快速准确地追踪上电网电压矢量。

S6、采用预同步控制算法，在未并网时调节LCL滤波电路的输出电压与电网电压的波形重合。

具体的，所述预同步控制算法通过两个积分与VSG控制算法中的有功下垂系数和无功下垂系数构成两个PI调节器，在未并网时通过两个PI调节器调节LCL滤波电路的输出电压与电网电压的波形重合。

未并网时，P_set和Q_set均为0，为了使电网侧逆变器的输出电压矢量经LCL滤波电路后能准确追踪上电网电压矢量，同时为了使其波形完全与电网电压波形重合，在虚拟同步化并网控制方法中加入预同步控制方法，预同步控制方法原理如下：

如上式所示，在控制算法中加入两个积分使其分别与有功下垂系数和无功下垂系数构成两个PI调节器，在未并网时不断调节LCL滤波电路后的输出电压，直到使其波形与电网电压波形重合；预同步控制算法为准同期并列算法打下良好基础，并且在并网后需要将其切除，仅在控制算法中留下有功下垂系数和无功下垂系数。

S7、采用准同期并列控制算法发出电网侧断路器的合闸信号，以进行并网。

具体的，所述准同期并列控制算法通过两个锁相环分别检测逆变器输出电压经LCL滤波器后与电网侧电压的幅值、角频率以及相位，当满足并网条件后自动开始并网操作。

如图4所示为准同期并列算法原理图，通过两个锁相环分别检测网侧逆变器输出电压和电网侧电压的幅值、角频率、相位，判断其电压幅值误差是否小于允许误差ε_u＝5％u_g，角频率误差是否小于允许误差范围ε_ω＝0.3％ω_g，检测逆变器输出电压相位和电网电压角频率是否一致；直到检测到三个并网条件都符合的时机，则发出电网侧断路器的合闸信号，开始并网。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。