双馈电机基于机侧和网侧变换器无源协调控制方法与流程

本发明涉及一种分布式发电控制技术，特别涉及一种基于电网电压不平衡情况下双馈风力电机的机侧、网侧变流器采用无源协调控制方法。

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(doublyfedinductiongenerator，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-sideconverter，rsc)和网侧变换器(grid-sideconverter，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-controlledhamiltonwithdissipation，pchd)模型的无源控制(passivity-basedcontrol，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人会受到影响。

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，提出了一种双馈电机基于机侧和网侧变换器无源协调控制方法，采用串联网侧变换器和无源控制策略，能够利用串联网侧变换器(sgsc)产生的谐波来抵消并联网侧变换器(pgsc)的二倍频谐波，定子电压易于控制，从而实现对系统总输出功率二倍频波动的抑制，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来实现系统的全局稳定性。

本发明的技术方案为：一种双馈电机基于机侧和网侧变换器无源协调控制方法，双馈异步风力发电机dfig的转子采用两个pwm变换器，即转子侧变换器rsc和与之并联的并联网侧变换器pgsc，两个变换器通过中间的直流母线和大电容相连接，在风机定子侧增加一个串联变压器和一个串联网侧变换器sgsc，串联变压器次级串联在风机定子与电网之间，sgsc输入端接pgsc输入端，sgsc输出端通过电感l接串联变压器初级，电网电压不平衡情况下dfig的机侧和网侧变换器的协调控制具体步骤如下：s1：根据电网电压不平衡情况下采用串联网侧变换器基于无源控制策略的协调控制，建立其正负序模型，并计算串联网侧变换器的控制目标及不同控制目标下的网侧电流参考值：sgsc的控制目标为：dfig定子侧电压的正序分量us+与电网电压正序分量ug+始终一致，控制定子侧电压负序分量us-使其为零，即：电压不平衡下电网输至并联网侧变换器pgsc的瞬时功率s，整理成矩阵形式为：式中：上标p、n分别代表正、负序分量，下标d、q代表dq轴分量，+、-代表坐标轴的正、反转方向，如：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、gsc交流侧电压分量、网侧电流分量；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、gsc交流侧电压分量、网侧电流分量；(1)目标1：网侧输入的电流不含负序分量，即

式中：*代表网侧指令电流值；下标g_av、g_sin2、g_cos2分别代表并联网侧变换器功率的直流分量、2倍频正弦分量、2倍频余弦分量；下标series_av、series_sin2、series_cos2分别代表串联网侧变换器的直流分量、2倍频正弦分量、2倍频余弦分量；p为有功功率，q为无功功率；

(2)目标2：网侧输入有功功率只含有直流分量，即

pg_sin2-pseries_sin2＝0，pg_cos2-pseries_cos2＝0：

(3)目标3：直流母线电压不含二倍频正弦、余弦分量，即udc_sin2＝udc_cos2＝0：

(4)目标4：网侧输入的无功功率只含有直流分量，即

qg_sin2-qseries_sin2＝0，qg_cos2-qseries_cos2＝0：

s2：sgsc采用比例积分谐振pir控制器来实现对sgsc侧交流分量的有效控制，其传递函数可表示为：

式中：kp和ki分别为比例、积分系数；kr为谐振调节器的谐振系数，ωc为截止频率；s3：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pgsc无源控制器，其前提条件为：

1)并联网侧变换器正序系统能量增长总和总是小于系统能量耗散总和，即系统具有耗散性；

2)并联网侧变换器正序系统是耗散的，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：

lgpqgp+cgpqgp+rgqgp＝ugp

其中，

取系统的能量函数hgp为：

取和

可得dfig网侧正序的pchd模型为：

式中：jgp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jgpa和阻尼矩阵分别为：

其中为在保证系统严格无源的基础上，可根据系统结构选取的任意常数，

s4：rsc采用和pgsc一样的内环无源控制、外环pi控制的矢量策略。

本发明的有益效果在于：本发明双馈电机基于机侧和网侧变换器无源协调控制方法，利用串联网侧变换器(sgsc)产生的谐波来抵消pgsc的二倍频谐波，定子电压易于控制，从而实现对系统总输出功率二倍频波动的抑制；同时，运用无源控制理论来实现系统的全局稳定性。对于rsc，因为并网的dfig特殊的结构，即便电网不平衡条件下，dfig机端电压仍始终对称，因此rsc这里采用和pgsc类似的内环无源控制、外环pi控制的矢量策略。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是采用sgsc的dfig系统拓扑结构图；

图2是网侧变换器的结构框图；

图3是基于sgsc的dfig协调控制框图；

图4(a)是网侧选择控制目标1-4、转子侧选择控制目标4时转子电流仿真结果图；

图4(b)是网侧选择控制目标1-4、转子侧选择控制目标4时定子侧功率仿真结果图；

图4(c)网侧选择控制目标1-4、转子侧选择控制目标4时电磁转矩仿真结果图；图5是3种控制策略下直流母线电压波形；

图6(a)为sgsc+pid控制的网侧电流波形图；

图6(b)为pbc控制的网侧电流波图；

图6(c)为sgsc+pbc控制策略网侧电流波形图；

图7(a)为3种控制方法下网侧有功功率波形图；

图7(b)为3种控制方法下网侧无功功率波形图。

具体实施方式

如图1所示，与经典的双馈风机系统相比，本系统拓扑结构在风机定子侧多出一个串联变压器和一个串联网侧变换器sgsc。串联变压器次级串联在风机定子与电网之间，串联网侧变换器sgsc输入端接并联网侧变换器pgsc输入端，串联网侧变换器sgsc输出端通过电感l接串联变压器初级，添加的sgsc既能够通过定子回路注入适当的串联补偿电压来抵消定子负序电压，同时也可控制其向定子回路注入一个正序补偿电压矢量来消除串联变压器漏阻抗压降对dfig定子电压的影响，从而保证dfig定子电压正序分量us+与电网电压正序分量ug+相同。电网电压不平衡下sgsc的输出控制电压矢量为：

useries＝ucom+-ug-

式中：useries为串联变压器的输出电压，ucom+为sgsc所需补偿的正序电压矢量，ug-电网电压负序分量。

如图2所示网侧变换器的结构框图，本发明实施例所提供的一种基于电网电压不平衡情况下双馈电机的机侧、网侧变换器的协调控制策略，图中，ua、ub、uc为电网电压，va、vb、vc为gsc交流侧电压，rg为线路阻抗与电感等效串联电阻总和，lg为gsc输出端滤波电感，ia、ib、ic为gsc输入电流，c为直流母线的电容，udc为直流母线的电压，iload为网侧流到rsc的电流。具体步骤如下：

步骤s1：根据电网电压不平衡情况下采用串联网侧变换器结构基于无源控制策略的协调控制，建立其正负序模型，并计算串联网侧变换器的控制目标及不同控制目标下的网侧电流参考值。

sgsc的控制目标为：dfig定子侧电压的正序分量us+与电网电压正序分量ug+始终一致，控制定子侧电压负序分量us-使其为零，即：

电压不平衡下电网输至并联网侧变换器pgsc的瞬时功率s，整理成矩阵形式为：

式中：上标p、n分别代表正、负序分量，下标d、q代表dq轴分量，+、-代表坐标轴的正、反转方向，如：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、gsc交流侧电压分量、网侧电流分量；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、gsc交流侧电压分量、网侧电流分量。

(1)目标1：网侧输入的电流不含负序分量，即

式中：*代表网侧指令电流值；下标g_av、g_sin2、g_cos2分别代表并联网侧变换器功率的直流分量(平均功率)、2倍频正弦分量、2倍频余弦分量；下标series_av、series_sin2、series_cos2分别代表串联网侧变换器的直流分量、2倍频正弦分量、2倍频余弦分量；p为有功功率，q为无功功率。

(2)目标2：网侧输入有功功率只含有直流分量，即

pg_sin2-pseries_sin2＝0，pg_cos2-pseries_cos2＝0：

(3)目标3：直流母线电压不含二倍频正弦、余弦分量，即udc_sin2＝udc_cos2＝0：

(4)目标4：网侧输入的无功功率只含有直流分量，即

qg_sin2-qseries_sin2＝0，qg_cos2-qseries_cos2＝0：

步骤s2：sgsc侧因考虑传统的pi控制策略对调节器的带宽存在一定限制，这里采用比例积分谐振(pir)控制器来实现对sgsc侧交流分量的有效控制，无需相序的分离，从而增加了系统的暂态性能。其传递函数可表示为：

式中：kp和ki分别为比例、积分系数；kr为谐振调节器的谐振系数，ωc为截止频率。

步骤s3：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pgsc无源控制器，其前提条件为：

1)并联网侧变换器正序系统能量增长总和总是小于系统能量耗散总和，即系统具有耗散性；

2)并联网侧变换器正序系统是耗散的，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：

lgpqgp+cgpqgp+rgqgp＝ugp

其中，

取系统的能量函数hgp为：

取和

可得dfig网侧正序的pchd模型为：

式中：jgp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jgpa和阻尼矩阵分别为：

其中为在保证系统严格无源的基础上，可根据系统结构选取的任意常数。

步骤s4：图3为基于sgsc的dfig机侧和网侧的协调控制框图。图中，3s/2r为三相静止到两相旋转的运算。对于rsc，因为并网的dfig特殊的结构，即便电网不平衡条件下，dfig机端电压仍始终对称，因此rsc这里采用和pgsc类似的内环无源控制、外环pi控制的矢量策略，有关rsc的矢量控制策略此处不再赘述。

在matlab/simulink仿真平台中对本文提出的采用sgsc和pbc相结合的dfig的控制方法的可行性与有效性进行了仿真研究。系统给定的电网电压不平衡度为15％，双馈电机的主要仿真参数取值见表1；sgsc和pgsc的电压环中pir的控制参数如表2所示；为满足系统的严格无源性，控制器结构足够简化，选取rsc及pgsc中电流环的阻尼系数和互联系数分别为：

表1

表2

为了说明提出的采用sgsc和pbc相结合的控制方法的优越性，本文分别对文中所提控制、仅采用sgsc与pi结合控制和仅采用pbc的3种方法进行仿真对比。在t＝0～0.4s期间，采用3种控制策略来实现在电网不平衡下运行，且在不同时段内实现4种不同控制目标，即：1)t＝0～0.1s：选择控制目标1，以消除网侧电流负序分量；2)t＝0.1～0.2s：按照控制目标2下运行，以消除网侧有功功率2倍频；3)t＝0.2～0.3s：按照控制目标3下运行，以消除直流母线电压2倍频；4)t＝0.3～0.4s：控制目标4，以消除网侧无功功率2倍频。另外，转子侧选择控制目标：恒定的电磁转矩，减少对风系统轴的机械负荷。

具体实验效果为：

图4(a)-(c)是网侧选择控制目标1-4、转子侧选择控制目标4时转子电流、定子侧功率及电磁转矩的仿真结果图。在图4(a)中，可见能够达到消除网侧电流负序分量的要求，图4(b)和(c)中表示，亦能够实现消除双馈电机电磁转矩和定子输出无功功率的谐波的目标。

图5是3种控制策略下直流母线电压波形。可以看出，在相同的电压不平衡条件下，当选择控制目标1时，直流母线电压在sgsc+pid控制策略下20ms时刻达到稳定值700v，而使用pbc和本文的控制策略，在3ms时刻便稳定。选择控制目标2—4时，本文控制策略较前两种控制策略下，其震荡更小，波形更平滑。因此，本专利提出的控制策略既能增大带宽加快响应速度，又能提高系统的抗干扰能力。

比较图6(a)，6(b)，和6(c)3种控制策略下网侧的电流波形可得，在控制目标1下，采用sgsc+pid控制策略，网侧电流值在0～0.06s时超调量较大，易导致变换器饱和，而采用pbc策略和本文控制策略无超调；在控制目标2和3下，3种控制策略的影响相似。选择控制目标4时，第一种控制策略下，网侧电流0.35s时达到相对平衡，无源控制与本文所提的控制策略下0.3s时便已平衡，但单独的pbc策略中两相跌落电流分别为15.2a、15.8a，并为像本文控制策略一样达到完全平衡。因此，本专利控制策略无论是在动态响应速度还是稳定性方面均具有明显优势。

表3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。图7(a)为3种控制方法下网侧有功功率波形图；图7(b)为3种控制方法下网侧无功功率波形图。由图7(a)、7(b)和表3不同控制目标下3种控制的运行结果对比可见，在控制目标1—4下，相比于sgsc+pid控制、pbc控制，本文所提的控制策略下有功、无功的调节时间、超调量和谐波含量更小。因此，本专利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3