机侧变流器补偿的直驱永磁风电机组次同步振荡抑制方法

本发明属于直驱永磁风机变流器并网控制技术领域。

背景技术：

由于可再生能源发电往往远离负荷中心，电网阻抗不可忽略，变流器各控制环节动态过程与电网阻抗交互作用引起的次同步振荡严重危害了新能源发电的可靠性。近年来，直驱永磁风电机组次同步振荡问题越发突出，成为目前研究的热点。

直驱永磁风力发电机变流器的建模和分析方法通常采用的是网侧变换器被详细建模，而机侧被简化为直流电流源，而且目前已有的文献提出的增加系统稳定性的改进控制方法几乎都是针对并网变换器的控制方法。虽然上述方法也可应用于风力发电系统，但由于风力发电系统更为复杂，因此具有一定的不确定性。而且目前针对机侧变换器的控制方法改进的相关分析也很少。

技术实现要素：

本发明是为了解决弱电网情况下，直驱永磁风电机组容易发生次同步振荡的问题，现提供机侧变流器补偿的直驱永磁风电机组次同步振荡抑制方法。

机侧变流器补偿的直驱永磁风电机组次同步振荡抑制方法，所述方法是在直驱永磁风电机组出现次同步振荡时进行的，具体为：

首先，对直流母线电压扰动信号δudc进行滤波后生成次同步振荡补偿信号hcomp，

然后，将次同步振荡补偿信号hcomp反馈到机侧变流器控制系统电流环的输入端，实现次同步振荡的抑制。

进一步的，根据下式生成次同步振荡补偿信号hcomp：

其中，zo为永磁同步电机开环阻抗矩阵，为zo的逆矩阵，sd和sq分别为机侧变流器开关函数d轴和q轴分量。

进一步的，永磁同步电机开环阻抗矩阵zo为：

其中，s为拉普拉斯算子，ld和lq分别为永磁同步电机d轴和q轴电感，r为永磁同步电机定子电阻，ωe为永磁同步电机转子电角速度。

进一步的，zo的逆矩阵为：

进一步的，次同步振荡补偿信号hcomp包括d轴分量和q轴分量

其中，s为拉普拉斯算子，ld和lq分别为永磁同步电机d轴和q轴电感，r为永磁同步电机定子电阻，ωe为永磁同步电机转子电角速度。

进一步的，在直驱永磁风电机组中采集直流母线电压实际值udc和直流母线电压稳态值udc，根据下式提取直流母线电压扰动信号δudc：

δudc＝udc-udc。

进一步的，在直驱永磁风电机组出现次同步振荡之前执行以下步骤：

步骤101：采集直驱永磁风电机组变流器并网点电压信号、电流信号和直流母线电压信号，

步骤102：判断直驱永磁风电机组是否出现次同步振荡，是则对直流母线电压扰动信号δudc进行滤波，否则返回步骤101。

进一步的，步骤102中，利用fastica-mp算法判断直驱永磁风电机组是否出现次同步振荡。

进一步的，次同步振荡补偿信号hcomp反馈到机侧变流器控制系统后，电流环的d、q轴调制电压表达式如下：

其中，kii和kpi分别为机侧变换器电流环pi控制器积分参数和比例参数，和分别为机侧变流器d轴和q轴电流给定值，id和iq分别为永磁同步电机d轴和q轴电流实际值，为永磁同步电机永磁体磁链。

进一步的，机侧变流器控制系统电流环的pi控制矩阵gci为：

进一步的，机侧变流器控制系统电流环的解耦矩阵gdec为：

其中，udc为直流母线电压稳态值。

本发明提出的弱电网下基于机侧变流器补偿的直驱永磁风机变流器次同步振荡抑制方法，主要特点在于针对机侧控制系统进行了分析，考虑到了直流母线电压的振荡对机侧变流器控制的影响，分析了其扰动传输路径，将扰动补偿项加在电流环，从而有效的抑制直驱永磁风电变流器系统的次同步振荡。本发明不仅能够在不改变系统原有基本控制特性的条件下，只通过附加支路来抑制次同步振荡的发生；而且控制方法简单，不需要额外增加设备，控制成本，同时也不需要改进直驱风电机组硬件控制回路，便于实现。

附图说明

图1为直驱永磁风机变流器拓扑结构和控制框图，其中，zgrid为电网阻抗，ea、eb、ec分别为并网点a、b、c相电压，iag、ibg、icg分别为网侧变换器a、b、c相电流，cfilter和lfilter分别为滤波器电感和电容，idc为机侧输出的直流电流，ia、ib、ic分别为永磁同步电机a、b、c相电流，ua、ub、uc分别为永磁同步电机a、b、c相电压，udg和uqg分别为并网点d轴和q轴电压，idg和iqg分别为网侧变换器d轴和q轴电流，θpll为锁相环锁相角度，θe为转子电角度，ωm为电机转子机械角速度，pn为电机极对数，kppll和kipll分别为锁相环pi控制器的比例参数和积分参数，tabc/dq为三相静止坐标系(abc)到两相旋转坐标系(dq)坐标变换矩阵，tdq/αβ为两相旋转坐标系到两相静止坐标系(αβ)坐标变换矩阵；

图2为机侧小信号模型图，其中k＝1/udc；

图3为标出扰动通路并增加补偿项后的机侧小信号模型图；

图4为增加补偿信号后的机侧变流器控制原理示意图；

图5为具体实施方式一所述机侧变流器补偿的直驱永磁风电机组次同步振荡抑制方法的流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1至图5具体说明本实施方式。参照图1所示，用下角标“g”来区分网侧和机侧变量，机侧d轴为无功，网侧q轴为无功。

本实施方式所述的机侧变流器补偿的直驱永磁风电机组次同步振荡抑制方法具体为：

步骤101：采集直驱永磁风电机组变流器并网点电压信号、电流信号和直流母线电压信号。

步骤102：利用fastica-mp算法判断直驱永磁风电机组是否出现次同步振荡，是则执行步骤103，否则返回步骤101。

步骤103：在直驱永磁风电机组中采集直流母线电压实际值udc和直流母线电压稳态值udc，根据下式提取直流母线电压扰动信号δudc：

δudc＝udc-udc。

步骤104：对直流母线电压扰动信号δudc进行滤波后生成次同步振荡补偿信号hcomp，

其中，sd和sq分别为机侧变流器开关函数d轴和q轴分量。

永磁同步电机开环阻抗矩阵zo为：

其中，s为拉普拉斯算子，ld和lq分别为永磁同步电机d轴和q轴电感，r为永磁同步电机定子电阻，ωe为永磁同步电机转子电角速度。

zo的逆矩阵为：

次同步振荡补偿信号hcomp包括d轴分量和q轴分量

其中，s为拉普拉斯算子，ld和lq分别为永磁同步电机d轴和q轴电感，r为永磁同步电机定子电阻，ωe为永磁同步电机转子电角速度。

因此，上述公式能够展开为：

步骤105：将次同步振荡补偿信号hcomp反馈到机侧变流器控制系统电流环的输入端，实现次同步振荡的抑制。

次同步振荡补偿信号hcomp反馈到机侧变流器控制系统后，则电流环的d、q轴调制电压表达式如下：

其中，kii和kpi分别为机侧变换器电流环pi控制器积分参数和比例参数，和分别为机侧变流器d轴和q轴电流给定值，id和iq分别为永磁同步电机d轴和q轴电流实际值，为永磁同步电机永磁体磁链。

本实施方式的具体原理如下：

首先给出永磁同步电机dq坐标系下的d、q轴电压：

由于实际兆瓦级风机的转动惯量很大，转速也很慢，转速外环控制速度相比于电流内环要慢得多，因此在短时间内可以认为其转速不变，即δωe＝0。因此能够写出电压方程的小信号形式：

对上式进行拉氏变换可得：

进一步对拉氏变换后的公式整理成矩阵形式：

设如图2所示，即有

利用k＝1/udc为pwm调制时参考电压缩小的倍数，tdel为单位采样时间，hdel为考虑延时的传递矩阵，则有：

机侧变流器控制系统电流环的pi控制矩阵gci为：

机侧变流器控制系统电流环的解耦矩阵gdec为：

分析出直流母线电压对机侧控制器的扰动传递路径如图3中的虚线框所示，补偿信号为

本实施方式中直流母线电压的振荡对机侧变换器控制系统产生了影响，本实施方式找出了扰动传递路径如图3所示，通过在机侧控制器中引入与直流电压扰动相对应的补偿信号来反馈到控制系统中，使系统的次同步振荡得到抑制，增加系统的稳定性。本实施方式不改变系统原有基本控制特性，只是通过附加支路来抑制次同步振荡的发生。