专利名称：一种直驱风力发电变流器的控制方法
技术领域：
本发明涉及一种发电设备的控制方法，特别涉及一种直驱风力发电变流器的控制
方法。
背景技术：
风力发电系统具有系统结构简单、功率密度和效率高、故障率低、维护成本低等优 点，并具备了发展大容量机组的条件。对于风力发电系统，需要变频器将发电机发出的变频 变幅值交流电转化为可用的恒定频率的交流电。然而，对于风力发电变频器来说，它需要实 现如下几个功能 (1)具备较好的动态响应特性，配合风轮控制系统实现最大风能俘获的功能。
(2)较宽的功率运行范围，以适应由于风速变化引起的输入功率的变化。
(3)采用灵活的控制策略，可灵活调节系统的有功和无功功率。对于电网而言，这
种系统可起到功率因数补偿的作用，对于发电机而言，可起到调节机端电压的作用。
(4)采用先进的控制技术，抑制谐波，提高效率，降低成本。
(5)提供标准、可靠的通讯方式，利于信息的实时交换与能量管理。 对于现有技术中风力发电系统结构来说，如图l所示，首先，风力发电机受风力的
驱动开始发电，由发电机输出三相交流电通过整流器转变成直流电，然后根据电网对交流
电频率的要求，利用逆变器将直流电再转变成具有相应频率的交流电，再将该交流电经过
变压器变压后送入电网；通常情况下，整流器和逆变器的组合称为变流器。然而，当负载
严重不平衡或电网出现短时故障(如短路)时，会使电网电压不对称。当电网电压跌落程
度过大，会影响电力和电气设备的正常运行，风电变流器的正常工作也会受到严重影响，为
了消除电压跌落对风电变流器正常工作所造成的影响，通常采用的方法为对三相不对称电
压、电流中的正、负序分量在正、负同步旋转坐标系中进行独立控制。为实现高质量的控制
性能，必须滤除三相不对称电压、电流在正、负序同步旋转坐标系中的二次谐波。 在电网电压不对称时，为了对变流器进行更好地控制，在中国电机工程学报2006
年10月第26巻第19期的《不平衡负载情况下基于双序dq坐标系双级矩阵变换器的闭环控
制研究》一文中，公开了一种去除不对称电压中二次谐波，从而更好地对变流器进行控制的
方法。其中，该文提出了根据对称分量法，将发电机输出的三相静止坐标系下三相不对称电
压Ua，Ub，U。变换到正序和负序同步旋转坐标系下，分解成沿坐标系q轴的轴分量Uq+和Uq—，
和与q轴垂直的d轴的轴分量Ud+和Ud—，以及零序分量，这种变换通常被称为正负双序坐标
dq变换。在三相三桥臂P丽逆变器中，由于零序分量其本身不产生效果，因此该分量通常被
忽略不计。其中Uq+， Uq—， Ud+和Ud—里均含有直流分量Usq+， Usq—， Usd+和Usd—，以及相应的二次
谐波分量，然而对于控制并去除电压不对称对变流器的不利影响，所需要进行检测得到的
基波分量为直流分量，此直流分量并不能轻易地获得，该期刊文献中公开了一种通过在d、q
各轴上使用Notch陷波器，借助Notch陷波器来滤除各轴分量的二次谐波分量，从而获得可
作为控制参数的轴直流分量Usq+， Usq—， Usd+和Usd—方法，最后通过变流器的整流或逆变环节将变流电送入电网。虽然上述的方法可以达到滤波的效果，但是，该方法对Notch陷波器要求
较高，且其参数需要针对某一电源频率进行设计， 一旦电源频率发生波动，会严重影响滤波
的效果，当电源频率变化时，则参数也需要进行相应的调整；而采用自适应Notch陷波器虽
有助于解决这一问题，但更增加了滤波器设计的复杂程度，成本上也大大提高了。 由于三相不对称电压通过正负双序坐标dq变换后得到的电压轴分量，就其数学
模型而言，由直流分量和二次谐波分量叠加组成，因此，理论上只要通过数学方式法从其数
学模型上将二次谐波分量消除，无需使用特别的滤波装置即可达到实际滤波的效果。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于提出一种简单、可靠、高效、低成本，且对电 源频率无依赖性的风力发电系统中变流器的控制方法。 为解决上述技术问题，本发明的风力发电系统中变流器的控制方法，其中，包括
a)在风电机组变流器中，将电网的三相不对称电压Ua， Ub， U。通过变换器进行正负 双序坐标dq变换得到沿正、负序d轴的电压轴分量Ud+， Ud—和沿正、负序q轴的电压轴分量 ;对三相电流Ia、 Ib、 1。进行正负双序坐标dq变换得到沿正、负序d轴的电流轴分量 和沿正、负序q轴电流轴分量的Iq+， Iq—;
b)通过控制器根据以下关系式来获得第K次采样时刻的电压轴直流分量Usd+、
u:， uq id+， id
V 、U:
C、 L
.Usn—的值
usd (k)=uc1 (k)_usq (k-1) sin2 Q '(k-i)--Us"k—i) cos2 Q, (k—i)
usd (k)=uc1 (k)_usd (k-1)* cos2 e '(k-1)
usq (k)=ucrao+usd (k-1) sin2 Q '-usqVi) cos2 Q , (k—i);
usq (k)=ucI (k)_usd (k-1) sin2 Q '(k-1)
且通过控制器根据以下关系式来获得第K次采样时刻的电流轴直流分
1。^ 、 L
的值
ISd (k)=I(1 (k)_Isq (k-1) sin2 Q '(k-1)_
ISd (k)=I(1 (k)_Isd (k-1)* cos2 e '(k-1)
Isq (k)=I(1 (k)+Isd (k-1) sin2 Q 'I sq
Isq (k)=Ic1 (k)_Isd (k-1) sin2 Q '(k-1)
sd (k—1)
cos2 9
(k—1)
cos2 9
(k—1)
c) 在旋转坐标系下对所述电压轴直流分量和所述电流直流分量进行解耦控制；
d) 将解耦所得的参考电压矢量经过脉宽调制器，生成控制脉冲信号
e) 将所述控制脉冲信号经驱动电路，控制变流器中逆变器功率半导体器件，生成
;右
相应的电效 其中e '为通过估计器逼近e的估计值，e为正序电压矢量和三相静止坐标系 A轴或两相静止坐标系a轴的夹角，k为第k次电压采样，初始e '(。)的值，初始电压轴
直流分量usq—(。) 、 usd—(。) 、 usq+(。) 、 usd+(。)和电流轴直流分量isq—(。) 、 isd—(。) 、 isq+(0) 、 isd+(。)均为估计 上述风力发电系统中变流器的控制方法，其中所述e '相对e的误差范围 为-io% +io%。
上述风力发电系统中变流器的控制方法，其中所述解耦控制的方法为采用正、负将各所
序双电流环控制结构，首先，预设参考电流轴直流分量Isd+—ref， Isd——rrf， Isq+—Mf， Isq——述参考电流轴直流分量与其相应的电流轴直流分量Isd+、 Isd—、 Isq+、 Isq—通过PI调节器进行闭环控制，且根据所述参考电流轴直流分量和相应的所述电流轴直流分量间的误差，分别
输出相应的电压调节输出量usd+—PI
压轴分量UrtP、 UnP和负序电压轴分ju。u。u。
压分量
正序电压轴分量uaP进行叠加，获得参考电压矢量u,
ud
其中CO为电网电压角频率，L为线路等效电感；
再将所述负序电压轴分量udn、 uqn变换到正序坐标下得到相应在正序坐标下的电udN、u。N，并将u⑩与正序电压轴分量udP进行叠加获得参考电压矢量ud rrf，且将u。N与
q_ref 0 上述风力发电系统中变流器的控制方法，所述脉宽调制器为电压空间矢量脉宽调
制器，且采用的调制方式为电压空间矢量脉宽调制方式。 本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点 1.其将三相不对称电压和电流经过在正负双序坐标dq变换后，通过以上所述的电压电流轴直流分量关系式来获得沿d、 q轴的电压电流轴分量的轴直流分量，然后对所述轴直流分量进行解耦，相对使用Notch陷波器来说，对频率无依赖，且设计变得较为简单了 ，且使用数学算法进行软件滤波，取代了硬件滤波装置，在系统响应速度上也变的更快。
2.根据以上所述的正、负序双电流环控制结构，并通过电压轴分量关系式来获得正序电压轴分量UdP、UqP和负序电压轴分量U^U⑩，可以获得的较为准确的正序电压轴分量和负序电压轴分量。 3.采用空间矢量脉宽调制方式，适合于数字化控制系统，且可以根据输入信号计算出整流级与变流级有效开关矢量的占空比，从而有效地对变流器的整流级和逆变级开关进行控制。
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合
附图，对本发明作进一步详细的说明。
图1为风力发电系统示意图； 图2为变流器控制方法的流程图； 图3为正、负序双电流环控制模型示意图； 1_发电机，2-变流器，3-整流器，4-逆变器，5-变压器，6-电网；
具体实施方式
实施例1 如图2所示风力发电系统中变流器的控制方法的流程图， 首先，在风电机组变流器中，通过采样得到电网的三相不对称电压Ua， Ub， U。，并通过数字信号处理器(DSP)将所述三相不对称电压Ua， Ub， U。进行正负双序同步旋转坐标dq变换得到沿正、负序d轴的电压轴分量Ud+， Ud—和沿正、负序q轴的电压轴分量Uq+， Uq—，对三相电流Ia、Ib、I。进行正负双序同步旋转坐标dq变换得到沿正、负序d轴的电流轴分量Id+，Id—和沿正、负序q轴电流轴分量的Iq+， Iq—;然后，利用变换所得的电压轴分量Ud+， Ud—， Uq+，U。—，和电流轴分量Id+， Id—， I。+， I。—通过控制器根据以下关系式来获得该次采样的电压轴直
流分量
;d (k) 、 Usd(k)、Usq (k)、usq—00的值
Usd (k)=I (k)_UscI (k-1) sin2 Q '(k-1)_
Usd (k)=I (k)_UscI (k-1)* cos2 e '(k-1)
USq (k)=(k)+UscI (k-1) sin2 Q '_usq
USq (k)=(k)_UscI (k-1) sin2 Q '(k-1)
sd (k—1)
cos2 9
(k-1)
cos2 9
(k-1)
且通过控制器根据以下关系式来获得该次采样的电流轴直流分jIsd 、 Isd 、 Is。 、 Is。
白勺值
(k)(k)(k)(k)
(k)
-I
sq (k-1)
(k-1) (k-1)
cos2 9
(k-1)
-I
丄d (k)丄sd (k—1)Iq (k) + Isd (k-1)
I
q (k)_Isd (k-1)
(k-1) 5_ISq (k-1)(k-1) 5
cos2 9
(k-1)
sin2 9cos2 9sin2 9sin2 9
为通过估计器逼近e的估计值，e为正序电压矢〗
的夹角，k为第k次电压、电流采样， 对于第i次电压、电流采样，求电压、电流轴直流分量来说，初始e'(。)的值，初始
电压轴直流分量Usq—(0) 、 Usd—(0) 、 Usq+(。) 、 Usd+(。)和电流轴直流分量Isq—(0) 、 Isd—(0) 、 Isq+(0) 、 Isd+(。)均
为估计值，将所述估计值分别代入上述的关系式中，求得第1次电压、电流采样时电压轴直
其中e
t和旋转坐标系d轴u。
(1)-
、Usd (!) 、 u。
(l)'
、Usd+d)、电流轴直流分量Is
I
(1)、丄sd (1)I。
流分 对于第2次的电压、电流采样求值来说，通过计算将得到U:计算得到e' a)，然后再根据第一次求得的电压轴直流分量U,
(1)
I
(1)
sq (1)
u,
(1)D
的代入PI调节器，
sd (1)u。u。
(1)
，电
流轴直流分量；—(1)、Isd—a)、L+d)、Isd+a)，和计算得到的9 ' u)，来求得第二次的电压、电^
Lsq (1)'
'右
采样时的电压轴直流分量us。—(2) 、u,
(2) 、 Usd (2)
、u"、、u,
(2) 、 usd (2)
和电流轴直流分量I.
(2)
、工sd (2) 、 I
(2)'
(2)'
以后每次采样计算，都通过利用其前一次求得的usa+值代入PI调节器，计算得到相
应的e ' (k)值，并和前
直流分量Isq-(k-l) 、 Isd—(k—d采样时的电压轴直流分量l
次求得的电压轴直流分量Usq—(k—d 、Usd—(k—d 、Usq+(k—d 、Usd+(k—d ，电流轴
(H) —起代入上述的相应的关系式中，求得第K次UJ(k) 、 Usd+(k)，电流轴直流分量Is
、Isq (k-l) 、 Is
(k)u。
(k)—
(k)，
(k)-
Isd (k) 、 Is
(k)—
(k)
值， 再在旋转坐标系下对所述电压轴直流分量和所述电流直流分量通过采用正、负序双电流环控制结构来进行解耦控制，如图3所示，首先，预设参考电流轴直流分量Isd+ ref，Isd—w， Is。、f， Is。—M，将各所述参考电流轴直流分量与其相应的电流轴直流分量Isd+、 Isd—、
'右
Isq+、 Isq—通过PI调节器进行闭环控制，且根据所述参考电流轴直流分量和相应的所述电、》
轴直流分量间的误差，分别输出相应的电压调节输出量usd+ PI，Usd— PI，US。+ PI，US。— pp然后通过
以下表达式来获得正序电压轴分量udP、 uqP和负序电压轴分量udn、 u,
u。
i+Usd (k)-<
7
1 = 1—PI+Usd—(k) + " 'L. Isq—
Uqn = Usq—PI+Usq—(k)-" 'L* Isd—
其中为电网电压角频率，L为线路等效电感； 再将所述负序电压轴分量Udn、U⑩变换到正序坐标下，得到负序参考电压在正序坐 标下的电压轴分量U『U^，并将UdN与正序电压轴分量UdP进行叠加获得参考电压矢量Ud—ref，
且将UqN与正序电压轴分量Uqp进行叠加，获得参考电压矢量U^rf。 得到参考电压矢量，并将所述参考电压矢量经过脉宽调制器，生成控制脉冲信号
sa、sb、sc。 最后将所述控制脉冲信号经驱动电路，控制变流器中功率半导体器件，生成相应 的电流。 将三相电压和电流经过双序dq坐标变换后，通过以上所述的电压电流轴直流分 量关系式来获得沿d、 q轴的电压电流轴分量的轴直流分量，然后对所述轴直流分量进行解 耦，相对使用Notch陷波器来说，其优点在于对频率无依赖，且设计变得较为简单了，且使 用数学算法进行软件滤波，取代了硬件滤波装置，在系统响应速度上也变的更快。根据以 上所述的正、负序双电流环控制结构，并通过电压轴分量关系式来获得正序电压轴分量Udp、
U,p和负序电压轴分量Udn、U⑩，可以获得的较为准确的正序电压轴分量和负序电压轴分量。 实施例2 本实施例与实施例1的区别仅仅在于，所述脉宽调制器为电压空间矢量脉宽调制 器，且采用的调制方式为电压空间矢量脉宽调制方式。 DSP程序中的SVP丽(电压空间矢量)计算子模块根据求得的Ud^，和U,，f值来计 算每相桥臂IGBT的相应导通时间，并将其写入DSP中事件管理器中相应的比较寄存器，DSP 生成六路相关P丽信号。该信号再经光电转换电路，以光的形式通过光纤传输至对应IGBT 驱动电路，由驱动电路将接收到的光P丽信号转换为相应隔离的电平信号驱动IGBT工作， 完成能量变换过程。 采用电压空间矢量脉宽调制方式，其优点在于适合于数字化控制系统，且可以根 据输入信号计算出整流级与变流级(逆变级)有效开关矢量的占空比，从而有效地对变流 器的整流级和逆变级开关进行控制。 显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对 于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以根据设备的大小不同做出其 它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出 的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
权利要求
一种风力发电系统中变流器的控制方法，其特征在于a)在风电机组变流器中，将电网的三相不对称电压Ua，Ub，Uc通过变换器进行正负双序坐标dq变换得到沿正、负序d轴的电压轴分量Ud+，Ud-和沿正、负序q轴的电压轴分量Uq+，Uq-；对三相电流Ia、Ib、Ic进行正负双序坐标dq变换得到沿正、负序d轴的电流轴分量Id+，Id-和沿正、负序q轴电流轴分量的Iq+，Iq-；b)利用变换所得的轴分量Ud+，Ud-，Uq+，Uq-，Id+，Id-，Iq+，Iq-通过控制器根据以下关系式来获得第K次采样时刻的电压轴直流分量Usd+、Usd-、Usq+、Usq-的值Usd+(k)＝Ud+(k)-Usq-(k-1)·sin2θ′(k-1)-Usd-(k-1)·cos2θ′(k-1)；Usd-(k)＝Ud-(k)-Usd+(k-1)·cos2θ′(k-1)；Usq+(k)＝Uq+(k)+Usd-(k-1)·sin2θ′-Usq-(k-1)·cos2θ′(k-1)；Usq-(k)＝Uq-(k)-Usd+(k-1)·sin2θ′(k-1)；且通过控制器根据以下关系式来获得第K次采样时刻的电流轴直流分量Isd+、Isd-、Isq+、Isq-的值Isd+(k)＝Id+(k)-Isq-(k-1)·sin2θ′(k-1)-Isd-(k-1)·cos2θ′(k-1)；Isd-(k)＝Id-(k)-Isd+(k-1)·cos2θ′(k-1)；Isq+(k)＝Iq+(k)+Isd-(k-1)·sin2θ′-Isq-(k-1)·cos2θ′(k-1)；Isq-(k)＝Iq-(k)-Isd+(k-1)·sin2θ′(k-1)；c)在旋转坐标系下对所述电压轴直流分量和所述电流直流分量进行解耦控制，并得到参考电压矢量；d)将解耦所得的参考电压矢量经过脉宽调制器，生成控制脉冲信号；e)将所述控制脉冲信号经驱动电路，控制变流器中功率半导体器件，生成相应的电压；其中θ′为通过估计器逼近θ的估计值，θ为正序电压矢量和三相静止坐标系A轴或两相静止坐标系α轴的夹角，k为第k次电压采样，初始θ′(0)的值，初始电压轴直流分量Usq-(0)、Usd-(0)、Usq+(0)、Usd+(0)和电流轴直流分量Isq-(0)、Isd-(0)、Isq+(0)、Isd+(0)均为估计值。
2. 根据权利要求1所述的风力发电系统中变流器的控制方法，其特征在于所述e '相对所述e的误差范围为-10% +10%。
3. 根据权利要求1或2所述的风力发电系统中变流器的控制方法，其特征在于 所述解耦控制的方法为采用正、负序双电流环控制结构，首先，预设参考电流轴直流分量Isd+—M， Isd——W， Isq+—M， Isq——rrf，将各所述参考电流轴直流分量与其相应的电流轴直流分量Isd+、 Isd—、 Isq+、 Isq—通过PI调节器进行闭环控制，且根据所述参考电流轴直流分量和相应的所述电流轴直流分量间的误差，分别输出相应的电压调节输出量usd+—PI， usd——PI， usq+—PI， us。— PI，然后通过以下表达式来获得正序电压轴分量udP、 U。P和负序电压轴分量u^、 u。n:<formula>formula see original document page 2</formula>其中O为电网电压角频率，L为线路等效电感；再将所述负序电压轴分量U^、U⑩变换到正序坐标下，得到负序参考电压在正序坐标下的电压分量U『UqN，并将UdN与正序电压轴分量UdP进行叠加获得参考电压矢量Ud—ref，且将uqN与正序电压轴分量uqP进行叠加，获得参考电压矢量uq—ref。
4. 根据权利要求1或2所述的风力发电系统中变流器的控制方法，其特征在于 所述脉宽调制器为电压空间矢量脉宽调制器，且采用的调制方式为电压空间矢量脉宽调制方式。
5. 根据权利要求3所述的风力发电系统中变流器的控制方法，其特征在于 所述脉宽调制器为电压空间矢量脉宽调制器，且采用的调制方式为电压空间矢量脉宽调制方式。
全文摘要
本发明涉及一种发电设备的控制方法，特别涉及一种直驱风力发电变流器的控制方法，本发明的风力发电系统中变流器的控制方法，其中，包括在风电机组变流器中，将电网的三相不对称电压Ua，Ub，Uc，三相电流Ia、Ib、Ic进行正负双序坐标dq变换得到沿正、负序d、q轴的电压、电流轴分量；再通过数学算法来滤除三相不对称电压中的二次谐波，并将得到的沿正、负序d、q轴的电压、电流轴直流分量进行解耦，获得参考电压矢量，将所述参考电压矢量经过脉宽调制器，生成控制脉冲信号，进而控制变流器，生成相应的电压；本发明的优点在于，用数学算法取代了滤波装置，效率高，成本低，系统响应速度更快。
文档编号H02M5/458GK101702583SQ20091016937
公开日2010年5月5日 申请日期2009年8月27日 优先权日2009年8月27日
发明者傅立军, 刘勇, 汪光森, 王东, 王颢雄, 肖飞, 陈明亮, 马伟明 申请人:中国人民解放军海军工程大学