一种新型永磁同步风机并网控制方法与流程

本发明属于新能源与现有电力并网方面的应用，特别涉及永磁同步风机并网控制方法研究，提出的方案有利于减少工程投资。

背景技术：

日益严峻的能源供应与全球气候变暖，引起了各国对于能源使用方式的深刻反思。能源日益成为全球性问题，能源问题已上升为关系到社会经济发展全局的重大战略问题。而可再生能源以其清洁、低碳、可持续等特点，近年来，得到了国际社会和大多数国家的高度重视。

在众多可再生能源中，风能的开发和利用备受关注。近年来，多极永磁同步发电机(pmsg)在风力发电中的应用越来越受到重视。

目前直驱永磁风电机组变流器电路结构主要有不控整流器+网侧pwm逆变器、机侧pwm整流器+网侧pwm逆变器两种结构。

不控整流器+网侧pwm逆变器这种结构的特点是将频率和幅值都变化的交流电经过不可控整流器变为直流电后，通过pwm电压源型逆变器连接电网。由于网侧pwm变流器能量可双向流动，因此可利用并网变换器对电容反向充电实现并网。因逆变器输入电压为不可控整流器的输出，而发电机在不同转速下输出电压不同，因此直流侧的电压一直在变化。pwm逆变器可通过改变调制比来实现并网电压的频率、幅值恒定，当风速较低时，pwm逆变器输入电压很低，为保证并网电压恒定，必须提高逆变器的调制深度，而这会导致逆变器运行效率低、开关利用率低、峰值电流高和传导损耗大。

机侧pwm整流器+网侧pwm逆变器型拓扑结构中，通过矢量解耦控制pwm整流器，可以实现发电机的单位功率因数输出、最大转矩、最大效率和最小损耗控制。机组并网时，通过控制逆变器实现对输出电压幅值、频率的控制，两侧电压幅值差、频率差、相角差满足准同期并网条件时，再将机组并入电网。但是传统使用的pwm整流器后接电压源型pwm逆变器型拓扑结构在运行时每台机组都串接一个全功率变流器，全功率变流器成本较高，约占整个系统成本的20％左右，运行成本较高。所以如何减少初期运行成本成为现在研究的重点方向。

技术实现要素：

本发明的目的是因为传统使用的pwm整流器后接电压源型pwm逆变器型拓扑结构在运行时每台机组都串接一个全功率变流器，全功率变流器成本较高，约占整个系统成本的20％左右，运行成本较高。本发明只用一台全功率变流器将机组并接在低频母线上，减少了投资费用，在减少初期投资方面有积极的作用。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

1)一种新型永磁同步风机的并网控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：首先对双pwm变流器进行控制，通过控制机侧整流器来控制发电机定子输出电能的频率和电压幅值并且控制风力转速接近低频母线频率对应的转速；

步骤二：在电机定子电压与低频母线电压满足准同期并网条件时，短接串连在主电路中的双pwm变流器，将发电机定子直接连接在箱式变压器上；

步骤三：选用背靠背换流站，电能以低频传输到背靠背换流站，在换流站变换为工频送入电网。

2)所述的步骤一中机侧整流器与永磁同步电机相连的，根据永磁同步发电机的转矩方程以及转子运动方程，建立机侧整流器的控制模型，控制发电机定子输出电能的频率和电压幅值，从而控制风力转速接近低频母线频率对应的转速。

3)所述的步骤二中电机定子电压与低频母线电压满足准同期并网条件，是当风机组刚并入电网的时候，风力机组运行状态与传统直驱永磁机组相同，当风力机转速接近低频母线频率对应的转速，此时通过开关，切除双pwm变流器，发电机定子直接与箱式变压器连接但此时发电机转速也固定在母线频率对应的转速时，再用以上方法将其他机组并网。

4)所述的步骤三中的背靠背换流站，容量通常比较大，要求能承受高电压大电流，既可满足容量要求能力，又可以降低对器件的要求，在换流站中低频电能变换为工频后经变压器升压送入电网。

5)所述的侧整流器，对机侧整流器的控制，是通过控制发电机的转速，调节发电机的输出功率，要分别对电流内环控制和转速外环控制进行设计，根据转矩方程以及转子运动方程，得出转子角速度与交轴电流有关，根据参考转速与实际转速之间的大小比较，进行pi控制设计，实际转速小，则通过pi控制增大转矩，实际转速大，就减小转矩。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：本发明提供一种新型永磁同步风机并网控制策略，只用一台全功率变流器将多台机组并接在低频母线上。而传统使用的pwm整流器后接电压源型pwm逆变器型拓扑结构在运行时每台机组都串接一个全功率变流器，全功率变流器成本较高，约占整个系统成本的20％左右，本发明的并网控制策略省去了每台机组的交－直－交变流器，减少了投资费用，在减少初期投资方面有积极的作用。

附图说明

图1是本发明一种新型永磁同步风机并网控制策略流程图。

图2是机侧变流器控制框图。

图3是网侧换流器控制框图。

图4是d-pmsg并网控制过程。

图5是并网后d-pmsg运行结构。

图中：1为通过对交－直－交变流器的控制，控制风力转速接近低频母线频率对应的转速；2为在电机定子电压与低频母线电压满足准同期并网条件时，短接串连在主电路中的双pwm变流器，将发电机定子直接连接在箱式变压器上；3为选用背靠背换流站，电能以低频传输到背靠背换流站，在换流站变换为工频送入电网。

具体实施方式

本发明为新型永磁同步风机并网控制策略，配置方法流程图如图1所示，包括以下步骤：

步骤一、通过对双pwm变流器的控制，控制风力转速接近低频母线频率对应的转速。

步骤二、在电机定子电压与低频母线电压满足准同期并网条件时，短接串连在主电路中的双pwm变流器，将发电机定子直接连接在箱式变压器上。

步骤三、选用背靠背换流站，电能以低频传输到背靠背换流站，在换流站变换为工频送入电网。

进一步，步骤一中，这种并网方法最重要的是对发电机转速的控制。机侧整流器控制风力发电机的转速和电压大小，控制发电机定子侧电压与网侧电压在幅值差、频率差、相角差满足准同期并网条件。

永磁同步机的数学模型也是在dq0坐标系下建立的。转子机械转速与极对数乘积才是转子电角速度，即

ω＝p·ωr(1)

其中，ωr为转子机械转速。因d轴电流分量与无功功率相关，由于发电机和机侧变流器没有无功交换，设d轴电流参考值idref＝0；因q轴电流分量与电磁转矩相关，可通过控制q轴电流分量实现对电磁转矩的控制，进而控制发电机的转速。永磁同步发电机dq0轴数学模型如式(2)

式中：id、iq分别为定子电流的d、q分量；、ud、uq分别为定子电压的d、q分量；uq,lq分别为定子电压和电感；λ为永磁体的磁链；ωr为电角频率，p为转子极对数。

由转子运动方程可以看出，转子角速度ω与电磁转矩te之间具有函数关系，用pi控制器(proportionalplusintegralcontroller,picontroller)实现。由电磁转矩方程可以看出，电磁转矩te与直轴电流id和交轴电流iq相关。如果在实际控制设计过程中，将id一直控制为0，那么te就只与iq有关，即id和ud之间的函数关系为iq和uq，id和ud之间函数关系都可以用pi控制器实现。设计框图如图2所示。

根据图2，以d轴电流控制内环为例，分析电流控制的设计原理。

与d轴电流id有关的发电机方程为根据该式和图2可知，控制d轴电流id的pi控制器出口位置对应的值为当d轴参考电流idref大于d轴实际电流id时，pi控制器的输出为正，因此为正。此时d轴实际电流id会增大从而逼近d轴参考电流idref。反之，当d轴参考电流idref小于d轴实际电流id时，pi控制器的输出为负，因此为负。此时d轴实际电流id会减小从而逼近d轴参考电流idref。通过上述分析可知，图2中的d轴电流控制内环可以对d轴电流进行有效控制。根据图2，对转速外环进行控制。根据和可得转子角速度ω与交轴电流iq具有微分函数关系。当参考转速ωref大于实际转速ω时，pi控制器的输出为负，iqref减小，te减小，实际转速ω增大，从而逼近参考转速ωref。反之，当参考转速ωref小于实际转速ω时，pi控制器的输出为正，iqref增大，te增大，实际转速ω减小，从而逼近参考转速ωref。通过上述分析可知，图2中的转速控制外环可以对转速进行有效控制。

网侧换流器控制部分的思路与机侧换流器控制部分的设计思路类似。只不过，网侧换流器的控制目标是保证输入到电网中的电压稳定。

如果将电网电压定在d轴上，那么电网电压的q轴分量usq＝0，则注入电网的有功功率为p1＝usdicd，无功功率为q1＝-usqicq。又因为因此icd和ucd之间具有函数关系，icq和ucq之间具有函数关系。

直驱风机网侧换流器的控制框图如图3所示。

根据图3，首先需要对电流内环进行设计。网侧换流器的控制设计与机侧换流器的控制类似。与d轴电流icd有关的发电机方程为根据该式和图3可知，控制d轴电流icd的pi控制器出口位置对应的值为当d轴参考电流icdref大于d轴实际电流icd时，pi控制器的输出为正，因此为正。此时d轴实际电流icd会增大从而逼近d轴参考电流icdref。反之，当d轴参考电流icdref小于d轴实际电流icd时，pi控制器的输出为负，因此为负。此时d轴实际电流icd会减小从而逼近d轴参考电流icdref。通过上述分析可知，图3中的d轴电流控制内环可以对d轴电流进行有效控制。然后，根据图3，对无功和电压外环进行控制。根据p1＝usdicd和可得直流母线电压udc与icd有微分函数关系。当直流母线参考电压udcref大于实际电压udc时，pi控制器的输出为负，icdref减小，p1减小，实际电压udc增大，从而逼近参考电压udcref。当直流母线参考电压udcref小于实际电压udc时，pi控制器的输出为正，icdref增大，p1增大，实际电压udc减小，从而逼近参考电压udcref。通过上述分析可知，图3中的直流母线电压控制外环可以对直流母线电压进行有效控制。根据q1＝-usqicq可得无功功率q1与icq有微分函数关系。当无功参考功率q1ref大于实际功率q1时，pi控制器的输出为负，icqref减小，实际功率q1增大，从而逼近参考功率q1ref。当无功参考功率q1ref小于实际功率q1时，pi控制器的输出为正，icqref增大，实际功率q1减小，从而逼近参考功率q1ref。通过上述分析可知，图3中的无功功率控制外环可以对无功功率进行有效控制。

进一步，步骤二中，如图4，开关k1和k2都闭合，开关k3断开，风力机组运行状态与传统直驱永磁机组相同。通过控制机侧整流器来控制发电机定子输出电能的频率和电压幅值。控制风力机转速接近低频母线频率对应的转速。定子侧电压与网侧低频母线电压满足准同期并网条件时，开关k3闭合，k1与k2断开。发电机定子直接与箱式变压器连接，切除了交－直－交变流器，但发电机转速也固定在母线频率对应的转速上，切除的交－直－交变流器再继续通过k1，k2，k3配合关断闭合的方式将其他机组并网，最后的风力发电机组运行结构如图5。

进一步，步骤三中，一般来说，直驱式永磁风电场的并网结构中，换流站的容量通常比较大，要求能承受高电压大电流，常规的换流装置无法满足要求，可以采用背靠背换流站，既可满足容量要求能力，又可以降低对器件的要求。在换流站中低频电能变换为工频后经变压器升压送入电网。虽然这种设计会导致一些机组不能运行在最大风能利用曲线上，造成一定的风能损失。但是变流器的成本较高，而且多依靠进口，所以经过比较计算可以看出这种并网结构在减少风电场初期投资有积极作用。