自同步电压源全功率变换风电机组控制系统

1.本发明涉及电气工程技术领域，具体地，涉及一种自同步电压源全功率变换风电机 组控制系统。尤其地，涉及一种自同步电压源全功率变换风电机组控制系统及其控制方 法。


背景技术：

2.目前电力系统呈现出新能源容量占比提升伴随着同步机容量占比下降的特点，因此 基于电力电子变换器的新能源需要由被动输出电能的角色转变为主动支撑电网的角色。 依赖电力电子变换器灵活可控的特点，将模拟同步机运行特性的数学模型嵌入变换器的 电压源控制策略被广泛提出，其在主动支撑电网频率和电压方面具备天然的优势。
3.电压源风电机组可实现对电网频率和电压的自主快速支撑，是构建新型电力系统的 关键装备。基于直流母线电容动态的控制方法通过直流母线电压对电网频率的自主感知 同步电网和进行频率响应，是实现电压源风电机组的一种有效方法。然而当电网电压发 生故障时，受网侧变流器输出功率的限制，无法实现直流母线电压的稳定控制，网侧变 流器将失去同步功能。除此之外，基于直流母线电容动态的电压源控制方法由于没有电 流内环，极易出现暂态过电流问题而使得风电机组退出运行；当电网出现三相电压不平 衡时并网电流出现不平衡并导致直流电压、并网有功功率和无功功率出现二次波动；当 电网含背景谐波时会导致并网电流谐波含量超标。因此，对于基于直流母线电容动态控 制方法的电压源风电机组的电网故障控制与保护，需要综合考虑故障期间变换器的过电 流限制、电网同步以及故障恢复时的电网同步问题以及考虑电网出现不平衡和含背景谐 波时并网变换器的负序电流控制、直流电压二次波动抑制、有功功率和无功功率的二倍 频分量抑制、谐波电流抑制等问题。
4.专利文献(申请号：cn201811124760.8)公开了一种全功率风电机组控制方法及系 统,包括：采用网侧变流器控制直流侧电压，采用机侧变流器控制捕获的风功率，机侧变 流器采用基于转子磁链定向的矢量控制方式。将变流器直流侧电压类比为同步发电机的 转子转速，将直流侧电容的惯量时间常数类比为同步发电机转子的惯量时间常数，将网 侧变流器调制比类比为同步发电机的磁链。该专利针对全功率变换风电机组，提出了直 流母线电压感知电网频率进行同步的控制方法，但是直流母线电压并不能维持恒定值， 且因无电流内环存在网侧输出电流畸变率较大的问题。并且，该专利针对全功率变换风 电机组，只对其稳态特性进行了分析，缺乏电网暂态故障下的控制方法。
5.专利文献(申请号：cn202010769555.8)公开了一种双馈风力发电机组的虚拟同步 控制方法及系统，所述方法包括：对采集的双馈发电机的定子电压三相交流信号和定子 输出电流三相交流信号，经过改进型虚拟同步控制得到双馈发电机的定子电压指令和定 子虚拟同步角频率指令；对采集的双馈发电机的转子旋转角速度和所述定子虚拟同步角 频率指令进行计算，得到双馈发电机的正序转差角度和负序转差角度；基于所述正序转 差角度、所述负序转差角度和所述定子电压指令，进行正序控制和负序控制，生成双馈 发电机
转子侧变流器开关管的svpwm控制信号。该专利针对双馈风力发电机组，提出 了双馈发电机的改进虚拟同步控制，但是所提出的控制方法仅用于机侧变换器，网侧变 换器的电压源控制方法并未涉及；该专利针对双馈风力发电机组，提出了不平衡电网电 压下的虚拟同步机控制策略，但并未涉及电网暂态故障下的控制方法。


技术实现要素：

6.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种自同步电压源全功率变换风电机 组控制系统。
7.根据本发明提供的自同步电压源全功率变换风电机组控制系统，包括：
8.启动控制模块，用于实现自同步电压源风电机组的无冲击电流柔性并网启动控制； 稳态控制模块，用于实现电网非故障状态下全功率变换风电机组的电压源控制；暂态控 制模块，用于实现电网故障状态下全功率变换风电机组的电压源控制；暂稳态切换控制 模块，用于实现自同步电压源全功率变换风电机组在稳态运行模式与暂态运行模式之间 的无缝切换；不对称电流控制模块，用于实现不对称电网下全功率变换风电机组的负序 电流控制；谐波电流控制模块，用于实现含背景谐波电网下全功率变换风电机组的谐波 电流控制；电网阻抗自适应控制模块，用于实现不同短路比电网接入场景下全功率变换 风电机组的电网阻抗自适应控制。
9.根据本发明提供的自同步电压源全功率变换风电机组的网侧变换器启动控制方法， 包括如下步骤：
10.步骤2.1：接通断路器brk1，通过预充电电阻rc和网侧变换器的二极管整流器对直 流侧电容进行充电，在直流侧电压达到设定值后断开brk1，断开预充电回路，同时接 通断路器brk2；
11.步骤2.2：将开关s1、s2和s3均置于位置1，使能网侧变换器驱动脉冲sg，此时设 置网侧变换器的调制电压和相角分别为：
[0012][0013]
其中，u
t
为网侧变换器调制电压的幅值；θ
vsg
为风电机组网侧变换器调制电压的相角； u
t0
为风电机组网侧变换器出口电压的幅值；θ
p
为风电机组网侧变换器出口电压的相角；
[0014]
步骤2.3：将开关s1置于位置2、s2和s3均置于位置1，将直流电压实际值与参考 值的差值输入直流电压控制器1，并将直流电压控制器1的输出与锁相环输出相位之和 作为网侧变换器调制电压1的相位，此时设置网侧变换器的调制电压和相角分别为：
[0015][0016]
其中，k
pdc1
和k
idc1
分别为直流电压控制器1的比例系数和积分系数；
[0017]
步骤2.4：当直流电压达到设定值之后，将开关s2和s3均置于位置2，将直流母线 电压实际值与给定值的偏差输入至直流母线电压调节器2，得到网侧变换器的同步相角 2，控制策略的实现公式如下：
[0018][0019]
其中，θ
vsg
为网侧变换器的同步相角2；t1和t2为直流电压调节器的时间常数；
[0020]
步骤2.5：将直流母线电压实际值与给定值的偏差经致稳控制器得到变换器输出电压 的致稳控制补偿量，将无功功率给定值与无功功率实际值之差输入至无功功率调节器， 无功功率调节器的输出与电压基准值和致稳控制补偿量相加得到变换器输出电压2的幅 值，控制策略的实现公式如下：
[0021][0022]
其中，q
gref
和qg分别为无功功率指令值和实际值；d
pss
为网侧变换器输出电压的致 稳控制补偿量；k
pss
为致稳控制系数；k
pq
和k
iq
分别为无功功率调节器的比例系数和积分 系数；
[0023]
其中，无功功率指令值有网侧变换器输出交流电压幅值的给定值与实际值之差经过 交流电压调节器得到，其表达式为：
[0024]qgref
＝k
pu
(u
0-u
om
)
[0025]
其中，uo为网侧变换器输出交流电压幅值的给定值；u
om
为网侧变换器输出交流电 压幅值的实际值；k
pu
为交流电压调节器的比例系数；
[0026]
步骤2.6：由网侧变换器调制电压指令值u
t
和同步相角θ
vsg
得到静止坐标系下的三相 电压值，经过脉宽矢量调制得到网侧变换器的触发信号sg。
[0027]
根据本发明提供的自同步电压源全功率变换风电机组的稳态控制方法，包括：风电 机组网侧变换器的稳态控制方法、风电机组机侧变换器的稳态控制方法和风电机组的一 次调频控制方法。
[0028]
根据本发明提供的自同步电压源全功率变换风电机组的网侧变换器稳态控制方法， 包括如下步骤：
[0029]
步骤4.1：将网侧变换器输出端口的三相交流电压u
oabc
、三相交流电流i
fabc
以及网 侧变换器的同步角度θ
vsg
输入至旋转坐标变换公式得到三相交流电压u
oabc
和三相交流电 流i
fabc
输入的d轴和q轴分量，并根据三相交流电压u
oabc
和三相交流电流i
fabc
计算网侧 变换器的瞬时有功功率pg和无功功率qg的实时值。
[0030]
步骤4.2：将直流母线电压实际值与给定值的偏差输入至直流母线电压调节器，直流 电压调节器的输出与电网角频率基准值相加得到网侧变换器的同步角频率，控制策略的 实现公式如下：
[0031]
ω
syn
＝ω0+g(s)(u
dc-u
dcref
)
[0032]
其中，ω
syn
为网侧变换器的同步角频率；ω0为电网角频率额定值；t1和t2为直流电 压调节器的时间常数；u
dc
和u
dcref
分别为直流母线电压实际值与给定值；g(s)为直流母线 电压调节器的传递函数，其表达式如下：
[0033][0034]
步骤4.3：对网侧变换器的同步角频率积分得到网侧变换器的同步相角θ
vsg
，其表
d轴和q轴电流；lf为变换器侧滤波电感；ωg为电网角频率；k
pi
和k
ii
分别为电流环比例 和积分系数；
[0051]
步骤4.9：将网侧变换器调制电压指令值经过同步相角θ
vsg
得到静止坐标系下的三相 电压值，经过脉宽矢量调制得到网侧变换器的触发信号。
[0052]
根据本发明提供的自同步电压源全功率变换风电机组的机侧变换器的稳态控制方法， 包括如下步骤：
[0053]
步骤5.1：将机侧变换器输出的三相交流电流i
sabc
以及发电机的转子角度θr输入至旋 转坐标变换公式得到三相交流电流i
sabc
输入的d轴和q轴分量，并根据机侧变换器三相 交流电压u
sabc
和三相交流电流i
sabc
计算机侧变换器的瞬时有功功率ps和无功功率qs的 实时值。
[0054]
步骤5.2：根据风力机的当前转速查转速-功率表得到风电机组的最大输出功率p
wt
， 并将网侧变换器输出的同步角频率与电网额定角频率的差值经过比例谐振控制器得到 机侧变换器的惯量响应功率δp，进而得到风电机组的功率指令值，其实现公式如下：
[0055][0056]
其中，p
sref
为功率环节的参考值；p
wt
为风电机组的最大输出功率；δp为惯量响应 功率；kc为比例谐振控制器的比例系数；ks为比例谐振控制器在谐振频率处的增益；ξ 为比例谐振控制器的阻尼系数；ωc为谐振角频率。
[0057]
步骤5.3：将机侧变换器有功功率给定值与有功功率实际值之差输入至有功功率调节 器，有功功率调节器的输出值作为机侧变换器q轴电流指令值，控制策略的实现公式如 下：
[0058][0059]
其中，p
sref
和ps分别为风电机组输出功率的指令值和实际值；k
pp
和k
ip
分别为无功功 率调节器的比例系数和积分系数；
[0060]
步骤5.4：将机侧变换器电流内环的d轴指令值与d轴实际值之差经过pi调节器得 到d轴调制电压指令值，将机侧变换器电流内环的q轴指令值与q轴实际值之差经过pi调节器得到q轴调制电压指令值，控制策略的实现公式如下：
[0061][0062]
其中，u
sd
和u
sq
分别为d轴和q轴调制电压指令值；i
sd
和i
sq
分别为机侧变换器输出 d轴和q轴电流；l
sd
和l
sq
为发电机的d轴和q轴电感；ωm为发电机转子机械角频率； n
p
为发电机极对数；ψr为发电机的额定磁链；k
pi_m
和k
ii_m
分别为机侧变换器电流环比例 和积分系数；
[0063]
步骤5.5：将机侧变换器调制电压指令值和转子角度θr经过旋转坐标反变换得到静止 坐标系下的三相电压值，经过脉宽矢量调制得到机侧变换器的触发信号。
[0064]
根据本发明提供的自同步电压源全功率变换风电机组的一次调频控制方法，包括如 下步骤：
[0065]
步骤6.1：将风电机组的有功功率实际值与有功功率指令值的差值输入功率控制器得 到桨距角设定值，控制策略的实现公式为：
[0066][0067]
其中，βs为桨距角设定值；p
sref
和ps分别为风电机组有功功率的指令值和实际值； 补偿值；k
ppj
和k
ipj
为功率控制器的比例系数和积分系数。
[0068]
步骤6.2：将网侧变换器输出的同步角频率与电网额定角频率的差值输入至一次调频 调节器，一次调频调节器的输出与桨距角预设值相加得到桨距角补偿值，控制策略的实 现公式为：
[0069]
δβ＝β0+k
pb
(ω
syn-ω0)
[0070]
其中，β0为桨距角预设值；δβ为桨距角补偿值；k
pb
为一次调频控制器的比例系数。
[0071]
步骤6.3：将桨距角设定值和桨距角补偿值之和作为桨距角指令值送给变桨控制器控 制风电机组的桨距角实现机组的一次调频功能。
[0072]
根据本发明提供的自同步电压源全功率变换风电机组的暂态控制方法，包括如下步 骤：
[0073]
步骤7.1：当直流电压大于ka*u
dcref
时卸荷电路动作，采用pi调节器对直流母线电 压进行控制，调节器输出值与pwm发生器比较生成高频脉冲信号控制卸荷电路工作， 控制策略的实现公式为：
[0074][0075]
其中，u
cp
为卸荷电路控制器的输出；k
pc
和k
ic
分别为卸荷控制环比例系数和积分系 数；ka为直流电压卸荷动作系数；
[0076]
步骤7.2：将有功功率指令值和实际值的差值输入虚拟同步控制器，虚拟同步控制器 的输出与角频率基准值相加得到网侧变换器的输出角频率，对网侧变换器的输出角频率 积分得到网侧变换器的同步相角，控制策略的实现公式为：
[0077][0078]
其中，p
ref
和pg分别为有功功率指令值和实际值；j和d分别为虚拟惯量和虚拟阻尼；
[0079]
步骤7.3：将无功功率给定值与无功功率实际值之差输入至无功功率调节器，无功功 率调节器的输出与电压基准值相加得到变换器输出电压参考值的幅值，控制策略的实现 公式为：
[0080][0081]
步骤7.4：网侧变换器输出电压d轴和q轴指令值与实际值的误差通过自适应虚拟阻 抗环节得到网侧变换器输出电流d轴和q轴指令值，自适应虚拟阻抗环节的表达式为：
[0082][0083]
其中，l
v_ft
和r
v_ft
分别为自适应虚拟阻抗环节的虚拟电感值和虚拟电阻值；
[0084]
步骤7.5：通过自适应虚拟阻抗环节得到的网侧变换器输出电流d轴和q轴指令值的 表达式为：
[0085][0086][0087]
其中，i
dlref
和i
qlref
分别为经过限幅后的d轴和q轴电流指令值；i
lim
为最大允许的输 出电流幅值；
[0088]
步骤7.6：根据电网电压跌落深度设置视在功率指令值和有功功率指令值，视在功率 指令值的表达式为：
[0089][0090]
其中，s
new
为故障期间能够发出的最大视在功率；u
orms
为风电机组端口电压有效值； 有功功率指令值的表达式为：
[0091][0092]
步骤7.7：机侧变换器在电网暂态故障时屏蔽惯量响应功能，风电机组的功率指令根 据风力机的当前转速查转速-功率表得到。
[0093]
根据本发明提供的自同步电压源全功率变换风电机组的暂稳态切换控制方法，包括 如下步骤：
[0094]
步骤8.1：当同时检测到交流电压故障事件f1和直流电压异常事件f2时，自同步电 压源全功率变换风电机组暂稳态切换控制信号ft有效，执行故障穿越控制策略，其中 故障信号f1用于判断交流电压故障，表达式为：
[0095][0096]
其中，a1和a2分别为交流电压逻辑判断比例因子；
[0097]
故障信号f2用于判断直流电压异常，表达式为：
[0098][0099]
其中，b1和b2分别为交流电压逻辑判断比例因子；
[0100]
暂稳态切换控制信号ft由故障信号f1和f2综合生成：
[0101]
ft＝f1&f2[0102]
步骤8.2：当暂稳态切换控制信号ft无效时，同步环节采用直流电压同步；当暂稳 态切换控制信号ft有效时，同步环节采用功率同步控制方式；网侧变换器的同步环节 选择在同步频率位置处进行切换，可以保证网侧变换器的输出相角不发生突变，能有效 避免切换过程中的冲击，控制策略的实现公式如下：
[0103][0104]
步骤8.3：当暂稳态切换控制信号ft无效时，附加至网侧变换器调制电压的致稳控 制补偿量有效；当暂稳态切换控制信号ft有效时，附加至网侧变换器调制电压的致稳 控制补偿量为0；即致稳控制补偿量仅用于提升稳态时网侧变换器控制系统稳定性，暂 态时为0，控制策略的实现公式如下：
[0105][0106]
步骤8.4：当暂稳态切换控制信号ft无效时，风电机组响应电网频率事件，惯量响 应功能有效；当暂稳态切换控制信号ft有效时，风电机组不响应电网频率事件，惯量 响应附加功率为0；即暂态运行模式下闭锁机侧变换器的频率响应控制环节，惯量响应 控制的实现公式如下：
[0107][0108]
根据本发明提供的自同步电压源全功率变换风电机组的非对称输出电流控制方法， 包括如下步骤：
[0109]
步骤9.1：利用网侧变换器的同步相角作为变换角度，采用四分之一延迟法得到风电 机组三相交流电压和三相交流电流的正序分量和负序分量；
[0110]
步骤9.2：由限幅后的网侧变换器dq轴电流指令值i
dlref
和i
qlref
与风电机组交流电压的 dq轴分量u
od
和u
oq
，得到网侧变换器的虚拟有功功率与无功功率，经低通滤波器滤除 二倍频分量后得到有功功率指令值p
oref
和无功功率指令值q
oref
，其计算公式为：
[0111][0112]
其中：t3为低通滤波器时间常数；
[0113]
步骤9.3：根据有功功率指令值和无功功率指令值、风电机组交流电压的正序dq轴 分量u
odp
、u
oqp
和负序分量dq轴分量u
odn
、u
oqn
，分别根据抑制负序电流、有功功率二 倍频波动和抑制无功功率二倍频波动的控制目标，得到正负序电流的指令值i
dpref
、i
qpref
、 i
dnref
、i
qnref
；
[0114]
抑制负序电流控制目标下，正负序电流的指令值的计算公式为：
以及相角θ
vsg
输入至负序旋转坐标系到静止坐标系变换公式中得到网侧变换器负序三相 调制电压u
tn
；
[0129]
步骤9.7：将正序三相调制电压u
tp
与三相调制电压u
tn
相加，作为网侧变换器的调 制信号u
tabc
，经过脉宽矢量调制得到网侧变换器的触发信号。
[0130]
根据本发明提供的自同步电压源全功率变换风电机组的谐波电流控制方法，包括如 下步骤：
[0131]
步骤10.1：将电压内环输出的d、q轴电流指令值i
dref
和i
qref
通过旋转坐标系到两相 静止坐标系的坐标变换公式，并通过多阶限波器滤除谐波分量后得到两相静止坐标下下 的电流指令值i
αref
和i
βref
，其实现公式为：
[0132][0133]
其中，h(s)为多阶限波器的传递函数，其表达式为：
[0134][0135]
其中，k为谐波次数，k＝6n
±
1，其中n取1和2；ξf为限波器的阻尼系数。
[0136]
步骤10.2：采用多谐pr调节器对网侧变换器输出电流进行控制，以消除电流中的 谐波分量，控制策略的实现公式为：
[0137][0138]
其中，u
tα
和u
tβ
分别为α轴和β轴调制电压指令值；i
fα
和i
fβ
分别为网侧变换器输出α 轴和β轴电流；ω
rk
为谐振角频率；k
pr
和k
ir
分别为pr控制器比例和积分系数；
[0139]
步骤10.3：将网侧变换器两相静止坐标系的调制电压指令值经两相静止坐标系到三 相静止坐标系的坐标变换公式得到静止坐标系下的三相电压值，经过脉宽矢量调制得到 网侧变换器的触发信号。
[0140]
根据本发明提供的自同步电压源全功率变换风电机组的电网阻抗自适应控制方法， 包括如下步骤：
[0141]
步骤11.1：根据自同步电压源全功率变换风电机组的控制架构，建立系统惯量响应 能力、系统惯性响应速度和系统无功控制响应速度等性能指标与电网阻抗和系统控制参 数的函数关系，可表示为：
[0142][0143]
式中，zg为电网阻抗；p
rn
为系统控制策略所涉及到的控制参数；n为控制参数的个 数；itc为系统惯量响应能力；it
t
为系统惯量响应能力；q
t
为系统无功控制响应速度； f1(x)为系统惯量响应能力关于控制参数和电网阻抗的函数关系式；f2(x)为系统惯量响应 速度关于控制参数和电网阻抗的函数关系式；f3(x)为系统无功控制响应速度关于控制参 数和
电网阻抗的函数关系式；a
10
、a
11
、a
12
，...，a
1n
、a
20
、a
21
、a
22
，...，a
2n
和a
30
、a
31
、 a
32
，...，a
3n
为关系式中各控制参数的系数；
[0144]
步骤11.2：根据上述函数关系建立系统控制参数关于电网阻抗和系统惯量响应能力、 系统惯性响应速度和系统无功响应速度等性能指标的函数，其表达式可写为：
[0145][0146]
步骤11.3：通过电网阻抗辨识实时获取电网阻抗的数值大小，并根据统惯量响应能 力、系统惯性响应速度和系统无功控制响应速度等性能指标，求解系统控制参数的多簇 数值解集合{p
ri
(1)},...,{p
ri
(m)}；
[0147]
步骤11.4：建立系统相角稳定裕度与系统控制参数和电网阻抗的函数关系，其表达 式可表示为：
[0148]
pm＝g(zg,p
r1
,p
r2
,
···
,p
rn
)＝g[zg,{p
ri
}]
[0149]
式中，pm为系统相角稳定裕度；
[0150]
步骤11.5：将步骤10.3得到的系统控制参数的多簇解析表达式{p
ri
(1)},...,{p
ri
(m)}依 次代入到系统稳定裕度函数中，并定义自同步电压源风电机组的性能函数per为：
[0151]
per＝max(g[zg,{p
ri
(1)}],g[zg,{p
ri
(2)}],
…
,g[zg,{p
ri
(m)}])
[0152]
步骤11.6：当性能函数per取得最大值时，自同步电压源全功率变换风电机组在当 前电网工况下的稳定裕度达到最优，取对应的一组控制参数的解作为当前系统控制参数。
[0153]
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0154]
(1)本发明提供的自同步电压源全功率变换风电机组稳态时可实现网侧变换器的 无锁相环并网自同步功能，控制输出同步频率可实时感知电网频率的变化，通过将同步 频率引入机侧变换器实现了风电机组对电网的主动频率支撑，加入的电压电流控制结构 可使网侧变换器动态响应速度更快且降低输出电流的畸变率；
[0155]
(2)本发明提供的自同步电压源全功率变换风电机组暂态时直流母线电压由卸荷电 路控制稳定，网侧变换器的同步环节切换至有功功率同步控制，可保持暂态故障期间风 电机组与电网的同步，且具有一定的惯量和阻尼支撑能力，采用的自适应修改虚拟阻抗 的方法可以有效降低暂态过电流，使风电机组在电网暂态故障期间保持连续运行能力；
[0156]
(3)本发明提供的自同步电压源全功率变换风电机组暂稳态无缝切换方法，通过采 用电网交流电压和直流母线电压的复合故障判断方法，在电网故障时可实现风电机组两 种同步方式的准确切换，确保机组在稳态运行与暂态运行两种工作模式之间实现无缝切 换，确保机组在切换控制时稳定运行；
[0157]
(4)本发明提供的自同步电压源全功率变换风电机组应对不对称电网的控制方法， 可以消除有功功率、无功功率以及直流电压上的二次波动；
[0158]
(5)本发明提供的自同步电压源全功率变换风电机组应对含背景谐波电网的控制方 法，可以降低风电机组输出电流中的谐波含量，提高并网电网质量。
[0159]
(6)本发明提供的自同步电压源全功率变换风电机组应自适应电网阻抗的控制方法， 可以在电网阻抗范围变化时自适应调整系统控制参数，提高系统的并网稳定性。
附图说明
[0160]
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目 的和优点将会变得更明显：
[0161]
图1为自同步电压源全功率变换风电机组及控制系统；
[0162]
图2为自同步电压源全功率变换风电机组启动控制框图；
[0163]
图3为自同步电压源全功率变换风电机组稳态控制框图，包括3a为网侧变换器控制 框图，3b为机侧变换器控制框图，3c为一次调频控制框图；
[0164]
图4为自同步电压源全功率变换风电机组暂态控制框图；
[0165]
图5为自同步电压源全功率变换风电机组暂稳态切换控制框图；
[0166]
图6为自同步电压源全功率变换风电机组不对称电流控制框图；
[0167]
图7为自同步电压源全功率变换风电机组谐波电流控制框图；
[0168]
图8为自同步电压源全功率变换风电机组电网阻抗自适应控制框图；
具体实施方式
[0169]
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人 员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技 术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于 本发明的保护范围。
[0170]
实施例：
[0171]
本发明提出了一种自同步电压源全功率变换风电机组控制系统，要解决的技术问题 体现在以下几点：
[0172]
1)：无电流内环的惯性同步控制方法并网电流畸变率高，本发明提出的附加电流内 环的惯性同步控制方法，保留了自同步电压源风电机组自主感知电网频率变化和频率响 应的功能，且附加的电流内环可提高并网电流的波形质量，降低了并网电流的畸变率。
[0173]
2)：现有的惯性同步控制方法在电网故障时出现过电流而闭锁，无法实现对电网的 主动支撑，本发明提出的惯性同步控制全功率风电机组故障穿越控制方法，可实现在对 称跌落故障下风电机组保持对电网的同步、且能有效地抑制暂态过电流，使得机组在电 网暂态故障期间保持连续运行能力，实现机组故障穿越和对电网的主动支撑。
[0174]
3)：惯性同步控制全功率风电机组存在稳态运行与暂态运行两种工作模式，当不采 用无缝切换控制时，机组由稳态运行模式进入暂态运行模式易出现失稳现象，本发明提 出一种电压源风电机组稳态与暂态无缝切换控制单元，可保证机组在两种运行模式下的 无缝切换，确保机组在切换过程中不出现失稳问题。
[0175]
4)：不对称电网下现有的惯性同步控制方法有功功率、无功功率以及直流电压均存 在二次波动问题，本发明提出一种适应于不对称电网下的惯性同步控制方法，可消除有 功功率、无功功率、直流电压上的二次波动。
[0176]
5)：电网含背景谐波时现有的惯性同步控制方法并网电流谐波含量较大，本发明提 出一种适应于含背景谐波电网的惯性同步控制方法，可有效降低风电机组输出电流中的 谐波含量，提高并网电能质量。
[0177]
6：电网阻抗宽范围变化时风电机组容易出现并网失稳的问题，本发明提供的自同
步 电压源全功率变换风电机组应自适应电网阻抗的控制方法，可以在电网阻抗范围变化时 自适应调整系统控制参数，提高系统的并网稳定性。
[0178]
如图1，本发明包括如下模块：
[0179]
启动控制模块，用于实现自同步电压源风电机组的无冲击电流柔性并网启动控制； 稳态控制模块，用于实现电网非故障状态下全功率变换风电机组的电压源控制；暂态控 制模块，用于实现电网故障状态下全功率变换风电机组的电压源控制；暂稳态切换控制 模块，用于实现自同步电压源全功率变换风电机组在稳态运行模式与暂态运行模式之间 的无缝切换；不对称电流控制模块，用于实现不对称电网下全功率变换风电机组的负序 电流控制；谐波电流控制模块，用于实现含背景谐波电网下全功率变换风电机组的谐波 电流控制；电网阻抗自适应控制模块，用于实现不同短路比电网接入场景下全功率变换 风电机组的电网阻抗自适应控制。
[0180]
其中：如图2，自同步电压源全功率变换风电机组启动控制方法，包括如下步骤：
[0181]
步骤2.1：接通断路器brk1，通过预充电电阻rc和网侧变换器的二极管整流器对直 流侧电容进行充电，在直流侧电压达到设定值后断开brk1，断开预充电回路，同时接 通断路器brk2；
[0182]
步骤2.2：将开关s1、s2和s3均置于位置1，使能网侧变换器驱动脉冲sg，此时设 置网侧变换器的调制电压和相角分别为：
[0183][0184]
其中，u
t
为网侧变换器调制电压的幅值；θ
vsg
为风电机组网侧变换器调制电压的相角； u
t0
为风电机组网侧变换器出口电压的幅值；θ
p
为风电机组网侧变换器出口电压的相角；
[0185]
步骤2.3：将开关s1置于位置2、s2和s3均置于位置1，将直流电压实际值与参考 值的差值输入直流电压控制器1，并将直流电压控制器1的输出与锁相环输出相位之和 作为网侧变换器调制电压1的相位，此时设置网侧变换器的调制电压和相角分别为：
[0186][0187]
其中，k
pdc1
和k
idc1
分别为直流电压控制器1的比例系数和积分系数；
[0188]
步骤2.4：当直流电压达到设定值之后，将开关s2和s3均置于位置2，将直流母线 电压实际值与给定值的偏差输入至直流母线电压调节器2，得到网侧变换器的同步相角 2，控制策略的实现公式如下：
[0189][0190]
其中，θ
vsg
为网侧变换器的同步相角2；t1和t2为直流电压调节器的时间常数；
[0191]
步骤2.5：将直流母线电压实际值与给定值的偏差经致稳控制器得到变换器输出电压 的致稳控制补偿量，将无功功率给定值与无功功率实际值之差输入至无功功率调节器， 无功功率调节器的输出与电压基准值和致稳控制补偿量相加得到变换器输出电压2的幅 值，控制策略的实现公式如下：
压幅值的实际值；k
pu
为交流电压调节器的比例系数；
[0212]
步骤4.6：将无功功率给定值与无功功率实际值之差输入至无功功率调节器，无功功 率调节器的输出与电压基准值和致稳控制补偿量相加得到变换器输出电压参考值的幅 值，控制策略的实现公式如下：
[0213][0214]
其中，u
t
为网侧变换器输出电压参考值的幅值；u
t0
为电网额定电压的幅值；k
pq
和k
iq
分别为无功功率调节器的比例系数和积分系数；q
gref
和qg分别为无功功率指令值和实际 值；d
pss
为网侧变换器输出电压的致稳控制补偿量；
[0215]
步骤4.7：将网侧变换器输出电压参考值的幅值作为输出电压内环的d轴指令值，设 置网侧变换器输出电压内环的q轴指令值为0，将网侧变换器电压内环的d轴指令值与 d轴电压实际值之差经过虚拟阻抗环节得到d轴电流指令，将网侧变换器电压内环的q 轴指令值与q轴电压之差经过虚拟阻抗环节得到q轴电流指令，控制策略的实现公式如 下：
[0216][0217]
其中，u
td
和u
tq
分别为网侧变换器电压内环的d轴和q轴指令值，存在u
td
＝u
t
和u
tq
＝0； u
od
和u
oq
分别为网侧变换器端口d轴和q轴电压；i
dref
和i
qref
分别为d轴和q轴电流指 令值；lv和rv分别为虚拟阻抗环节的虚拟电感和虚拟电阻值。
[0218]
步骤4.8：将网侧变换器电流内环的d轴指令值与d轴电流之差经过pi调节器得到 d轴调制电压指令值，将网侧变换器电流内环的q轴指令值与q轴电流之差经过pi调节 器得到q轴调制电压指令值，控制策略的实现公式如下：
[0219][0220]
其中，u
std
和u
stq
分别为d轴和q轴调制电压指令值；i
fd
和i
fq
分别为网侧变换器输出 d轴和q轴电流；lf为变换器侧滤波电感；ωg为电网角频率；k
pi
和k
ii
分别为电流环比例 和积分系数；
[0221]
步骤4.9：将网侧变换器调制电压指令值经过同步相角θ
vsg
得到静止坐标系下的三相 电压值，经过脉宽矢量调制得到网侧变换器的触发信号。
[0222]
其中：如图3b，风电机组机侧变换器的稳态控制方法，包括如下步骤：
[0223]
步骤5.1：将机侧变换器输出的三相交流电流i
sabc
以及发电机的转子角度θr输入至旋 转坐标变换公式得到三相交流电流i
sabc
输入的d轴和q轴分量，并根据机侧变换器三相 交流电压u
sabc
和三相交流电流i
sabc
计算机侧变换器的瞬时有功功率ps和无功功率qs的 实时值。
[0224]
步骤5.2：根据风力机的当前转速查转速-功率表得到风电机组的最大输出功率p
wt
， 并将网侧变换器输出的同步角频率与电网额定角频率的差值经过比例谐振控制器得
到 机侧变换器的惯量响应功率δp，进而得到风电机组的功率指令值，其实现公式如下：
[0225][0226]
其中，p
sref
为功率环节的参考值；p
wt
为风电机组的最大输出功率；δp为惯量响应 功率；kc为比例谐振控制器的比例系数；ks为比例谐振控制器在谐振频率处的增益；ξ 为比例谐振控制器的阻尼系数；ωc为谐振角频率。
[0227]
步骤5.3：将机侧变换器有功功率给定值与有功功率实际值之差输入至有功功率调节 器，有功功率调节器的输出值作为机侧变换器q轴电流指令值，控制策略的实现公式如 下：
[0228][0229]
其中，p
sref
和ps分别为风电机组输出功率的指令值和实际值；k
pp
和k
ip
分别为无功功 率调节器的比例系数和积分系数；
[0230]
步骤5.4：将机侧变换器电流内环的d轴指令值与d轴实际值之差经过pi调节器得 到d轴调制电压指令值，将机侧变换器电流内环的q轴指令值与q轴实际值之差经过 pi调节器得到q轴调制电压指令值，控制策略的实现公式如下：
[0231][0232]
其中，u
sd
和u
sq
分别为d轴和q轴调制电压指令值；i
sd
和i
sq
分别为机侧变换器输出 d轴和q轴电流；l
sd
和l
sq
为发电机的d轴和q轴电感；ωm为发电机转子机械角频率； n
p
为发电机极对数；ψr为发电机的额定磁链；k
pi_m
和k
ii_m
分别为机侧变换器电流环比例 和积分系数；
[0233]
步骤5.5：将机侧变换器调制电压指令值和转子角度θr经过旋转坐标反变换得到静止 坐标系下的三相电压值，经过脉宽矢量调制得到机侧变换器的触发信号。
[0234]
其中：如图3c，风电机组的一次调频控制方法，包括如下步骤：
[0235]
步骤6.1：将风电机组的有功功率实际值与有功功率指令值的差值输入功率控制器得 到桨距角设定值，控制策略的实现公式为：
[0236][0237]
其中，βs为桨距角设定值；p
sref
和ps分别为风电机组有功功率的指令值和实际值； 补偿值；k
ppj
和k
ipj
为功率控制器的比例系数和积分系数。
[0238]
步骤6.2：将网侧变换器输出的同步角频率与电网额定角频率的差值输入至一次调频 调节器，一次调频调节器的输出与桨距角预设值相加得到桨距角补偿值，控制策略的实 现公式为：
[0239]
δβ＝β0+k
pb
(ω
syn-ω0)
[0240]
其中，β0为桨距角预设值；δβ为桨距角补偿值；k
pb
为一次调频控制器的比例系数。
[0241]
步骤6.3：将桨距角设定值和桨距角补偿值之和作为桨距角指令值送给变桨控制器控 制风电机组的桨距角实现机组的一次调频功能。
[0242]
其中：如图4，自同步电压源全功率变换风电机组暂态控制方法，包括如下步骤：
[0243]
步骤7.1：当直流电压大于ka*u
dcref
时卸荷电路动作，采用pi调节器对直流母线电 压进行控制，调节器输出值与pwm发生器比较生成高频脉冲信号控制卸荷电路工作， 控制策略的实现公式为：
[0244][0245]
其中，u
cp
为卸荷电路控制器的输出；k
pc
和k
ic
分别为卸荷控制环比例系数和积分系 数；ka为直流电压卸荷动作系数；
[0246]
步骤7.2：将有功功率指令值和实际值的差值输入虚拟同步控制器，虚拟同步控制器 的输出与角频率基准值相加得到网侧变换器的输出角频率，对网侧变换器的输出角频率 积分得到网侧变换器的同步相角，控制策略的实现公式为：
[0247][0248]
其中，p
ref
和pg分别为有功功率指令值和实际值；j和d分别为虚拟惯量和虚拟阻尼；
[0249]
步骤7.3：将无功功率给定值与无功功率实际值之差输入至无功功率调节器，无功功 率调节器的输出与电压基准值相加得到变换器输出电压参考值的幅值，控制策略的实现 公式为：
[0250][0251]
步骤7.4：网侧变换器输出电压d轴和q轴指令值与实际值的误差通过自适应虚拟阻 抗环节得到网侧变换器输出电流d轴和q轴指令值，自适应虚拟阻抗环节的表达式为：
[0252][0253]
其中，l
v_ft
和r
v_ft
分别为自适应虚拟阻抗环节的虚拟电感值和虚拟电阻值；
[0254]
步骤7.5：通过自适应虚拟阻抗环节得到的网侧变换器输出电流d轴和q轴指令值的 表达式为：
[0255][0256][0257]
其中，i
dlref
和i
qlref
分别为经过限幅后的d轴和q轴电流指令值；i
lim
为最大允许的
输 出电流幅值；
[0258]
步骤7.6：根据电网电压跌落深度设置视在功率指令值和有功功率指令值，视在功率 指令值的表达式为：
[0259][0260]
其中，s
new
为故障期间能够发出的最大视在功率；u
orms
为风电机组端口电压有效值； 有功功率指令值的表达式为：
[0261][0262]
步骤7.7：机侧变换器在电网暂态故障时屏蔽惯量响应功能，风电机组的功率指令根 据风力机的当前转速查转速-功率表得到。
[0263]
其中：如图5，自同步电压源全功率变换风电机组暂稳态切换控制方法，包括如下 步骤：
[0264]
步骤8.1：当同时检测到交流电压故障事件f1和直流电压异常事件f2时，自同步电 压源全功率变换风电机组暂稳态切换控制信号ft有效，执行故障穿越控制策略，其中 故障信号f1用于判断交流电压故障，表达式为：
[0265][0266]
其中，a1和a2分别为交流电压逻辑判断比例因子；
[0267]
故障信号f2用于判断直流电压异常，表达式为：
[0268][0269]
其中，b1和b2分别为交流电压逻辑判断比例因子；
[0270]
暂稳态切换控制信号ft由故障信号f1和f2综合生成：
[0271]
ft＝f1&f2[0272]
步骤8.2：当暂稳态切换控制信号ft无效时，同步环节采用直流电压同步；当暂稳 态切换控制信号ft有效时，同步环节采用功率同步控制方式；网侧变换器的同步环节 选择在同步频率位置处进行切换，可以保证网侧变换器的输出相角不发生突变，能有效 避免切换过程中的冲击，控制策略的实现公式如下：
[0273][0274]
步骤8.3：当暂稳态切换控制信号ft无效时，附加至网侧变换器调制电压的致稳控 制补偿量有效；当暂稳态切换控制信号ft有效时，附加至网侧变换器调制电压的致稳 控制补偿量为0；即致稳控制补偿量仅用于提升稳态时网侧变换器控制系统稳定性，暂 态时为0，控制策略的实现公式如下：
[0275]
[0276]
步骤8.4：当暂稳态切换控制信号ft无效时，风电机组响应电网频率事件，惯量响 应功能有效；当暂稳态切换控制信号ft有效时，风电机组不响应电网频率事件，惯量 响应附加功率为0；即暂态运行模式下闭锁机侧变换器的频率响应控制环节，惯量响应 控制的实现公式如下：
[0277][0278]
其中：如图6，自同步电压源全功率变换风电机组非对称输出电流控制方法，包括 如下步骤：
[0279]
步骤9.1：利用网侧变换器的同步相角作为变换角度，采用四分之一延迟法得到风电 机组三相交流电压和三相交流电流的正序分量和负序分量；
[0280]
步骤9.2：由限幅后的网侧变换器dq轴电流指令值i
dlref
和i
qlref
与风电机组交流电压的 dq轴分量u
od
和u
oq
，得到网侧变换器的虚拟有功功率与无功功率，经低通滤波器滤除 二倍频分量后得到有功功率指令值p
oref
和无功功率指令值q
oref
，其计算公式为：
[0281][0282]
其中：t3为低通滤波器时间常数；
[0283]
步骤9.3：根据有功功率指令值和无功功率指令值、风电机组交流电压的正序dq轴 分量u
odp
、u
oqp
和负序分量dq轴分量u
odn
、u
oqn
，分别根据抑制负序电流、有功功率二 倍频波动和抑制无功功率二倍频波动的控制目标，得到正负序电流的指令值i
dpref
、i
qpref
、 i
dnref
、i
qnref
；
[0284]
抑制负序电流控制目标下，正负序电流的指令值的计算公式为：
[0285][0286]
抑制有功功率二倍频波动控制目标下，正负序电流的指令值的计算公式为：
[0287][0288]
抑制无功功率二倍频波动控制目标下，正负序电流的指令值的计算公式为：
[0289][0290]
其中，
[0291][0292]
步骤9.4：将网侧变换器电流内环的正序d轴指令值与d轴电流之差经过pi调节器 得到正序d轴调制电压指令值，将网侧变换器电流内环的正序q轴指令值与q轴电流之 差经过pi调节器得到正序q轴调制电压指令值，控制策略的实现公式如下：
[0293][0294]
其中，u
tdp
和u
tqp
分别为正序d轴和q轴调制电压指令值；i
fdp
和i
fqp
分别为网侧变换 器输出的正序d轴和q轴电流；lf为变换器侧滤波电感；ωg为电网角频率；k
pi_p
和k
ii_p
分 别为正序电流环比例系数和积分系数；
[0295]
步骤9.5：将网侧变换器电流内环的负序d轴指令值与d轴电流之差经过pi调节器 得到负序d轴调制电压指令值，将网侧变换器电流内环的负序q轴指令值与q轴电流之 差经过pi调节器得到负序q轴调制电压指令值，控制策略的实现公式如下：
[0296][0297]
其中，u
tdn
和u
tqn
分别为负序d轴和q轴调制电压指令值；i
fdn
和i
fqn
分别为网侧变换 器输出的负序d轴和q轴电流；lf为变换器侧滤波电感；ωg为电网角频率；k
pi_n
和k
ii_n
分 别为负序电流环比例系数和积分系数；
[0298]
步骤9.6：将网侧变换器正序dq轴电压以及相角θ
vsg
输入至正序旋转坐标系到静止坐 标系变换公式中得到网侧变换器正序三相调制电压u
tp
，将将网侧变换器负序dq轴电压 以及相角θ
vsg
输入至负序旋转坐标系到静止坐标系变换公式中得到网侧变换器负序三相 调制电压u
tn
；
[0299]
步骤9.7：将正序三相调制电压u
tp
与三相调制电压u
tn
相加，作为网侧变换器的调 制信号u
tabc
，经过脉宽矢量调制得到网侧变换器的触发信号。
[0300]
其中：如图7，自同步电压源全功率变换风电机组谐波电流控制方法，包括如下步 骤：
[0301]
步骤10.1：将电压内环输出的d、q轴电流指令值i
dref
和i
qref
通过旋转坐标系到两相 静止坐标系的坐标变换公式，并通过多阶限波器滤除谐波分量后得到两相静止坐标下下 的电流指令值i
αref
和i
βref
，其实现公式为：
[0302][0303]
其中，h(s)为多阶限波器的传递函数，其表达式为：
[0304]
[0305]
其中，k为谐波次数，k＝6n
±
1，其中n取1和2；ξf为限波器的阻尼系数。
[0306]
步骤10.2：采用多谐pr调节器对网侧变换器输出电流进行控制，以消除电流中的 谐波分量，控制策略的实现公式为：
[0307][0308]
其中，u
tα
和u
tβ
分别为α轴和β轴调制电压指令值；i
fα
和i
fβ
分别为网侧变换器输出α 轴和β轴电流；ω
rk
为谐振角频率；k
pr
和k
ir
分别为pr控制器比例和积分系数；
[0309]
步骤10.3：将网侧变换器两相静止坐标系的调制电压指令值经两相静止坐标系到三 相静止坐标系的坐标变换公式得到静止坐标系下的三相电压值，经过脉宽矢量调制得到 网侧变换器的触发信号。
[0310]
其中：如图8，自同步电压源全功率变换风电机组电网阻抗自适应控制方法，包括 如下步骤：
[0311]
步骤11.1：根据自同步电压源全功率变换风电机组的控制架构，建立系统惯量响应 能力、系统惯性响应速度和系统无功控制响应速度等性能指标与电网阻抗和系统控制参 数的函数关系，可表示为：
[0312][0313]
式中，zg为电网阻抗；p
rn
为系统控制策略所涉及到的控制参数；n为控制参数的个 数；itc为系统惯量响应能力；it
t
为系统惯量响应能力；q
t
为系统无功控制响应速度； f1(x)为系统惯量响应能力关于控制参数和电网阻抗的函数关系式；f2(x)为系统惯量响应 速度关于控制参数和电网阻抗的函数关系式；f3(x)为系统无功控制响应速度关于控制参 数和电网阻抗的函数关系式；a
10
、a
11
、a
12
，...，a
1n
、a
20
、a
21
、a
22
，...，a
2n
和a
30
、a
31
、 a
32
，...，a
3n
为关系式中各控制参数的系数；
[0314]
步骤11.2：根据上述函数关系建立系统控制参数关于电网阻抗和系统惯量响应能力、 系统惯性响应速度和系统无功响应速度等性能指标的函数，其表达式可写为：
[0315][0316]
步骤11.3：通过电网阻抗辨识实时获取电网阻抗的数值大小，并根据统惯量响应能 力、系统惯性响应速度和系统无功控制响应速度等性能指标，求解系统控制参数的多簇 数值解集合{p
ri
(1)},...,{p
ri
(m)}；
[0317]
步骤11.4：建立系统相角稳定裕度与系统控制参数和电网阻抗的函数关系，其表达 式可表示为：
[0318]
pm＝g(zg,p
r1
,p
r2
,
···
,p
rn
)＝g[zg,{p
ri
}]
[0319]
式中，pm为系统相角稳定裕度；
[0320]
步骤11.5：将步骤10.3得到的系统控制参数的多簇解析表达式{p
ri
(1)},...,{p
ri
(m)}依 次代入到系统稳定裕度函数中，并定义自同步电压源风电机组的性能函数per为：
[0321]
per＝max(g[zg,{p
ri
(1)}],g[zg,{p
ri
(2)}],
…
,g[zg,{p
ri
(m)}])
[0322]
步骤11.6：当性能函数per取得最大值时，自同步电压源全功率变换风电机组在当 前电网工况下的稳定裕度达到最优，取对应的一组控制参数的解作为当前系统控制参数。
[0323]
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、 装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系 统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式 微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以 被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件 内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以 是硬件部件内的结构。
[0324]
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特 定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影 响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意 相互组合。