CN101917130B - Dfig低压穿越过程网侧变流器能量快速响应方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于优化无功功率注入法的DFIG低压穿越过程网侧变流器能量快速响应方法，其特征在于：在网侧变流器控制中，当双馈风力发电系统处于低压穿越过程时，若变流器直流侧电压的波动误差评价函数值在控制目标范围内采用单位功率因数控制策略，当变流器直流侧电压的波动误差评价函数值超出控制范围时，采用基于优化无功功率注入法的DFIG低压穿越过程网侧变流器能量快速响应方法，以提高网侧变流器有功功率能量流动响应速度。本发明明显提升了双馈风力发电变流器直流环节控制的鲁棒性。

Description

DFIG低压穿越过程网侧变流器能量快速响应方法

技术领域

本发明涉及一种基于优化无功功率注入法的DFIG低压穿越过程网侧变流器能量快速响应方法，属于电力电子应用技术领域。

背景技术

四象限整流以其功率因数可调、能量可以双向流动等优点成为双馈风力发电系统中网侧变流器的首选方案。DFIG(Doubly-Fed Induction Generator双馈发电机)网侧变流器的控制目标是：(1)通过控制交流侧有功电流保持直流电压稳定且具有良好的动态响应能力；(2)保证交流侧电流的正弦度，并使交流侧功率因数为1。因此对交流侧电流实施有效控制是四象限整流控制的关键。在实际应用中，对输出电流的控制是通过调节变流器的输出电压来实现的。由于变流器可以利用的直流电压是固定的，所以无论采用何种PWM调制方式，变流器交流侧输出电压的最大值也是固定的。当电网电压跌落，DFIG系统实施低压穿越过程中，直流侧电压波动将超出安全区域，变流器需要输出较大的有功电流来抑制直流电压的波动，而此时变流器交流侧输出电压容易达到饱和，常规单位功率因数控制算法往往显得响应速度过慢。

发明内容

本发明的目的在于针对以上现有技术存在的缺点，提出一种DFIG低压穿越过程网侧变流器能量快速响应方法，以提高双馈风力发电系统网侧变流器的直流电压利用率、提高其在低压穿越过程中直流电压的响应速度。

为了达到以上目的，本发明是采取以下的技术方案来实现的：

DFIG低压穿越过程网侧变流器能量快速响应方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)通过直流电压采样值与给定值的误差经过PI调节器调节后得到有功电流给定值；

2)根据直流电压波动误差评价函数设置无功电流给定值，若直流电压的波动误差评价函数值在控制目标范围内，无功电流的给定值设为零，实行单位功率因数控制，控制变流器交流侧功率因数为1，若直流电压的波动误差评价函数值超出控制目标范围，则强制给定无功电流进行能量快速响应；

3)有功电流和无功电流的给定值分别与对应的反馈值相比较，生成误差经过PI调节器输出两相旋转坐标电压给定值，经坐标变换得到变流器三相交流侧输出电压。

前述的直流电压波动误差评价函数为：

$\mathrm{\ξ}=\frac{\mathrm{\ϵ}}{u_{\mathrm{dc}}^{*}}+\frac{\mathrm{\Δ}{u}_{\mathrm{dc}}}{T_s}+\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\ϵ}\left(n\right)$

其中： $\mathrm{\ϵ}=u_{\mathrm{dc}}-u_{\mathrm{dc}}^{*};$

Δu_dc＝u_dc(n)-u_dc(n-1)；

u_dc为直流电压反馈值；

为直流电压给定值。

本发明的基于无功功率优化的DFIG低压穿越过程网侧变流器能量快速响应方法，通过强制给定无功电流，避免变流器输出电压出现饱和，保证了对输出有功电流实施加速响应控制，以实现能量流动的快速响应及直流侧电压的快速稳定。

附图说明

图1为四象限整流变流器主电路结构图；

图2为四象限整流变流器基波等效电路图；

图3为四象限整流变流器控制原理框图；

图4为四象限整流变流器d，q轴电压矢量分解原理图。

具体实施方式

结合附图对本发明的具体实施方式介绍如下：

图1为四象限整流变流器主电路结构图。根据图1可以确定四象限整流变流器基波等效电路图，如图2所示。本发明采用电网电压定向矢量控制实现四象限整流，控制原理图如图3所示。根据控制原理图可以得出四象限整流变流器输出电流满足下式：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{dr}}=-u_{\mathrm{dr}}^{\′}+\mathrm{\Δ}{u}_{\mathrm{dr}}+u_s\\ u_{\mathrm{qr}}=-u_{\mathrm{qr}}^{\′}-\mathrm{\Δ}{u}_{\mathrm{qr}}\end{array}\right.$ ......................公式1

其中：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{dr}}^{\′}=L\frac{{\mathrm{di}}_d}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{Ri}}_d\\ u_{\mathrm{qr}}^{\′}=L\frac{{\mathrm{di}}_q}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{Ri}}_q\end{array}\right.$ .......................公式2

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{u}_{\mathrm{dr}}={\mathrm{\ω}}_1{\mathrm{Li}}_q\\ \mathrm{\Δ}{u}_{\mathrm{qr}}={\mathrm{\ω}}_1{\mathrm{Li}}_d\end{array}\right.$ ...............................公式3

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{dr}}=S_d{u}_{\mathrm{dc}}\\ u_{\mathrm{qr}}=S_q{u}_{\mathrm{dc}}\end{array}\right.$ ...............................公式4

公式中的各变量定义如下：

i_d：两相旋转坐标系下d轴电流分量；

i_q：两相旋转坐标系下q轴电流分量；

u_s：电网电压；

u′_dr：d轴电压分量解耦项；

u′_qr：q轴电压分量解耦项；

Δu_dr：d轴电压耦合补偿项；

Δu_qr：q轴电压耦合补偿项；

u_dr：变流器输出d轴电压分量；

u_qr：变流器输出q轴电压分量。

根据图3所示，整个控制系统为双闭环结构，外环为电压环、内环为电流环。直流环节给定电压

与反馈电压u_dc相比较后的误差经PI调节器调节输出有功电流的给定值

。而无功电流的给定值

在常规功率因数控制算法中由功率因数的性质决定。在本算法中则根据直流电压波动误差评价函数设置。

当双馈风力发电系统处于低压穿越过程时，会引起直流电压的骤升或者骤降，使直流电压的波动误差评价函数值超出控制目标范围。

若直流电压的波动误差评价函数值超出控制目标范围，令u′_qr＝-0.1ξ。

当直流电压骤升时，变流器输出i_d为负值以抑制电压增长。若直流电压的波动误差超出控制目标范围，变流器的输出电压将会达到饱和。为退出饱和，在变流器允许的输出电流范围内，强制给定负无功电流i_q。i_d、i_q均为负值，根据公式2和公式3，u′_dr、Δu_dr也均为负值。根据公式1，Δu_dr使变流器输出d轴电压分量u_dr减小。根据公式2，q轴电压分量解耦项u′_qr为负值，使变流器输出q轴电压分量u_qr增大。由于u′_qr对i_q的快速响应控制，u′_qr的绝对值增长量远小于Δu_dr绝对值增加量，因此u_qr的绝对值增加量远远小于u_dr的绝对值减小量，其合成矢量长度仍减小，所以变流器交流侧的输出电压减小，大大提高了变流器直流侧电压利用率，显著降低了变流器输出电压出现饱和的概率。

当直流电压骤降时，变流器需要输出i_d为正值，以阻止直流电压降低。若直流电压的波动误差评价函数值超出控制目标范围。此时强制给定正无功电流i_q。根据公式1，由于u′_dr远大于u_s，所以变流器输出d轴电压分量u_dr为负值，此时给定正无功电流i_q，使变流器输出d轴电压分量u_dr减小。同样，给定正无功电流i_q，使变流器输出q轴电压分量u_qr增大。由于u′_qr对i_q的快速响应控制，u′_qr的绝对值增长量远小于Δu_dr绝对值增加量，u_qr的增加量远远小于u_dr的减少量，所以变流器交流侧的输出电压减小，大大提高了变流器直流侧电压利用率，显著降低了变流器输出电压出现饱和的概率。

经过采用无功功率优化的DFIG低压穿越过程网侧变流器能量快速响应方法计算后，使变流器输出电压减小，避免变流器交流侧的输出电压饱和。从而保证了对变流器输出的电流实施快速有效的控制，也就有效地控制能量流动的速度和大小，维持直流侧电压的稳定。

以上已以较佳实施例公开了本发明，然其并非用以限制本发明，凡采用等同替换或者等效变换方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种DFIG低压穿越过程网侧变流器能量快速响应方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)通过直流电压采样值与给定值的误差经过PI调节器调节后得到有功电流给定值；

2)根据直流电压波动误差评价函数设置无功电流给定值，若直流电压的波动误差评价函数值在控制目标范围内，无功电流的给定值设为零，控制变流器交流侧功率因数为1，若直流电压的波动误差评价函数值超出控制目标范围，则强制给定无功电流进行能量快速响应，所述直流电压波动误差评价函数为：

$\mathrm{\ξ}=\frac{\mathrm{\ϵ}}{u_{\mathrm{dc}}^{*}}+\frac{\mathrm{\Δ}{u}_{\mathrm{dc}}}{T_s}+\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\ϵ}\left(n\right)$

其中： $\mathrm{\ϵ}=u_{\mathrm{dc}}-u_{\mathrm{dc}}^{*};$

Δu_dc＝u_dc(n)-u_dc(n-1)；

u_dc为直流电压反馈值；

为直流电压给定值；

3)有功电流和无功电流的给定值分别与对应的反馈值相比较，生成误差经过PI调节器输出两相旋转坐标电压给定值，经坐标变换得到变流器三相交流侧输出电压。

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