本發(fā)明涉及一種分布式發(fā)電控制技術(shù)，特別涉及一種基于電網(wǎng)電壓不平衡情況下雙饋風(fēng)力電機(jī)的機(jī)側(cè)、網(wǎng)側(cè)變流器采用無(wú)源協(xié)調(diào)控制方法。

背景技術(shù)：

隨著風(fēng)電機(jī)組對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性影響的增加，保證在電網(wǎng)電壓出現(xiàn)不平衡時(shí)風(fēng)電機(jī)組不脫網(wǎng)運(yùn)行顯得尤為重要。在眾多的風(fēng)力發(fā)電機(jī)中雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)(doublyfedinductiongenerator，dfig)以其相對(duì)低廉的成本而得到廣泛應(yīng)用。dfig的轉(zhuǎn)子采用兩個(gè)pwm變換器，即轉(zhuǎn)子側(cè)變換器(rotor-sideconverter，rsc)和網(wǎng)側(cè)變換器(grid-sideconverter，gsc)。由于兩個(gè)變換器通過(guò)中間的直流母線和大電容相連接，因此，可以通過(guò)網(wǎng)側(cè)變換器實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)獨(dú)立的解耦控制，得到其控制目標(biāo)，改善控制質(zhì)量。2014年第4期《電力系統(tǒng)自動(dòng)化》中《雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)網(wǎng)側(cè)變流器的pchd建模與ida-pb控制》一文提出根據(jù)雙饋電機(jī)的物理模型引入了基于端口受控的耗散哈密頓(port-controlledhamiltonwithdissipation，pchd)模型的無(wú)源控制(passivity-basedcontrol，pbc)方法，該方法具有響應(yīng)速度快、魯棒性強(qiáng)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、物理意義明確、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。然而，無(wú)源控制是在忽略線路中電感、電阻值參數(shù)攝動(dòng)、整流器存在內(nèi)擾和外擾情況下建立的，因此單純的的互聯(lián)和阻尼配置無(wú)源控制策略對(duì)網(wǎng)側(cè)變換器的控制效果人會(huì)受到影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明是針對(duì)雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)無(wú)源控制存在的問(wèn)題，提出了一種雙饋電機(jī)基于機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)變換器無(wú)源協(xié)調(diào)控制方法，采用串聯(lián)網(wǎng)側(cè)變換器和無(wú)源控制策略，能夠利用串聯(lián)網(wǎng)側(cè)變換器(sgsc)產(chǎn)生的諧波來(lái)抵消并聯(lián)網(wǎng)側(cè)變換器(pgsc)的二倍頻諧波，定子電壓易于控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)總輸出功率二倍頻波動(dòng)的抑制，在減小不平衡電網(wǎng)電壓對(duì)rsc系統(tǒng)的影響、提高rsc系統(tǒng)不平衡電網(wǎng)電壓的穿越運(yùn)行能力的同時(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全局穩(wěn)定性。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種雙饋電機(jī)基于機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)變換器無(wú)源協(xié)調(diào)控制方法，雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)dfig的轉(zhuǎn)子采用兩個(gè)pwm變換器，即轉(zhuǎn)子側(cè)變換器rsc和與之并聯(lián)的并聯(lián)網(wǎng)側(cè)變換器pgsc，兩個(gè)變換器通過(guò)中間的直流母線和大電容相連接，在風(fēng)機(jī)定子側(cè)增加一個(gè)串聯(lián)變壓器和一個(gè)串聯(lián)網(wǎng)側(cè)變換器sgsc，串聯(lián)變壓器次級(jí)串聯(lián)在風(fēng)機(jī)定子與電網(wǎng)之間，sgsc輸入端接pgsc輸入端，sgsc輸出端通過(guò)電感l(wèi)接串聯(lián)變壓器初級(jí)，電網(wǎng)電壓不平衡情況下dfig的機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)變換器的協(xié)調(diào)控制具體步驟如下：s1：根據(jù)電網(wǎng)電壓不平衡情況下采用串聯(lián)網(wǎng)側(cè)變換器基于無(wú)源控制策略的協(xié)調(diào)控制，建立其正負(fù)序模型，并計(jì)算串聯(lián)網(wǎng)側(cè)變換器的控制目標(biāo)及不同控制目標(biāo)下的網(wǎng)側(cè)電流參考值：sgsc的控制目標(biāo)為：dfig定子側(cè)電壓的正序分量us+與電網(wǎng)電壓正序分量ug+始終一致，控制定子側(cè)電壓負(fù)序分量us-使其為零，即：電壓不平衡下電網(wǎng)輸至并聯(lián)網(wǎng)側(cè)變換器pgsc的瞬時(shí)功率s，整理成矩陣形式為：式中：上標(biāo)p、n分別代表正、負(fù)序分量，下標(biāo)d、q代表dq軸分量，+、-代表坐標(biāo)軸的正、反轉(zhuǎn)方向，如：和分別為正序分量在正轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d軸和q軸上的網(wǎng)側(cè)電壓分量、gsc交流側(cè)電壓分量、網(wǎng)側(cè)電流分量；和為負(fù)序分量在負(fù)轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d軸和q軸上的網(wǎng)側(cè)電壓分量、gsc交流側(cè)電壓分量、網(wǎng)側(cè)電流分量；(1)目標(biāo)1：網(wǎng)側(cè)輸入的電流不含負(fù)序分量，即

式中：*代表網(wǎng)側(cè)指令電流值；下標(biāo)g_av、g_sin2、g_cos2分別代表并聯(lián)網(wǎng)側(cè)變換器功率的直流分量、2倍頻正弦分量、2倍頻余弦分量；下標(biāo)series_av、series_sin2、series_cos2分別代表串聯(lián)網(wǎng)側(cè)變換器的直流分量、2倍頻正弦分量、2倍頻余弦分量；p為有功功率，q為無(wú)功功率；

(2)目標(biāo)2：網(wǎng)側(cè)輸入有功功率只含有直流分量，即

pg_sin2-pseries_sin2＝0，pg_cos2-pseries_cos2＝0：

(3)目標(biāo)3：直流母線電壓不含二倍頻正弦、余弦分量，即udc_sin2＝udc_cos2＝0：

(4)目標(biāo)4：網(wǎng)側(cè)輸入的無(wú)功功率只含有直流分量，即

qg_sin2-qseries_sin2＝0，qg_cos2-qseries_cos2＝0：

s2：sgsc采用比例積分諧振pir控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)sgsc側(cè)交流分量的有效控制，其傳遞函數(shù)可表示為：

式中：kp和ki分別為比例、積分系數(shù)；kr為諧振調(diào)節(jié)器的諧振系數(shù)，ωc為截止頻率；s3：基于端口受控的耗散哈密頓pchd模型，采用互聯(lián)和阻尼分配無(wú)源性控制ida-pbc方法，設(shè)計(jì)出pgsc無(wú)源控制器，其前提條件為：

1)并聯(lián)網(wǎng)側(cè)變換器正序系統(tǒng)能量增長(zhǎng)總和總是小于系統(tǒng)能量耗散總和，即系統(tǒng)具有耗散性；

2)并聯(lián)網(wǎng)側(cè)變換器正序系統(tǒng)是耗散的，且滿足輸入嚴(yán)格無(wú)源和輸出嚴(yán)格無(wú)源，則系統(tǒng)是嚴(yán)格無(wú)源的；

定義網(wǎng)側(cè)變流器的數(shù)學(xué)模型為：

lgpqgp+cgpqgp+rgqgp＝ugp

其中，

取系統(tǒng)的能量函數(shù)hgp為：

取和

可得dfig網(wǎng)側(cè)正序的pchd模型為：

式中：jgp為互聯(lián)矩陣，為反對(duì)稱矩陣；為耗散矩陣，為正定的對(duì)稱矩陣；

同理，可以得到負(fù)轉(zhuǎn)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下負(fù)序分量的pchd模型為：

由于新舊的互聯(lián)矩陣結(jié)構(gòu)守恒，取注入的新的互聯(lián)矩陣jgpa和阻尼矩陣分別為：

其中為在保證系統(tǒng)嚴(yán)格無(wú)源的基礎(chǔ)上，可根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選取的任意常數(shù)，

s4：rsc采用和pgsc一樣的內(nèi)環(huán)無(wú)源控制、外環(huán)pi控制的矢量策略。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明雙饋電機(jī)基于機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)變換器無(wú)源協(xié)調(diào)控制方法，利用串聯(lián)網(wǎng)側(cè)變換器(sgsc)產(chǎn)生的諧波來(lái)抵消pgsc的二倍頻諧波，定子電壓易于控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)總輸出功率二倍頻波動(dòng)的抑制；同時(shí)，運(yùn)用無(wú)源控制理論來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全局穩(wěn)定性。對(duì)于rsc，因?yàn)椴⒕W(wǎng)的dfig特殊的結(jié)構(gòu)，即便電網(wǎng)不平衡條件下，dfig機(jī)端電壓仍始終對(duì)稱，因此rsc這里采用和pgsc類似的內(nèi)環(huán)無(wú)源控制、外環(huán)pi控制的矢量策略。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有理論先進(jìn)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1是采用sgsc的dfig系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；

圖2是網(wǎng)側(cè)變換器的結(jié)構(gòu)框圖；

圖3是基于sgsc的dfig協(xié)調(diào)控制框圖；

圖4(a)是網(wǎng)側(cè)選擇控制目標(biāo)1-4、轉(zhuǎn)子側(cè)選擇控制目標(biāo)4時(shí)轉(zhuǎn)子電流仿真結(jié)果圖；

圖4(b)是網(wǎng)側(cè)選擇控制目標(biāo)1-4、轉(zhuǎn)子側(cè)選擇控制目標(biāo)4時(shí)定子側(cè)功率仿真結(jié)果圖；

圖4(c)網(wǎng)側(cè)選擇控制目標(biāo)1-4、轉(zhuǎn)子側(cè)選擇控制目標(biāo)4時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩仿真結(jié)果圖；圖5是3種控制策略下直流母線電壓波形；

圖6(a)為sgsc+pid控制的網(wǎng)側(cè)電流波形圖；

圖6(b)為pbc控制的網(wǎng)側(cè)電流波圖；

圖6(c)為sgsc+pbc控制策略網(wǎng)側(cè)電流波形圖；

圖7(a)為3種控制方法下網(wǎng)側(cè)有功功率波形圖；

圖7(b)為3種控制方法下網(wǎng)側(cè)無(wú)功功率波形圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，與經(jīng)典的雙饋風(fēng)機(jī)系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在風(fēng)機(jī)定子側(cè)多出一個(gè)串聯(lián)變壓器和一個(gè)串聯(lián)網(wǎng)側(cè)變換器sgsc。串聯(lián)變壓器次級(jí)串聯(lián)在風(fēng)機(jī)定子與電網(wǎng)之間，串聯(lián)網(wǎng)側(cè)變換器sgsc輸入端接并聯(lián)網(wǎng)側(cè)變換器pgsc輸入端，串聯(lián)網(wǎng)側(cè)變換器sgsc輸出端通過(guò)電感l(wèi)接串聯(lián)變壓器初級(jí)，添加的sgsc既能夠通過(guò)定子回路注入適當(dāng)?shù)拇?lián)補(bǔ)償電壓來(lái)抵消定子負(fù)序電壓，同時(shí)也可控制其向定子回路注入一個(gè)正序補(bǔ)償電壓矢量來(lái)消除串聯(lián)變壓器漏阻抗壓降對(duì)dfig定子電壓的影響，從而保證dfig定子電壓正序分量us+與電網(wǎng)電壓正序分量ug+相同。電網(wǎng)電壓不平衡下sgsc的輸出控制電壓矢量為：

useries＝ucom+-ug-

式中：useries為串聯(lián)變壓器的輸出電壓，ucom+為sgsc所需補(bǔ)償?shù)恼螂妷菏噶浚瑄g-電網(wǎng)電壓負(fù)序分量。

如圖2所示網(wǎng)側(cè)變換器的結(jié)構(gòu)框圖，本發(fā)明實(shí)施例所提供的一種基于電網(wǎng)電壓不平衡情況下雙饋電機(jī)的機(jī)側(cè)、網(wǎng)側(cè)變換器的協(xié)調(diào)控制策略，圖中，ua、ub、uc為電網(wǎng)電壓，va、vb、vc為gsc交流側(cè)電壓，rg為線路阻抗與電感等效串聯(lián)電阻總和，lg為gsc輸出端濾波電感，ia、ib、ic為gsc輸入電流，c為直流母線的電容，udc為直流母線的電壓，iload為網(wǎng)側(cè)流到rsc的電流。具體步驟如下：

步驟s1：根據(jù)電網(wǎng)電壓不平衡情況下采用串聯(lián)網(wǎng)側(cè)變換器結(jié)構(gòu)基于無(wú)源控制策略的協(xié)調(diào)控制，建立其正負(fù)序模型，并計(jì)算串聯(lián)網(wǎng)側(cè)變換器的控制目標(biāo)及不同控制目標(biāo)下的網(wǎng)側(cè)電流參考值。

sgsc的控制目標(biāo)為：dfig定子側(cè)電壓的正序分量us+與電網(wǎng)電壓正序分量ug+始終一致，控制定子側(cè)電壓負(fù)序分量us-使其為零，即：

電壓不平衡下電網(wǎng)輸至并聯(lián)網(wǎng)側(cè)變換器pgsc的瞬時(shí)功率s，整理成矩陣形式為：

式中：上標(biāo)p、n分別代表正、負(fù)序分量，下標(biāo)d、q代表dq軸分量，+、-代表坐標(biāo)軸的正、反轉(zhuǎn)方向，如：和分別為正序分量在正轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d軸和q軸上的網(wǎng)側(cè)電壓分量、gsc交流側(cè)電壓分量、網(wǎng)側(cè)電流分量；和為負(fù)序分量在負(fù)轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d軸和q軸上的網(wǎng)側(cè)電壓分量、gsc交流側(cè)電壓分量、網(wǎng)側(cè)電流分量。

(1)目標(biāo)1：網(wǎng)側(cè)輸入的電流不含負(fù)序分量，即

式中：*代表網(wǎng)側(cè)指令電流值；下標(biāo)g_av、g_sin2、g_cos2分別代表并聯(lián)網(wǎng)側(cè)變換器功率的直流分量(平均功率)、2倍頻正弦分量、2倍頻余弦分量；下標(biāo)series_av、series_sin2、series_cos2分別代表串聯(lián)網(wǎng)側(cè)變換器的直流分量、2倍頻正弦分量、2倍頻余弦分量；p為有功功率，q為無(wú)功功率。

(2)目標(biāo)2：網(wǎng)側(cè)輸入有功功率只含有直流分量，即

pg_sin2-pseries_sin2＝0，pg_cos2-pseries_cos2＝0：

(3)目標(biāo)3：直流母線電壓不含二倍頻正弦、余弦分量，即udc_sin2＝udc_cos2＝0：

(4)目標(biāo)4：網(wǎng)側(cè)輸入的無(wú)功功率只含有直流分量，即

qg_sin2-qseries_sin2＝0，qg_cos2-qseries_cos2＝0：

步驟s2：sgsc側(cè)因考慮傳統(tǒng)的pi控制策略對(duì)調(diào)節(jié)器的帶寬存在一定限制，這里采用比例積分諧振(pir)控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)sgsc側(cè)交流分量的有效控制，無(wú)需相序的分離，從而增加了系統(tǒng)的暫態(tài)性能。其傳遞函數(shù)可表示為：

式中：kp和ki分別為比例、積分系數(shù)；kr為諧振調(diào)節(jié)器的諧振系數(shù)，ωc為截止頻率。

步驟s3：基于端口受控的耗散哈密頓(pchd)模型，采用互聯(lián)和阻尼分配無(wú)源性控制(ida-pbc)方法，設(shè)計(jì)出pgsc無(wú)源控制器，其前提條件為：

1)并聯(lián)網(wǎng)側(cè)變換器正序系統(tǒng)能量增長(zhǎng)總和總是小于系統(tǒng)能量耗散總和，即系統(tǒng)具有耗散性；

2)并聯(lián)網(wǎng)側(cè)變換器正序系統(tǒng)是耗散的，且滿足輸入嚴(yán)格無(wú)源和輸出嚴(yán)格無(wú)源，則系統(tǒng)是嚴(yán)格無(wú)源的。

定義網(wǎng)側(cè)變流器的數(shù)學(xué)模型為：

lgpqgp+cgpqgp+rgqgp＝ugp

其中，

取系統(tǒng)的能量函數(shù)hgp為：

取和

可得dfig網(wǎng)側(cè)正序的pchd模型為：

式中：jgp為互聯(lián)矩陣，為反對(duì)稱矩陣；為耗散矩陣，為正定的對(duì)稱矩陣。

同理，可以得到負(fù)轉(zhuǎn)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下負(fù)序分量的pchd模型為：

由于新舊的互聯(lián)矩陣結(jié)構(gòu)守恒，取注入的新的互聯(lián)矩陣jgpa和阻尼矩陣分別為：

其中為在保證系統(tǒng)嚴(yán)格無(wú)源的基礎(chǔ)上，可根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選取的任意常數(shù)。

步驟s4：圖3為基于sgsc的dfig機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)的協(xié)調(diào)控制框圖。圖中，3s/2r為三相靜止到兩相旋轉(zhuǎn)的運(yùn)算。對(duì)于rsc，因?yàn)椴⒕W(wǎng)的dfig特殊的結(jié)構(gòu)，即便電網(wǎng)不平衡條件下，dfig機(jī)端電壓仍始終對(duì)稱，因此rsc這里采用和pgsc類似的內(nèi)環(huán)無(wú)源控制、外環(huán)pi控制的矢量策略，有關(guān)rsc的矢量控制策略此處不再贅述。

在matlab/simulink仿真平臺(tái)中對(duì)本文提出的采用sgsc和pbc相結(jié)合的dfig的控制方法的可行性與有效性進(jìn)行了仿真研究。系統(tǒng)給定的電網(wǎng)電壓不平衡度為15％，雙饋電機(jī)的主要仿真參數(shù)取值見(jiàn)表1；sgsc和pgsc的電壓環(huán)中pir的控制參數(shù)如表2所示；為滿足系統(tǒng)的嚴(yán)格無(wú)源性，控制器結(jié)構(gòu)足夠簡(jiǎn)化，選取rsc及pgsc中電流環(huán)的阻尼系數(shù)和互聯(lián)系數(shù)分別為：

表1

表2

為了說(shuō)明提出的采用sgsc和pbc相結(jié)合的控制方法的優(yōu)越性，本文分別對(duì)文中所提控制、僅采用sgsc與pi結(jié)合控制和僅采用pbc的3種方法進(jìn)行仿真對(duì)比。在t＝0～0.4s期間，采用3種控制策略來(lái)實(shí)現(xiàn)在電網(wǎng)不平衡下運(yùn)行，且在不同時(shí)段內(nèi)實(shí)現(xiàn)4種不同控制目標(biāo)，即：1)t＝0～0.1s：選擇控制目標(biāo)1，以消除網(wǎng)側(cè)電流負(fù)序分量；2)t＝0.1～0.2s：按照控制目標(biāo)2下運(yùn)行，以消除網(wǎng)側(cè)有功功率2倍頻；3)t＝0.2～0.3s：按照控制目標(biāo)3下運(yùn)行，以消除直流母線電壓2倍頻；4)t＝0.3～0.4s：控制目標(biāo)4，以消除網(wǎng)側(cè)無(wú)功功率2倍頻。另外，轉(zhuǎn)子側(cè)選擇控制目標(biāo)：恒定的電磁轉(zhuǎn)矩，減少對(duì)風(fēng)系統(tǒng)軸的機(jī)械負(fù)荷。

具體實(shí)驗(yàn)效果為：

圖4(a)-(c)是網(wǎng)側(cè)選擇控制目標(biāo)1-4、轉(zhuǎn)子側(cè)選擇控制目標(biāo)4時(shí)轉(zhuǎn)子電流、定子側(cè)功率及電磁轉(zhuǎn)矩的仿真結(jié)果圖。在圖4(a)中，可見(jiàn)能夠達(dá)到消除網(wǎng)側(cè)電流負(fù)序分量的要求，圖4(b)和(c)中表示，亦能夠?qū)崿F(xiàn)消除雙饋電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和定子輸出無(wú)功功率的諧波的目標(biāo)。

圖5是3種控制策略下直流母線電壓波形?？梢钥闯?，在相同的電壓不平衡條件下，當(dāng)選擇控制目標(biāo)1時(shí)，直流母線電壓在sgsc+pid控制策略下20ms時(shí)刻達(dá)到穩(wěn)定值700v，而使用pbc和本文的控制策略，在3ms時(shí)刻便穩(wěn)定。選擇控制目標(biāo)2—4時(shí)，本文控制策略較前兩種控制策略下，其震蕩更小，波形更平滑。因此，本專利提出的控制策略既能增大帶寬加快響應(yīng)速度，又能提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

比較圖6(a)，6(b)，和6(c)3種控制策略下網(wǎng)側(cè)的電流波形可得，在控制目標(biāo)1下，采用sgsc+pid控制策略，網(wǎng)側(cè)電流值在0～0.06s時(shí)超調(diào)量較大，易導(dǎo)致變換器飽和，而采用pbc策略和本文控制策略無(wú)超調(diào)；在控制目標(biāo)2和3下，3種控制策略的影響相似。選擇控制目標(biāo)4時(shí)，第一種控制策略下，網(wǎng)側(cè)電流0.35s時(shí)達(dá)到相對(duì)平衡，無(wú)源控制與本文所提的控制策略下0.3s時(shí)便已平衡，但單獨(dú)的pbc策略中兩相跌落電流分別為15.2a、15.8a，并為像本文控制策略一樣達(dá)到完全平衡。因此，本專利控制策略無(wú)論是在動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度還是穩(wěn)定性方面均具有明顯優(yōu)勢(shì)。

表3為在3種不同控制目標(biāo)下采用3種控制策略時(shí)有功、無(wú)功2倍頻諧波脈動(dòng)分量與平均功率的比值表。圖7(a)為3種控制方法下網(wǎng)側(cè)有功功率波形圖；圖7(b)為3種控制方法下網(wǎng)側(cè)無(wú)功功率波形圖。由圖7(a)、7(b)和表3不同控制目標(biāo)下3種控制的運(yùn)行結(jié)果對(duì)比可見(jiàn)，在控制目標(biāo)1—4下，相比于sgsc+pid控制、pbc控制，本文所提的控制策略下有功、無(wú)功的調(diào)節(jié)時(shí)間、超調(diào)量和諧波含量更小。因此，本專利所提出控制策略的網(wǎng)側(cè)功率在控制性能上優(yōu)于前兩種控制策略。

表3