直驱风机不对称故障直流母线二倍频电压抑制方法及系统与流程

本发明涉及电网不对称故障技术领域，尤其涉及一种直驱风机不对称故障直流母线二倍频电压抑制方法及系统。

背景技术：

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

全功率风力发电机组接入系统后，由于直流母线的隔离作用，实现了转子和网络之间的解耦，电网中所有的波动都只会影响直流母线，不会影响到转子。在电网发生不对称故障时，正负序电压电流会产生二倍频波动功率，这一波动功率会作用在直流母线上，使其电压产生波动，对全功率风机(直驱风机)的控制稳定性造成影响。

为了解决这种问题，研究人员提出了通过控制网侧变流器负序电流来抑制直流母线电压波动的方法。通过调整网侧变流器输出的负序电流，使全功率风机输出的有功功率不含有二倍频波动，从而不会造成直流母线电压的波动。但是这种控制方式将网侧变流器输出的负序电流固定在了一个值，从而不能自由调整其负序电流，即无法控制全功率风电机组的负序阻抗。

技术实现要素：

本发明目的是为了解决现有技术的不足，提出了一种直驱风机不对称故障直流母线二倍频电压抑制方法及系统，通过将二倍频功率波动透明传递到转子上，从而保证了电网发生不对称故障时直流母线电压不会受二倍频波动功率的影响，提升了全功率风机的稳定性。

在一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种直驱风机不对称故障直流母线二倍频电压抑制方法，包括：

调节机侧变流器的负序电流，使得机侧变流器发出的功率波动与网侧变流器的功率波动相等，从而将网侧的波动功率通过机侧变流器透明传递到转子上，保证电网发生不对称故障时直流母线电压不会受二倍频波动功率的影响。

具体地，将网侧变流器和机侧变流器的瞬时功率采样，然后经过波动功率检测环，得到两个变流器波动功率的幅值和相角，将传递给波动功率控制环，得到负序的dq轴电流参考值，结合正序电流参考值，一起传递给电流环，电流环输出dq轴调制信号，然后经过坐标变换，转换到abc坐标系的调制信号，传递给变流器，进行调制，最终使得机侧变流器发出的功率波动与网侧变流器的功率波动相等。

在另一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种直驱风机不对称故障直流母线二倍频电压抑制系统，包括：

用于调节机侧变流器的负序电流，使得机侧变流器发出的功率波动与网侧变流器的功率波动相等的装置；所述装置能够将网侧的波动功率通过机侧变流器透明传递到转子上，保证电网发生不对称故障时直流母线电压不会受二倍频波动功率的影响。

在另一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种终端设备，其包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行上述的直驱风机不对称故障直流母线二倍频电压抑制方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过将二倍频功率波动透明传递到转子上，从而保证了电网发生不对称故障时直流母线电压不会受二倍频波动功率的影响，提升了全功率风机的稳定性。

本发明通过波动功率检测环与波动功率控制环，实现了故障持续期间直流母线电压二倍频波动的无差控制。

附图说明

图1为本发明实施例中直驱风机拓扑结构图；

图2为本发明实施例中双dq电流控制环示意图；

图3为本发明实施例中负序电流幅值发生变化示意图；

图4为本发明实施例中负序电流相角发生变化示意图；

图5为本发明实施例中波动功率控制环示意图；

图6为本发明实施例中波动功率检测环示意图；

图7为本发明实施例中机侧变流器总体控制框图；

图8(a)-(b)为本发明实施例中不采取附加控制时的直流母线电压和电磁功率波形；

图9(a)-(b)为本发明实施例中采取透明传递控制时的直流母线电压和电磁功率波形。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

在一个或多个实施方式中，公开了一种直驱风机不对称故障直流母线二倍频电压抑制方法，包括：

调节机侧变流器的负序电流，使得机侧变流器发出的功率波动与网侧变流器的功率波动相等，从而将网侧的波动功率通过机侧变流器透明传递到转子上，保证电网发生不对称故障时直流母线电压不会受二倍频波动功率的影响。

下面对本发明方法的实现过程进行详细说明。

1、不对称条件下直流母线电压的波动

(1)二倍频波动功率

直驱风机的结构如图1所示，永磁同步电机发出交流电，然后经过msc(机侧变流器)变为直流，再经过gsc(网侧变流器)变为交流传输到电网当中。

在静止αβ坐标系下，设网侧变流器输出的正序电压幅值为初相位为负序电压幅值为初相位为正序电流幅值为初相位为负序电压幅值为初相位为用分别表示正负序电压电流空间矢量，它们分别以角速度ω正向和反向旋转。

在对称情况下，和都等于零，则其输出的有功功率为

是一个常数。

在不对称情况下，和不为零，则有功功率为

其中，

是恒定的量。

而

是频率为两倍电网频率的波动量。

为了方便表示，令则

两个二倍频的正弦波叠加之后，依然是二倍频的正弦波，因此在电网不对称条件下，网侧变流器gcs输出功率的波动是二倍频正弦波。

(2)二倍频波动电压

直流电压满足下面的方程

在不对称条件下，pg是含有二倍频波动分量的，而pm保持不变，所以pm-pg是含有二倍频波动的，这一部分功率会作用在直流电容上，引起直流电压的波动。假设pw＝pm-pg＝|pw|cos(2ωt)，则由式(5)可得

直流母线电压的波动，会对直驱风机的控制稳定性产生影响，且在故障严重时，其会引起chopper的多次动作，影响其热稳定性。为了提升直驱风机在不对称故障时的稳定性，应采取控制策略抑制其直流母线电压的波动。

2、抑制其直流母线电压波动的解决方案

(1)控制gsc(网侧变流器)的方法

从前面的推导可以看出

因此只要改变gsc输出的负序电流，就可以改变其输出的波动功率。当负序电流取某一值时，可以实现则此时gsc输出的功率不含有波动分量，直流母线电压也将不会产生二倍频的波动。

但是这种控制方式需要令gsc输出某一个固定的负序电流，实际上我们可能希望gsc输出其他的负序电流或者不输出负序电流，例如我们可能希望gsc输出负序电流来调节负序电压，而这种方式限制了gsc的可控性。因此我们提出了调节msc(机侧变流器)负序电流的方法。

(2)调节msc(机侧变流器)的方法

msc(机侧变流器)所处的交流电网中，其频率与主网的频率不相等，假设其频率是f，而msc所处的交流电网的频率是f1，则如果要产生2f的波动功率，其对应的负序电压电流的频率应该为2f-f1。

举个例子，假设电网的频率是50hz，而机侧电网的频率是30hz，则其对应能够产生100hz功率波动的负序频率为70hz。

类似的，可以得到msc所发出的功率为

其中波动的部分为

通过调节可以实现pm_w和pg_w相等，在这种情况下，网侧的波动功率通过msc传递到了转子上，不会再作用在直流电容上，因此直流电压将不会存在二倍频的波动，并且这种控制方式不占用gsc的容量。

3、调节msc的具体实现方式

(1)要实现pm_w和pg_w相等，需要让msc能够同时输出正序电流和负序电流，并且正序电流和负序电流的频率不相等。因此在这里需要使用修改过的双dq电流控制环。本实施例电流控制环采取了两个不同旋转频率的坐标系。

首先，要建立双向旋转的坐标系，可以认为在0时刻时两个旋转坐标系的角度都等于零。即

θ¹|t＝0＝θ²|t＝0＝0(10)

它们向相反的方向旋转，当正序负序的频率相等时，它们的坐标系角度恰好是相反数，即θ²＝-θ¹；而当正序负序频率不相等时，上面结论不再成立，而是有下面的关系

这样两个旋转坐标系下的电流电压之间产生的波动功率的频率就是2f。而电流控制环的实现可以通过在普通的双dq电流环的基础上进行修改得到。

本实施例双dq电流控制环的结构如图2所示，具体控制流程如下：

普通的双dq电流环是控制正负序50hz的电流，这里稍加修改使其能够控制非50hz的电流，如正序10hz，负序90hz。

双dq电流环在正向旋转和负向旋转的dq坐标系上，分别控制正序电流和负序电流，将实际的正负序电流控制到正负序电流指令值上，使得机侧变流器发出的功率波动与网侧变流器的功率波动相等。

其中，refrecons部分的内容是：

(2)幅值和相角的解耦

有了电流环的控制结构之后，只需要给它输入合适的电流参考值就行。

有关系

转化为幅值和相角进行表示的话：

则：

将式(14)代入式(15)得到

其中：

u表示电压，i表示电流，下标m表示机侧变流器，上标1表示正序分量，表示相角；k表示负序电流与负序电压之间的幅值比例关系，表示相角的关系。

定义波动功率的幅值为相角为因此，负序电流的幅值仅影响波动功率的幅值，负序电流的初相仅影响波动功率的初相。

为了能够清楚直观的得到这一结论，这里给了一个比较直观的解释。

波动功率pm_w、和都是正弦信号，因此其可以用相量法进行表示，他们对应的相量分别用pm_w、和表示，如下图所示，他们组成了一个三角形。

当负序电流的幅值发生变化时，从式(18)可以看出，正弦量的相角保持不变，而幅值发生变化，对应图3和图4中，因此pm_w也是只有幅值发生变化。当负序电流的相角发生变化时，正弦量的幅值保持不变而相角发生变化，对应于下图中，因此pm_w也只有相角发生变化。

因此可以基于上面的结论设计如图5所示的波动功率控制环；

波动功率控制环的目的是使msc的波动功率与gsc的波动功率相等，分别通过控制的幅值和相角来控制msc的波动功率的幅值和相角。而从式(16)中可以看出，增大的幅值可以增大波动功率的幅值，增大的相角可以减小波动功率的相角，基于上面的关系设计了这样的波动功率控制环。

参照图5，波动功率控制环的控制过程如下：

机侧变流器的波动功率幅值与网侧变流器的波动功率幅值经过pi运算得到

机侧变流器波动功率的相角与网侧变流器波动功率的相角经过pi运算得到

和输入t1，输出和

其中，表示机侧变流器负序电流幅值，表示机侧变流器负序电流相角、表示机侧变流器负序电流d轴分量、表示机侧变流器负序电流q轴分量，t1表示从极坐标表示向直角坐标的转换。

(3)波动功率检测

上面的波动功率控制环，需要有msc和gsc波动功率幅值和相角的输出，而在实际设备中我们只能得到他们的瞬时功率，因此想要实现这个控制需要先从系统中得到波动功率的幅值和相角。

因此设计了图6中的波动功率检测环。

假设瞬时功率为

其经过一个高通滤波器

其对直流信号的增益为0，对二倍频信号的增益为

因此经过这个高通滤波器之后

这样就滤掉了瞬时功率中的直流量，只得到了其波动部分，之后的检测可以借助于单相锁相环的控制结构完成，不同之处在于此处不需要锁相的结构，因为永磁同步电机的转子角θ¹可以提供一个旋转的坐标系，经过变换得到θ，一个以二倍频速度变化的角度。其变换关系为

参照图6，波动功率检测环的控制过程如下：

所述波动功率检测环具体为：

瞬时功率经过高通滤波器，得到瞬时功率的波动部分；

永磁同步电机的转子角θ¹，得到一个以二倍频速度变化的角度θ；

将瞬时功率的波动部分和角度θ从两相静止坐标系转换到两相旋转坐标系；得到旋转坐标系下叠加有交流分量的直流部分；

去除直流部分中叠加的交流分量，并经过低通滤波后，最终通过将dq轴的参数转化为幅值和相角，得到机侧变流器和网侧变流器波动功率的幅值和相角。

将上述的几个控制结构连接起来之后，便得到图7所示的完整的控制框图，请对图7中将各结构连接起来后的数据处理流程简要说明一下。

将网侧变流器和机侧变流器的瞬时功率采样，然后经过波动功率检测环，得到两个变流器波动功率的幅值和相角，将传递给波动功率控制环，得到负序的dq轴电流参考值，结合正序电流参考值，一起传递给电流环，电流环输出dq轴调制信号，然后经过坐标变换，转换到abc坐标系的调制信号，传递给变流器，进行调制。

4、仿真验证

在图1所示的网络结构中，通过digsilent/powerfactory软件仿真平台仿真验证了所提控制策略的有效性。0.1s时电网发生不对称电压跌落，0.4s时恢复正常。仿真当采取透明传递控制策略和不采取透明传递控制策略时的结果对比。

参照图8(a)-(b)和图9(a)-(b)，其中，图8(a)和图9(a)表示直流母线电压；图8(b)和图9(b)表示机侧变流器的有功功率；当不采取透明传递控制策略时，直流母线电压会产生二倍频波动；当采取透明传递控制策略时，直流母线电压的二倍频波动受到了很好的抑制，此时机侧变流器输出的功率含有二倍频波动，即将二倍频功率波动传递到了转子上。

因此，本实施例通过波动功率检测环与波动功率控制环，实现了故障持续期间直流母线电压二倍频波动的无差控制。

实施例二

在一个或多个实施方式中，公开了一种直驱风机不对称故障直流母线二倍频电压抑制系统，包括：

用于调节机侧变流器的负序电流，使得机侧变流器发出的功率波动与网侧变流器的功率波动相等的装置；所述装置能够将网侧的波动功率通过机侧变流器透明传递到转子上，保证电网发生不对称故障时直流母线电压不会受二倍频波动功率的影响。

实施例三

在一个或多个实施方式中，公开了一种终端设备，包括服务器，所述服务器包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现实施例一中的直驱风机不对称故障直流母线二倍频电压抑制方法。为了简洁，在此不再赘述。

应理解，本实施例中，处理器可以是中央处理单元cpu，处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器dsp、专用集成电路asic，现成可编程门阵列fpga或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据、存储器的一部分还可以包括非易失性随机存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。

在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。

实施例一中的直驱风机不对称故障直流母线二倍频电压抑制方法可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器、闪存、只读存储器、可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本实施例描述的各示例的单元即算法步骤，能够以电子硬件或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。