用于微电网开绕组双馈风力发电机并网运行的控制方法与流程

1.本发明属于配电网运行控制领域，尤其是用于微电网开绕组双馈风力发电机并网运行的控制方法。


背景技术：

2.双馈风力发电机已在新能源发电领域占据了举足轻重的地位，传统双馈风力发电机并网发电模式下，系统对定子电流的控制为间接控制。且系统无法对总电流做到完全控制。同时系统无法实现直接无功功率补偿，电能质量治理，和谐波不平衡治理等功能，具有系统控制复杂，控制效果较差的缺点。
3.开绕组双馈风力发电机定子端中性点打开可用来串联变流器，并网条件下电网电压为开绕组双馈风力发电机定子电压与定子侧变流器交流端口输出电压的矢量和。在保持输出端口电压维持恒定的条件下，开绕组双馈风力发电机定子输出电压可控。定子侧变流器可以主动参与开绕组双馈风力发电机功率分配，与此同时使得定子侧变流器与转子侧变流器可以进行功率控制配合。针对开绕组电机独特的结构，配合相应的算法，可以为系统提供更多的自由度，并且算法更加简单。
4.相对而言，由于开绕组双馈风力发电机定子端中性点打开并串联网侧变流器，并网条件下电网电压为开绕组双馈风力发电机定子电压与定子侧变流器交流端口输出电压的矢量和。在保持输出端口电压维持恒定的条件下，开绕组双馈风力发电机定子输出电压可控。因此定子侧变流器可以主动参与开绕组双馈风力发电机功率分配。与此同时使得定子侧变流器与转子侧变流器可以进行功率控制配合。因此需要综合设计转子侧变流器和定子侧变流器的综合控制策略才可以使得开绕组双馈风力发电机稳定运行。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出用于微电网开绕组双馈风力发电机并网运行的控制方法，能够解决并网开绕组双馈风力发电机无法进行稳定磁链控制的问题。
6.本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：用于微电网开绕组双馈风力发电机并网运行的控制方法，包括以下步骤：步骤1、根据开绕组双馈风力发电机及其定转子变流器电路结构，计算开绕组双馈风力发电机设备本体及其系统等效电路及功率范围极限；步骤2、分析并网条件下开绕组双馈风力发电设备的潮流分布，依次对有功功率潮流状态和无功功率潮流状态进行计算；步骤3、按照设备系统功率流动特性进行分类，结合并网开绕组双馈风力发电机单位功率因数运行和磁链恒定运行两种方式下构建控制策略。
7.而且，所述步骤1包括以下步骤：步骤1.1、计算开绕组双馈风力发电机总有功功率：
其中，为开绕组双馈风力发电机定子的输出有功功率，为开绕组双馈风力发电机转子输出有功功率，为开绕组双馈风力发电机定子绕线电阻，为开绕组双馈风力发电机转子绕线电阻，为开绕组双馈风力发电机定子电流，为开绕组双馈风力发电机转子电流，为开绕组双馈风力发电机磁链，为开绕组双馈风力发电机定子角速度，为开绕组双馈风力发电机转子角速度，为转差率，为开绕组双馈风力发电机转子电流的共轭向量；计算开绕组双馈风力发电机总无功功率：其中，为开绕组双馈风力发电机定子输出无功功率，为开绕组双馈风力发电机转子输出无功功率，为开绕组双馈风力发电机定子漏感，为开绕组双馈风力发电机转子漏感；步骤1.2、忽略开绕组双馈风力发电机定子铜耗，得到开绕组双馈风力发电机定子输出有功功率、无功功率与开绕组双馈风力发电机转子电流关系：其中，为开绕组双馈风力发电机定子电压，为开绕组双馈风力发电机励磁电感；步骤1.3、根据开绕组双馈风力发电机转子侧功率半径和开绕组双馈风力发电机定子侧功率半径存在转差关系，计算开绕组双馈风力发电机转子侧功率范围：。
8.而且，所述步骤2包括以下步骤：步骤2.1、开绕组双馈风力发电机系统有功功率潮流分析：其中，为开绕组双馈风力发电机转子输出有功功率，为开绕组双馈风力发电机定子电阻铜耗，为转差率，为机械输入有功功率，为励磁铜损，
当开绕组双馈风力发电机运行工况下，总机械能转化为电能，机械输入有功功率；超同歩运行时，转差率为，转子输出有功功率；次同歩运行时，转差率为，转子输出有功功率；步骤2.2、开绕组双馈风力发电机系统无功功率潮流分析：开绕组双馈风力发电机定子向电网发出无功功率时，在次同步以及超同步运行工况下，总有机械输入无功功率，由于开绕组双馈风力发电机定子发出无功功率，开绕组双馈风力发电机定子输出无功功率，次同步运行时，；超同步运行时，；当开绕组双馈风力发电机定子从电网吸收无功功率时，在次同步以及超同步运行工况下，开绕组双馈风力发电机定子输出无功功率，按照开绕组双馈风力发电机定子输出无功功率的大小，无功功率的流向分两种情况：第一情况：若，则系统吸收机械无功；第二情况：若，则有一部分无功功率传递到开绕组双馈风力发电机转子回路中。
9.而且，所述步骤3包括以下步骤：步骤3.1、构建并网开绕组双馈风力发电机单位功率因数运行模式的控制策略；步骤3.2、构建并网开绕组双馈风力发电机磁链恒定运行模式下的控制策略。
10.而且，所述步骤3.1包括以下步骤：步骤3.1.1、构建开绕组双馈风力发电机直流侧电压微分方程：其中，为直流母线电压，为电容，为开绕组双馈风力发电机定子电流，为恒定同步速，为开绕组双馈风力发电机定子磁链，为开绕组双馈风力发电机定子磁链q轴，为电网电压d轴分量，为电网电流，为开绕组双馈风力发电机定子绕线电阻，为开绕组双馈风力发电机定子角速度；步骤3.1.2、构建三相静止坐标系下开绕组双馈风力发电机定子侧变流器外环控制器开环传递函数：其中，、和分别为比例系数、积分系数和谐振控制器的增益系数，为系统谐振带宽参数，为系统控制谐振频率，为漏感系数，为开绕组双馈风力发电机转子电感；步骤3.1.3、通过开绕组双馈风力发电机定子侧反电动势与定子阻抗压降的矢量和表示定子端电压：
其中，为定子电压d轴分量，为定子电压q轴分量，为定子电流d轴分量，为定子电流q轴分量，为定子反电动势d轴分量，为定子反电动势q轴分量，为开绕组双馈风力发电机定子电感。
11.而且，所述步骤3.2包括以下步骤：步骤3.2.1、当开绕组双馈风力发电机定子输出无功功率为零时，构建系统电压与功率平衡方程：其中，为开绕组双馈风力发电机定子电压，为电网电压，为定子侧变换器端口电压，为电网侧有功分量，为电网侧无功分量，系统总机械能有功分量，为系统总机械能无功分量，为开绕组双馈风力发电机定子的输出有功功率，为开绕组双馈风力发电机定子输出无功功率，为开绕组双馈风力发电机转子输出有功功率，为开绕组双馈风力发电机转子输出无功功率；构建系统运行状态：其中，为电网电流，为与间夹角，为
c
与间夹角，为转差率；步骤3.2.2、定子侧变流器无功功率为零时，构建系统运行状态为：
其中，为与间夹角，为与间夹角；步骤3.2.3、不限制系统无功功率分配时，构建控制策略：在次同步条件下，根据系统控制需要，控制系统q轴功率给定为零，使系统仅输出有功功率；超同步条件下，开放系统功率分配限制，设计定子侧变流器无功功率输出为定子无功功率与总无功功率差额，实现系统功率平衡。
12.本发明的优点和积极效果是：本发明通过对并网条件下开绕组双馈风力发电潮流分布状态分析，得到开绕组双馈风力发电机本体及其系统功率范围极限，根据其潮流分布，计算有功功率潮流状态和无功功率潮流状态，最后按照设备系统功率流动特性进行分类，结合并网开绕组双馈风力发电机单位功率因数运行和磁链恒定运行两种方式下构建控制策略，解决了并网开绕组双馈风力发电机无法进行稳定磁链控制的问题。
附图说明
13.图1为并网开绕组双馈风力发电机系统结构图；图2为开绕组双馈风力发电机定子功率极限图；图3为开绕组双馈风力发电机转子功率极限图；图4为开绕组双馈风力发电机定子侧变流器控制框图；图5为开绕组双馈风力发电机转子变流器控制框图；图6为维持磁链恒定定子变流器控制框图图7为单位功率因数开绕组双馈风力发电机系统功率变化图图8为磁链恒定开绕组双馈风力发电机系统有功功率图图9为磁链恒定开绕组双馈风力发电机系统无功功率图。
具体实施方式
14.以下结合附图对本发明做进一步详述。
15.用于微电网开绕组双馈风力发电机并网运行的控制方法，包括以下步骤：步骤1、根据开绕组双馈风力发电机及其定转子变流器电路结构，计算开绕组双馈风力发电机设备本体及其系统等效电路及功率范围极限。
16.传统双馈发电机并网发电模式下，双馈发电机定子电压参考值恒等同于电网电压。转子侧变流器基于稳定的直流母线电压实现对双馈电机的控制，转子侧变流器控制转子电流、转子电压进而控制定子电压电流。网侧变换器维持直流母线电压稳定。由于系统对
定子电流的控制是利用转子侧变流器进而控制定子电流，因此对定子电流的控制为间接控制。而并网电流是由定子电流和网侧变流器电流矢量和得来，因此系统对总电流也无法做到完全控制。且系统实现无功功率补偿，电能质量治理，谐波不平衡治理等功能都是基于定转子变流器的间接控制，系统控制复杂，控制效果较差。并且网侧变流器并未直接参与双馈风力发电机功率传递能量转换。
17.如图1所示为开绕组双馈风力发电机系统结构图，双馈风力发电机定子侧两端与外界进行连接。此时，双馈风力发电机定子侧一端与定子侧变流器直接连接，另一端根据工作方式不同连接电网或者负载。在此种情况下，其输出电压为串联结构电压矢量合成，网侧变流器串联电机定子，功率传递的路径增加了，串联变流器可以与开绕组双馈风力发电机定子和电网进行功率交换。
18.步骤1包括以下步骤：步骤1.1、开绕组双馈风力发电机定子有功功率：其中，开绕组双馈风力发电机定子铜耗为：开绕组双馈风力发电机定子无功功率为：励磁消耗的无功功率为：开绕组双馈风力发电机定子铁耗为：开绕组双馈风力发电机转子有功功率为：开绕组双馈风力发电机转子铜耗：开绕组双馈风力发电机转子无功功率为；开绕组双馈风力发电机转子铁耗为：计算开绕组双馈风力发电机总有功功率；
其中，为开绕组双馈风力发电机定子的输出有功功率，为开绕组双馈风力发电机转子输出有功功率，为开绕组双馈风力发电机定子电阻铜耗，为开绕组双馈风力发电机转子铜耗，为励磁消耗的无功功率，为开绕组双馈风力发电机定子铁耗，为转子无功功率，为转子电动势，为恒定同步速，为开绕组双馈风力发电机定子绕线电阻，为开绕组双馈风力发电机转子绕线电阻，为开绕组双馈风力发电机定子电流，为开绕组双馈风力发电机转子电流，为开绕组双馈风力发电机磁链，为开绕组双馈风力发电机定子角速度，为开绕组双馈风力发电机转子角速度为转差率，为开绕组双馈风力发电机转子电流的共轭向量，为开绕组双馈风力发电机等效电路图感应电动势，为开绕组双馈风力发电机励磁电感；计算开绕组双馈风力发电机总无功功率：其中，为开绕组双馈风力发电机定子输出无功功率，为开绕组双馈风力发电机转子输出无功功率，为开绕组双馈风力发电机定子电感，为开绕组双馈风力发电机转子电感，为开绕组双馈风力发电机定子漏感，为开绕组双馈风力发电机转子漏感；根据开绕组双馈风力发电机等效电路图感应电动势：其中，为开绕组双馈风力发电机定子电压，忽略开绕组双馈风力发电机定子铜耗，推导出开绕组双馈风力发电机转子电流和励磁电流的关系：；步骤1.2、忽略开绕组双馈风力发电机定子铜耗，得到开绕组双馈风力发电机定子输出有功功率、无功功率与开绕组双馈风力发电机转子电流关系：如图2所示为双馈风力发电系统定子功率边界图，其定子输出功率为一个以
为圆心，为半径的圆。
19.步骤1.3、如图3所示，根据开绕组双馈风力发电机转子侧功率半径和开绕组双馈风力发电机定子侧功率半径存在转差关系，计算开绕组双馈风力发电机转子侧功率范围：。
20.步骤2、分析并网条件下开绕组双馈风力发电设备的潮流分布，依次对有功功率潮流状态和无功功率潮流状态进行计算。
21.在传统双馈发电系统中，一般以转速、定子有功功率和定子无功功率标定双馈电机的稳态运行状态。在不超过其运行范围的条件下，双馈电机可以运行在上述三个变量组成的三维空间内的任一点，这些点是唯一的。在这些工作点上，转子输出功率特性及电机效率特性可以被按条件讨论，从而可以明晰而简便地看到双馈电机在整个运行区间内的特性。而由于开绕组的新结构的关系，双馈电机定子电压不再受到钳位，因此系统运行状态将增加更多的自由度。但与此同时会使得系统运行状态更为复杂。为此根据步骤1所得到的系统功率运行范围并对系统功率分配及其控制策略进行逐步分析就显得尤为重要。
22.本步骤包括以下步骤：步骤2.1、开绕组双馈风力发电机系统有功功率潮流分析：其中，为开绕组双馈风力发电机转子输出有功功率，为开绕组双馈风力发电机定子电阻铜耗，为转差率，为机械输入有功功率，为励磁铜损，当开绕组双馈风力发电机运行工况下，总机械能转化为电能，机械输入有功功率；超同歩运行时，转差率为，大部分条件下转子输出有功功率；次同歩运行时，转差率为，转子输出有功功率；步骤2.2、开绕组双馈风力发电机系统无功功率潮流分析：开绕组双馈风力发电机系统无功功率会对定子磁链产生影响，进而对转子侧变流器控制和系统运行效率产生影响。开绕组双馈风力发电机系统具有多自由度提供无功功率支撑，可以在保持定子磁链恒定的情况下，对各个变量进行控制。
23.开绕组双馈风力发电机定子向电网发出无功功率时，在次同步以及超同步运行工况下，总有机械输入无功功率，由于开绕组双馈风力发电机定子发出无功功率，开绕组双馈风力发电机定子输出无功功率，次同步运行时，；超同步运行时，，。
24.当开绕组双馈风力发电机定子从电网吸收无功功率时，在次同步以及超同步运行工况下，开绕组双馈风力发电机定子输出无功功率，按照开绕组双馈风力发电机定子输出无功功率的大小，无功功率的流向分两种情况：第一情况：若，则系统吸收机械无功；
第二情况：若，则有一部分无功功率传递到开绕组双馈风力发电机转子回路中。
25.步骤3、按照设备系统功率流动特性进行分类，结合并网开绕组双馈风力发电机单位功率因数运行和磁链恒定运行两种方式下构建控制策略，以实现微电网系统稳定运行。
26.根据步骤2结论的基础上，给出两种运行模式（单位功率因数和磁链恒定）下的控制方式。利用有功功率潮流分配设计并网开绕组系统单位功率因数条件下的运行控制，分析系统有功功率的波动及其对系统磁链产生的影响，并且逐步开放系统控制条件，开放系统无功功率调节的自由度，使得系统可以维持磁链恒定，设计并网开绕组双馈风力发电机磁链恒定条件下的运行控制策略。
27.本步骤包括以下步骤：步骤3.1、构建并网开绕组双馈风力发电机单位功率因数运行模式的控制策略。
28.步骤3.1.1、构建开绕组双馈风力发电机直流侧电压微分方程，开绕组双馈风力发电机运行在单位功率因数条件下，发电机本体定子机端电压与串联系统电压关系有：其中为网侧变换器交流端输出电压的幅值为的d轴分量，忽略定子阻抗，开绕组双馈风力发电机定子端口电压与定子反电动势大小相等方向相反，得到：忽略定转子绕组漏阻抗，开绕组双馈风力发电机功率可以被推导为：p
g
为电网侧有功分量，为分析开绕组双馈风力发电机功率分配规律，消除功率表达式中的电流：并将代入即可得到：
综上得到开绕组双馈风力发电机单位功率因数条件下有端口电压矢量关系式：在同步速以下，开绕组双馈风力发电机定子绕组两端电压幅值都比电网电压幅值要大。因此，开绕组双馈风力发电机定子侧感应电动势都比较大，即开绕组双馈风力发电机定子磁链很大，可能会导致铁心饱和。在同步速以上，开绕组双馈风力发电机定子绕组两端电压幅值都比电网电压幅值小，因此开绕组双馈风力发电机定子侧感应电动势都比较小，即定子磁链会变小，导致磁链没有充分利用。
29.考虑定子侧变流器得到系统直流侧电压微分方程：其中，为直流母线电压，为电容，为开绕组双馈风力发电机定子电流，为恒定同步速，为开绕组双馈风力发电机定子磁链，为开绕组双馈风力发电机定子磁链q轴，为电网电压d轴分量，为电网电流，为开绕组双馈风力发电机定子绕线电阻，为开绕组双馈风力发电机定子角速度；据此设计单位功率因数下开绕组双馈风力发电机网侧变换器控制策略。在新型开绕组双馈风力发电机中，开绕组双馈风力发电机定子与变流器串联，电流由转子侧变流器控制，开绕组双馈风力发电机定子侧变流器不需控制定子电流，仅控制自身输出电压即可步骤3.1.2、构建三相静止坐标系下开绕组双馈风力发电机定子侧变流器外环控制器开环传递函数：如图4所示，为开绕组双馈风力发电机定子侧变流器控制框图，图中pir控制器为上述pir调节器，对直流侧电压进行调节，其中，、和分别为比例系数、积分系数和谐振控制器的增益系数，为系统谐振带宽参数，为系统控制谐振频率，为漏感系数，为开绕组双馈风力发电机转子电感；步骤3.1.3、通过开绕组双馈风力发电机定子侧反电动势与定子阻抗压降的矢量和表示定子端电压：
其中，为开绕组双馈风力发电机定子电压d轴分量，为开绕组双馈风力发电机定子电压q轴分量，为开绕组双馈风力发电机定子电流d轴分量，为开绕组双馈风力发电机定子电流q轴分量，为开绕组双馈风力发电机定子反电动势d轴分量，为开绕组双馈风力发电机定子反电动势q轴分量，为开绕组双馈风力发电机定子电感。
30.如图5所示，开绕组双馈风力发电机转子侧变流器使用传统pi控制方式。系统在单位功率因数运行条件下，根据开绕组双馈风力发电机有功功率，得到开绕组双馈风力发电机转子电压dq轴分量，经过svpwm的控制策略进行调节。通过上述步骤，即完成了并网开绕组双馈风力发电机单位功率因数运行设计控制策略的设计。
31.步骤3.2、构建并网开绕组双馈风力发电机磁链恒定运行模式下的控制策略。当系统转速低于同步速过多时，容易导致定子磁链饱和，无法通过转子电流对定子电流进行控制；当转速高于同步速过多时，又会导致磁链过小，使得电机性能没有充分利用。这里对电机定子磁链保持恒定情况下各变量的关系进行分析，设计开绕组双馈风力发电机磁链保持恒定情况下的控制策略。
32.步骤3.2.1、当开绕组双馈风力发电机定子输出无功功率为零时，构建系统电压与功率平衡方程：其中，为开绕组双馈风力发电机定子电压，为电网电压，为定子侧变换器端口电压，为电网侧有功分量，为电网侧无功分量，系统总机械能有功分量，为系统总机械能无功分量，为开绕组双馈风力发电机定子的输出有功功率，为开绕组双馈风力发电机定子输出无功功率，为开绕组双馈风力发电机转子输出有功功率，为开绕组双馈风力发电机转子输出无功功率；构建系统运行状态：
其中，为电网电流，为与间夹角，为与间夹角，为转差率；系统主要由开绕组双馈风力发电机转子轴等效元件、转子侧变流器电流和定子侧变流器提供无功功率，使得开绕组双馈风力发电机无功功率不足，定子磁链小于额定值，此时可以通过调节控制定子侧变流器的无功功率来保持系统的磁链恒定；步骤3.2.2、开绕组双馈风力发电机定子侧变流器运行于单位功率因数条件下可以最大程度利用变流器容量，利于开绕组双馈风力发电机经济运行。且开绕组双馈风力发电机定子侧变流器运行控制策略较为简单。开绕组双馈风力发电机定子侧变流器无功功率为零时，构建系统运行状态为：其中，λ1为u
g
与i
g
间夹角，λ2为u
ssc
与i
g
间夹角，定子侧变流器无功功率为零时，系统在保持定子侧变流器单位功率因数时，转差率恒为零，当系统运行于同步速时，可以满足系统磁链恒定；步骤3.2.3、当系统输出为纯有功功率时，系统存在超同步条件下无法保持磁链为额定值的问题。为保障开绕组双馈风力发电机在各种工况下均可以稳定运行，现针对系统超同步条件，开放系统功率分配限制，实现系统控制策略。
33.不限制系统无功功率分配时，构建控制策略：在次同步条件下，根据系统控制需要，控制系统q轴功率给定为零，使系统仅输出有功功率；超同步条件下，开放系统功率分配限制，设计开绕组双馈风力发电机定子侧变流器无功功率输出为定子无功功率与总无功功率差额，从而实现系统功率平衡。
34.图中未描述参数为现有技术中的参数，因此本发明不再对其进行说明。
35.其开绕组双馈风力发电机定子侧变流器的控制框图如图6所示，分别对系统直流母线电压和系统无功功率进行控制。而转子侧变流器控制方式与系统单位功率因数控制方式下的控制方式相同，此处不再说明。
36.如图7所示为单位功率因数开绕组双馈风力发电机系统功率变化图。由有功功率的波形可以看出来，系统转速变化前后电机输出有功功率基本保持不变，而系统总体功率输出存在转差率倍数的功率波动。当转速处于低于同步速时，电网有功功率高于开绕组双
馈风力发电机定子有功功率，而转速高于同步速时，电网有功功率则较低，其中的差额则为定子变流器功率。并且开绕组双馈风力发电机输出总的无功功率为零。其中的无功波动为系统转速变化时的励磁消耗。图8及图9为磁链恒定开绕组双馈风力发电机系统有功功率和无功功率图。在系统磁链恒定控制期间系统有功功率控制更为迅速准确；而单独分析系统无功功率输出，随着系统转速变化，为维持定子磁链恒定系统无功功率随之变化。
37.综上，本发明方法可以实现应用于微电网的开绕组双馈风力发电机不同潮流工况下稳定运行控制。本发明所提出的用于微电网的开绕组双馈风力发电机并网运行设备的分析方法，对开绕组双馈风力发电机本体及其系统功率范围极限进行了分析，并按照系统功率流动特性分类设计相应的控制策略进而实现系统稳定运行。
38.需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。