基于谐振控制器的双馈风力发电机组网侧变频器控制策略

基于谐振控制器的双馈风力发电机组网侧变频器

控制策略

郭洪涛1王威尧2李梁3蒋靖4孙建建2辽宁沈阳1101812、北京102206（1.国家电投集团东北电力开发公司，华北电力大学控制与计算机工程学院，辽宁沈阳1101814、辽宁沈阳110181）3、国家电投集团东北电力有限公司，中电投东北新能源发展有限公司，（PIcontroller）摘要:双馈风力发电机组网侧变频器采用传统的基于比例-积分控制器的电网电压定向的矢量控制策略无法进一步，在消除发电系统中的二倍频的脉动。本文首先建立了电网电压不平衡情况下双馈风力发电机组网侧变频器的数学模型。（PIcontroller）（Auxiliary-PR基于比例-积分控制器的电网电压定向的矢量控制策略的基础上研究了基于辅助比例-谐振控制器（PIRcontroller）controller）的电网电压定向的矢量控制策略和基于比例-积分-谐振控制器的电网电压定向的矢量控制策略。最后根据1.5MW的双馈风力发电机组模型，在该仿真系统上验证了本文提利用LabView仿真平台，搭建双馈风力发电机组仿真系统。出的基于PIR控制器的电压定向的矢量控制策略都可以有效的抑制由电网电压不平衡造成的网侧变频器。比例谐振控制器；控制策略；关键词:双馈风力发电机组；网侧变频器；LabView

Abstract:Thetraditionalvectorcontrolstrategybasedonproportional-integralcontroller(PIcontroller)forgrid-sideconverter

ofdoubly-fedwindturbinescannoteliminatethedoubledfrequencyfluctuationinpowergenerationsystem.Firstly,themathematicalmodelofgrid-sideconverterofdoubly-fedwindturbineunderunbalancedgridvoltageisestablished.Furthermore,basedonthevectorcontrolstrategyofpowergridvoltageorientationbasedonproportional-integralcontroller(PIcontroller),thevectorcontrolstrategyofpowergridvoltageorientationbasedonAuxiliary-PRcontrollerandtheproportional-integral-resonancecontroller(PIRcontroller)arestudied.Voltageorientedvectorcontrolstrategy.Finally,thesimulationsystemofdoubly-fedwindturbineisbuiltbasedonLabViewsimulationplatformandthemodelof1.5MWdoubly-fedwindturbine.ThesimulationsystemverifiesthattheproposedVoltage-orientedvectorcontrolstrategybasedonPIRcontrollercaneffectivelysuppressgrid-sideconverterscausedbyunbalancedgridvoltage.

Keywords:Double-fedwindturbine;Grid-sideconverter;Proportionalresonancecontroller;Controlstrategy;LabView中图分类号院TM315文献标识码院A文章编号院2096-4390渊2019冤36-0026-05

1概述纵观在社会进步发展的过程中，能源始终扮演者重要角色，历史，能源在国民经济中占有重要的战略地位。但是对于当今很难有大的突破，且社会，由于常规能源已经发展到一定程度，环境污染问题越来越严重。清洁新能源的发展将对于我国发展起到至关重要的作用[1-2]。风力发电作为清洁且丰富的新能源，近年来其研究热情和水平高涨，我国风电机组装机容量也快速凭借其灵活的能力、良好的发展。其中双馈风力发电机组，逐渐成为国际上风力发发电运行特性，受到学术界广泛的研究，存电的主流机[3-4]。目前双馈风力发电技术还是遇到很多瓶颈，在着双PWM变频器控制技术复杂，风能的多变非线性等问题，特别是在电网电压不平衡下的双馈风力发电系统建模与控制。在双馈风力发电机组中，发电机转子通过双PWM变频器进行网侧变频励磁，实现最大风能捕获和定子输出功率调节。其中，器在能量流动过程中，承担着维持直流母线电压稳定和调节网侧变频器功率因数的任务。随着双馈风力发电机组单机容量和风力发电机组的电能品质和无风力发电装机总容量迅速增加，因此网侧变频器的冲击并网对电网安全运行的影响越来越大，控制策略的研究具有重要意义[5]。现有的双馈风力发电机组网测变频器的系统模型和控制策略都是基于理想电网条件下设计的[6]。然而双馈风力发电机组三相不平衡负载的在实际工作情况中，由于不平衡输电线阻抗、介入等原因，使得电网电压不对称情况的概率远高于对称情况的概率。即使较小电网电压不平衡度也将严重影响双馈风力发电机组的运行工况，甚至从电网中解列。随着风力发电装机容量逐渐增大，对于电网安全，则要求双馈风机在一定的电网电压不平衡的情况下仍能正常运行工作。网国内外学者对网侧变频器的控制做了大量的研究。目前，最常用的是基于PI控制器的电网电压侧变频器的控制策略中，定向的矢量控制。该策略需要将电网电压、网侧变频器电流等三相交流量变换到两相同步旋转坐标系中,使用电压控制作为外环,电流控制作为内环,控制器都采用PI控制器。但是当电网网侧变频器有功、无出现三项不对称时，将会在直流母线电压，功功率等过程变量中产生剧烈的二倍频脉动，从而严重危及双馈风力发电机组电能质量和关键元器件的寿命。2002年,ChomatM等人在文献[7]中提出了一种正负旋转坐标系扩展矢量控制策略，该策略根据对称分量法进将不平衡的三相电网电压分解成三相对称且相序不同的正序分量和负序分量,然后分2019.36科学技术创新-27-

别转换到正序和负序两个两相同步旋转坐标系中，分别控制，di取得了不错的控制效果。但是该策略需要设计复杂的正负序分gd0uRiLSULigd0ggd0ggd0dcgggq0不适用于实际中。2006年，离算法，系统复杂，付旺保等人在文dt

献[8]中将自抗扰控制引进到双馈风力发电机组网侧变频器的（2）digq0估计出系统的扰动，并加以补控制之中，通过设计状态观测器，Sgqugq0Rgigq0Lg0UdcgLgigd0dt偿，从而有效解除扰动，提高系统的鲁棒性。但是该控制策略依然控制复杂。本文在电网电压定向的矢量控制策略基础上进一步研究了digd2uRiLSULi采用PIR控制器，并提出了基于基于PIR控制器的电压定向的gd2ggd2ggd2dcgggq2dt矢量控制策略。然后通过理论分析证明这种控制策略在电网电di最后压平衡和不平衡的情况下都可以很好地控制网侧变频器，gq2（3）

ugqSgq2Rgigq2Lg2UdcgLgigd2利用LabView仿真平台验证，这两种控制策略均可以抑制有电dt

网电压不平衡带来的二倍频的脉动。2不平衡电网电压下的网测变频器数学模型将正转同步旋转坐标系的d轴固定在电网电压矢量Us上，（VSCF）双馈风力发电机组是变速恒频发电系统[9]。VSCF发得：而其所发出电能频率电方式，顾名思义是转子转速可以变化，ugdus是固定不变。下图1，为双馈异步发电系统结构。（4）u0



gq

在这种情况下，网侧变频器的有功功率Pg和无功功率Qg分别为：PgPg0Pg2ugd0igd0ugd0igd2ugd2igd0QgQg0Qg2ugd0igq0ugd0igq2ugd2igq0

图1双馈异步发电系统结构而转子经双PWM变根据图1所示，定子与外界电网连接，其频器（背靠背结构）装置与电网间接连接。对于变频器部分，其转子侧变可按位置分为网侧变频器与转子侧变频器两部分，频器与发电机转子连接，其网侧变频器外部电网连接。这样双这也是双馈电馈电机的定子与转子都参与到电能的回馈之中，机“双馈”的得名之处。根据对称分量理论：任意一组不平衡的三相向量A、B、C都可以分解为三组相序不同的对称分量，分别是正序分量（A1、[10]B1、C1）、负序分量（A2、B2、C2）和零序分量（A0、B0、C0）。由于变频器为三相无中线系统，可以认为不存在零序分量。按照公式（1），再将正序分量和负序分量通过Park变换，变换到正转同负序分量变换步旋转坐标系内，这时，正序分量变换为直流量，同理，通过Park变换，为二倍频的交流量。变换到反转同步旋转正序分量变换为二倍频的坐标系内，负序分量变换为直流量，交流量。2jtFdqFdqFFFedqdqdqdq

dq

dq

dq

2jtdq

（5）无功功率在电网电压不平衡的时候，转子变频器有功功率、中也都含有二倍频的交流分量。在能量守恒的角度分析，如不加以控制，直流母线电压Udc也会产生二倍频的扰动。3比例-积分-谐振控制器由不平衡下的网侧变频器模型研究可知，当电网电压出现无功较小的不平衡时，双馈发电机和网侧变频器的有功功率、（以下简称二倍频）的脉功率和直流母线电压都会出现二倍频动。通过使用传统的基于PI控制器的电网电压定向的矢量控制策略是无法抑制这些二倍频脉动的。原因是PI控制器只能对直流量或低频量进行无差抑制，无法对二倍频的交流量进行抑在基于电网电压定向制。为此，本文提出了一种新的控制策略：使用含有PIR控制器的电网电压定的矢量控制策略的基础上，向的控制策略。该PIR控制器是在传统PI控制器的基础上，增加谐振环节。控制器的传递函数表示为：GPIR(s)Kp

KiKs2r2ss0

（6）（6）公式中：Kp是比例环节增益，Ki是积分环节增益，Kr是FFFFFe谐振环节增益，ω0是谐振环节的谐振频率，因为谐振控制器需要抑制二倍频的交流分量，所以取谐振ω0设为电网频率的2（1）得到PIR控制下的开环公式中，符号上标中的+、-，表示正转、反转同步旋转坐倍，即：ω0=ωg=200π。根据上式，如下图所示，下图中同时绘制了PI控制下的开环系统标系，下标中的+、-，表示正序分量和负序分量。因此根据网侧Bode图，[11]变频器结构可以得到网侧变频器直流分量和二倍频分量的电的Bode图。压-电流方程：（1）-28-科学技术创新2019.36

制器的电网电压定向的矢量控制[12]。控制系统采用双闭环串级（为了保证变频器传结构[13]，电压外环是维持直流母线电压稳定电流内输功率稳定），并为电流内环提供有功功率的电流信号；实现环的作用是加快网侧变频器的实际输出电流跟踪设定值，功率因数可调。网侧变频器模型结构如图3所示。根据第二节分析：由电网电压不平衡下的网侧变频器模型研究可知，通过使用传统基于PI控制器的电网电压定向的矢量控制是无法抑制由电网电压不平衡带来的二倍频脉动的。为基于PIR控制器的电网电压此，本节设计一种新的控制策略：定向的矢量控制策略。基于PIR控制器的电网电压定向的矢量控制策略在基于PI控制器的电网电压定向的矢量控制策略的使用PIR控制器代替PI控制器。基础上，将该控制器设计在正向同步旋转坐标系内，当电网电压不平衡时，控制器中的PIR环节既可以针对系统中的直流量进行达到跟踪和控制，也可以针对系统中的二倍频信号进行控制，抑制其交流成分的作用。设计基于PIR控制器的电网电压定向的矢量控制策略。控制结构图如图4所示。基于PIR控制器的电网电压定向的矢量控制策略中，以直流母线电压控制为例，可以简化控制对象的传递函数为Gp(s)的，控制器为直流母线电压Udc控制流程图可以近似如所图5示。根据图5，整个直流母线电压控制系统闭环传递函数为： 200150PIR控制器和PI控制器开环Bode图PIPIR100500-5090PIR450-45-90PIPIRPIPIR相角 (deg)幅值 (dB)PI010110102628103104角频率 (rad/s)图2PIR控制器和PI控制器开环Bode图由上图2可知，在低频段PIR控制器和PI控制器开环增益相同，即在三相电网电压平衡时，在两相同步旋转坐标系内，只存在直流量，PIR控制器可以像PI控制器一样，使得系统输出跟踪设定值；当在二倍电网频率处，PIR控制器有将带的开环增而PI控制器的开环增益，可以对相应的频率的信号产生响应，只有PIR控制器既可以控制直流量，也可以益大大衰减。因此，控制二倍电网频率的交流量。3.1控制器设计目前网侧变频器的控制策略中中最为常见的是基于PI控图3基于PI控制器的电网电压定向的矢量控制框图图4基于PIR控制器的电网电压定向矢量控制框图2019.36科学技术创新-29-

图5基于PIR控制器的辅控制回路框图Kpss202Krs2Kis202UdcsGUdcs

Udc_refsss202Kpss202Krs2Kis202GPs（7）当设定值的信号的频率等于0或者等于谐振环节的谐振即s=0或s=jω0时，此时GUdk(s)等于1。频率时，同理，扰动信号egd2与有功功率Pg之间的传递函数：Ges

Udcss(s202)



（8）s(s202)esKps202KrsKis202Gps图6改进的PIR控制器和一般的PIR控制器开环Bode图当设定值的信号的频率等于0或者等于谐振环节的谐振即s=0或s=jω0时，此时Ge(s)等于0。频率时，综上可知，当比例谐振控制器的谐振频率设为二倍频2ωg时，本文设计的PIR控制器可以对直流信号和角频率为2ωg的交流信号进行无静差控制。而且含有直流分量和二倍频交流分量的干扰信号e对控制没有影响。3.2PIR控制器的改进型理论上,PIR控制器可以有选择滤除频率一定的干扰信号，但是在现场实际应用的过程中，理想PIR控制器很难具体实现，主要的原因有以下几点：一是在在现场实际应用的情况下，另实现PIR控制器的方式分为两种，一种是采用模拟元器件，器件的精度低,很难实现理想一种是采用计算机实现。第一种，的PIR控制器。第二种则受到计算机数字系统的位数的，二是除去谐振点,现场常常还导致理想PIR控制器也很难实现；没有办法有效有其他高频频率点，PIR控制器的幅值增益不大，抑制其他的的谐波干扰。三是在谐振点上,PIR控制器在谐振点为改善理的相角趋近于无穷大,这会对控制造成不稳定。因此，想PIR控制器的性能，引入了截止频率构成了新的PIR控制器，其传递函数如下：GsK（p1

Ki2cKrs

2）2ss2cs0

（9）其中，ωc为截止频率。得到新的PIR控制器下的开环Bode图。如图6根据上式，图6中绘制了改进PIR控制器和一般PIR控制器的开环所示，系统的Bode图。从图中可以看到，改进的PIR控制器成功控制来谐振点上的增益，从而保证了系统在谐振点上的稳定性。位于谐振频率在改进的PIR控制器中，截止频率的值越大，这就让控制器在电压处的增益会越小，同时能够使带宽增加，从而即使电压频频率围绕谐振频率波动时产生较大幅值增益，截止率有所上升或者下降，控制器依然能产生有效增益。但是，进而致使谐振点上控频率过大会导致谐振频率点上增益减小，制性能下降。不同截止频率的PIR控制器开环bode图如图7所示。图7不同截止频率的PIR控制器开环Bode图截止频率的取值范围一般为5-15rad/s，本文选取10rad/s作为改进型PIR控制器的截止频率。4仿真验证为了验证第三章提出的新的控制策略的有效，本文利用LabView仿真平台，搭建了一个1.5MW网侧变频器模型。参数选择：网侧变频器电感0.9mH，网侧变频器电阻0.01Ω，直流母线电容0.015F，SVPWM调制频率2kHz，直流母线电压设定值1100V。采用传统的基于PI控制器的电压定向的在试验开始阶段，在0.1秒时，矢量控制策略，使电网C相电压跌落至正常情况下的80%，出现电网电压不平衡，在0.21秒时，投入辅助PIR控制器。在0.45秒时电网电压恢复平衡。图8分别是基于PIR控制器的电压定向的矢量控制策略对网侧变频器直流母线电压和网侧变频器有功功率和无功功率的控制效果。传统的基于PI控制由图8可以看出，当电网电压平衡时，可以使网侧变频器的器的电压定向的矢量控制策略是有效的，直流母线电压和有功、无功功率保持稳定。在0.10秒到0.21秒无功功率均出现了之间，网侧变频器的直流母线电压和有功、二倍频扰动，且传统的基于PI控制器的电压定向的矢量控制策略对于二倍频扰动控制是无效的。（转下页）-30-科学技术创新2019.36

660MW机组等离子点火装置概述

王海洋（国家能源集团神皖合肥庐江发电有限责任公司安徽合肥生产运营部，231555）讲解等离子点火摘要：本文以神皖庐江电厂2×660MW机组为例，通过介绍庐江电厂锅炉类型和炉膛燃烧器的布置方式，分析问题的原装置工作原理和重要组成设备，并针对运行中遇到的锅炉冷态启动初期煤粉燃尽率低和转换接头漏水实际问题，危害，因、并根据缺陷采取对应整改措施。转换头漏水关键词：等离子点火；煤粉燃尽率；中图分类号院TM621.8文献标识码院A文章编号院2096-4390渊2019冤36-0030-02伴随着国际能源紧缺和国内环保指标控制日益严格的大局势，各项节能降耗技术在火力行业逐步应用，等离子点火可以实现电厂启炉无油化，达到节能降耗的目标，等离子点火装置逐环保的性能，渐应用于火力发电厂。虽然等离子点火具有绿色、研究和改但是在启炉初期煤粉燃尽率低等问题已经逐步暴露，善等离子装置是具有重要意义的课题。1概述神皖庐江电厂锅炉型号为DG1950/29.30-II3，采用超超临平衡通风、露天布置、前界参数变压直流炉、单炉膛、一次再热、全悬吊结构锅炉。设计煤种后墙对冲燃烧、固态排渣、全钢构架、校核煤种1、为哈拉沟矿煤，2分为布尔台矿煤和上湾矿煤。燃烧器在保证炉内煤粉燃烧方面有重要的作用，其是将煤粉与二次风按照一定比例送入炉膛中，确保火焰稳定燃烧的设备。采用外浓内淡型低NOX旋流煤粉燃烧器，布置方式是前墙A、B两层和后墙C、D、F三层，每层均配置6支燃烧器，能够达高效、低NOX含量的要求。按照工程要求，采用型到燃烧稳定、号为PICS-I-100的等离子点火系统，前墙A层和后墙C层各配合6支等离子燃烧器和等离子点火器，通过阴极和阳极碰撞产生电弧，引燃煤粉，实现锅炉点火启动无油化的目标。2等离子点火装置原理等离子点火装置包含点火器和燃烧器，点火器由直流稳压产生直流电弧放电方式，稳流电源供电，通过阴极和阳极碰撞，高焓等离子体，并将等离子将点火器中工质气体电离成为高温、体与煤粉混合后高速送进燃烧器中心筒中。（转下页）andfutureperspectives[J].Renewable&SustainableEnergyReviews,2009,13(8):1966-1974.

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图8基于PIR控制器的控制策略控制效果图由图8当0.21秒之后，切入到含有基于PIR控制器的电压定向的矢量控制策略，网侧变频器的直流母线电压中的二倍频的扰动被迅速抑制至消失，网侧变频器的有功、无功功率中的本文提出的基于PIR控二倍频的扰动也迅速衰减。综上所述：制器的电压定向的矢量控制策略可以有效的抑制由电网电压无功功率的二不平衡造成的网侧变频器直流母线电压和有功、试验也在MATLAB的Simulink仿真环境下测倍频的扰动。（注：。试，得到相似的结果）5结论本文提出的本文提出的基于PIR控制器的电压定向的矢量控制策略，在理论分析和仿真实验中均表明可以抑制网侧变频无功功率的二倍频扰动，可以器中的直流点母线电压和有功、实现在电网电压不平衡的情况下网侧变频器可以安全高效的运行，且具备以下优点：a.本文所提出的控制策略不需要电压、电流、磁链的正负序分离，避免单独设计复杂的正负序分离算法，简化了系统的；b.本文所提出的控制策略对传统的基于PI易于实现；控制器的电压定向的矢量控制策略改动较小，c.控制器结构简单，便于在实际生产中使用。参考文献[1]NarbelPA,HansenJP,LienJR.RenewableEnergy[J].Ambio,2014,39(1Supplement):18-21.

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