[发明专利]一种双馈风力发电网侧变流器的控制系统及其控制方法

说明书

技术领域

本发明属于风力发电变流器控制技术领域，具体涉及网侧变流器单位功率因数运行的离散优化控制方法。

背景技术

在风力发电领域，特别是对当今的中大功率风电机组而言，双馈型风力发电机占据了主导地位。双馈风力发电机组的系统结构如图1所示，它主要由风力机、增速箱、双馈发电机、变流器和主控制器组成。首先由风力机吸收风能产生机械转矩，而后通过齿轮箱等传动装置带动发电机转子转动，从而将机械功率传递给发电机；转子绕组本身是接入励磁电流建立磁场的，由于转子的转动，在定子绕组中感应出电动势，然后并入电网产生定子电流，实现风能到电能的转换。以上转子侧的励磁电流是由接入电网的双PWM变流器所提供的，如图2所示，其中网侧变流器是接入到电网的，机侧变流器是接入双馈发电机的转子侧的，完成能量在转子侧和电网间的双向流动，实现发电机定子侧和转子侧同时向电网馈送电能的目的。为了保证双馈风力发电系统输出的电能质量符合电网要求，应当避免作为非线性负载的双PWM变流器对电网的谐波电流污染，从而要求变流器具有良好的输入特性：⑴、PWM变流器的网侧变流器输入电流正弦；⑵、网侧输入电流的相位与电网电压的相位一致，网侧变流器以单位功率因数运行。因此，双馈风力发电系统的网侧PWM变流器的有效优化控制技术成为当今风力发电行业的迫切需求。

目前，针对双馈风力发电系统的网侧PWM变流器来说，设计一套行之有效的控制系统来保证网侧输入电流完全正弦以及能跟踪上电网电压相位仍存在一定的困难，这主要是由以下瓶颈造成的：⑴、网侧变流器三相电流间存在较为严重的耦合，即使转化到同步旋转坐标系中，网侧dq轴电流间仍不能完全解耦；⑵、网侧变流器具有非线性特点，是作为一个非线性负载接入电网的；⑶、网侧变流器电压、电流采样存在一定的延时，所计算出来的控制电压会滞后，影响控制系统的速度与精度；⑷、网侧变流器的电感参数直接影响着系统的稳定性和动态响应速度，尤其是电感参数较小时，这给网侧系统的控制器设计以及参数调节带来了严峻的挑战。

当前，关于双馈风力发电网侧PWM变流器常用的控制方法有：PID控制和状态反馈控制。PID控制具有结构简单，易于实现等优点，但控制过程调节时间过长，系统的动态调节能力较差；并且不能对系统实施解耦，因此，难以满足对网侧系统控制品质的要求。状态反馈控制则可以对控制变量解耦，实现有功功率和无功功率的单独控制，然而遇到被控对象的任何一点摄动，都会导致解耦性破坏，且控制算法较为复杂，不易实现。

发明内容

针对目前双馈风力发电系统网侧变流器缺乏一套有效的控制方案，本发明提供了一种优化控制策略来实现网侧变流器单位功率因数运行和输入电流完全正弦的目标，它能够很好的适应网侧变流器馈入、馈出电能时的动态特性、强烈的非线性和各控制变量间的耦合性等运行特点，同时能够克服网侧电感参数对系统的稳定性和动态响应所带来的不益影响，使网侧输入电流波形正弦且能跟踪上电网电压的相位。

本发明解决其技术难点所采用的技术方案如下：

一种双馈风力发电网侧变流器的控制系统，所述网侧变流器是电压型PWM整流器，所述网侧变流器的控制系统包括以下两个部分：

模块一、改进的网侧电流离散模型预测控制器模块；

模块二、改进的空间矢量调制模块；

具体的：模块一包括模型预测单元、反馈校正单元和滚动优化单元；模型预测单元根据当前K时刻输出的三相网侧电流，通过dq坐标变换后，实时在线计算出K+1时刻dq轴预测模型输出电流值；反馈校正单元计算出实测系统输出电流与预测模型输出电流的偏差，并进行反馈校正后，得到系统预测输出电流值；滚动优化单元中将系统预测输出电流值与K+1时刻的电流给定值进行比较，通过最小化开环二次型性能指标函数，以确定最优控制电压序列；

模块二根据模块一计算出的网侧变流器的控制电压、生成网侧变流器运行的开关信号，控制网侧变流器并网运行。

所述模型预测控制单元内部含有网侧变流器的预测控制模型，该预测控制模型的被控变量是d轴电流和q轴电流，操作变量是d轴控制电压和q轴控制电压；被控变量与操作变量的传递函数离散化、获得一阶差分方程作为网侧变流器的预测控制模型，所述PWM-VSR的一阶差分方程为：

I_gdm(k+1)＝-a₁I_gdp(k)-b₁U_gd(k)+c₁U_gq(k)+b₁E_gd(k)