本發明涉及一種分布式發電技術，特別涉及一種電網電壓不平衡時雙饋電機的網側變流器控制方法。

背景技術：

隨著風電機組對電力系統穩定性影響的增加，保證在電網電壓出現不平衡時風電機組不脫網運行顯得尤為重要。在眾多的風力發電機中雙饋異步風力發電機(Doubly Fed Induction Generator，DFIG)以其相對低廉的成本而得到廣泛應用。DFIG的轉子采用兩個PWM變換器，即轉子側變換器(Rotor-Side Converter，RSC)和網側變換器(Grid-Side Converter，GSC)。由于兩個變換器通過中間的直流母線和大電容相連接，因此，可以通過網側變換器實現網側獨立的解耦控制，得到其控制目標，改善控制質量。2014年第4期《電力系統自動化》中《雙饋風力發電機網側變流器的PCHD建模與IDA-PB控制》一文提出根據雙饋電機的物理模型引入了基于端口受控的耗散哈密頓(Port-Controlled Hamilton with Dissipation，PCHD)模型的無源控制(Passivity-based Control，PBC)方法，該方法具有響應速度快、魯棒性強、系統結構簡單、物理意義明確、易于實現等優點。然而，無源控制是在忽略線路中電感、電阻值參數攝動、整流器存在內擾和外擾情況下建立的，因此單純的的互聯和阻尼配置無源控制策略對網側變換器的控制效果會受到影響。

技術實現要素：

本發明是針對雙饋異步風力發電機無源控制存在的問題，提出了一種電網電壓不平衡時雙饋電機的網側變流器控制方法，采用無源控制策略在減小不平衡電網電壓對RSC系統的影響、提高RSC系統不平衡電網電壓的穿越運行能力的同時，能夠抑制系統參數攝動和干擾等不確定因素對網側電流的不利影響。

本發明的技術方案為：一種電網電壓不平衡時雙饋電機的網側變流器控制方法，雙饋電機的轉子采用轉子側變換器和網側變換器兩個變換器控制，兩個變換器通過中間的直流母線和大電容相連接，網側變流器控制采用PID電壓外環控制，電流內環采用IMO內模觀測器與無源控制器相結合的控制方法，具體包括：外環電壓環的PID控制器輸出后與直流母線電壓相乘得到平均有功功率分量P_g0，與平均無功功率分量Q_g0一起再經過3種控制目標計算，得到內環電流環網側電流的參考值輸入到無源控制器中；

網側電壓、電流的瞬時值經過正負序分離后，得到的正負序電流值，通過IMO內模觀測器，計算得到內環電流補償量；網側電流的瞬時值經過正負序分離后，得到的正負序電流值與內環電流環網側電流的參考值一起送入無源控制器，電流內環的IMO內模觀測器和無源控制器，分別在正負雙同步旋轉坐標系中控制各自的正、負序分量，使得各電磁量的正、負序分量在各自坐標系中變為直流量進行控制；

3種控制目標分別為1)網側輸入有功功率只含有直流分量；2)網側輸入的無功功率只含有直流分量；3)網側輸入的電流不含負序分量。

所述無源控制器在端口受控的耗散哈密頓PCHD模型的基礎上，采用互聯和阻尼分配無源性控制方法設計，設計前提條件為：

A:系統能量增長綜合總是小于系統能量耗散總和，即系統具有耗散性；

B:系統是耗散的，且滿足輸入嚴格無源和輸出嚴格無源，則系統是嚴格無源的。定義網側變流器的數學模型為：

L_gpq_gp+C_gpq_gp+R_gpq_gp＝u_gp

其中，

其中R_g為線路阻抗與電感等效串聯電阻總和，L_g為濾波電感，ω為電網同步角速度，和分別為正序分量在正轉坐標系d軸和q軸上的網側電壓分量、網側變流器交流側電壓分量、網側變流器交流側電流分量；和為負序分量在負轉坐標系d軸和q軸上的網側電壓分量、網側變流器交流側電壓分量、網側變流器交流側電流分量；

取系統的能量函數H_gp為：

L系統能量函數中的正定對稱矩陣，

取和

上標T為轉置，上標-1為矩陣的逆，上面打點是對其求導；

得電網網側正序的PCHD模型為：

式中：J_gp為互聯矩陣，為反對稱矩陣；為耗散矩陣，為正定的對稱矩陣；

同理，得到負轉同步旋轉坐標系下負序分量的PCHD模型為：

由于新舊的互聯矩陣結構守恒，取注入的新的互聯矩陣和阻尼矩陣分別為：

為互聯系數；和為阻尼系數，它們均為非負數且不同時為0。

所述IMO內模觀測器針對控制器中電流環存在參數攝動、干擾不確定因素，在無源控制基礎上加入了基于內模控制的狀態觀測器，由極點配置方法優化觀測器參數，實現了對電流的補償控制；

改寫網側變流器的數學模型為：

其中，上式增加的干擾量項可表示為：

為不可測干擾；ΔL_g＝L_g-L_g0，ΔR_g＝R_g-R_g0分別為系統實際參數值L_g、R_g與濾波電感額定值L_g0、線路等效串聯電阻額定值R_g0之間的偏差；

本發明的有益效果在于：本發明電網電壓不平衡時雙饋電機的網側變流器控制方法，實現了對電流的補償控制，使得電流穩態波動變小。與現有技術相比，本發明具有理論先進、動態響應速度快、魯棒性強等優點。

附圖說明

圖1為本發明網側變換器的結構框圖；

圖2為本發明不平衡電壓下網側變流器控制系統原理框圖；

圖3為本發明3種控制策略下直流母線電壓波形圖；

圖4-1為本發明PID控制的網側電流波形圖；

圖4-2為本發明PBC控制的網側電流波圖；

圖4-3為本發明IMO+PBC控制策略網側電流波形圖；

圖5-1為本發明3種控制策略下網側有功功率波形圖；

圖5-2為本發明3種控制策略下網側無功功率波形圖；

圖6為本發明IMO觀測器估計的不確定量示意圖。

具體實施方式

本發明涉及電網電壓不平衡情況下雙饋電機的網側變流器的控制策略，該方法基于內模觀測器和無源控制策略。首先，根據電網電壓不平衡情況下網側變換器內環的電流雙環控制，建立其正負序模型，計算不同控制目標下的網側電流參考值；然后，基于端口受控的耗散哈密頓(PCHD)模型，采用互聯和阻尼分配無源性控制(IDA-PBC)方法，設計出了GSC無源控制器；最后，針對控制器中電流環存在參數攝動、干擾等不確定因素，在無源控制基礎上加入了基于內模控制(IMC)的狀態觀測器，由極點配置方法優化觀測器參數，實現了對電流的補償控制，使得電流穩態波動變小。

如圖1所示，本發明實施例所提供的一種電網電壓不平衡時雙饋電機的網側變流器控制方法，圖中，u_a、u_b、u_c為電網電壓，v_a、v_b、v_c為網側變換器GSC交流側電壓，R_g為線路阻抗與電感等效串聯電阻總和，L_g為濾波電感，i_a、i_b、i_c為GSC輸入電流，C為直流母線的電容，u_dc為直流母線的電壓，i_load為網側流到RSC的電流。網側變流器控制方法，即電壓外環仍采用PID控制，電流內環采用本文提出的IMO內模觀測器與PBC無源控制相結合的控制策略。外環電壓環的PID控制器輸出后與直流母線電壓相乘得到平均有功功率分量P_g0，與平均無功功率分量Q_g0一起再經過3種控制目標計算，就可得到內環電流環網側電流的參考值輸入到PBC無源控制器中。網側電壓、電流的瞬時值經過正負序分離后，得到的正負序電流值，通過IMO內模觀測器，計算得到內環電流補償量。網側電流的瞬時值經過正負序分離后，得到的正負序電流值與內環電流環網側電流的參考值一起送入無源控制器，電流內環采用IMO+PBC無源控制器，它們分別在正負雙同步旋轉坐標系(SRF)中控制各自的正、負序分量，使得各電磁量的正、負序分量在各自坐標系中變為直流量，以方便控制。具體步驟如下：

步驟S1：根據電網電壓不平衡情況下變換器內環的電流雙環控制，建立其正負序模型，計算不同控制目標下的網側電流參考值。

電壓不平衡下電網輸至網側變流器的瞬時功率S為：

式中：P_g0為平均有功功率分量，P_g2sin、P_g2cos為2倍頻正弦、余弦有功功率分量；Q_g0為平均無功功率分量；Q_g2sin、Q_g2cos為2倍頻正弦、余弦無功功率分量；θ為坐標系中轉子a軸與定子三相繞組參考軸線A軸間的角位移；ω為電網同步角速度。

整理成矩陣形式為：

(1)目標1：網側輸入有功功率只含有直流分量(P_g2sin＝P_g2cos＝0)

式中：分別為正序分量在正轉坐標系d軸和q軸上的指令電流值；和分別為正序分量在正轉坐標系d軸和q軸上的網側電壓分量、網側變流器交流側電壓分量、網側變流器交流側電流分量；和為負序分量在負轉坐標系d軸和q軸上的網側電壓分量、網側變流器交流側電壓分量、網側變流器交流側電流分量；D₃、D₄分別為：

(2)目標2：網側輸入的無功功率只含有直流分量(Q_g2sin＝Q_g2cos＝0)

(3)控制目標3網側輸入的電流不含負序分量

步驟S2：基于端口受控的耗散哈密頓(PCHD)模型，采用互聯和阻尼分配無源性控制(IDA-PBC)方法，設計出GSC無源控制器，其前提條件為：

1)系統能量增長綜合總是小于系統能量耗散總和，即系統具有耗散性；

2)系統是耗散的，且滿足輸入嚴格無源和輸出嚴格無源，則系統是嚴格無源的。

系統中各物理量都是能量變化的反映，只要系統的能量得以控制，系統的物理量就得以控制。無源控制理論是從系統的能量入手的非線性控制理論，較傳統的控制策略更接近于雙饋電機的物理模型，利于實現系統的全局穩定性。

定義網側變流器的數學模型為：

L_gpq_gp+C_gpq_gp+R_gpq_gp＝u_gp

其中，

取系統的能量函數H_gp為：

L系統能量函數中的正定對稱矩陣，

取和

上標T為轉置，上標-1為矩陣的逆，上面打點是對其求導。

可得DFIG網側(電網網側)正序的PCHD模型為：

式中：J_gp為互聯矩陣，為反對稱矩陣；為耗散矩陣，為正定的對稱矩陣。

同理，可以得到負轉同步旋轉坐標系下負序分量的PCHD模型為：

由于新舊的互聯矩陣結構守恒，取注入的新的互聯矩陣和阻尼矩陣分別為：

為互聯系數；和為阻尼系數，它們均為非負數且不同時為0，其取值原則為：在滿足系統無源的情況下盡量使控制器結構簡單。

步驟S3：針對控制器中電流環存在參數攝動、干擾等不確定因素，在無源控制基礎上加入了基于內模控制(IMC)的狀態觀測器，由極點配置方法優化觀測器參數，實現了對電流的補償控制，使得電流穩態波動變小；

改寫網側變流器的數學模型為：

其中，上式增加的干擾量項可表示為：

為不可測干擾；ΔL_g＝L_g-L_g0，ΔR_g＝R_g-R_g0分別為系統實際參數值L_g、R_g與濾波電感額定值L_g0、線路等效串聯電阻額定值R_g0之間的偏差。

在MATLAB/Simulink仿真平臺中對上面提出的基于IMO和PBC相結合的DFIG網側變換器正負序控制方法的可行性進行了仿真研究。系統仿真參數取值為：雙饋電機DFIG的主要參數取值見表1；內模觀測器(IMO)參數為：ΔR_g＝0.2δR_g0，ΔL_g＝0.2δL_g0，ε_q＝ε_d＝5δ，(其中δ為0均值，幅值為±1.0均勻分布隨機噪聲)；在滿足系統嚴格無源的基礎上進一步簡化控制器結構，選取：阻尼系數互聯系數J₁₂＝J₁₁＝J₂₂＝0；外環電壓環PID控制參數為：k_p＝0.05，k_i＝25，k_d＝0；給定的不平衡電壓為a相跌落10％。

表1

為了說明本方法的優越性，本文對GSC的外環電壓環采用完全相同參數的PID控制，但對GSC的內環電流環分別采用了本文提出的控制、PBC無源控制、傳統的PID控制3種方法進行仿真對比，在不同時段內實現3種不同控制目標，其中：

1)t＝0～0.2s：按照控制目標1下運行，以消除網側有功功率2倍頻；

2)t＝0.2～0.4s：按照控制目標2下運行，以消除網側無功功率2倍頻；

3)t＝0.4～0.6s：按照控制目標3下運行，以消除網側電流負序分量。具體實驗效果為：

圖3為3種控制策略下直流母線電壓波形。由圖可見，在電壓不平衡情況下，選擇控制目標1時，傳統PID控制策略下，DFIG在0.05s時直流母線電壓達到穩定值，而在無源控制和本文的控制策略下0.01s便穩定；在控制目標2、3下，本文控制策略較傳統PID控制和PBC無源控制，震蕩小，且波形更加平滑。因此，本文所提的控制策略的動態響應速度更快、抗干擾能力更強。

圖4-1、4-2、4-3為3種控制策略下網側的電流波形。由圖可見，控制目標1下，采用傳統PID控制策略，網側電流值在0～0.05s時間內超調量較大，易導致變換器飽和，而無源控制與本文控制策略無超調；控制目標2時，3種控制策略效果相仿；在控制目標3時，傳統的PID控制策略下，網側電流0.5s時達到相對平衡，無源控制與本文所提的控制策略下0.4s平衡，但無源控制策略中a相電流相對b、c相仍有輕微跌落。因此，本文所提的控制策略在動態響應速度和穩定性方面具有明顯優勢。

圖5為3種控制策略下網側功率波形。表2為在3種不同控制目標下采用3種控制策略時有功、無功2倍頻諧波脈動分量與平均功率的比值表。由圖5-1、5-2和表2可見，在控制目標1、2、3下，相比于傳統PID控制、PBC控制，本文所提的控制策略下有功、無功的穩定時間、超調量和諧波含量更小。因此，本文所提出控制策略的網側功率在控制性能上優于前兩種控制策略。

表2

圖6為IMO觀測器所得到的不確定量估計值和由圖6可見，IMO觀測器通過估計GSC系統的不確定量，將估計值補償給電流環，與PBC無源控制策略相結合，在提高反應速度的同時，電流紋波和直流母線電壓穩態誤差均有下降。因此，仿真結果說明IMO觀測器能夠很好地實現電流補償，抑制電流紋波。