双馈变流器不平衡控制的正负序分离方法比较研究

…………………………一　研筮展．一　－　双馈变流器不平衡控制的正负序分离方法比较研究　河北华电沽源风电有限公司　彭　彬　【摘要】风电场并网导则要求风电机组在对称和不对称跌落下均具有低电压穿越能力，目前常用的几种不对称控制算法需要准确分离正负序分量。本文讨论了导数法、　Ｔ／４延时法、移相９Ｏ。全通滤波器法和陷波器法四种正负序分离方法的原理及优缺点，并对此四种方法在输入带高斯噪声、低次谐波、频率偏移时的分离效果进行了仿真　比较研究。　【关键词】风电机组；低电压穿越；正负序分量　引言　随着风电技术和风电市场的发展，风电　装机容量和并网容量占电网的比例越来越大，　并网风电场对于电网安全稳定运行的影响日益　突出。国家标准《风电场接入电力系统技术规　其中　＝（１一　）　为转子电角度。　由于在两相静止　坐标系下各不对称量　的形式相同，本文取其中的电网电压Ｖ　为例进　行分析说明。　１．１导数法　定》　要求风机在对称和不对称电压跌落时具　有一定的低电压穿越能力。双馈发电机ＤＦＩＧ由　于其变流器容量小、成本低、可实现有功无功　独立灵活控制　’　，己成为风电市场的主流机　型。　当前针对不对称电压跌落下双馈风电机　组的控制的研究比较多，主要的控制策略有双　ｄｑ—ＰＩ控制　、主辅控制　、ＰＲ控制　等　。　其中，以双ｄｑ—ＰＩ控制为代表的一系列基于正　负序分离的控制算法研究的较为深入，这类控　制算法要求各不对称量如电网电压、网侧变流　器ＧＳＣ电流和转子电流等的正负序分量参与计　算。　目前关于正负序分离算法的研究很多，正　负序分离算法主要包括导数法　ｌ　】Ｊ、Ｔ／４延时　法　、移相９Ｏ。的全通滤波器法　和基于　陷波器滤波＿ｌ　分离方法等。　本文介绍和讨论了导数法、Ｔ／４延时法、　移相９０。的全通滤波器法和陷波器法四种正负　序分离法的原理和优缺点，从正负序分离的延　时、准确性、抗噪性，输入带谐波及频率偏移　］●●　●●●●，●●●Ｊ对分离效果的影响等几个方面对其进行仿真比　ｆ１　较研究。　ｌ一２　１．正负序分离方法　ｌ不对称电压跌落时，电网电压出现负序分　；量和零序分量，进而导致ＤＦＩＧ定转子电流和网　十　　一　一侧电流中产生负序分量。考虑到双馈风电机组　通常采用三相三线制，零序电流不能流通，故　不考虑零序分量，则各三相电磁量可表示为：　＝　ｃｏｓ（ｃｏ￣ｔ＋　）＋Ｅ　ｃｏｓ（ｏＬｔ＋　）　＝　ｃ。ｓ（ｑｆ一　＋　）＋　ｃ。ｓ（吐Ｌｆ　了２１／＂＋　）　＝　ｃ。ｓ（ｑｆ　了２ＩＦ＋　）＋　ｃ。ｓ（　ｆ一了２ｘ＂＋　）　（１）　式中，Ｆ表示电网电压ｖ　、转子电流Ｉ　、网　侧电流Ｉ。　、　分别表示正负序分量的幅　值。ｑ、　分别表示正负序分离的角频率，　％为电网频率，ｓ为转差率，　和　为正负序分　量的初相角。　将各电磁量从三相静止坐标系变换到两相　静止　坐标系为：　讣Ｋ　ｃｏｓ（％ｔ＋０＋）＋Ｆ＿ｃｏｓ（－％ｔ－０　．］　（２）　式中，Ｇ　为三相静止坐标系到两相静止　坐标系的等幅值变换矩阵，对电网电压Ｖ　和　网侧电流Ｉ。。。，ｃ３　＝；　１　一　一２　２　　，对转子　０　一　２　２　电流Ｉ　，　，＝；［　；ｃ。ｏ衄ｓ（０　，＋２ｘ　，／３））ｃｏ　　ｓ（０　，一－：２￣　ｒ，／３）］Ｊ，　取微分算子Ｐ＝÷，对式取微分得：　－Ｆ＋ｓｉｎ（ｃｏｓｔ＋８＋）＋Ｆ　ｓｉｎ（－％ｔ－８＿）］㈦　实际计算采用离散数字量，以对Ｆ求差分　来代替导数：　Ｆ（ｆ＋　Ａｔ）Ｆ（ｔ－　）　ｐＦ＝ｌｉａｒ————　，＿———————童～　　一　Ａｔ－－￣０　Ａｔ　～～一一（４）一　当△ｆ较小时，取：　Ｆ（Ｈ　）一Ｆ（ｔ－　）　ｐＦ＝————　—————　一　（５）　Ａｔ　，　故由可得正负序分量为：　。　再对式进行正反转同步旋转坐标变换即可　得到正负序ｄｑ轴分量。　　由式知，导数法仅采用了当前和前一拍的　数据，实时性好，几乎没有时延。考虑到实际　　电压电流采样时会有毛刺，由计算得出的导数　　值可能会偏离实际值非常大，最终影响输出。　１．２　Ｔ／４延时法　Ｆ在］／４个基波周期前的　分量为：　『ＦＡｔ—Ｔ／４）］『　ｓｉｎ（　＋　）一Ｆ　ｓｉｎ（一％ｆ一　）］　ｌＦＡｔ—Ｔ／４）Ｊ　Ｌ－　ｃｏｓ（ｃｏｓｔ＋８＋）＋Ｆ　ｃｏｓ（一　ｆ一　）Ｊ　（８）　由得正负序分量为：　Ｔ／４法由于需要Ｔ／４个周期前的数据，所以　有Ｔ／４个周期的延迟。此外还需耍存储这Ｔ／４个　周期内的采样值，采样点的个数为：　４　Ｍ　变流器中开关器件的开关频率越大，开关　周期　越小，采样点的个数越多，所占内存　越多。　１．３移相９Ｏ。的全通滤波器法　将Ｆ移相９Ｏ。后为：　＝Ｆ￣ａ（ｔ＋Ｔ／４）＝［　］　（１Ｏ）　式中，ｑ＝ｅ　为在时域中超前９Ｏ。的相　移操作。　将不对称量Ｆ作超前９Ｏ。的相移操作后再　与不对称量进行加减可得到正负序分量，即：　相移操作可以由移相９Ｏ。的全通滤波器来　实现，其传递函数为：　Ｈｒ．　：—ｓ＂－Ｏ）—ｏＳ＋Ｃ　（１２）＋　＋　　…。。　＋　＋ｃ　１●　●●●●　，●，●Ｉ式中，‰为滤波器的共振频率，对频率为　ｌ５０Ｈｚ的电网，取ｃｏｏ＝１００ｎ，Ｃ为常系数且要求　ｃ／　３　ＣＯｏ。　∽　　一＋　为在ＤＳＰ实现该传递函数，采用双线性变　’　一１　换法离散化，取　＝　二＿＿÷带入式即可将其变　　一』Ｏ　　一　一Ｚ＋ｌ　；为差分方程，进而在ＤＳＰ程序中实现。　此方法由于采用了全通滤波器，会有一定　的延时。但与Ｔ／４法相比较，不需要存储大量　的数据。　以上三种方法在计算得到电网电压Ｖ　的正　负序　分量后，再进行反正切计算即可得到　电网正序电压矢量的旋转角，进而对ＧＳＣ电流　㈣　和转子电流进行正反同步旋转坐标变换即可得　到各自的正负序ｄｑ轴分量。　１．４陷波器法　将不对称分量Ｆ从两相静止　坐标系变换　到正转同步旋转坐标系下时，正序量变为直　流，而负序量变为二倍频分量；变换到反转同　步旋转坐标系下时，正序量变为二倍频分量，　负序量变为直流量。将二倍频分量通过陷波器　滤除即可得到直流形式的正负序ｄｑ轴分量。　以正序为例，将变换到正转同步旋转坐标　系下为：　）十　ｃｏｓ（一２ａ￣ｓｔ～０一　）］　）十　ｓｉｎ（－２ｃｏ　ｔ一　一　）Ｊ　（１３）　式中：　１　ｃｏｓ（ｃｏｇｔ＋　）ｓｉｎ（　ｆ＋６　）Ｉ　Ｌ－ｓｉｎ（％ｔ＋　）ｃｏｓ（ｃｏ／＋　）ｆ　为正转同步旋转坐标系的初相角。　此时用陷波器将二倍频分量滤除即可分别　得到正序分量，类似的可以得到负序分量。　陷波器传递函数为：　耶）＝　（１４）　式中，％：　为截止频率，　为衰减系数。　实际系统中考虑到滤波效果和控制系统的稳定　性，一般取　＝０．７０７。同样的，为在ＤＳＰ中实现　该传递函数，可用双线性变换法将式变为差分　方程进行处理。当然，当开关频率不高时，离　散化式由于不够精确会带来一定的误差，导致　最终陷波器输出不能完全滤除二倍频分量，会　有一定残余纹波。　由于陷波器法需要将不对称量Ｆ变换到正　转和反转同步旋转坐标系后再进行滤波，故而　需要正反同步旋转坐标系的ｄ轴角度。若是以　电网正序电压定向，则是以电网正序分量矢量　为正转同步旋转坐标系的ｄ轴；若是正序磁链　定向，则是以电网正序分量矢量为正转同步旋　电子世界～１１１一　一　１　一２　∽＋　一　１　＋　（ｆ