一种直驱风机变流控制系统的间谐波参数稳定域构建方法
技术领域
[0001] 本
发明涉及永磁直驱风机变流控制技术领域，特别是涉及直驱风机变流控制系统的间谐波参数稳定域构建方法。
背景技术
[0002] 永磁直驱风机网侧变流控制系统是永磁直驱风机并网控制的核心元件。网侧变流控制系统的作用是维持直压稳定及控制无功输出，主要包括
锁相环、dq轴控制系统以及载波调制环节。
锁相环测量交流
母线电压的
相位角，用于d/q轴控制系统的坐标变换；d/q轴控制系统通过控制三相
电流的q轴分量来控制有功功率平衡进而控制直流电压稳定，通过控制d轴分量来控制无功输出。锁相环及dq轴控制系统的控制性能受各环节PI
控制器参数影响，同时并网永磁直驱风机的间谐波稳定问题也与PI控制器参数密切相关。
[0003] 当永磁直驱风机并网于弱交流系统时，锁相环及dq轴控制系统PI控制器参数整定不合理，会导致系统中出现间谐波稳定问题，即系统中出现幅值迅速发散、
频率在10Hz-40Hz之间的间谐波电流。该间谐波电流能够在系统中远距离传播并流入火
电机组，进而造成火电机组因轴系扭振保护动作跳机，威胁系统的安全稳定运行。
[0004] 因此有必要从保证永磁直驱风机并网系统间谐波稳定的角度，计算得到变流控制系统参数稳定域，进而进行控制器整定。在
现有技术中，均是针对单一参数，计算其间谐波稳定区间。然而直驱风机并网系统的间谐波
稳定性，是由多个变流控制系统PI参数以及交流系统参数共同决定，针对单一参数计算得到的间谐波稳定区间无法反应各参数稳定区间的相互影响，因此根据单一参数的间谐波稳定区间进行控制系统优化，不能保证系统间谐波稳定。
[0005] 因此希望有一种直驱风机变流控制系统的间谐波参数稳定域构建方法来解决现有技术中存在的问题。
发明内容
[0006] 本发明的目的在于提供一种直驱风机变流控制系统的间谐波参数稳定域构建方法，保证永磁直驱风机并网系统的间谐波稳定。
[0007] 本发明提供一种直驱风机变流控制系统的间谐波参数稳定域构建方法，其包括以下步骤：
[0008] 步骤一：针对永磁直驱风机并网系统，构建子系统的数学模型；
[0009] 步骤二：根据子系统的数学模型，构建永磁直驱风机并网系统的反馈控制系统
框图，进而计算得到
选定输出量关于选定输入量的反馈控制系统数学模型；
[0010] 步骤三：通过反馈控制系统的数学模型，计算其特征方程中间谐波相关模态的
位置，并以此判别变流控制系统的稳定性；
[0011] 步骤四：将变流控制系统多个PI控制器参数划分为多个两参数组合，为保证并网永磁直驱风机间谐波稳定，针对不同交流系统参数，计算得到两参数组合的稳定域；
[0012] 步骤五：根据计算得到的参数稳定域，整定锁相环及dq轴控制系统PI参数，保证并网永磁直驱风机间谐波稳定。
[0013] 优选地，所述子系统的数学模型包括：锁相环、dq轴控制系统、控制系统与电气系统
接口、直流电容、滤波电感以及交流系统等效电感。
[0014] 优选地，锁相环数学模型以母线电压d轴分量中的间谐波量Uds为输入，以锁相环输出相位角中间谐波分量θplls为输出，求得其数学模型为：
[0015]
[0016] 式中Uq0为母线电压q轴分量稳态值；Kp、Ki分别为锁相环比例及积分系数。
[0017] 优选地，所述dq轴控制系统数学模型为：
[0018]
[0019] 其中Kpd、Kpq、Kid及Kiq分别为dq轴控制系统内环比例和积分系数；Kpq1及Kiq1分别为q轴控制系统外环比例和积分系数；ΔUcd_ref及ΔUcq_ref分别为dq轴电压参考值扰动量；ΔUdc为直流电压扰动量；Uds、Uqs、Ids及Iqs为母线电压及电流dq轴分量中的间谐波分量；Ud0、Uq0、Id0及Iq0为母线电压及电流的dq轴分量稳态值。
[0020] 优选地，dq轴控制系统与电气系统接口系统数学模型以dq轴电压参考值扰动量ΔUcd_ref及ΔUcq_ref为输入量，以变流器出口电压dq轴分量扰动量Ucds及Ucqs为输出量，构建得到的接口方程为：
[0021]
[0022] 其中Ucq_ref0为电压参考值q轴分量稳态值。
[0023] 优选地，直流电容数学模型以电容电压间谐波分量作为输出量，以变流器出口电压、母线电流dq轴分量间谐波分量为输入量，求得直流电容环节的数学模型如下式所示：
[0024]
[0025] 其中C1为直流电容。
[0026] 优选地，滤波电感数学模型以网侧变流器出口电压dq轴分量中间谐波量为输入量，以母线电流dq轴分量间谐波量为输出量的数学模型；
[0027] 交流系统等效电感数学模型以变流器出口电压dq轴分量扰动量为输入量，以母线电压dq轴分量扰动量为输出量的数学模型：
[0028]
[0029]
[0030] 以上两式中，L为滤波电感，Ls为系统等效电感。
[0031] 优选地，结合所述子系统的数学模型，构建得到直驱风机并网系统的反馈控制系统，在母线电流d轴分量中
叠加扰动量作为输入，测量电压d轴分量作为输出量，进而得到简化的反馈控制系统模型：
[0032]
[0033] 上式中，G(s)为反馈控制系统的前向通路的数学模型，H(s)为反馈控制系统的反向通路的数学模型。
[0034] 本发明公开了一种直驱风机变流控制系统的间谐波参数稳定域构建方法，该直驱风机变流控制系统的间谐波参数稳定域构建方法，从保证永磁直驱风机并网系统间谐波稳定的角度，计算PI控制器参数稳定域，计算得到的参数稳定域能够反应单个参数稳定区间的相互响应。在交流系统参数发生变化的情况下，根据参数间谐波稳定域进行控制器参数优化，仍能够保证系统间谐波稳定。
附图说明
[0035] 图1是永磁直驱风机并网系统。
[0036] 图2是永磁直驱风机并网系统的反馈控制系统框图。
[0037] 图3是典型的反馈控制系统框图。
[0038] 图4是参数变化对与次同步间谐波稳定相关的根轨迹的影响。
[0039] 图5是不同系统等效电感下d轴内环比例系数与q轴内环比例系数构成的间谐波参数稳定域三维图。
[0040] 图6是不同系统等效电感下d轴内环比例系数与q轴内环比例系数构成的间谐波参数稳定域二维图。
[0041] 图7是分别在参数稳定域外及参数稳定域内选择参数进行PI控制器参数整定时有功功率振荡图。
具体实施方式
[0042] 为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明
实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0043] 下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
[0044] 所述直驱风机变流控制系统的间谐波参数稳定域构建方法包括以下步骤：
[0045] 步骤一：针对永磁直驱风机并网系统，构建子系统的数学模型；
[0046] 步骤二：根据子系统的数学模型，构建永磁直驱风机并网系统的反馈控制系统框图，进而计算得到选定输出量关于选定输入量的反馈控制系统数学模型；
[0047] 步骤三：通过反馈控制系统的数学模型，计算其特征方程中间谐波相关模态的位置，并以此判别系统的稳定性；
[0048] 步骤四：将变流控制系统多个PI控制器参数划分为多个两参数组合，为保证并网永磁直驱风机间谐波稳定，针对不同交流系统参数，计算得到两参数组合的稳定域；
[0049] 步骤五：根据计算得到的参数稳定域，整定锁相环及dq轴控制系统PI参数，保证并网永磁直驱风机间谐波稳定。
[0050] 如图1所示，直驱风机并网系统的数学模型包括：锁相环、dq轴控制系统、控制系统与电气系统接口、直流电容、滤波电感以及交流系统等效电感，直驱风机并网系统的反馈控制系统模型是以各子系统的数学模型为
基础构建得到的。
[0051] 如图2所示，所述锁相环数学模型以母线电压d轴分量中的间谐波量Uds为输入，以锁相环输出相位角中间谐波分量θplls为输出，求得其数学模型为：
[0052]
[0053] 式中Uq0为母线电压q轴分量稳态值；Kp、Ki分别为锁相环比例及积分系数。
[0054] 如图2所示，所述dq轴控制系统数学模型为：
[0055]
[0056] 其中Kpd、Kpq、Kid及Kiq分别为dq轴控制系统内环比例和积分系数；Kpq1及Kiq1分别为q轴控制系统外环比例和积分系数；ΔUcd_ref及ΔUcq_ref分别为dq轴电压参考值扰动量；ΔUdc为直流电压扰动量；Uds、Uqs、Ids及Iqs为母线电压及电流dq轴分量中的间谐波分量；Ud0、Uq0、Id0及Iq0为母线电压及电流的dq轴分量稳态值。
[0057] 如图2所示，所述dq轴控制系统与电气系统接口系统数学模型以dq轴电压参考值扰动量ΔUcd_ref及ΔUcq_ref为输入量，以变流器出口电压dq轴分量扰动量Ucds及Ucqs为输出量，构建得到的接口方程为：
[0058]
[0059] 其中Ucq_ref0为电压参考值q轴分量稳态值。
[0060] 如图2所示，所述直流电容数学模型以电容电压间谐波分量作为输出量，以变流器出口电压、母线电流dq轴分量间谐波分量为输入量，求得直流电容环节的数学模型如下式所示：
[0061]
[0062] 其中C1为直流电容。
[0063] 如图2所示，所述滤波电感以及交流系统等效电感数学模型以网侧变流器出口电压dq轴分量中间谐波量Uds及Uqs为输入量，以母线电流dq轴分量间谐波量Ids及Iqs为输出量的数学模型；以及以变流器出口电压dq轴分量扰动量Ucds及Ucqs为输入量，以母线电压dq轴分量扰动量Uds及Uqs为输出量的数学模型：
[0064]
[0065]
[0066] 以上两式中，L为滤波电感，Ls为系统等效电感。
[0067] 如图3所示，在母线电流d轴分量中叠加扰动量作为输入，测量电压d轴分量作为输出量，进而得到简化的反馈控制系统。
[0068] 进一步求得反馈控制系统的数学模型：
[0069]
[0070] 上式中，G(s)为反馈控制系统的前向通路的数学模型，H(s)为反馈控制系统的反向通路的数学模型。
[0071] 其中，Lt(s)＝1+G(s)H(s)为反馈控制系统的特征方程，其表达式如下式所示：
[0072] Lt(s)＝f(Ls,Kp,KI,Kpd,Kid,Kpq,Kiq,Kpq1,Kiq1) (8)
[0073] 由上式可知，特征方程包含变流控制系统参数Kpd、Kid、Kpq、Kiq、Kp及Ki，与能够反应系统强度的参数Ls。
[0074] 计算反馈控制系统特征方程Lt(s)的特征根，找到特征根中与间谐波相关的根(即该根轨迹的对应的频率在10-40Hz)，通过分析参数变化对该根轨迹位置的影响，能够判参数变化对系统间谐波稳定性的影响。
[0075] 如图4所示为控制系统参数及交流系统参数变化对间谐波相关根轨迹位置的影响，从图中可以看到，参数变化可能会导致根轨迹由左半平面变化到右半平面，系统中出现了间谐波不稳定问题。
[0076] 如图5和6所示，以d轴内环比例系数Kpd及q轴内环比例系数Kpq构成的参数组合(Kpd,Kpq)为例，针对不同系统等效电感，计算得到变流控制系统参数间谐波稳定域。Kpd的初始取值范围为0.5～1.5，Kpq的初始取值范围为0.4～1，系统等效电感的值分别为1.09p.u、1.22p.u、1.35p.u、计算得到的参数稳定域。
[0077] 进一步根据构建的参数稳定域进行控制系统参数优化。以四种工况为例：1)系统等效电感为1.09p.u，变流控制系统参数(0.8,0.6)；2)系统等效电感为1.22p.u，变流控制系统参数(0.8,0.6)；3)系统等效电感为1.22p.u，变流控制系统参数(1,0.8)；4)系统等效电感为1.35p.u，变流控制系统参数(1,0.8)。其中工况1)、3)及4)控制器参数位于稳定域，工况2)控制器参数位于非稳定域。将上述参数代入到直驱风机并网系统的时域仿真模型，计算结果如图7所示。由计算结果可知，按照给定的变流控制系统参数域整定控制系统，能够保证系统间谐波稳定。
[0078] 最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行
修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
