技术领域
[0001] 本
发明涉及电流控制方法及控制器，尤其是一种抑制风电并网用全功率变流器谐波电流控制方法及控制器。
背景技术
[0002] 在采用全功率变流器并网的
风力发电系统中，并网变流器网侧进线电抗器电感量一般较小，其
开关频率低，
电网谐波
电压和逆变器电力
电子开关器件的死区和管压降等非线性特性将使得并网变流器产生较大程度的低次（5、7、11、13次）谐波电流，其中尤以5次、7次谐波电流成分较重。这将导致风力发电系统并网电流
波形畸变，正弦性变差，严重影响风力发电系统输出
电能质量，降低系统工作的
稳定性和可靠性。
[0003] 目前，针对风力发电系统并网谐波电流抑制已有一些解决方法，其中之一，主要针对风力发电系统中发
电机侧变流器正负序电流分量和各低次谐波电流分量，采用一种传统PI调节器加上多频率谐振(PI-MFR)调节器结构，对电网电压
不平衡下发电机正负序电流以及各低次谐波电流实现准确控制。但是该技术没有对网侧变流器的谐波电流抑制措施。
[0004] 另外针对变速恒频双馈风力发电系统电网电流的谐波抑制，通过提取电网电流中的交流谐波电流分量并以相反
角方向反变换为相应的谐波控制量，作为网侧逆变器的谐波电流参考值，并通过网侧逆变器控制输出相应的谐波补偿量，达到抑制谐波电流的目的。但是该技术未考虑谐波电流环的交叉耦合影响作用以及不同频率谐波之间的相互干扰作用，这将不利于对并网谐波电流实现精确控制以及保证系统的稳定运行。
[0005] 目前采用比例谐振控制器抑制并网谐波电流，由于比例谐振控制器
算法较复杂，不利于工程实现，并且其很难消除不同频率谐波电流之间的相互干扰。另一方面，由于网侧进线电抗器的
电阻一般很小，网侧低次谐波电抗的影响将在并网谐波电流抑制中占主导作用。而
现有技术所提的控制方案均尚未考虑低次谐波电抗对谐波电流环的交叉耦合影响，这将不利于对并网谐波电流实现精确控制以及保证系统的稳定运行。
发明内容
[0006] 针对上述问题，本发明提供一种有效抑制风电并网用全功率变流器电网侧变换器的低次谐波电流，提高风力发电系统并网电能质量，有利于提高风力发电系统工作的稳定性的抑制风电并网用全功率变流器谐波电流控制方法，及其控制器。
[0007] 为了解决上述技术问题，本发明提供一种抑制风电并网用全功率变流器谐波电流控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0008] （1）采集并网变流器的
三相电流iga，igb，igc：
[0009] （2）采集电网
三相电压uga，ugb，ugc；
[0010] （3）三相电网电压
信号uga，ugb，ugc经静止三相abc
坐标系变换到静止两相αβ坐标轴坐标系恒功率变换，得到αβ轴坐标系下的电压eα，eβ，
[0011]
[0012] 电网电压定向，得到电网电压egd和电网电角度θg，
[0013]
[0014] （4）将采集得到的网侧变流器三相电流信号iga，igb，igc经静止abc三相坐标系到同步旋转坐标系恒功率变换后，再经过低通
滤波器滤波，得到基波电流dq轴分量igd1和igq1；
[0015]
[0016] 将采集得到的网侧变流器三相电流信号iga，igb，igc经静止abc三相坐标系到5倍同步
角速度旋转坐标系的恒功率变换后，再经过
低通滤波器滤波，得到5倍同步角速度旋转坐标系下电流的dq轴分量igd5和igq5；
[0017]
[0018] 将采集得到的网侧变流器三相电流信号iga，igb，igc经静止abc三相坐标系到7倍同步角速度旋转坐标系的恒功率变换后，再经过低通滤波器滤波，得到7倍同步角速度旋转坐标系下电流dq轴分量igd7和igq7；
[0019] 其中，静止abc三相坐标系到7倍同步角速度旋转坐标系的恒功率变换为：
[0020]
[0021] 将采集得到的网侧变流器三相电流信号iga，igb，igc经静止abc三相坐标系到11倍同步角速度旋转坐标系的恒功率变换后，再经过低通滤波器滤波，得到11倍同步角速度旋转坐标系下电流dq轴分量igd11和igq11；
[0022]
[0023] 将采集得到的网侧变流器三相电流信号iga，igb，igc经静止abc三相坐标系到13倍同步角速度旋转坐标系的恒功率变换后，再经过低通滤波器滤波，得到13倍同步角速度旋转坐标系下电流dq轴分量igd13和igq13；
[0024]
[0025] （5）由基波控制回路电压外环PI输出得到基波控制回路电流内环d轴电流给定值，电流内环q轴给定值为0，其计算式为；
[0026]
[0027] 其中，Kp和Ki分别为基波控制回路电压外环dq轴PI调节器比例系数和积分系数；
[0028] （6）采用电网电压定向的矢量控制方式，通过d、q轴电流给定以及步骤（4）得到的igd1、igq1，由基波控制方程得到d、q轴控制电压ucd1和ucq1，
[0029]
[0030] 其中，Kp1和Ki1分别为基波控制回路电流内环dq轴PI调节器比例系数和积分系数；ω为同步旋转角速度，Lg为进线电抗器电感。
[0031] （7）将计算得到的基波电流dq轴控制电压分量ucd1和ucq1经由同步旋转坐标系到静止abc三相坐标系的恒功率变换后得到基波电流三相控制电压ucabc1；
[0032] 其中：同步旋转坐标系到静止abc三相坐标系的恒功率变换为：
[0033]
[0034] （8）将5、7、11、13次谐波电流dq轴分量给定值都设为0，经过5、7、11、13次谐波电流控制方程，
[0035]
[0036]
[0037]
[0038]
[0039] 分别得到5、7、11、13次谐波补偿电压dq轴分量；其中：Kp5、Kp7、Kp11、Kp13和Ki5、Ki7、Ki11、Ki13分别为5、7、11、13次谐波电流控制回路dq轴PI调节器比例系数和积分系数。
[0040] （9）将5次谐波电流抑制所需d、q轴谐波补偿电压分量ucd5、ucq5经5倍同步角速度旋转坐标系到静止abc三相坐标系的恒功率变换，得到5次谐波电流抑制所需的谐波三相控制电压ucabc5：
[0041]
[0042] 将7次谐波电流抑制所需d、q轴谐波补偿电压分量ucd7、ucq7经7倍同步角速度旋转坐标系到静止abc三相坐标系的恒功率变换，得到7次谐波电流抑制所需的谐波三相控制电压ucabc7：
[0043]
[0044] 将11次谐波电流抑制所需d、q轴谐波补偿电压分量ucd11、ucq11经11倍同步角速度旋转坐标系到静止abc三相坐标系的恒功率变换，得到11次谐波电流抑制所需的谐波三相控制电压ucabc11：
[0045]
[0046] 将13次谐波电流抑制所需d、q轴谐波补偿电压分量ucd13、ucq13经13倍同步角速度旋转坐标系到静止abc三相坐标系的恒功率变换，得到13次谐波电流抑制所需的谐波三相控制电压ucabc13：
[0047]
[0048] （10）将基波控制电压ucabc1与所述第(9)步得到5、7、11、13次谐波三相控制电压ucabc5、ucabc7、ucabc11、ucabc13相加得到网侧变换器最终控制电压uca、ucb、ucc；
[0049] （11）将最终控制电压uca、ucb、ucc经空间矢量脉宽调
制模块调制后获得控制所述电网侧变换器的开关信号。
[0050] 一种抑制风电并网用全功率变流器谐波电流控制器，其特征在于，包括电压霍尔
传感器和电流霍尔传感器，其中电压霍尔传感器连接有abc/αβ坐标变换模块，所述电流霍尔传感器连接有谐波电流检测模块，所述abc/αβ坐标变换模块的输出端与所述谐波电流检测模块的输入端连接，所述谐波电流检测模块的输出端分别连接有基波控制回路和谐波抑制控制回路，所述abc/αβ坐标变换模块的输出端还与所述基波控制回路和谐波抑制控制回路的输入端连接，所述基波控制回路的输出端连接有同步角速度旋转坐标系到静止abc三相坐标系的恒功率变换模块的输入端，该恒功率变换模块和谐波抑制控制回路的输出端都与加法器的输入端连接，该加法器的输出端连接有空间矢量
脉宽调制模块的输入端，该空间矢量脉宽调制模块的输出端连接有电网侧变换器的控制输入端。
[0051] 谐波电流检测模块包括同步恒功率变换模块、5倍恒功率变换模块、7倍恒功率变换模块、11倍恒功率变换模块、13倍恒功率变换模块、第一低通滤波器、第二低通滤波器、第三低通滤波器、第四低通滤波器和第五低通滤波器，其中同步恒功率变换模块、5倍恒功率变换模块、7倍恒功率变换模块、11倍恒功率变换模块和13倍恒功率变换模块的输入端分别与所述电流霍尔传感器连接，所述同步恒功率变换模块、5倍恒功率变换模块、7倍恒功率变换模块、11倍恒功率变换模块和13倍恒功率变换模块的输出端分别与第一低通滤波器、第二低通滤波器、第三低通滤波器、第四低通滤波器和第五低通滤波器的输入端连接，第一低通滤波器的输出端与所述基波控制回路的输入端连接，第二低通滤波器、第三低通滤波器、第四低通滤波器和第五低通滤波器的输出端与所述谐波抑制控制回路的输入端连接。
[0052] 谐波抑制控制回路包括5次谐波电流控制回路、7次谐波电流控制回路、11次谐波电流控制回路和13次谐波电流控制回路以及5倍同步角速度旋转坐标系到静止abc三相坐标系的恒功率变换模块、7倍同步角速度旋转坐标系到静止abc三相坐标系的恒功率变换模块、11倍同步角速度旋转坐标系到静止abc三相坐标系的恒功率变换模块和13倍同步角速度旋转坐标系到静止abc三相坐标系的恒功率变换模块，所述5次谐波电流控制回路、7次谐波电流控制回路、11次谐波电流控制回路和13次谐波电流控制回路的输入端分别与第二低通滤波器、第三低通滤波器、第四低通滤波器和第五低通滤波器的的输出端连接，5次谐波电流控制回路、7次谐波电流控制回路、11次谐波电流控制回路和13次谐波电流控制回路的输出端分别与5倍同步角速度旋转坐标系到静止abc三相坐标系的恒功率变换模块、7倍同步角速度旋转坐标系到静止abc三相坐标系的恒功率变换模块、11倍同步角速度旋转坐标系到静止abc三相坐标系的恒功率变换模块和13倍同步角速度旋转坐标系到静止abc三相坐标系的恒功率变换模块的输入端连接，5倍同步角速度旋转坐标系到静止abc三相坐标系的恒功率变换模块、7倍同步角速度旋转坐标系到静止abc三相坐标系的恒功率变换模块、11倍同步角速度旋转坐标系到静止abc三相坐标系的恒功率变换模块和13倍同步角速度旋转坐标系到静止abc三相坐标系的恒功率变换模块的输出端与加法器的输入端连接，该加法器的输出端连接有空间矢量脉宽调制模块的输入端，该空间矢量脉宽调制模块的输出端连接有电网侧变换器的控制输入端。
[0053] 本发明的有益效果是：
[0054] 可有效抑制风电并网用全功率变流器电网侧变换器的低次谐波电流，提高风力发电系统并网电能质量，有利于提高风力发电系统工作的稳定性及可靠性。
[0055] 采用本发明谐波电流抑制措施后，网侧三相电流正弦度得到较好改善，低次谐波电流比重大幅度减少；谐波电流分量占基波电流的比重明显下降，采用本发明对实际系统中网侧并网变换器输出的低次谐波电流具有良好的抑制作用。
[0056] 本发明充分考虑不同频率谐波电流之间的相互干扰以及谐波电流环的交叉耦合影响作用，实现对5、7、11、13次谐波电流的精确控制，达到抑制并网变流器5、7、11、13次谐波电流的目的，同时该发明控制算法简单，易于实现。
附图说明
[0057] 图1为本发明提供的一种抑制风电并网用全功率变流器谐波电流的控制原理
框图；
[0058] 图2为静止αβ坐标系、5倍同步角速度旋转坐标系、7倍同步角速度旋转坐标系、11倍同步角速度旋转坐标系和13倍同步角速度旋转坐标系之间的关系图；
[0059] 图3并网用全功率变流器网侧变换器基波控制回路图；
[0060] 图4抑制5、7次谐波电流控制回路图；
[0061] 图5抑制11、13次谐波电流控制回路图；
[0062] 图6为现有技术的控制与本发明
实施例波形对比图；
[0063] 图7为现有技术的控制与本发明实施例波形对比图。
具体实施方式
[0064] 下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。
[0065] 如图1至5所示，一种抑制风电并网用全功率变流器谐波电流控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0066] （1）采集并网变流器的三相电流iga，igb，igc：
[0067] （2）采集电网三相电压uga，ugb，ugc；
[0068] （3）三相电网电压信号uga，ugb，ugc经静止三相abc坐标系变换到静止两相αβ坐标轴坐标系恒功率变换，得到αβ轴坐标系下的电压eα，eβ，
[0069]
[0070] 电网电压定向，得到电网电压egd和电网电角度θg，
[0071]
[0072] （4）将采集得到的网侧变流器三相电流信号iga，igb，igc经静止abc三相坐标系到同步旋转坐标系恒功率变换后，再经过低通滤波器滤波，得到基波电流dq轴分量igd1和igq1；
[0073]
[0074] 将采集得到的网侧变流器三相电流信号iga，igb，igc经静止abc三相坐标系到5倍同步角速度旋转坐标系的恒功率变换后，再经过低通滤波器滤波，得到5倍同步角速度旋转坐标系下电流的dq轴分量igd5和igq5；
[0075]
[0076] 将采集得到的网侧变流器三相电流信号iga，igb，igc经静止abc三相坐标系到7倍同步角速度旋转坐标系的恒功率变换后，再经过低通滤波器滤波，得到7倍同步角速度旋转坐标系下电流dq轴分量igd7和igq7；
[0077] 其中，静止abc三相坐标系到7倍同步角速度旋转坐标系的恒功率变换为：
[0078]
[0079] 将采集得到的网侧变流器三相电流信号iga，igb，igc经静止abc三相坐标系到11倍同步角速度旋转坐标系的恒功率变换后，再经过低通滤波器滤波，得到11倍同步角速度旋转坐标系下电流dq轴分量igd11和igq11；
[0080]
[0081] 将采集得到的网侧变流器三相电流信号iga，igb，igc经静止abc三相坐标系到13倍同步角速度旋转坐标系的恒功率变换后，再经过低通滤波器滤波，得到13倍同步角速度旋转坐标系下电流dq轴分量igd13和igq13；
[0082]
[0083] （5）由基波控制回路电压外环PI输出得到基波控制回路电流内环d轴电流给定值，电流内环q轴给定值为0，其计算式为；
[0084]
[0085] 其中，Kp和Ki分别为基波控制回路电压外环dq轴PI调节器比例系数和积分系数；
[0086] （6）采用电网电压定向的矢量控制方式，通过d、q轴电流给定以及步骤（4）得到的igd1、igq1，由基波控制方程得到d、q轴控制电压ucd1和ucq1，
[0087]
[0088] 其中，Kp1和Ki1分别为基波控制回路电流内环dq轴PI调节器比例系数和积分系数；ω为同步旋转角速度，Lg为进线电抗器电感。
[0089] （7）将计算得到的基波电流dq轴控制电压分量ucd1和ucq1经由同步旋转坐标系到静止abc三相坐标系的恒功率变换后得到基波电流三相控制电压ucabc1；
[0090] 其中：同步旋转坐标系到静止abc三相坐标系的恒功率变换为：
[0091]
[0092] （8）将5、7、11、13次谐波电流dq轴分量给定值都设为0，经过5、7、11、13次谐波电流控制方程，
[0093]
[0094]
[0095]
[0096]
[0097] 分别得到5、7、11、13次谐波补偿电压dq轴分量；其中：Kp5、Kp7、Kp11、Kp13和Ki5、Ki7、Ki11、Ki13分别为5、7、11、13次谐波电流控制回路dq轴PI调节器比例系数和积分系数。
[0098] （9）将5次谐波电流抑制所需d、q轴谐波补偿电压分量ucd5、ucq5经5倍同步角速度旋转坐标系到静止abc三相坐标系的恒功率变换，得到5次谐波电流抑制所需的谐波三相控制电压ucabc5：
[0099]
[0100] 将7次谐波电流抑制所需d、q轴谐波补偿电压分量ucd7、ucq7经7倍同步角速度旋转坐标系到静止abc三相坐标系的恒功率变换，得到7次谐波电流抑制所需的谐波三相控制电压ucabc7：
[0101]
[0102] 将11次谐波电流抑制所需d、q轴谐波补偿电压分量ucd11、ucq11经11倍同步角速度旋转坐标系到静止abc三相坐标系的恒功率变换，得到11次谐波电流抑制所需的谐波三相控制电压ucabc11：
[0103]
[0104] 将13次谐波电流抑制所需d、q轴谐波补偿电压分量ucd13、ucq13经13倍同步角速度旋转坐标系到静止abc三相坐标系的恒功率变换，得到13次谐波电流抑制所需的谐波三相控制电压ucabc13：
[0105]
[0106] （10）将基波控制电压ucabc1与所述第(9)步得到5、7、11、13次谐波三相控制电压ucabc5、ucabc7、ucabc11、ucabc13相加得到网侧变换器最终控制电压uca、ucb、ucc；
[0107] （11）将最终控制电压uca、ucb、ucc经空间矢量脉宽调制模块调制后获得控制所述电网侧变换器的开关信号。
[0108] 一种抑制风电并网用全功率变流器谐波电流控制器，其是实现抑制风电并网用全功率变流器谐波电流控制方法的
硬件设计，包括用于采集电网三相电压的电压霍尔传感器3和用于采集并网变流器三相电流的电流霍尔传感器4，其中电压霍尔传感器3连接有abc/αβ坐标变换模块5，所述电流霍尔传感器4连接有谐波电流检测模块，所述abc/αβ坐标变换模块5的输出端与所述谐波电流检测模块的输入端连接，所述谐波电流检测模块的输出端分别连接有基波控制回路19和谐波抑制控制回路，所述abc/αβ坐标变换模块5的输出端还与所述基波控制回路19和谐波抑制控制回路的输入端连接，所述基波控制回路19的输出端连接有同步角速度旋转坐标系到静止abc三相坐标系的恒功率变换模块20的输入端，该恒功率变换模块20和谐波抑制控制回路的输出端都与加法器22的输入端连接，该加法器22的输出端连接有空间矢量脉宽调制模块2的输入端，该空间矢量脉宽调制模块2的输出端连接有电网侧变换器1的控制输入端。
[0109] 谐波电流检测模块包括同步恒功率变换模块6、5倍恒功率变换模块7、7倍恒功率变换模块8、11倍恒功率变换模块9、13倍恒功率变换模块10、第一低通滤波器211、第二低通滤波器212、第三低通滤波器213、第四低通滤波器214和第五低通滤波器215，其中同步恒功率变换模块6、5倍恒功率变换模块7、7倍恒功率变换模块8、11倍恒功率变换模块9和13倍恒功率变换模块10的输入端分别与所述电流霍尔传感器4连接，所述同步恒功率变换模块6、5倍恒功率变换模块7、7倍恒功率变换模块8、11倍恒功率变换模块9和13倍恒功率变换模块10的输出端分别与第一低通滤波器211、第二低通滤波器212、第三低通滤波器213、第四低通滤波器214和第五低通滤波器215的输入端连接，第一低通滤波器211的输出端与所述基波控制回路19的输入端连接，第二低通滤波器212、第三低通滤波器213、第四低通滤波器214和第五低通滤波器215的输出端与所述谐波抑制控制回路的输入端连接。
[0110] 谐波抑制控制回路5次谐波电流控制回路11、7次谐波电流控制回路13、11次谐波电流控制回路15和13次谐波电流控制回路17以及5倍同步角速度旋转坐标系到静止abc三相坐标系的恒功率变换模块12、7倍同步角速度旋转坐标系到静止abc三相坐标系的恒功率变换模块14、11倍同步角速度旋转坐标系到静止abc三相坐标系的恒功率变换模块16和13倍同步角速度旋转坐标系到静止abc三相坐标系的恒功率变换模块18，5次谐波电流控制回路11、7次谐波电流控制回路13、11次谐波电流控制回路15和13次谐波电流控制回路17的输入端分别与第二低通滤波器212、第三低通滤波器213、第四低通滤波器214和第五低通滤波器215的的输出端连接，5次谐波电流控制回路11、7次谐波电流控制回路13、11次谐波电流控制回路15和13次谐波电流控制回路17的输出端分别与5倍同步角速度旋转坐标系到静止abc三相坐标系的恒功率变换模块12、7倍同步角速度旋转坐标系到静止abc三相坐标系的恒功率变换模块14、11倍同步角速度旋转坐标系到静止abc三相坐标系的恒功率变换模块16和13倍同步角速度旋转坐标系到静止abc三相坐标系的恒功率变换模块18的输入端连接，5倍同步角速度旋转坐标系到静止abc三相坐标系的恒功率变换模块12、7倍同步角速度旋转坐标系到静止abc三相坐标系的恒功率变换模块14、
11倍同步角速度旋转坐标系到静止abc三相坐标系的恒功率变换模块16和13倍同步角速度旋转坐标系到静止abc三相坐标系的恒功率变换模块18的输出端与加法器22的输入端连接，该加法器22的输出端连接有空间矢量脉宽调制模块2的输入端，该空间矢量脉宽调制模块2的输出端连接有电网侧变换器1的控制输入端。
[0111] 对比附图6(a)和(b)可知，采用传统控制策略（如附图6（a））时，网侧三相电流畸变较为严重，正弦性差，其富含低次谐波电流，其中尤以5、7次谐波电流成分较重。而在采用本发明谐波电流抑制措施（附图6（b））后，网侧三相电流正弦度得到较好改善，低次谐波电流比重大幅度减少；进一步对网侧三相电流进行
频谱对比分析，如附图7(a)和(b)，以A相电流为例，其5次谐波电流分量占基波电流的比重由4.216%下降到0.978%，而7次谐波电流分量占基波电流比重由1.25%下降到0.40%。由此可见，采用本发明对实际系统中网侧并网变换器输出的低次谐波电流具有良好的抑制作用。
[0112] 本发明充分考虑不同频率谐波电流之间的相互干扰以及谐波电流环的交叉耦合影响作用，实现对5、7、11、13次谐波电流的精确控制，达到抑制并网变流器5、7、11、13次谐波电流的目的，同时该发明控制算法简单，易于实现。
[0113] 本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的
基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
