用于风力涡轮机中的双馈感应发电机的转子侧变流器的控制系统和方法
阅读说明：本技术 用于风力涡轮机中的双馈感应发电机的转子侧变流器的控制系统和方法 (Control system and method for a rotor-side converter of a doubly-fed induction generator in a wind turbine ) 是由 M·利佐莫伦特 I·古德罗德里格斯 M·巴尔尼斯埃斯帕拉德尔 A·阿古多阿拉克 于 2020-05-11 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种针对电网中的扰动用于风力涡轮机中的双馈感应发电机的转子侧变流器的控制方法。本发明还涉及一种用于风力涡轮机中的双馈感应发电机(1)的转子侧变流器(2)的控制系统(11),其特征在于,它包括计算单元(202),计算单元(202)被配置成用于计算至少一个参考电流(i～(*)-(r))。它进一步包括电流控制器(203),电流控制器(203)是被配置成在如下两种不同模式中操作的混合控制器：第一操作模式,优选地在电网中的扰动的瞬变期间来设置,其中电流控制器(203)被配置成以处于线性区域之外的调制指数进行操作；以及第二操作模式,优选地在电网中的扰动的稳态期间来设置,其中电流控制器(203)被配置成以处于线性区域内部的调制指数进行操作,由此即刻提供转子中可用的最大电压(106),以便满足所述至少一个参考电流(i～(*)-(r))。(The invention relates to a control method for a rotor-side converter of a doubly-fed induction generator in a wind turbine for disturbances in the grid. The invention also relates to a control system (11) for a rotor-side converter (2) of a doubly-fed induction generator (1) in a wind turbine, characterized in that it comprises a calculation unit (202), the calculation unit (202) being configured for calculating at least one reference current (i) * r ). It further comprises a current controller (203), a current controller (20)3) Is a hybrid controller configured to operate in two different modes: a first mode of operation, preferably set during a transient of a disturbance in the grid, wherein the current controller (203) is configured to operate with a modulation index outside the linear region; and a second operation mode, preferably set during steady state of disturbances in the grid, wherein the current controller (203) is configured to operate with a modulation index inside the linear region, thereby momentarily providing a maximum voltage (106) available in the rotor in order to meet the at least one reference current (i |) * r ）。)
技术领域
本发明的目的是一种针对电网中的扰动的用于风力涡轮机中的双馈感应发电机的转子侧变流器（converter）的控制系统和方法。
背景技术
针对风力发电机中的双馈感应发电机（DFIG）的转子侧变流器，存在多种多样的控制器，这些控制器可以被分组成经典矢量控制、双矢量控制和直接控制控制器。
矢量控制（VC）是最常用的技术，并且它需要脉宽调制器（PWM）。与所述调制器的组合提供了恒定的开关频率和低电流谐波含量。这在出版物“R. Pena，J. C. Clare and G.M. Asher，“Doubly fed induction generator using back-to-back PWM convertersand its application to variable-speed wind-energy generation，”in IEEProceedings-Electric Power Applications，vol. 143，no. 3，pp. 231-241，May 1996”中是已知的。在通常的操作状况下，矢量控制操作是可接受的，但是在故障或意外事故状况（诸如例如，电压骤降（dip）和过压（overvoltage））下，矢量控制操作提供了较差的性能。
双矢量控制（DVC）向原始矢量控制（VC）添加了第二个控制器，以便调节负序列（negative sequence），诸如在出版物“M. Chomat，J. Bendl and L. Schreier，“Extendedvector control of doubly fed machine under unbalanced power networkconditions，”2002 International Conference on Power Electronics，Machines andDrives（Conf. Publ . No. 487），2002，pp. 329-334”中描述的那样。最近的一些工作已经利用替代结构或参考生成而改进了双矢量控制（DVC），以用于最小化DC总线和扭矩（torque）中的振荡。然而，已知的矢量控制或双矢量控制技术都无法在热限制的前提下充分利用变流器性能或优化其操作，并且在最严重的不平衡骤降中，它们都无法提供对负序列的完全调节能力。
专利申请US 2010/117605 A1公开了一种用于操作具有双馈的异步电动机的方法和设备，该异步电动机具有连接到电网的定子和连接到逆变器的转子。所述逆变器被设计成使得它施加（impress）针对转子中的电气变量的目标值。该方法允许瞬态电网电压改变期间发生的扭矩中的主动减小。
专利申请US 2019/140569 A1描述了用于操作具有双馈感应发电机的功率系统的系统和方法，功率系统包括具有线路侧变流器、DC链路、以及转子侧变流器的功率变流器。转子侧变流器被配置成将DC链路上的DC功率转换成用于转子总线的AC信号。一个或多个控制设备被配置成在过调制方案（overmodulation regime）中操作转子侧变流器，以提供用于转子总线的AC信号。
对直接控制（其群组中可以包括滞环控制（hysteresis control））的使用在DFIG变流器中非常广泛。与诸如矢量和双矢量控制之类的线性控制形成对照，直接控制不一定使用脉宽调制器（PWM），由此开关频率是可变的，并且这些通常也快得多。已知系统使用功率直接控制以用于最小化定子中的有功和无功功率纹波（ripple），以及用于正常操作状况。然而，所述系统需要高计算负荷，这是因为功率质量否则将被严重地影响，这是会被电网法规（GC）严厉惩罚的事情。
对直接控制的应用在电网故障的短暂（transitory）状况下更加有意义。定子有功和无功功率直接控制系统也是已知的，以便获得定子中的正弦电流、在不平衡故障期间对扭矩纹波或恒定有功功率的最小化、以及以在转子电流中具有快速动态性为目标的可变带滞环控制系统。
分布式发电电力系统的互连由所述电网法规（GC）来规定。除了其他要求之外，电网法规还涉及低电压（LVRT）和高电压（HVRT）穿越（ride through），其中发电单元（generating unit）不仅必须保持连接，而且它还将无功电流注入到正序列中，以便抵消扰动。在该类型的要求中，电网法规（GC）关于动态响应（被注入的序列数量以及响应时间）、故障简档、以及连续故障数量要求越来越高。
由于定子绕组与电网之间的直接连接（见图1），基于双馈感应发电机（DFIG）的风力发电机对电网电压中的扰动尤其敏感。因此，在其中电网电压突然改变的电压骤降和过压期间，由于发电机的新磁化工作点，产生了定子和转子中的高瞬态电流。随着发电单元的标称功率增加，这些电流的量值变得危险地接近现有低压功率电子半导体——绝缘栅双极型晶体管（IGBT）——的极限拉伸强度，从而迫使该设备在扰动期间断开，并且因此未遵守主要电网法规（GC）要求。此外，这些瞬态电流的存在限制了为了遵守动态要求的变流器控制，这是由于它需要来自转子的大量电压。
在非对称故障（例如，两相电压下降）的情况下，该电力系统还必须面对负序列电压和电流的存在。基于DFIG的系统中的负序列的调节并不容易，这是由于它需要更高的转子电压，如在上面引用的出版物“R. Pena，J. C. Clare and G. M. Asher，“Doubly fedinduction generator using back-to-back PWM converters and its application tovariable-speed wind-energy generation，”in IEE Proceedings-Electric PowerApplications，vol. 143，no. 3，pp. 231-241，May 1996”中阐述的那样。如果变流器的控制算法无法正确地调节负序列，则该电气系统（变流器、发电机、变压器和分配器）必须承受不必要的高转子和定子稳态电流、以及对斩波器的过度使用。因此，该系统面对幅度和/或持续时间上的严重故障以及连续故障的能力被严重地限制。此外，在针对连接到高压电网的风场的德国电网法规（标准[2] VDE）的特定情况下，与无功电流在正序列中的上述注入类似，发电单元也必须将无功电流注入到负序列中。
总之，当面对LVRT和HVRT要求时，基于DFIG的风力涡轮机中对现有和未来电网法规（以及电力系统完整性）的遵守处在严重的风险下，这是因为：
• 定子和转子的瞬态电流可能足够高，以至于迫使发电单元断开；
• 转子的稳定电流、以及制动斩波器中将耗散的能量可能足够高，以至于在大的、深的和重复性的非对称电压骤降中迫使发电单元断开；
• 在一些电网法规（GC）中，负序列的调节已经是强制性的。
本发明的用于风力发电机DFIG变流器的转子侧变流器的控制方法针对上述缺点改进了系统的性能。
发明内容
本发明描述了一种风力涡轮机中的双馈感应发电机的转子侧变流器的控制系统，包括：
• 计算单元，其被配置成用于计算至少一个参考电流，所述至少一个参考电流优选地是转子的参考电流，以及
• 电流控制器，其是被配置成在两种不同模式中操作的混合控制器，其中第一操作模式优选地在电网中的扰动的瞬变期间来设置，其中电流控制器被配置成以处于线性区域之外的调制指数进行操作，并且第二操作模式优选地在电网中的扰动的稳态期间来设置，其中电流控制器被配置成以处于线性区域内部的调制指数进行操作，由此即刻（instantly）提供转子中可用的最大电压，以便满足所述至少一个参考电流。优选地，对转子电流进行调节，并且它是瞬时控制器，所述瞬时控制器被配置成用于即刻提供转子中可用的最大电压，以便满足所述至少一个参考电流，优选地是转子参考电流。
术语“即刻提供”或“瞬时的”指代通过电流控制器在一个单一控制步骤中提供转子中可用的最大电压。以这种方式，电流控制器的响应时间仅由硬件能力和所强加的控制限制来定义。这导致了电流控制器的快速响应。
定义了所述控制器的特性是：
瞬时、混合和非线性。在一个方面，控制器操作的基本原理基于取决于调制指数来即刻最小化所测量的转子电流与期望电流之间的差异。在另一方面，为了实现这种瞬时性质，控制动作是非线性的。
最后，它是混合控制器，这是由于取决于满足期望电流命令的能力，所述控制器在两种不同模式中操作。模式之间的转变可以是自动的，并且它不需要任何修改或状态机。优选地，所述操作模式是：
• 第一操作模式，其中所述控制器被配置成作为直接或滞环数字控制器进行操作，所述直接或滞环数字控制器在每一个控制采样时间中提供两级或更多级变流器中可用的脉宽调制（PWM）矢量中的一个。优选地，该第一操作模式对应于处于线性区域之外的调制指数，即，在线性边界限制以上或在过调制区域内的调制指数。这种操作模式的特征在于：由转子频率提供的最大频率与最小频率之间的有限可变开关频率。因此，所述控制器不仅利用其瞬时响应限制了传导损耗（conduction loss），而且当传导损耗由于故障电流增加而不可避免地增加时，所述控制器还减少了开关损耗，也就是说，它减少了瞬变期间的转子电流，并且满足了转子参考电流；
• 第二操作模式，其中所述控制器被配置成以处于线性区域内的调制指数进行操作，并且被配置成作为在变流器的线性区域内命令控制动作的控制器进行工作，从而将转子电流控制到期望值。该第二模式中的所述控制器可以利用比例+积分（PI）、谐振、无差拍（deadbeat）控制器等来实现。
本领域已知的调制指数可以被定义为转子电压参考的量值与可用DC总线电压的一半的比值。
可选地，所述控制系统还包括序列传感器，序列传感器被配置成用于分离地评估电压和电流正序列和负序列。
可选地，所述控制器被准备用于调节电流正序列和负序列，其中它优选地被配置成用于遵循所述至少一个转子参考电流来调节所测量的转子电流。
计算转子的所述至少一个参考电流，以便遵守电网法规无功电流要求。
可选地，所述系统包括调制块，所述调制块被配置成在第一操作模式中以可变开关频率进行操作，所述可变开关频率优选地与电流中的误差成反比。
可选地，所述调制块被配置成在第二操作模式中以恒定开关频率进行操作。
可选地，所述系统还包括序列传感器，序列传感器被配置成用于分离地评估电压和电流正序列和负序列。
可选地，所述系统还包括计算单元，计算单元被配置成用于根据由序列传感器评估的电压和电流正序列和负序列来计算至少一个参考电流、优选地是转子的参考电流，这可以由转子变流器在稳定状态下实现。
可选地，计算单元还被配置成用于根据由序列传感器评估的电压和电流正序列和负序列来计算定子的至少一个参考电流。
可选地，计算单元还被配置成用于根据由序列传感器评估的电压和电流正序列和负序列来计算至少一个总线路参考电流。
可选地，瞬时电流控制器还被配置成用于同时调节转子电流和/或定子电流和/或线路电流的正序列和负序列。
本发明的第二方面描述了一种用于风力涡轮机中的双馈感应发电机的转子侧变流器的控制方法，所述控制方法是利用上面描述的系统来执行的，所述方法包括：
• 用于计算至少一个参考电流的步骤，所述至少一个参考电流优选地是转子的参考电流，以及
• 用于电流调节的步骤，优选地是用于调节转子电流的步骤，其中，瞬时地提供转子中可用的最大电压，以便满足所述至少一个参考电流，优选地是转子的参考电流。
用于电流调节的步骤包括：
• 第一操作模式，优选地在电网中的扰动的瞬变期间来设置，其对应于处于线性区域之外的调制指数；以及
• 第二操作模式，优选地在电网中的扰动的稳态期间来设置，其对应于处于线性区域内部的调制指数。
由此构成的用于风力涡轮机中的双馈感应发电机的转子侧变换器的控制系统和方法具有以下优点：
• 它在由电网中的故障所产生的瞬变期间带来了对变流器操作的优化：也就是说，它最大程度地减少了故障电流，以及随着热应力的随后降低而减少了开关损耗；
• 它增加了动态性，以便遵守GC所确立的目标，以及
• 它提供了对严重不平衡故障中要控制的正序列和负序列的总调节。
附图说明
为了实现所做出的本描述，并且为了提供对本发明的特性的更好理解，根据本发明的优选实际实施例，以说明性但非限制性的目的附上了一组附图作为本描述的一部分，这些附图表示以下内容：
图1。它示出了具有DFIG发电机的风力涡轮机的电气方案；
图2。它示出了本发明的用于风力涡轮机的DFIG变流器的转子侧变流器的控制系统的方案。
具体实施方式
以下内容是本发明的风力涡轮机的双馈感应发电机（1）的电气系统以及用于转子侧变流器（2）的相关联的控制方法的详细描述。双馈感应发电机（1）的绕组连接到转子三相桥（2）。转子侧变流器与三相电网桥（3）共享其DC连接（4）。电网桥（3）的三相AC连接可以包括三相功率滤波器（5）。同样，转子侧变流器（2）的AC三相连接可以包括三相功率滤波器（6）。电网桥的AC三相连接以及定子绕组连接到三相升压变压器（7）的低压绕组。电网桥的AC三相连接以及定子绕组两者可以具有接触器（8）和开关（9），以便使得电气操作更容易并且保证了保护。转子侧变流器（2）和电网桥（3）两者由其半导体器件的触发信号（101、102）来命令。计算和控制（10）逻辑单元负责提供触发信号（101、102）。
计算和控制逻辑单元（10）是其中实现本发明的控制方法的地方。根据该实施例，用于风力涡轮机中的双馈感应发电机的转子侧变流器的控制系统（11）包括：
• 序列传感器（201），其被配置成用于分离地评估电压和电流正序列和负序列；
• 计算单元（202），其用于在稳定状态下根据由序列传感器（201）评估的电压和电流正序列和负序列来计算至少参考电流（i* r），优选地是转子的参考电流；
• 电流控制器（203），优选地用于转子电流（103）或者替代地用于定子电流（104）或者用于线路电流（105），其中电流控制器（203）是瞬时控制器，该瞬时控制器用于瞬时地提供转子中可用的最大电压（106），以便满足至少一个参考电流（i* r），并且它还是被配置成用于在可用电压范围内提供转子电压的非线性混合控制器。电流控制器（203）包括脉宽调制逻辑（PWM）。电流控制器（203）提供转子三相桥（2）的触发信号（101）。
电流控制器（203）可以在两种不同模式中操作。模式之间的转变是自动的，并且它不需要任何修改或状态机。这些模式是：
• 第一操作模式，其中电流控制器（203）作为直接、滞环数字控制器等进行工作，该直接、滞环数字控制器等在每个控制采样时间处提供两级或更多级变流器中可用的脉宽调制器矢量中的一个，其中该第一操作模式对应于处于变流器线性区域之外（即，在过调制区域内）的调制指数。过调制操作意味着以高调制指数（包括最大理论极限）进行工作的可能性。因此，获得了以可变开关频率为特征的操作；
• 第二操作模式，其中电流控制器（203）被配置成作为无差拍控制器等进行工作，该无差拍控制器等命令控制动作，该控制动作瞬时地将控制下的电流带到期望值，其中该第二操作模式以处于变流器线性区域内的调制指数来执行。在该第二操作模式中，开关频率是恒定的。该方法被配置成用于在该第二操作模式中、优选地在故障的稳态期间（即，当电流命令能够瞬时到达时）设置电流控制器（203）。
电流控制器（203）还是瞬时控制器，该瞬时控制器被配置成用于调节电流正序列和负序列，并且优选地用于遵循由外部块供给的至少一个转子电流参考来调节转子的测量电流，该外部块提供了转子变流器在稳定状态下可以实现的参考电流。
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