專利名稱：：一種模塊化多電平風電變流器的直接功率控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及海上風電的變流
技術(shù)領(lǐng)域：
，尤其涉及一種模塊化多電平風電變流器的直接功率控制方法。
背景技術(shù)：
：海上風能等可再生能源的大規(guī)模并網(wǎng)已成為未來電力系統(tǒng)及智能電網(wǎng)應(yīng)用的發(fā)展方向?；陔妷涸醋兞髌鞯娜嵝灾绷鬏旊?voltagesourceconverter-highvoltagedirectcurrenttransmission,VSC-HVDC)技術(shù)，應(yīng)用于海上風電場遠距離傳輸已成為當前研究熱點之一。VSC-HVDC系統(tǒng)對電壓源變流器的容量和電壓等級提出了極高要求。模塊化多電平變流器(modularmultilevelconverter,MMC)具備級聯(lián)式變流器的特點,容易實現(xiàn)較多電平數(shù)目和模塊化設(shè)計，并能實現(xiàn)直流側(cè)的背靠背連接，是一種適用于VSC-HVDC的多電平拓撲結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的MMC的有功、無功功率解耦控制方法主要有兩種一、基于VSC-HVDC系統(tǒng)線性模型的電壓定向雙閉環(huán)控制方法(voltageorientedcontrol,V0C)。二、基于VSC-HVDC系統(tǒng)非線性模型的查詢開關(guān)表直接功率控制方法(Look-up-tabledirectpowercontrol,LUT-DPC)。在目前公開的文獻中所提出的電壓定向控制方法主要是通過同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)坐標變換將三相交流電流轉(zhuǎn)換，分解為同步旋轉(zhuǎn)坐標系中的有功、無功功率電流分量，然后經(jīng)過比例-積分(PI)調(diào)節(jié)器實施對有功、無功功率電流的獨立控制，從而實現(xiàn)對MMC瞬時有功、無功功率的解耦控制。但是，該方法存在以下不足一、PI調(diào)節(jié)器設(shè)計參數(shù)過多，調(diào)整困難。采用工程整定法大都基于系統(tǒng)傳遞函數(shù)，但該類系統(tǒng)較為復(fù)雜，采用簡化傳遞函數(shù)等效計算方式得到的PI參數(shù)大都偏差較大，需在現(xiàn)場依賴人工經(jīng)驗調(diào)整，系統(tǒng)性能無法得到保證。二、對系統(tǒng)參數(shù)有一定的依賴性，采用內(nèi)環(huán)前饋結(jié)構(gòu)要用到系統(tǒng)電感等參數(shù)，在實際系統(tǒng)中這些參數(shù)的準確性難以保證，有時偏差較大，且隨著系統(tǒng)運行工況的不同，會有一定的變化，因此，往往造成按照標稱系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計的PI調(diào)節(jié)器的實際運行性能與期望性能存在偏差。三、輕型直流輸電系統(tǒng)數(shù)學模型本身存在強耦合、非線性等特征，而PI調(diào)節(jié)器是按照系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)線性化模型設(shè)計的，因此，無法保證系統(tǒng)動態(tài)性能，調(diào)節(jié)效果不可能達到最優(yōu)。在目前公開的文獻中所提出的查詢開關(guān)表直接功率控制方法源于交流電機直接轉(zhuǎn)矩控制的思想，并應(yīng)用于采用MMC的柔性直流輸電系統(tǒng)中。該控制方法的基本原理是在一個采樣周期內(nèi)根據(jù)瞬時有功、無功的誤差以及電網(wǎng)位置信號，在事先確定的電壓矢量開關(guān)表中選取合適的變流器輸出電壓矢量，使得輸出功率能夠快速、精確地跟蹤其給定值。相對于V0C，LUT-DPC的優(yōu)點主要是動態(tài)響應(yīng)快，具有較高的魯棒性。然而，其明顯不足是變流器開關(guān)頻率不穩(wěn)定，穩(wěn)態(tài)特性不如V0C，同時，還因使用了較多的傳感器，造成系統(tǒng)成本增加和體積龐大，且由于實際應(yīng)用中丟失傳感器信號，以及受到噪聲干擾，造成系統(tǒng)性能降低
發(fā)明內(nèi)容針對上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提供一種模塊化多電平風電變流器的直接功率控制方法，其通過虛擬磁鏈計算有功、無功功率，無需電網(wǎng)電壓傳感器，無需設(shè)計電流內(nèi)環(huán)，不僅動態(tài)響應(yīng)快，開關(guān)頻率恒定，而且具有更好的穩(wěn)態(tài)特性。為達此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案一種模塊化多電平風電變流器的直接功率控制方法，包括如下步驟A、根據(jù)VSC-HVDC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，建立模塊化多電平風電變流器的數(shù)學模型；B、通過PI調(diào)節(jié)器處理直流電壓給定值VsJe與模塊化多電平風電變流器的直流電壓檢測值vd。的誤差，獲得有功電流給定值^并將該有功電流給定值I彡與直流電壓檢測值Vdc的乘積作為有功功率給定值P%其中，無功功率給定值q*在單位功率因數(shù)運行時為零；C、將電流傳感器獲得的模塊化多電平風電變流器交流側(cè)的三相交流電流信號Iu,v,w以及其各子模塊的輸出電壓Vju,v,w、開關(guān)函數(shù)Sju,v,w通過虛擬磁鏈計算模塊進行處理，獲得有功功率實際值P、無功功率實際值q以及磁鏈矢量的空間位置角Yvs;D、將步驟B中的有功功率給定值P*和無功功率給定值q%以及步驟C中的有功功率實際值P和無功功率實際值q通過功率解耦控制模塊獲得直接功率控制器輸出的兩相旋轉(zhuǎn)坐標系下的電壓參考信號Urt和Uni；E、將步驟C中的磁鏈矢量的空間位置角YVs與步驟D中的電壓參考信號Urd和Urtl通過三相/兩相旋轉(zhuǎn)坐標變換模塊處理，獲得三相電壓參考信號u'Mf、v'ref及Vref；F、將步驟E中的三相電壓參考信號u'ref>Vi,ef及W',ef與MMC電容電壓平均值控制模塊輸出的控制量U·、Vave及Wave進行疊加處理，獲得模塊化多電平風電變流器的三相電壓控制信號UMf、Vref及Wref;G、將步驟F中的三相電壓控制信號Uref、Vref及Wref與模塊化多電平風電變流器上下橋臂電流、其各子模塊的電容電壓inu,v,w、ipu,v,w、Uju,v,w通過MMC觸發(fā)脈沖生成模塊處理，獲得控制所述模塊化多電平風電變流器中功率器件的開關(guān)信號。特別地，所述模塊化多電平風電變流器中的功率器件采用基于絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)的MCC結(jié)構(gòu)。特別地，所述模塊化多電平風電變流器的直流側(cè)采用電容穩(wěn)壓，其交流側(cè)設(shè)置有電抗器。特別地，所述步驟A中模塊化多電平風電變流器的數(shù)學模型如公式(I)所示權(quán)利要求1.一種模塊化多電平風電變流器的直接功率控制方法，其特征在于，包括如下步驟A、根據(jù)VSC-HVDC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，建立模塊化多電平風電變流器的數(shù)學模型；B、通過PI調(diào)節(jié)器處理直流電壓給定值Vd^與模塊化多電平風電變流器的直流電壓檢測值Vd。的誤差，獲得有功電流給定值Uf并將該有功電流給定值與直流電壓檢測值Vd。的乘積作為有功功率給定值P%其中，無功功率給定值q*在單位功率因數(shù)運行時為零；C、將電流傳感器獲得的模塊化多電平風電變流器交流側(cè)的三相交流電流信號Iu,v,w以及其各子模塊的輸出電壓\u,v,w、開關(guān)函數(shù)v,w通過虛擬磁鏈計算模塊進行處理，獲得有功功率實際值P、無功功率實際值q以及磁鏈矢量的空間位置角YΨ3;D、將步驟B中的有功功率給定值P*和無功功率給定值q%以及步驟C中的有功功率實際值P和無功功率實際值q通過功率解耦控制模塊獲得直接功率控制器輸出的兩相旋轉(zhuǎn)坐標系下的電壓參考信號Urt和Uni；E、將步驟C中的磁鏈矢量的空間位置角rvs與步驟D中的電壓參考信號U^1和通過三相/兩相旋轉(zhuǎn)坐標變換模塊處理，獲得三相電壓參考信號U'Mf、V'%及Vref；F、將步驟E中的三相電壓參考信號u'ref>ViMaM與MMC電容電壓平均值控制模塊輸出的控制量u·、Vave及Wave進行疊加處理，獲得模塊化多電平風電變流器的三相電壓控制信號UMf、Vref及wMf；G、將步驟F中的三相電壓控制信號uMf、Vref及Wref與模塊化多電平風電變流器上下橋臂電流、其各子模塊的電容電壓inu,v,w、ipu,v,w>uJU,v,w通過MMC觸發(fā)脈沖生成模塊處理，獲得控制所述模塊化多電平風電變流器中功率器件的開關(guān)信號。2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的模塊化多電平風電變流器的直接功率控制方法，其特征在于，所述模塊化多電平風電變流器中的功率器件采用基于絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)的MCC結(jié)構(gòu)。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的模塊化多電平風電變流器的直接功率控制方法，其特征在于，所述模塊化多電平風電變流器的直流側(cè)采用電容穩(wěn)壓，其交流側(cè)設(shè)置有電抗器。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的模塊化多電平風電變流器的直接功率控制方法，其特征在于，所述步驟A中模塊化多電平風電變流器的數(shù)學模型如公式(I)所示ILeq=Ugd—Urd.Usd-ωi2il)[Leq=usq2+urq.usd+ω其中，有功功率實際值P=usd^isd，無功功率實際值q=-usd*isq,usd和usq、isd和isq、Urq和分別表示d_q坐標系下網(wǎng)側(cè)電壓、網(wǎng)側(cè)電流及該變流器的交流側(cè)電壓，Leq表示模塊化多電平風電變流器的等效輸入電感，它包括該變流器的交流側(cè)電抗器的電感及其橋臂的電感。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的模塊化多電平風電變流器的直接功率控制方法，其特征在于，所述步驟C具體包括Cl、虛擬磁鏈計算模塊計算模塊化多電平風電變流器的橋臂電壓uM、Urb及u，其中，ura、Urb及的計算過程相同，以Ura為例，計算過程如公式(2)所示6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的模塊化多電平風電變流器的直接功率控制方法，其特征在于，所述步驟D中功率解耦控制模塊采用前饋解耦控制方法獲得功率控制環(huán)結(jié)構(gòu)。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的模塊化多電平風電變流器的直接功率控制方法，其特征在于，所述步驟F中MMC電容電壓平均值控制模塊用于平衡模塊化多電平風電變流器的橋臂間電壓，通過如下公式(7)、⑶獲得控制量11“氣全文摘要本發(fā)明公開一種模塊化多電平風電變流器的直接功率控制方法，其通過虛擬磁鏈計算有功、無功功率，將電網(wǎng)等效為理想電壓源，與變流器輸入電抗合并，網(wǎng)側(cè)電源等效為一個虛擬的交流電機，認為網(wǎng)側(cè)電壓是由虛擬磁鏈感應(yīng)產(chǎn)生的。與電壓定向雙閉環(huán)控制方法相比，本發(fā)明無需設(shè)計電流內(nèi)環(huán)且動態(tài)響應(yīng)快；與查詢開關(guān)表直接功率控制方法相比，本發(fā)明無需網(wǎng)側(cè)電壓傳感器，不僅動態(tài)響應(yīng)快，開關(guān)頻率恒定，而且具有更好的穩(wěn)態(tài)特性。文檔編號H02J3/36GK102882383SQ20121036642公開日2013年1月16日申請日期2012年9月28日優(yōu)先權(quán)日2012年9月28日發(fā)明者蔣辰暉,王志新,吳杰申請人:無錫清源電氣科技有限公司