基于模型预测控制的海上风电交流汇集不控整流送出系统谐波抑制方法

技术领域

本发明属于电力电子装置在海上风电二极管直流送出系统中的应用技术领域，涉及基于模型预测控制的海上风电交流汇集不控整流送出系统谐波抑制方法。

背景技术

海上风力发电得到了快速发展，尤其加快了对深远海风力发电的研究。虽然深远海风力资源极为丰富，但其风电送出技术和建设难度及成本也面临着巨大挑战；目前，深远海风力发电主要使用高压柔性直流输电技术，其具有有功和无功功率独立控制、电流控制和电网形成控制等技术优势，但其复杂的控制策略降低了其运行可靠性，造价也较昂贵；有学者提出将二极管整流器作为海上换流站的整流装置的方案，并已证明其可以作为风电送出提高效率和系统可靠性的替代方案；二极管整流器虽然可以提高风电汇集换流站运行可靠性和降低建设成本，但是在输送功率的同时会产生大量谐波，使输送功率波动变大，进而降低风场内电能质量，危害系统的稳定运行；另外大量谐波使变压器易于饱和，占用变压器及海缆输送容量，导致设备利用率下降，并增加设备损耗，缩短设备使用寿命，增加系统运行和维护成本；

因此，进一步研究风电换流站基于二极管整流器直流送出方案产生的电流谐波抑制方法，对于改善风电汇集处电能质量以及提高变压器和海缆运行稳定性有着极其重要的工程意义。

发明内容

本发明的目的是提供基于模型预测控制的海上风电交流汇集不控整流送出系统谐波抑制方法，解决海上风电经二极管直流送出产生大量谐波进而降低风电场内电能质量，使变压器等装置易于饱和，危害风电系统的安全稳定运行的问题。

本发明所采用的技术方案是，基于模型预测控制的海上风电交流汇集不控整流送出系统谐波抑制方法，具体为基于构网型风力发电机，在风力发电机背靠别换流器的网侧变换器运用一种注入谐波电压的方法来抑制二极管整流器输送功率时产生的大量谐波。

本发明的特点还在于：

其中基于模型预测控制的海上风电交流汇集不控整流送出系统谐波抑制方法，具体按以下步骤实施：

步骤1，建立虚拟同步发电机的控制策略；

步骤2，建立电压控制环路的控制策略；

其中步骤1虚拟同步发电机的控制策略包括有功频率控制和无功电压控制；

其中有功频率控制具体如下：

功频控制器作为虚拟同步发电机的核心控制单元，采用同步发电机的二阶模型转子运动方程，同时考虑发电机一次调频作用，其转子运动方程为：

式中，J为同步发电机和原动机总转动惯量，其单位是kg·m

其中无功电压控制具体如下：

励磁控制器的数学方程：

式中，Q

其中步骤1具体由功频控制器和励磁控制器共同构成虚拟同步发电机控制器：

所述P

式中，u

综上，通过功频控制器和励磁控制器得到参考电压e

其中步骤2具体为：为实现风机网侧变换器输出正弦基波电压，采用模型预测控制进行控制，将VSG控制输出的参考电压e

最后根据谐波电流生成相应的谐波电压，将谐波电压注入到基波电压，经模型预测控制得到输出电压v

其中谐波电压注入到基波电压具体如下：

二极管整流器选用12脉波整流器进行理论分析，在静止三相坐标系下，电压方程为：

式中，v

当v

为了抑制三相交流电流i

式中，U

为了得到谐波电压方程，采用在αβ两相静止坐标系下对谐波分量进行精确计算的方法：

在三相静止坐标系下，通过式(7)实现αβ两相静止坐标系的建立；

式中，

在当前坐标系下经式(8)计算得到三相瞬时有功功率p与无功功率q；

式中，v

将得到的瞬时有功功率p经低通滤波器可以得到直流分量

i

得到的谐波电流经式(10)将αβ两相静止坐标系反变换至三相静止坐标系下；

式中，

其中模型预测控制具体按以下步骤实施：

定义逆变器的开关信号为S

式中α＝e

并网逆变器的预测模型为：

x(k+1)＝A

y(k)＝[0 1]x(k) (13)

式中，

由式(11)～(13)得到逆变器输出电压预测模型：

v

逆变器具有8个不同的开关状态，相应的生成V

式中，

本发明的有益效果是：

本发明的基于模型预测控制的海上风电交流汇集二极管整流送出系统谐波抑制方法，采用永磁式同步风力发电机，背靠背的机侧换流器控制背靠背直流端电压，网侧换流器运用虚拟同步发电机的控制策略给12脉波二极管整流器提供稳定的支撑电压，同时还具有一定频率支撑的作用；二极管整流器经高压直流线路与陆上换流站相连接入电网；此时，在二极管整流器进行功率传输时会产生大量的谐波电流；为了抑制谐波，提出一种在网侧变换器输出电压内注入一定含量相应的谐波电压来抑制谐波电流的产生，本发明的方法解决海上风电经二极管直流送出产生大量谐波进而降低风电场内电能质量，使变压器等装置易于饱和，危害风电系统的安全稳定运行的问题。

附图说明

图1为本发明的基于模型预测控制的海上风电交流汇集二极管整流送出系统谐波抑制方法中海上风电背靠背网侧变换器系统拓扑结构示意图；

图2为本发明的基于模型预测控制的海上风电交流汇集二极管整流送出系统谐波抑制方法中背靠背网侧换流器虚拟同步发电机控制策略示意图；

图3为本发明的基于模型预测控制的海上风电交流汇集二极管整流送出系统谐波抑制方法中网测变换器拓扑结构示意图；

图4为本发明的基于模型预测控制的海上风电交流汇集二极管整流送出系统谐波抑制方法中谐波电压提取方法示意图；

图5为本发明的基于模型预测控制的海上风电交流汇集二极管整流送出系统谐波抑制方法中模型预测控制策略示意图；

图6为本发明的基于模型预测控制的海上风电交流汇集二极管整流送出系统谐波抑制方法中背靠背网侧逆变器整体控制策略示意图；

图7为本发明基于传统虚拟同步发电机的模型预测控制网侧换流器交流电压和电流示意图；

图8为本发明传统虚拟同步发电机控制网侧换流器交流电流直角坐标系下谐波电流示意图；

图9为本发明的基于模型预测控制的海上风电交流汇集二极管整流送出系统谐波抑制方法中注入谐波电压的模型预测控制网侧换流器交流电压和电流示意图；

图10为本发明基于传统虚拟同步发电机的模型预测控制策略谐波电流频谱示意图；

图11为本发明的基于模型预测控制的海上风电交流汇集二极管整流送出系统谐波抑制方法中注入谐波电压的模型预测控制策略谐波电流频谱示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供了基于模型预测控制的海上风电交流汇集不控整流送出系统谐波抑制方法，具体如下述实施例所示：

实施例1

本发明基于模型预测控制的海上风电交流汇集不控整流送出系统谐波抑制方法，基于构网型风力发电机，在风力发电机背靠别换流器的网侧变换器运用一种注入谐波电压的方法来抑制二极管整流器输送功率时产生的大量谐波；

由于本发明是基于海上风电经二极管整流器直流送出方案，所以风力发电机需要使用构网型风机才可以满足系统运行要求；所以本发明属于一种主动支撑的谐波抑制方法；

实施例2

本发明为在风力发电机背靠背的网侧换流器运用虚拟同步发电机控制策略输出基波电压，然后在虚拟同步发电机控制策略的基础上运行谐波电压注入的方法实现对12脉波二极管整流器产生谐波的抑制；具体实施方法如下：

步骤1，首先建立虚拟同步发电机的控制策略；虚拟同步发电机控制策略是模拟同步发电机的工作特性，主要包含有功频率控制和无功电压控制：

功频控制器作为虚拟同步发电机的核心控制单元，为简化控制器结构，采用同步发电机的二阶模型转子运动方程，同时考虑到发电机一次调频作用，其转子运动方程为：

式中，J代表同步发电机和原动机总转动惯量，其单位是kg·m

励磁控制系统是一个电压闭环控制系统，通过量测发电机的端电压并根据其变化控制励磁电压，以保持发电机端电压的恒定；励磁控制器的数学方程：

式中，Q

上述P

式中，u

综上，通过功频控制器和励磁控制器可得到参考电压e

由功频控制器和励磁控制器共同构成虚拟同步发电机控制器，如图2所示；

步骤2，建立电压控制环路的控制策略；电压控制环路分为两部分内容，一是实现网侧变换器输出正弦基波电压；二是在正弦基波电压中注入一定含量的谐波电压，实现对三相电流中的谐波分量的抑制：

为实现风机网侧变换器输出正弦基波电压，采用模型预测控制进行控制，将VSG控制输出的参考电压e

其次，根据谐波电流生成相应的谐波电压，将谐波电压注入到基波电压，以下是具体的分析方法：

风机网侧系统拓扑结构如图1所示，二极管整流器选用12脉波整流器进行理论分析；在静止三相坐标系下，电压方程为

式中，v

当v

为了抑制三相交流电流i

式中，U

为了得到谐波电压方程，采用在αβ两相静止坐标系下对谐波分量进行精确计算的方法：

在三相静止坐标系下，通过式(7)实现αβ两相静止坐标系的建立；

式中，

在当前坐标系下经式(8)计算得到三相瞬时有功功率p与无功功率q；

式中，v

将得到的瞬时有功功率p经低通滤波器可以得到直流分量

式中，i

得到的谐波电流经式(10)将αβ两相静止坐标系反变换至三相静止坐标系下；

式中，

其中模型预测控制具体按以下步骤实施：

风机网侧变换器拓扑结构如图3所示；

定义逆变器的开关信号为S

式中α＝e

并网逆变器的预测模型为：

x(k+1)＝A

y(k)＝[0 1]x(k) (13)

式中：

由式(11)～(13)可得到逆变器输出电压预测模型：

v

考虑到逆变器具有8个不同的开关状态，可以相应的生成V

式中，

实施例3

在传统VSG控制网侧变换器时，由图7～图8可知，风机网侧换流器交流电压具有良好的正弦特性，但交流电流存在一定含量的11、13、23、25次等谐波电流，电流畸变率为4.39％，正弦特性较差；可见传统VSG策略缺乏对谐波电流进行有效抑制的能力；由图10对交流电流进行频谱分析可知，其交流电流中含有较高含量的11、13、23、25次等谐波，容易使变压器达到饱和，并且使风电汇集处电能质量严重下降，造成输送功率波动范围较大，不利于系统能量的传输，危害系统稳定运行；而采用注入谐波电压的虚拟同步发电机控制策略后，如图9所示，风机网侧逆变器交流电压被注入一定含量的谐波电压，正弦特性变差，但不影响系统的正常运行；然而，交流电流波形畸变程度明显减小，正弦度得到较大改善，电流谐波畸变率为1.02％，谐波电流分量得到有效抑制，谐波电流抑制控制效果良好，风电汇集处电能质量得到提高，同时输送功率波动范围减小，有利于系统的稳定运行；而图11通过对交流电流的频谱分析表明，11、13、23、25次等谐波电流分量占基波电流分量的比重均大幅度下降，进一步证明了注入谐波电压的虚拟同步发电机控制策略具有良好抑制谐波电流的性能。