CN101141110A - 变速恒频双馈异步风力发电机转子电流无延时控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了变速恒频双馈异步风力发电机(DFIG)转子电流无延时控制方法。通过采集三相转子电流信号进行旋转坐标变换，获得定子静止坐标系中的转子电流反馈量，与定子静止坐标系中的转子电流指令进行比较，误差信号输入到比例－谐振调节器进行调节，反馈补偿解耦后获得定子静止坐标中的转子电压参考值，再转换为转子坐标系中空间矢量脉宽调制用参考信号，以生成转子侧变换器功率器件的开关信号，控制DFIG的并网运行。本发明方法在电网电压平衡和不平衡条件下均无需进行DFIG转子电流正、负序分解，不会引入分解延时，可实现不平衡电网电压下发电系统的增强控制目标，有效提高该类风电系统电网故障下的不间断运行(穿越)能力。

Description

变速恒频双馈异步风力发电机转子电流无延时控制方法

技术领域

本发明涉及风力发电机转子电流的控制方法，尤其是一种适用于电网电压平衡和不平衡(包括小值稳态和大值瞬态不平衡)条件下变速恒频双馈异步风力发电机(DFIG)转子电流无延时控制方法。

背景技术

现代大型风力发电系统主要有双馈异步发电机(DFIG)和永磁同步发电机两种类型，为提高发电效率，均实行变速恒频发电运行，其中DFIG系统是当前的主流机型。目前我国的风电技术大多停留在理想电网条件下的运行控制，由于实际电网经常有各类对称、不对称故障发生，因此必须开展电网故障下的运行控制研究并提出相应控制方法。近年来国际上DFIG风电运行技术的研究多集中在对称故障下的运行控制与穿越运行，但电网不对称故障更为频繁、几率更大，因此DFIG故障运行研究已从对称故障向不对称故障延伸。这是因为DFIG控制系统中若未曾考虑电网电压的不平衡，很小的不平衡电压将造成定子电流的高度不平衡，致使定子绕组产生不平衡发热，发电机产生转矩脉动，导致输向电网的功率发生振荡。若风电机组相对电网容量足够大，这种缺乏不平衡电网电压控制能力的风电机组不得不从电网中解列，以防引发后续的更大电网故障。但从电网安全角度又要求风电机组能承受最大达2％的稳态和相对较大瞬态不平衡电压而不退出电网，这就要求风电机组能实现电网故障穿越运行。目前，国内、外对这种不平衡电网电压条件下DFIG发电机及相关励磁变频器的控制方法与实施方案研究很少，检索到的相关专利和研究文章仅有：

I.胡家兵，贺益康等.不平衡电网电压条件下双馈异步风力发电系统的建模与控制.电力系统自动化，2007，31(14)：47-56.

II.L.Xu，and Y.Wang，“Dynamic Modeling and Control of DFIG Based WindTurbines under Unbalanced Network Conditions，”IEEE Trans.Power System，Vo1.22，No.1，pp.314-323，Feb.2007.

III.CARTWRIGHT P，XU L.System controller tor e.g.wind powered doublyfed induction generator attached to wind turbine，has grid imbalance detector whichcontrols current to cancel imbalance in grid served by generators [Patent].PatentNumber：GB2420456-A.Date：20060524.Application Number：GB025662.Date：20041123.

不平衡电网电压条件下，上述文献所提出的控制方法(可称为传统方法)可用图1来说明，DFIG5的转子侧变换器1，采用双比例-积分调节器16分别对转子正、负序电流作独立控制。但为实现正、负序转子电流的分别调节，必须首先获得反馈转子电流的正、负序分量，其处理过程是：利用两个电流霍尔传感器2分别采集三相定、转子电流信号，电压霍尔传感器7采集三相定子电压信号，采集得到的三相定、转子电流信号I_sbc和I_rabc，定子电压信号V_sabc分别经过静止三相/二相坐标变换模块3，转换得到包含正、负序分量的综合矢量I_sαβ ^s和I_rαβ ^r，V_sαβ ^s，其中V_sαβ ^s、I_sαβ ^s分别通过旋转坐标变换模块8，9转换得到正、反转同步速旋转坐标系中包含直流量与两倍频交流量之和的V_sdq ⁺、V_sdq ^-，I_sdq ⁺、I_sdq ^-(在电网电压不平衡条件下)。I_rαβ ^r通过两个不同的旋转坐标变换模块10，11转换，分别得到正、反转同步速旋转坐标系中包含直流量与两倍频交流量之和的I_rdq ⁺、I_rdq ^-(在电网电压不平衡条件下)。该方法中采用了两倍电网频率2ω_s的陷波器来滤除信号V_sdq ⁺、V_sdq ^-，I_sdq ⁺、I_sdq ⁺和I_rdq ^-中2ω_s频率的交流成分，其中V_sdq ⁺、V_sdq ^-，I_sdq ⁺、I_sdq ^-通过第一个陷波器13-1分别获得其正、负序分量V_sdq+ ⁺、V_sdq- ^-，I_sdq+ ⁺、I_sdq- ^-(直流量)；I_rdq ⁺、I_rdq ^-通过第二个陷波器13-2分别获得其正、负序分量I_rdq+ ⁺、I_rdq- ^-(直流量)。在此基础上，定子磁链观测器14获取转子电流指令值计算模块15和反馈补偿解耦模块12所需的定子磁链分量ψ_sdq+ ⁺、ψ_sdq- ^-。根据电网电压不平衡条件下DFIG不同的控制目标由转子电流指令值计算模块15计算获得转子电流指令I_rdq+ ^+*、I_rdq- ^-*，并与第二个陷波器13-2输出的反馈信号I_rdq+ ⁺、I_rdq- ^-相比较获得误差信号，然后分别在正、反转同步速旋转坐标系中采用比例-积分器16对误差信号作比例-积分调节，调节后的信号经反馈补偿解耦模块12补偿解耦获得正、反转同步速旋转坐标系中的正、负序转子电压参考值V_rdq+ ^+*、V_rdq- ^-*，分别通过不同的旋转坐标变换模块17，18转换得到转子坐标系中的正、负序转子电压参考值，相加后得到空间矢量脉宽调制(SVPWM)模块19的参考信号V_rαβ ^r*，经过SVPWM模块19调制获得转子侧变换器1中功率器件的开关信号以控制DFIG运行，实现不平衡电网电压条件下DFIG正、负序转子电流在正、反转同步旋转坐标系中的独立闭环控制，达到所要求的控制目标。

此外，该方法采用软件锁相环(PLL)6电路对电网电压的频率和相位进行准确检测和跟踪，转子位置和速度采用编码器4测定，为定、转子电压、电流信号实现正、反转旋转坐标变换提供依据。

由上述分析过程可见，电网电压不平衡条件下传统DFIG控制方法的实质是将不对称系统分解成正、负序对称分量系统后，再分别在正、反转同步旋转坐标系中实现d、q轴解耦控制。虽然转子正、负序电流在正、反转同步旋转坐标系中各自表现为直流量，分别采用两个PI调节器即可实现无静差独立跟踪控制，但控制实施的前提是已实现对采集转子电流的正、负序分离。图1所示传统控制方法中正、负序分离普遍采用了2ω_s频率陷波器13(或低通滤波器或1/4电网电压基波周期延时等)方法。分离中除引入延时外，控制系统的带宽将受到影响，会造成动态跟踪误差，动态控制效果不理想。更有甚者，该电路无法区分电网电压是平衡还是不平衡，是否需要进行正、负序系统分解。如果DFIG运行在严格电网电压平衡状态下，控制系统仍将采用陷波器来分离转子变量，这将给系统正常控制带来了不必要的延时，严重影响了系统的动态控制性能。

因此，亟需探索一种无延时的正、负序转子电流控制方法，以适应电网平衡与不平衡条件下DFIG风电机组的运行控制。

发明内容

本发明的目的是提供一种在不平衡电网电压下无需进行转子电流正、负序分解的变速恒频双馈异步风力发电机转子电流无延时控制方法。该方法在电网电压严格平衡下亦不会因不必要的正、负序分解操作而引入控制延时，从而有效提高DFIG风电系统在各类电网电压条件下的运行控制性能，确保供电电能质量和电力系统的运行稳定性及安全性。

本发明的变速恒频双馈异步风力发电机转子电流无延时控制方法，其技术解决方案包括以下步骤：

(i)利用两个电流霍尔传感器分别采集三相定子电流I_sabc和转子电流信号I_rabc，电压霍尔传感器采集三相定子电压信号V_sabc；

(ii)采集得到的三相定子电压信号V_sabc经软件锁相环检测出电网/定子电压角频率ω_s和相位θ_s；与此同时采用编码器检测DFIG转子位置θ_r及转速ω_r；以此为依据经分别计算得到滑差角度±θ_s-θ_r和滑差角频率ω_slip+＝ω_s-ω_r，ω_slip-＝-ω_s-ω_r；

(iii)将采集得到的三相定、转子电流信号I_sabc、I_rabc和定子电压信号V_sabc分别经静止三相/二相坐标变换模块，得到包含正、负序分量的定子电压综合矢量V_sαβ ^s，定、转子电流综合矢量I_sαβ ^s和I_rαβ ^r；

(iv)将得到的定子静止坐标系中定子电压、电流综合矢量V_sαβ ^s，I_sαβ ^s分别通过旋转坐标变换模块，获得在电网电压不平衡条件下，正、反转同步旋转坐标系中含有直流量与两倍频交流量之和的电压矢量V_sdq ⁺、V_sdq ^-和电流矢量I_sdq ⁺、I_sdq ^-；

(v)采用两倍电网频率的2ω_s陷波器滤除正、反转同步旋转坐标系中电压矢量V_sdq ⁺、V_sdq ^-和电流矢量I_sdq ⁺、I_sdq ^-中的2ω_s频率交流成分，获得正、负序电压直流分量V_sdq+ ⁺、V_sdq- ^-和电流直流分量I_sdq+ ⁺、I_sdq- ^-；

(vi)采用定子磁链观测器获取转子电流指令值计算模块计算所需正、反转同步旋转坐标系中的定子磁链直流分量ψ_sdq+ ⁺、ψ_sdq- ^-，以及反馈补偿解耦模块补偿所需的定子静止坐标系中磁链分量ψ_sαβ ^s；

(vii)将得到的转子电流综合矢量I_rαβ ^r经旋转坐标变换模块转换为定子静止坐标系中的转子电流量I_rαβ ^s，它在电网电压不平衡条件下含有电网电压频率的正序转子电流成分I_rdq+ ⁺e^j2ω _s ^t和负序转子电流成分I_rdq- ^-e^-j2ω _s ^t，它们分别以同步角频率ω_s和-ω_s正、反向旋转；

(viii)根据电网电压不平衡条件下DFIG所需的控制目标，由转子电流指令值计算模块计算得到正、反转同步速旋转坐标系中的转子电流指令I_rdq+ ^+*、I_rdq- ^-*，将该电流指令值经过旋转坐标变换模块转换为定子静止α_sβ_s坐标系中的转子电流指令值I_rαβ ^s*，并与定子静止坐标系中的转子电流反馈信号I_rαβ ^s相比较，获得误差信号ΔI_rαβ ^s；

(ix)转子电流误差信号ΔI_rαβ ^s经过定子静止α_sβ_s坐标系中的比例-谐振控制器作比例一谐振调节，调节后输出信号经过反馈补偿解耦模块完成静止坐标系中α_s，β_s轴间的交叉解耦和动态反馈补偿，获取定子静止α_sβ_s坐标中的转子电压参考值V_rαβ ^s*；

(x)定子静止α_sβ_s坐标中的转子电压参考值V_rαβ ^s*通过旋转坐标变换模块获得空间矢量脉宽调制模块调制所需的转子坐标系中转子电压参考信号V_rαβ ^s*，该信号经过空间矢量脉宽调制模块调制后，获得控制DFIG运行的转子侧变换器功率器件开关信号S_a，S_b，S_c。

上述步骤viii中所说的控制目标是保持DFIG定子输出有、无功功率恒定、DFIG电磁转矩恒定、定子电流平衡或转子电流平衡。

本发明所说的比例-谐振控制器包括一个比例环节和一个定子静止坐标系中角频率ω_p＝ω_s的谐振器，其中角频率谐振器实现对定子静止坐标系中角频率为ω_s的转子电流的无限增益调节。

本发明的控制方法是基于定子静止α_sβ_s坐标系中的DFIG转子正、负序电流无需分解、无延时控制方法。该方法针对DFIG风电系统不平衡电网电压条件下不同的运行控制目标，通过不平衡电压下转子正、负序电流与有、无功功率指令的关系，首先确立正、负序转子电流指令值，并将其分别通过相应旋转坐标变换转换成为定子静止坐标系中的相应成份，相加得到定子静止坐标系中包含正、负序转子电流的全局指令值。控制中本发明无论在电网电压平衡和不平衡时均无需对转子电流反馈信号进行正、负序分解，仅需通过对三相转子电流反馈信号的相应旋转坐标变换，获得定子静止坐标系中的转子电流反馈量。该信号与定子静止坐标系中的全局指令值均表现为电网频率的交流量，对两者进行比较后，其误差信号输入到误差信号比例-谐振(PR)调节器，经比例-谐振电流控制器调节后的输出信号进行反馈补偿解耦，可得到定子静止坐标系中的控制信号，再通过旋转坐标变换转化为转子坐标系中的空间矢量脉宽调制用参考信号，经过调制生成逆变器功率器件的脉宽调制开关信号，控制转子侧变换器的输出电流波形和幅值，以实现DFIG的运行控制目标。

本发明的控制方法简单易行。相比于传统的控制方法，无需增加额外的硬件检测或控制环节，只需将传统的正、反转同步速旋转坐标系中的转子电流正、负序、双比例-积分调节器替换为定子静止坐标系中的单一比例-谐振调节器。在转子电流控制环设计时，由于无需采用滤波器进行转子电流反馈信号正、负序分解，不会因此引入分解延时，且所设计的相应频率谐振器能够在该频率点上保证无限增益，在保证系统稳定的同时获得最大转子电流闭环控制带宽，从而获得稳定的输出、较小的稳态误差以及较好的动态响应特性。采用该方法可使DFIG并网发电系统在电网电压平衡和不平衡(包括小值稳态和大值瞬态不平衡)条件下实现转子电流无延时控制方法，尤其在不平衡电网电压条件下实现发电系统的增强控制目标，有效提高该类风电系统电网故障下的不间断运行(穿越)能力。

本发明方法除适用于DFIG风电系统外，还能适用于其他采用高频自关断器件构成的各类PWM控制形式的三相或单相并网逆变装置在平衡与不平衡电网电压条件下的有效控制，如太阳能、燃料电池发电系统的并网逆变装置，柔性输电系统的电力电子逆变装置，以及电力调速传动中的双馈电动/发电机用变流装置的有效控制。

附图说明

图1是不平衡电网电压条件下，变速恒频双馈异步发电机传统控制方法原理图。

图2是本发明的变速恒频双馈异步风力发电机转子电流无延时控制方法原理图。

图3是本发明中的比例一谐振控制器的原理图。

图4是图2中将正、负序转子电流指令值I_rdq+ ^+*、I_rdq- ^-*转换为定子静止坐标系中的指令值I_rαβ ^s*的旋转坐标变换模块示意图。

图5为电网电压瞬态不平衡条件下，采用传统控制方法的效果图，图中，(a)DFIG定子三相电流(pu)；(b)转子三相电流(pu)；(c)直流母线电压(V)；(d)定子输出有功功率(pu)；(e)定子输出无功功率(pu)；(f)DFIG电磁转矩(pu)；(g)转子d轴正序电流I_rd+ ^+*和I_rd+ ⁺(pu)；(h)转子q轴正序电流I_rq+ ^+*和I_rq+ ⁺(pu)；(i)转子d轴负序电流I_rd- ^-*和I_rd- ^-(pu)；(j)转子q轴负序电流I_rq- ^-*和I_rq- ^-(pu)。

图6为电网电压瞬态不平衡条件下，采用本发明控制方法的效果图，图中，(a)DFIG定子三相电流(pu)；(b)转子三相电流(pu)；(c)直流母线电压(V)；(d)定子输出有功功率(pu)；(e)定子输出无功功率(pu)；(f)DFIG电磁转矩(pu)；(g)转子d轴正序电流I_rd+ ^+*和I_rd+ ⁺(pu)；(h)转子q轴正序电流I_rq+ ^+*和I_rq+ ⁺(pu)；(i)转子d轴负序电流I_rd- ^-*和I_rd- ^-(pu)；(j)转子q轴负序电流I_rq- ^-*和I_rq- ^-(pu)。

图7为定子静止α_sβ_s坐标系、转子速旋转α_rβ_r坐标系和正、反转同步速ω_s旋转dq+、dq-坐标系间的矢量及坐标轴系关系图。

具体实施方式

下面结合附图和实施实例对本发明进一步说明。

图2是采用本发明提出的变速恒频双馈异步风力发电机转子电流无延时控制方法的原理图，包括控制对象DFIG5、与DFIG转子连接的转子侧变换器1(两电平或三电平电压型PWM逆变器)，用于三相定、转子电流检测的霍尔传感器2和三相定子电压检测的霍尔传感器7，用于检测DFIG转子位置和速度的编码器4，以及实现电网电压不平衡条件下DFIG控制目标的控制回路。控制回路由反馈信号处理通道和前向控制通道构成，其中反馈信号处理通道包括用于检测电网电压相位和频率的软件锁相环(PLL)6，用于各种旋转坐标变换所需要的角度计算器，用于获取相应坐标系中信号的三相/二相静止坐标变换模块3和旋转坐标变换模块8，9，21，用于获取定子电压和电流正、负序分量的两倍电网频率陷波器13和用于定子磁链观测的定子磁链观测器14；前向控制通道包括根据电网电压不平衡条件所需控制目标的转子电流指令值计算模块15，将正、反转同步速旋转坐标系中的转子电流指令值转换成定子静止坐标中指令值的旋转坐标变换模块20，对转子电流进行无时延跟踪控制的定子静止坐标系中比例-谐振控制器(PR)22和为获得定子坐标中转子电压参考值的反馈解耦补偿模块23，用于将定子静止坐标系中的转子电压参考值转换为转子坐标系中参考值的旋转坐标变换模块10以及用于根据转子电压参考值产生空间矢量脉宽调制(SVPWM)信号的SVPWM模块19。

以一台1.5MW商用变速恒频DFIG风电系统为例，参照图2，采用本发明提出的方法控制其运行，具体实施步骤如下：

(i)利用两个电流霍尔传感器2分别采集三相定子电流信号I_sabc和转子电流信号I_rabc，电压霍尔传感器7采集三相定子电压信号V_sabc；

(ii)采集得到的三相定子电压信号V_sabc经软件锁相环6检测得到电网/定子电压角频率ω_s和相位θ_s，采用编码器4检测得到DFIG转子位置θ_r及转速ω_r；并分别用角度计算器计算出DFIG转子滑差角度±θ_s-θ_r和滑差角频率

ω_slip+＝ω_s-ω_r，ω_slip-＝-ω_s-ω_r；

(iii)将采集得到的三相定、转子电流信号I_sabc、I_rabc定子电压信号V_sabc分别经过静止三相/二相坐标变换模块3，得到包含正、负序分量的电压综合矢量V_sαβ ^s，电流综合矢量I_sαβ ^s和I_rαβ ^r。以定子电压为例，静止三相/二相坐标变换如下式表达

$\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{s\α}}^s\\ V_{\mathrm{s\β}}^s\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{sa}}\\ V_{\mathrm{sb}}\\ V_{\mathrm{sc}}\end{array}\right];$

(iV)将得到的定子静止坐标系中定子电压、电流综合矢量V_sαβ ^s、I_sαβ ^s分别通过旋转坐标变换模块8，9，得到在电网电压不平衡条件下正、反转同步旋转坐标系中含有直流量与两倍频交流量之和的电压矢量V_sdq ⁺、V_sdq ^-和电流矢量I_sdq ⁺、I_sdq ^-；

图7为静止α_sβ_s坐标系、转子速旋转α_rβ_r坐标系和正、反转同步速ω_s(同步速等于电压的角频率ω_s)旋转dq+、dq-坐标系间的空间位置关系图，其坐标转换关系为

$F_{\mathrm{dq}}^{+}=F_{\mathrm{\α\β}}^s{e}^{-j{\mathrm{\ω}}_{s}t}$ $F_{\mathrm{dq}}^{-}=F_{\mathrm{\α\β}}^s{e}^{{\mathrm{j\ω}}_{s}t}$

$F_{\mathrm{dq}}^{+}=F_{\mathrm{\α\β}}^r{e}^{-j({\mathrm{\ω}}_s-{\mathrm{\ω}}_r)t}$ $F_{\mathrm{dq}}^{-}=F_{\mathrm{\α\β}}^r{e}^{j(-{\mathrm{\ω}}_s-{\mathrm{\ω}}_r)t}$

$F_{\mathrm{dq}}^{+}=F_{\mathrm{dq}}^{-}{e}^{-j2{\mathrm{\ω}}_{s}t}$ $F_{\mathrm{dq}}^{-}=F_{\mathrm{dq}}^{+}{e}^{j2{\mathrm{\ω}}_{s}t}$

其中，F广义地代表电压、电流和磁链；上标+，-，s，r表示正、反转同步速旋转坐标系、定子静止坐标系和转子旋转坐标系；

不平衡电网电压条件下，定、转子电压、电流和磁链可表示为正、反转同步速ω_s旋转dq+、dq-坐标系中相应正、负序分量的形式

$V_{\mathrm{sdq}}^{+}=V_{\mathrm{sdq}+}^{+}+V_{\mathrm{sdq}-}^{+}=V_{\mathrm{sdq}+}^{+}+V_{\mathrm{sdq}-}^{-}{e}^{-j2{\mathrm{\ω}}_{s}t}$

$I_{\mathrm{sdq}}^{+}=I_{\mathrm{sdq}+}^{+}+I_{\mathrm{sdq}-}^{+}=I_{\mathrm{sdq}+}^{+}+I_{\mathrm{sdq}-}^{-}{e}^{-j2{\mathrm{\ω}}_{s}t}$

${\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sdq}}^{+}={\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sdq}+}^{+}+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sdq}-}^{+}={\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sdq}+}^{+}+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sdq}-}^{-}{e}^{-j2{\mathrm{\ω}}_{s}t}$

$V_{\mathrm{rdq}}^{+}=V_{\mathrm{rdq}+}^{+}+V_{\mathrm{rdq}-}^{+}=V_{\mathrm{rdq}+}^{+}+V_{\mathrm{rdq}-}^{-}{e}^{-j2{\mathrm{\ω}}_{s}t}$

$I_{\mathrm{rdq}}^{+}=I_{\mathrm{rdq}+}^{+}+I_{\mathrm{rdq}-}^{+}=I_{\mathrm{rdq}+}^{+}+I_{\mathrm{rdq}-}^{-}{e}^{-j2{\mathrm{\ω}}_{s}t}$

${\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rdq}}^{+}={\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rdq}+}^{+}+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rdq}-}^{+}={\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rdq}+}^{+}+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rdq}-}^{-}{e}^{-j2{\mathrm{\ω}}_{s}t}$

其中，下标+，-表示相应的正、负序分量。可见，不平衡电网电压下各电量在正转同步速ω_s旋转坐标系中表现为直流量与两倍频交流量之和。以定子电压V_sdq ⁺为例，V_sdq+ ⁺表示在正转旋转坐标系中的正序分量，为直流量；V_sdq- ⁺表示在正转旋转坐标系中的负序分量，为两倍频交流量V_sdq- ^-e^-j2ω _s ^t。同理，各电量在反转同步旋转坐标系中亦表现为直流量与两倍频交流量之和；

(v)采用两倍电网频率的2ω_s陷波器13滤除正、反转同步旋转坐标系中电压矢量V_sdq ⁺、V_sdq ^-和电流矢量I_sdq ⁺、I_sdq ^-中的2ω_s频率交流成分，获得正、负序电压直流成分V_sdq+ ⁺、V_sdq- ^-和电流直流成分I_sdq+ ⁺、I_sdq- ^-；

(vi)采用定子磁链观测器14获取转子电流指令值计算模块15计算所需的正、反转同步旋转坐标系中定子磁链分量ψ_sdq+ ⁺、ψ_sdq- ^-，以及为进行反馈补偿解耦器23补偿所需的定子静止坐标系中的磁链分量ψ_sαβ ^s；

(vii)将得到的转子电流综合矢量I_rαβ ^r经过旋转坐标变换模块21转换为定子静止坐标系中的转子电流量I_rαβ ^r，它在电网电压不平衡条件下包含有电网电压频率的正序转子电流成分I_rdq+ ⁺e^j2ω _s ^t和负序转子电流成分I_rdq- ^-e^-j2ω _s ^t，它们分别以同步角速度ω_s和-ω_s在正、反方向旋转，

如图7所示，当电网电压不平衡时，在定子静止α_sβ_s坐标系中各电量可表示为

$V_{\mathrm{s\α\β}}^s=V_{\mathrm{sdq}}^{+}{e}^{j{\mathrm{\ω}}_{s}t}=(V_{\mathrm{sdq}+}^{+}+V_{\mathrm{sdq}-}^{-}{e}^{-j2{\mathrm{\ω}}_{s}t})e^{j{\mathrm{\ω}}_{s}t}=V_{\mathrm{sdq}+}^{+}{e}^{{\mathrm{j\ω}}_{s}t}+V_{\mathrm{sdq}-}^{-}{e}^{-j{\mathrm{\ω}}_{s}t}$

$I_{\mathrm{s\α\β}}^s=I_{\mathrm{sdq}}^{+}{e}^{j{\mathrm{\ω}}_{s}t}=(I_{\mathrm{sdq}+}^{+}+I_{\mathrm{sdq}-}^{-}{e}^{-j2{\mathrm{\ω}}_{s}t})e^{j{\mathrm{\ω}}_{s}t}=I_{\mathrm{sdq}+}^{+}{e}^{{\mathrm{j\ω}}_{s}t}+I_{\mathrm{sdq}-}^{-}{e}^{-j{\mathrm{\ω}}_{s}t}$

${\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α\β}}^s={\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sdq}}^{+}{e}^{j{\mathrm{\ω}}_{s}t}=({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sdq}+}^{+}+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sdq}-}^{-}{e}^{-j2{\mathrm{\ω}}_{s}t})e^{j{\mathrm{\ω}}_{s}t}={\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sdq}+}^{+}{e}^{{\mathrm{j\ω}}_{s}t}+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sdq}-}^{-}{e}^{-j{\mathrm{\ω}}_{s}t}$

$V_{\mathrm{r\α\β}}^s=V_{\mathrm{rdq}}^{+}{e}^{j{\mathrm{\ω}}_{s}t}=(V_{\mathrm{rdq}+}^{+}+V_{\mathrm{rdq}-}^{-}{e}^{-j2{\mathrm{\ω}}_{s}t})e^{j{\mathrm{\ω}}_{s}t}=V_{\mathrm{rdq}+}^{+}{e}^{{\mathrm{j\ω}}_{s}t}+V_{\mathrm{rdq}-}^{-}{e}^{-j{\mathrm{\ω}}_{s}t}$

$I_{\mathrm{r\α\β}}^s=I_{\mathrm{rdq}}^{+}{e}^{j{\mathrm{\ω}}_{s}t}=(I_{\mathrm{rdq}+}^{+}+I_{\mathrm{rdq}-}^{-}{e}^{-j2{\mathrm{\ω}}_{s}t})e^{j{\mathrm{\ω}}_{s}t}=I_{\mathrm{rdq}+}^{+}{e}^{{\mathrm{j\ω}}_{s}t}+I_{\mathrm{rdq}-}^{-}{e}^{-j{\mathrm{\ω}}_{s}t}$

${\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\α\β}}^s={\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rdq}}^{+}{e}^{j{\mathrm{\ω}}_{s}t}=({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rdq}+}^{+}+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rdq}-}^{-}{e}^{-j2{\mathrm{\ω}}_{s}t})e^{j{\mathrm{\ω}}_{s}t}={\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rdq}+}^{+}{e}^{{\mathrm{j\ω}}_{s}t}+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rdq}-}^{-}{e}^{-j{\mathrm{\ω}}_{s}t}$

即在定子静止α_sβ_s坐标系中，各电量均表现为正、负序交流成分之和，且分别以角频率ω_s和-ω_s(绝对值均为|ω_s|)旋转，其中旋转坐标变换模块21可用下式表达

$\left[\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{r\α}}^s\\ I_{\mathrm{r\β}}^s\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_r& -{\sin \mathrm{\θ}}_r\\ \sin {\mathrm{\θ}}_r& \cos {\mathrm{\θ}}_r\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{r\α}}^r\\ I_{\mathrm{r\β}}^r\end{array}\right];$

(viii)根据电网电压不平衡条件下DFIG所需的控制目标，由转子电流指令值计算模块15计算得到正、反转同步速旋转坐标系中的转子电流指令I_rdq+ ^+*、I_rdq- ^-*，将该电流指令值经过旋转坐标变换模块20转换为定子静止α_sβ_s坐标系中的转子电流指令值I_rαβ ^s*，并与定子静止坐标系中的转子电流反馈信号I_rαβ ^s相比较，获得误差信号ΔI_rαβ ^s；

旋转坐标变换模块20如图4所示，可用下列矢量变换关系表达

$I_{\mathrm{r\α\β}}^{s*}=[I_{\mathrm{rdq}+}^{+*}{e}^{j({\mathrm{\θ}}_s-{\mathrm{\θ}}_r)}+I_{\mathrm{rdq}-}^{-*}{e}^{j(-{\mathrm{\θ}}_s-{\mathrm{\θ}}_r)}]e^{-{\mathrm{j\θ}}_r};$

(ix)转子电流误差信号ΔI_rαβ ^s经过定子静止α_sβ_s坐标系中的比例-谐振控制器(PR)22作比例一谐振调节，调节后的信号经过反馈补偿解耦器23完成静止坐标系中α_s，β_s轴间的交叉解耦和动态反馈补偿，获取定子静止α_sβ_s坐标中的转子电压参考值V_rαβ ^s*；

由上述分析可知，定子静止α_sβ_s坐标系中转子电流表现为正、负序交流成分I_rdq+ ⁺e^jω _s ^t和I_rdq- ^-e^-jω _s ^t之和，且分别以角频率ω_s和-ω_s作正、反方向旋转，旋转角速度绝对值均为|ω_s|，故本发明提出了只需采用角频率ω_p＝ω_s的谐振器即可完全实现对I_rdq+ ⁺e_jωst和I_rdq- ^-e_jωst的全局调节跟踪，且对ω_s和-ω_s成分均有无限增益。比例一谐振控制器的原理图如图3所示，图中比例-谐振(PR)控制器22本体包括一个比例环节和一个定子静止坐标系中角频率ω_p＝ω_s的谐振环节，实现对转子电流误差信号 $\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{r\α\β}}^s=I_{\mathrm{r\α\β}}^{s*}-I_{\mathrm{r\α\β}}^s$ 的无静差调节。比例-谐振(PR)控制器的频域表达为

$C_{\mathrm{PR}}^s\left(s\right)=K_{\mathrm{iP}}+\frac{s{K}_{\mathrm{iR}}}{s^2+({\mathrm{\ω}}_s{)}^2}$

其中K_iP，K_iR为比例、谐振系数，

比例-谐振控制器的输出U_rαβ ^s*经补偿生成DFIG转子电压参考值V_rαβ ^s*以产生转子电流I_rαβ ^s实现不平衡电网电压条件下的运行控制。图3控制过程中的 $E_{\mathrm{r\α\β}}^s=L_m/L_s(V_{\mathrm{s\α\β}}^s-R_s{I}_{\mathrm{s\α\β}}^s)-j{\mathrm{\ω}}_r{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\α\β}}^s$ 为等效反电势干扰，而F(s)＝1/(sσL_r+R_r)为DFIG转子数学模型，式中，L_m，L_s，L_r分别为DFIG互感、定、转子自感， $\mathrm{\σ}=1-L_m^2/L_s{L}_r,$ R_r为转子电阻。

定子静止α_sβ_s坐标系中转子电压参考值可表示为

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{r\α}}^{s*}=R_r{I}_{\mathrm{r\α}}^s+U_{\mathrm{r\α}}^{s*}+\frac{L_m}{L_s}(V_{\mathrm{s\α}}^s-R_s{I}_{\mathrm{s\α}}^s)+{\mathrm{\ω}}_r{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\β}}^s\\ V_{\mathrm{r\β}}^{s*}=R_r{I}_{\mathrm{r\β}}^s+U_{\mathrm{r\β}}^{s*}+\frac{L_m}{L_s}(V_{\mathrm{s\β}}^s-R_s{I}_{\mathrm{s\β}}^s)-{\mathrm{\ω}}_r{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\α}}^s\end{array}\right.$

其中， $\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{r\α}}^{s*}=\frac{d}{\mathrm{dt}}{I}_{\mathrm{r\α}}^s=C_{\mathrm{PR}}^s\left(s\right)(I_{\mathrm{r\α}}^{s*}-I_{\mathrm{r\β}}^s)\\ U_{\mathrm{r\β}}^{s*}=\frac{d}{\mathrm{dt}}{I}_{\mathrm{r\β}}^s=C_{\mathrm{PR}}^s\left(s\right)(I_{\mathrm{r\β}}^{s*}-I_{\mathrm{r\β}}^s)\end{array}\right.,$ R_s为定子电阻；

(x)定子静止α_sβ_s坐标中的转子电压参考值V_rαβ ^s*通过旋转坐标变换模块10获得电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)模块19调制所需的转子坐标系中转子电压参考信号V_rαβ ^r*，经过SVPWM模块19调制后，获得控制DFIG运行的转子侧变换器1功率器件的开关信号S_a，S_b，S_c，实现不平衡电网电压条件下DFIG正、负序转子电流的闭环控制，以实现所要求的控制目标。

上述步骤viii中所说的控制目标可以是保持DFIG定子输出有、无功功率恒定、DFIG电磁转矩恒定、定子电流平衡或转子电流平衡等。采用正序定子电压V_sd+ ⁺矢量定向控制，几种不同控制目标下转子电流指令值可表示为：

(I)、保持DFIG输出有功功率平衡，即P_s sin2＝P_s cos2＝0，则

$I_{\mathrm{rd}+}^{+*}=\frac{L_s{V}_{\mathrm{sd}+}^{+}}{L_m{D}_3}{P}_{s0}-\frac{{4V}_{\mathrm{sd}+}^{+}{V}_{\mathrm{sd}-}^{-}{V}_{\mathrm{sq}-}^{-}}{D_3{L}_m},$ $I_{\mathrm{rq}+}^{+*}=-\frac{L_s{V}_{\mathrm{sd}+}^{+}(Q_{s0}+\frac{D_3}{L_s})}{L_m{D}_2}-\frac{{2V}_{\mathrm{sd}+}^{+}}{D_2{L}_m}(V_{\mathrm{sd}-}^{-2}-V_{\mathrm{sq}-}^{-2})$

$I_{\mathrm{rd}-}^{-*}=2V_{\mathrm{sq}-}^{-}/L_m-k_{\mathrm{dd}}{I}_{\mathrm{rd}+}^{+*}-k_{\mathrm{qd}}{I}_{\mathrm{rq}+}^{+*},$ $I_{\mathrm{rq}-}^{-*}=-2V_{\mathrm{sd}-}^{-}/L_m-k_{\mathrm{qd}}{I}_{\mathrm{rd}+}^{+*}+k_{\mathrm{dd}}{I}_{\mathrm{rq}+}^{+*}$

其中， $D_2=V_{\mathrm{sd}+}^{+2}+V_{\mathrm{sd}-}^{-2}+V_{\mathrm{sq}-}^{-2},D_3=V_{\mathrm{sd}+}^{+2}-(V_{\mathrm{sd}-}^{-2}+V_{\mathrm{sq}-}^{-2}),$ $k_{\mathrm{dd}}=V_{\mathrm{sd}-}^{-}/V_{\mathrm{sd}+}^{+},k_{\mathrm{qd}}=V_{\mathrm{sq}-}^{-}/V_{\mathrm{sd}+}^{+},$ P_s0 ^*，Q_s0 ^*

分别为DFIG输出平均有、无功功率的指令值；

(II)、保持转子电流无负序分量，即 $I_{\mathrm{rd}-}^{-}=I_{\mathrm{rq}-}^{-}=0,$ 则

$I_{\mathrm{rq}+}^{+*}=-\frac{L_s(Q_{s0}+\frac{D_3}{L_s})}{L_m{V}_{\mathrm{sd}+}^{+}};$

(III)、保持定子电流平衡，即 $I_{\mathrm{sd}-}^{-}=I_{\mathrm{sq}-}^{-}=0,$ 则

$I_{\mathrm{rd}+}^{+*}=\frac{L_s{P}_{s0}}{L_m{V}_{\mathrm{sd}+}^{+}}{I}_{\mathrm{rd}+}^{+*}=\frac{L_s{P}_{s0}}{L_m{V}_{\mathrm{sd}+}^{+}},I_{\mathrm{rq}+}^{+*}=-\frac{L_s(Q_{s0}+\frac{D_3}{L_s})}{L_m{V}_{\mathrm{sd}+}^{+}}$

$I_{\mathrm{rd}-}^{-*}=-V_{\mathrm{sq}-}^{-}/L_m,I_{\mathrm{rq}-}^{-*}=V_{\mathrm{sd}-}^{-}/L_m;$

(IV)、保持DFIG电磁转矩和输出无功功率恒定，即P_e sin2＝P_e cos2＝0，则

$I_{\mathrm{rd}+}^{+*}=\frac{L_s{V}_{\mathrm{sd}+}^{+}}{L_m{D}_2}{P}_{s0},$ $I_{\mathrm{rq}+}^{+*}=-\frac{L_s{V}_{\mathrm{sd}+}^{+}(Q_{s0}+\frac{D_3}{L_s})}{L_m{D}_3}$

$I_{\mathrm{rd}-}^{-*}=k_{\mathrm{dd}}{I}_{\mathrm{rd}+}^{+*}+k_{\mathrm{qd}}{I}_{\mathrm{rq}+}^{+*},$ $I_{\mathrm{rq}-}^{-*}=k_{\mathrm{qd}}{I}_{\mathrm{rd}+}^{+*}-k_{\mathrm{dd}}{I}_{\mathrm{rq}+}^{+*}.$

比较图2和图1可以看出，本发明所提出的实施方案在计算正、反转同步速旋转坐标系中各正、负序转子电流指令值I_rdq+ ^+*，I_rdq- ^-*时，虽仍需采用陷波器13来获取定子电压、电流的正、负序分量，但该陷波器13引入的延时是在转子电流控制环之外，因而不会影响转子电流内环控制的带宽和动态响应速度，且整个系统的动态响应速度主要由转子电流控制内环决定，故采用陷波器13来获取定子电压、电流的正、负序分量时引入的延时对系统控制带宽的影响较小。此外，在电网电压不平衡条件下采用本方法在对转子电流调节时均无需作正、负序相序分解，且每个不同频率的谐振器只对其对应频率成分具有无限增益。这样在电网电压严格平衡的情况下转子电流仅有正序分量，即在不同坐标系中只含一种频率ω_s成分(如α_sβ_s坐标系中I_rαβ ^s为I_rdq+ ⁺e^j2ω _s ^t)，此时仍均可实现对转子电流的无静差调节控制，故本发明能同时适用电网电压平衡及不平衡(包括小值稳态和大值瞬态不平衡)条件下变速恒频双馈异步风力发电机(DFIG)转子电流的有效控制。

图5和图6分别为采用DFIG传统控制方法和本发明控制方法在瞬态电网电压补平衡条件下的实施结果比较。在0.4s时刻电网电压发生不对称故障，0.8s时电网电压恢复。该实施案例中，选取保持电磁转矩恒定以减轻对风机系统的机械应力作为DFIG在不平衡电压下的控制目标。可以看出与传统的正、负序、双比例-积分调节器的DFIG控制方法比较，在电网电压不对称故障发生(0.4s)和清除(0.8s)瞬间，本发明方法无需对DFIG风电系统中转子电流实施正、负序分量分解，实现了对转子电流的无延时全局控制，如图6中图(g)，图(h)，图(i)，图(j)，从而快速实现了电网电压不平衡条件下(0.4s～0.8s期间)保持DFIG电磁转矩控制恒定的控制目标，同时DFIG定子输出无功功率也无波动，如图6中图(e)，图(f)所示。与此同时在电网电压故障清除时，控制系统能够快速、平稳地恢复至对称运行状态下，且在电网电压严格平衡下亦不会给系统带来不必要的分解和引入相应的延时，从而提高了DFIG风电系统在各种电网条件下的运行控制能力，改善了控制系统的动态品质，实现了电网故障下的穿越运行。

Claims (3)

1.变速恒频双馈异步风力发电机转子电流无延时控制方法，其特征在于包括以下步骤：

(i)利用两个电流霍尔传感器(2)分别采集三相定子电流I_sabc和转子电流信号I_rabc，电压霍尔传感器(7)采集三相定子电压信号V_sabc；

(ii)采集得到的三相定子电压信号V_sabc经软件锁相环(6)检测得到电网/定子电压角频率ω_s和相位θ_s；与此同时采用编码器(4)检测出DFIG转子位置θ_r及转速ω_r；以此为依据经分别计算得到滑差角度±θ_s-θ_r和滑差角频率ω_slip+＝ω_s-ω_r，ω_slip-＝-ω_s-ω_r；

(iii)将采集得到的三相定、转子电流信号I_sabc、I_rabc和定子电压信号V_sabc分别经过静止三相/二相坐标变换模块(3)，得到包含正、负序分量的定子电压综合矢量V_sαβ ^s，定、转子电流综合矢量I_sαβ ^s和I_rαβ ^r；

(iv)将得到的定子静止坐标系中定子电压、电流综合矢量V_sαβ ^s，I_sαβ ^s分别通过旋转坐标变换模块(8，9)，得到在电网电压不平衡条件下正、反转同步旋转坐标系中含有直流量与两倍频交流量之和的电压矢量V_sdq ⁺、V_sdq ^-和电流矢量I_sdq ⁺、I_sdq ^-；

(v)采用两倍电网频率2ω_s的陷波器(13)滤除正、反转同步旋转坐标系中电压矢量V_sdq ⁺、V_sdq ^-和电流矢量I_sdq ⁺、I_sdq ^-中的2ω_s频率交流成分，获得正、负序电压直流分量V_sdq+ ⁺、V_sdq- ^-和电流直流分量I_sdq+ ⁺、I_sdq- ^-；

(vi)采用定子磁链观测器(14)获取转子电流指令值计算模块(15)计算所需的正、反转同步旋转坐标系中的定子磁链直流分量ψ_sdq+ ⁺、ψ_sdq- ^-以及进行反馈补偿解耦模块(23)补偿所需的定子静止坐标系中磁链分量ψ_sαβ ^s；

(vii)将得到的转子电流综合矢量I_rαβ ^r经旋转坐标变换模块(21)转换为定子静止坐标系中的转子电流量I_rαβ ^s，它在电网电压不平衡条件下含有电网电压频率的正序转子电流成分I_rdq+ ⁺e^j2ωst和负序转子电流成分I_rdq- ^-e^-j2ωst，它们分别以同步角频率ω_s和-ω_s正、反向旋转；

(viii)根据电网电压不平衡条件下DFIG所需的控制目标，由转子电流指令值计算模块(15)计算得到正、反转同步速旋转坐标系中的转子电流指令I_rdq+ ^+*、I_rdq- ^-*，该电流指令值经过旋转坐标变换模块(20)转换为定子静止α_sβ_s坐标系中的转子电流指令值I_rαβ ^s*，并与定子静止坐标系中的转子电流反馈信号I_rαβ ^s相比较，获得误差信号ΔI_rαβ ^s；

(ix)转子电流误差信号ΔI_rαβ ^s经过定子静止α_sβ_s坐标系中的比例-谐振控制器(22)作比例-谐振调节，调节后输出信号经过反馈补偿解耦模块(23)完成静止坐标系中α_s，β_s轴间的交叉解耦和动态反馈补偿，获取定子静止α_sβ_s坐标中的转子电压参考值V_rαβ ^s*；

(x)定子静止α_sβ_s坐标中的转子电压参考值V_rαβ ^s*通过旋转坐标变换模块(10)，获得空间矢量脉宽调制模块(19)调制所需的转子坐标系中转子电压参考信号V_rαβ ^r*，该信号经过空间矢量脉宽调制模块(19)调制后，获得控制DFIG运行的转子侧变换器(1)功率器件开关信号S_a，S_b，S_c。

2.根据权利要求1所述的变速恒频双馈异步风力发电机转子电流无延时控制方法，其特征在于步骤(viii)中所说的控制目标为保持DFIG定子输出有、无功功率恒定、DFIG电磁转矩恒定、定子电流平衡或转子电流平衡。

3.根据权利要求1所述的变速恒频双馈异步风力发电机转子电流无延时控制方法，其特征在于定子静止α_sβ_s坐标系中的比例-谐振控制器(22)包括了一个比例环节和一个定子静止坐标系中角频率为ω_p＝ω_s的谐振器，其中角频率谐振器可实现对定子静止坐标系中角频率为ω_s的转子电流成分的无限增益调节。

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