CN101764567A - 永磁同步风力发电机复合矢量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及永磁同步风力发电机复合矢量控制方法，根据永磁同步风力发电机的数学模型和利用矢量控制方法控制定子电流矢量值的大小和方向，建立永磁同步风力发电机基于定子电流定向复合矢量控制策略。本发明通过以定子电流定向，在发电机切入速度与转折速度间采用最大转矩电流比控制方式以提高系统的发电功率，在转折速度至极限速度间，采用最大功率输出的弱磁控制方式，提高了系统效率，保证了系统的稳定性。

Description

永磁同步风力发电机复合矢量控制方法

技术领域

本发明涉及发电机的控制方法，特别是一种永磁同步风力发电机复合矢量控制方法。

技术背景

众所周知，风力发电是可再生能源中最廉价、最有前途而又取之不尽的绿色能源，目前国内外将永磁风力发电机作为风力发电机的一种主流机型。随着电力电子技术和永磁同步电机制造技术的发展，变速恒频风力发电技术中，采用PMSG的直驱系统由于省略了齿轮箱、发电机与电网之间没有直接耦合等特点，因而具有能量损失少、维护成本低、抗电网波动能力强、可靠性高等优点，从而成为变速恒频风力发电最具发展潜力的主流技术之一。

传统的永磁同步风力发电机矢量控制方法均为基于转子感应电动势e₀定向，一般仅采用单一的一种矢量控制策略(如id＝0控制，最大转矩电流比控制等)。而风力发电系统中，如果单纯采用一种矢量控制方法存在很多缺点，如基于最大转矩电流比控制方法只能兼顾转折速度以下，而转折速度以上采用此方法会导致变流器交流电压超过额定值运行；相反地，弱磁控制方法在转折速度以下会损失很大的发电量。可见，由于风力的大范围波动，使得采用传统的单一模式的矢量控制方法无法满足风力发电系统的控制要求。

发明内容

本发明的目的是解决上述技术难点，并提供一种能够提高系统的发电功率、提高系统的稳定性的一种永磁同步风力发电机复合矢量控制方法。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种永磁同步风力发电机复合矢量控制方法，包括下列顺序的步骤：

(1)根据永磁同步风力发电机的数学模型和矢量控制方法的本质为控制定子电流矢量值的大小和方向，建立永磁同步风力发电机基于定子电流定向复合矢量控制策略。

根据实时采集的永磁同步风力发电机定子三相交流电流及电压，并根据基于定子电流定向的控制坐标系

的定向角度，将三相交流电流转换为

轴的电流分量

风力发电系统中，风机控制器会发出转矩给定信号T_em ^*，根据永磁同步风力发电机的数学模型，可根据最大转矩电流比控制时的转矩到电流转换算法，得到定子电流给定值i_s ^*作为基于定子电流定向的

轴电流给定

轴电流给定

为0。

(2)当永磁同步风力发电机转子速度未超过转子转折速度ω_st时，对变流器实行基于定子电流定向复合矢量控制策略效果等同于最大转矩电流比控制；

(3)当永磁同步风力发电机转子速度超过转子转折速度ω_st时，对变流器实行基于定子电流定向复合矢量控制策略效果等同于采用最大功率输出的弱磁控制方式。

(4)在风速大范围快速波动时，根据实时检测的发电机定子电压，对变流器实行基于定子电流定向复合矢量控制策略可方便实行两种控制策略模式的自由切换控制。

在dq坐标系中，PMSG数学模型为：

u_d＝u_ssinδ＝-R_si_d-pL_di_d+ω_sL_qi_q               (1)

u_q＝u_scosδ＝-R_si_q-ω_sL_di_d-pL_qi_q+ω_sψ_f        (2)

T_em＝1.5p_n[ψ_fi_scosφ+0.5(L_q-L_d)i_s ²sin2φ]     (3)

P_em＝1.5ω_s[ψ_fi_scosφ+0.5(L_q-L_d)i_s ²sin2φ]    (4)

式中，u_d、u_q为u_s的d、q轴分量；T_em为电磁转矩；P_em为电磁功率；p为微分算子；p_n为极对数。

在dq坐标系中，当采用最大转矩电流比矢量控制时，永磁同步风力发电机为凸极式电机应满足：

$T_{\mathrm{em}}=1.5p_n{\mathrm{\ψ}}_f{i}_q-0.5i_q{p}_n\sqrt{{\mathrm{\ψ}}_f^2+4{(L_q-L_d)}^2{i}_q^2}---\left(5\right)$

$i_d=\frac{(-{\mathrm{\ψ}}_f+\sqrt{{\mathrm{\ψ}}_f^2+4{(L_q-L_d)}^2{i}_q^2})}{2(L_q-L_d)}---\left(6\right)$

$i_s=\sqrt{i_d^2+i_q^2}---\left(7\right)$

$\mathrm{\φ}=\mathrm{art}\tan \frac{i_d}{i_q}\≥0---\left(8\right)$

当永磁同步风力发电机为隐极式电机应满足：

i_d＝0                                (9)

对于定子电流，有：

${i_d}^2+{i_q}^2\≤i_{s\max }^2---\left(10\right)$

i_smax为变流器额定电流；

对于定子电压，根据式(1)、(2)，同时在较高转速下，忽略定子相电阻Rs的影响，从而有：

${u_d}^2+{u_q}^2={\left({\mathrm{\ω}}_s{L}_q{i}_q\right)}^2+{(-{\mathrm{\ω}}_s{L}_d{i}_d+{\mathrm{\ω}}_s{\mathrm{\ψ}}_f)}^2\≤u_{\mathrm{smas}}^2---\left(11\right)$

u_smax由变流器直流电压额定值决定；

永磁同步风力发电机的转折速度ω_st为：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{st}}=\frac{u_{\mathrm{smas}}}{\sqrt{{({\mathrm{\ψ}}_f-L_d{i}_d)}^2+{\left(L_q{i}_q\right)}^2}}|i_{\mathrm{smas}}=\sqrt{i_d^2+i_q^2}---\left(12\right)$

式(12)中的i_d、i_q值满足式(6)。

所述的永磁同步风力发电机的转折速度ω_st是指采用最大转矩电流比控制且恒转矩运行、定子电流为极限值时，定子电压达到允许的极限值时的转子速度。

由上述技术方案可知，本发明通过以定子电流定向，在发电机切入速度与转折速度间采用最大转矩电流比控制方式以提高系统的发电功率，在转折速度至极限速度间，采用最大功率输出的弱磁控制方式。采用最大转矩电流比控制来减小电机铜耗、降低变流器的电流容量，提高系统效率，获取最大发电功率；当PMSG在较高转速直至极限转速运行时，为保证变流器能实时工作在额定条件，对PMSG的控制不仅需考虑较大的输出功率，同时更需考虑变流系统的稳定性，为此需采用最大功率输出的弱磁控制方法。

附图说明

图1是PMSG空间矢量图；

图2是定子电流矢量轨迹图；

图3是本发明的控制框图；

图4是图3中转矩电流转换算法的框图；

图5是弱磁定向控制器的框图。

具体实施方式

永磁同步风力发电机复合矢量控制方法，包括下列顺序的步骤：(1)根据永磁同步风力发电机的数学模型和矢量控制方法的本质为控制定子电流矢量值的大小和方向，建立永磁同步风力发电机基于定子电流定向复合矢量控制策略。

根据实时采集的永磁同步风力发电机定子三相交流电流及电压，并根据基于定子电流定向的控制坐标系

的定向角度，将三相交流电流转换为轴的电流分量

风力发电系统中，风机控制器会发出转矩给定信号T_em ^*，根据永磁同步风力发电机的数学模型，可根据最大转矩电流比控制时的转矩到电流转换算法，得到定子电流给定值i_s ^*作为基于定子电流定向的

轴电流给定轴电流给定

为0。

(2)当永磁同步风力发电机转子速度未超过转子转折速度ω_st时，对变流器实行基于定子电流定向复合矢量控制策略效果等同于最大转矩电流比控制；

(3)当永磁同步风力发电机转子速度超过转子转折速度ω_st时，对变流器实行基于定子电流定向复合矢量控制策略效果等同于采用最大功率输出的弱磁控制方式。

(4)在风速大范围快速波动时，根据实时检测的发电机定子电压，对变流器实行基于定子电流定向复合矢量控制策略可方便实行两种控制策略模式的自由切换控制。

在dq坐标系中，PMSG数学模型为：

u_d＝u_ssinδ＝-R_si_d-pL_di_d+ω_sL_qi_q             (1)

u_q＝u_scosδ＝-R_si_q-ω_sL_di_d-pL_qi_q+ω_sψ_f      (2)

T_em＝1.5p_n[ψ_fi_scosφ+0.5(L_q-L_d)i_s ²sin2φ]   (3)

P_em＝1.5ω_s[ψ_fi_scosφ+0.5(L_q-L_d)i_s ²sin2φ]  (4)

式中，u_d、u_q为u_s的d、q轴分量，T_em为电磁转矩，P_em为电磁功率，p为微分算子，p_n为极对数。如图1所示，ψ_f为转子磁链，ψ_s为电枢合成磁链，u_s为定子相电压，i_s为定子相电流，Rs为定子相电阻，Lq、Ld为交、直轴电感，δ为功率角，α为功率因数角，φ为内功率因数角，ω_s为同步电角速度。dq坐标系中q轴以转子空载电动势e₀定向，

坐标系中

轴以定子电流矢量i_s定向。

若忽略发电机的损耗，则PMSG的电磁功率P_em为系统的发电功率P，在变流器额定条件下，为实时获取最大的发电功率P_max，需采用最大转矩电流比矢量控制。在dq坐标系中，当永磁同步风力发电机为凸极式电机应满足：

$T_{\mathrm{em}}=1.5p_n{\mathrm{\ψ}}_f{i}_q-0.5i_q{p}_n\sqrt{{\mathrm{\ψ}}_f^2+4{(L_q-L_d)}^2{i}_q^2}---\left(5\right)$

$i_d=\frac{(-{\mathrm{\ψ}}_f+\sqrt{{\mathrm{\ψ}}_f^2+4{(L_q-L_d)}^2{i}_q^2})}{2(L_q-L_d)}---\left(6\right)$

$i_s=\sqrt{i_d^2+i_q^2}---\left(7\right)$

$\mathrm{\φ}=\mathrm{art}\tan \frac{i_d}{i_q}\≥0---\left(8\right)$

当永磁同步风力发电机为隐极式电机应满足：

i_d＝0                        (9)

如图2所示，在最大转矩电流比控制时，根据式(5)至式(7)，在一定的转矩给定条件下，i_s与T_em的函数关系便可唯一确定，并且可明确i_s在dq坐标系中的轨迹，如曲线OBA所示。

在实际兆瓦级的风力发电系统中，PMSG是由电流可控的变流器控制发电，而变流器的变送电能力会受到其容量的限制，因此当电机工作在较高转速直至极限转速时，其定子电流和电压均有一个极限值。对于定子电流，有：

${i_d}^2+{i_q}^2\≤i_{s\max }^2---\left(10\right)$

i_smax为变流器额定电流；

对于定子电压，根据式(1)、(2)，同时在较高转速下，忽略定子相电阻Rs的影响，从而有：

${u_d}^2+{u_q}^2={\left({\mathrm{\ω}}_s{L}_q{i}_q\right)}^2+{(-{\mathrm{\ω}}_s{L}_d{i}_d+{\mathrm{\ω}}_s{\mathrm{\ψ}}_f)}^2\≤u_{\mathrm{smas}}^2---\left(11\right)$

u_smax由变流器直流电压额定值决定；

永磁同步风力发电机的转折速度ω_st为：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{st}}=\frac{u_{\mathrm{smas}}}{\sqrt{{({\mathrm{\ψ}}_f-L_d{i}_d)}^2+{\left(L_q{i}_q\right)}^2}}|i_{\mathrm{smas}}=\sqrt{i_d^2+i_q^2}---\left(12\right)$

式(12)中的i_d、i_q值满足式(6)。所述的永磁同步风力发电机的转折速度ω_st是指采用最大转矩电流比控制且恒转矩运行、定子电流为极限值时，定子电压达到允许的极限值时的转子速度。

当转速超过ω_st，如仍然采用最大转矩电流比矢量控制，则在额定转矩条件下，电机的定子线电压峰值将会超过变流器直流侧电压值，从而使变流器失去电流控制能力，系统稳定性将受到极大影响。为此在ω_st至极限速度间，需要采用弱磁控制方式，并且此控制方式下系统仍然能获取到最大的发电功率。

弱磁控制的定子电流矢量轨迹如图2电流极限圆的AC所示，可见电流矢量幅值保持不变，但相位变化。并且由式(10)、(11)可得，极限电流矢量轨迹为一个圆，而极限电压矢量轨迹为一个随转速ω_st变化的椭圆，当为隐极式时为极限圆。图2中，ω_st为转折速度，A点对应的电磁转矩为T_em1，其为ω_st状态下可以输出的最大转矩，当转速进一步升高到ω_s2，最大转矩电流比矢量控制电流轨迹与电压极限椭圆相交于B点，此点对应的转矩为T_em2(T_em2＜T_em1)，但如果此时电流偏离最大转矩电流比控制时的电流轨迹，从A点直接移动到C点，则电机可以输出较大的电磁转矩T_em3(T_em2＜T_em3＜T_em1)，比较电机的电磁功率P_em，则有P_em2＜P_em1＜P_em3，从而当风速过高时，在保证系统平稳运行的基础上，采用此种弱磁控制仍然能保证电机的最大发电功率。

从以上分析可得：在不同的转速点和转矩条件下，只要控制定子电流按OBAC的轨迹运行，便可实现最大转矩电流比和弱磁的相互切换控制。为此，可建立基于定子电流矢量方向的定向坐标系

根据式(5)至式(7)的转矩到电流的转换关系，求出i_s的幅值，便可实现本发明的复合矢量控制方法。

如图3所示，转矩给定T_em ^*由风机控制器发出，经过转矩到电流转换算法，得到定子电流给定值i_s ^*作为基于定子电流定向的轴电流给定

轴电流给定

为0；复合矢量控制坐标系定向角度

则通过转子速度及位置检测以及弱磁定向控制器和式(8)获取。当进行最大转矩电流比控制时，弱磁定向控制器不调节，Δφ为0，控制坐标系定向角度

由检测的转子位置角θ_s和φ获得。当定子电压值大于u_smax时，系统需进入弱磁控制调节，此刻由式(5)至式(7)提供的i_q ^*与i_d ^*与实际的id_，i_q值不相等，从而由式(8)计算的φ值将不准确，弱磁定向控制器开始调节，输出内功率因数角偏差值Δφ，调节控制坐标系角度，以控制定子电压在允许的最大值。图5中，u_s为可调量，通过闭环调节Δφ，使u_s实时跟踪u_smax值，从而实现控制坐标系的定向。

Claims (5)

1.永磁同步风力发电机复合矢量控制方法，其特征在于：根据永磁同步风力发电机的数学模型和利用矢量控制方法控制定子电流矢量值的大小和方向，建立永磁同步风力发电机基于定子电流定向复合矢量控制策略；

所述的控制策略根据实时采集的永磁同步风力发电机定子三相交流电流及电压，并根据基于定子电流定向的控制坐标系

的定向角度，将三相交流电流转换为

轴的

电流分量

风力发电系统中，风机控制器发出转矩给定信号T_em ^*，根据永磁同步风力发电机的数学模型，根据最大转矩电流比控制时的转矩到电流转换算法，得到定子电流给定值i_s ^*作为基于定子电流定向的

轴电流给定

轴电流给定

为0。

2.根据权利要求1所述的永磁同步风力发电机复合矢量控制方法，其特征在于：在dq坐标系中，所述数学模型为PMSG数学模型，其中：

u_d＝u_s sinδ＝-R_si_d-pL_di_d+ω_sL_qi_q                (1)

u_q＝u_s cosδ＝-R_si_q-ω_sL_di_d-pL_qi_q+ω_sψ_f         (2)

T_em＝1.5p_n[ψ_fi_s cosφ+0.5(L_q-L_d)i_s ² sin2φ]     (3)

P_em＝1.5ω_s[ψ_fi_s cosφ+0.5(L_q-L_d)i_s ² sin2φ]    (4)

式中，u_d、u_q为u_s的d、q轴分量；T_em为电磁转矩；P_em为电磁功率；p为微分算子；p_n为极对数。

3.根据权利要求1所述的永磁同步风力发电机复合矢量控制方法，其特征在于：在dq坐标系中，当采用最大转矩电流比矢量控制时，永磁同步风力发电机为凸极式电机应满足：

$T_{\mathrm{em}}=1.5p_n{\mathrm{\ψ}}_f{i}_q-0.5i_q{p}_n\sqrt{{\mathrm{\ψ}}_f^2+4{(L_q-L_d)}^2{i}_q^2}---\left(5\right)$

$i_d=\frac{(-{\mathrm{\ψ}}_f+\sqrt{{\mathrm{\ψ}}_f^2+4{(L_q-L_d)}^2{i}_q^2})}{2(L_q-L_d)}---\left(6\right)$

$i_s=\sqrt{i_d^2+i_q^2}---\left(7\right)$

$\mathrm{\φ}=\mathrm{art}\tan \frac{i_d}{i_q}\≥0---\left(8\right)$

当永磁同步风力发电机为隐极式电机应满足：

i_d＝0           (9)。

4.根据权利要求1所述的永磁同步风力发电机复合矢量控制方法，其特征在于：对于定子电流，应满足：

${i_d}^2+{i_q}^2\≤i_{s\max }^2---\left(10\right)$

i_smax为变流器额定电流；

对于定子电压，根据式(1)、(2)，同时在较高转速下，忽略定子相电阻Rs的影响，从而有：

${u_d}^2+{u_q}^2={\left({\mathrm{\ω}}_s{L}_q{i}_q\right)}^2+{(-{\mathrm{\ω}}_s{L}_d{i}_d+{\mathrm{\ω}}_s{\mathrm{\ψ}}_f)}^2\≤u_{s\max }^2---\left(11\right)$

u_smax由变流器直流电压额定值决定；

永磁同步风力发电机的转折速度ω_st为：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{st}}=\frac{u_{s\max }}{\sqrt{{({\mathrm{\ψ}}_f-L_d{i}_d)}^2+{\left(L_q{i}_q\right)}^2}}{|}_{i_{s\max }=\sqrt{i_d^2+i_q^2}}---\left(12\right)$

式(12)中的i_d、i_q值满足式(6)。

5.根据权利要求1所述的永磁同步风力发电机复合矢量控制方法，其特征在于：所述的永磁同步风力发电机的转折速度ω_st是指采用最大转矩电流比控制且恒转矩运行、定子电流为极限值时，定子电压达到允许的极限值时的转子速度。

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