CN101977011A - 电网电压三相对称跌落故障下双馈风力发电机的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于风力发电机功率变换装置控制领域，涉及一种电网电压三相对称跌落故障下双馈风力发电机(DFIG)的控制方法：计算两相静止坐标系下的定子电压、定子电流和转子电流；计算磁链及同步旋转坐标下d、q轴定子电压与定子电流；计算滑差角度和滑差角速度；计算旋转坐标下d、q轴转子电流；计算定子有功功率、无功功率和电磁转矩；计算转子解耦补偿电压；根据补偿目标，将旋转坐标下d、q轴转子电流通过带通滤波器和超前滞后环节后得到转子电流的一次分量实际值，将此实际值与一次分量给定值做差并通过PI控制器，计算得到一次分量补偿项；计算旋转坐标系下转子d轴电流的给定值；将转速给定值旋转角速度实际值的差经过PI控制器后，计算得到旋转坐标系下转子q轴电流的给定值；计算得到旋转坐标系下d、q轴转子电压的参考值；计算转子两相静止坐标系下的转子电压，并生成控制功率器件的开关信号。本发明可以有效抑制电网电压三相对称跌落引起的DFIG转子电流震荡，实现双馈风力发电机的不脱网运行，提高DFIG在电网电压三相对称跌落下的运行性能。

Description

电网电压三相对称跌落故障下双馈风力发电机的控制方法

技术领域

本发明涉及一种电网电压三相对称跌落故障下双馈风力发电机(DFIG)转子侧逆变器的控制方法，属于风力发电机控制领域。

背景技术

基于双馈感应发电机(DFIG)的变速风电机组由于具有能量转换效率高，有功和无功功率独立调节等优点，成为世界风电市场上的主流机型。DFIG定子侧直接和电网相连，对电网故障非常敏感。电网电压三相对称跌落会造成发电机定子电压突变，定子电流产生振荡，同时发电机定子有功和无功功率和电磁转矩也会出现震荡现象。另外，由于转子与定子之间的强耦合，突变的定子电压会导致转子电流大幅波动，影响到双馈电机的运行状态。当电网电压三相对称跌落达到一定程度时，为保护变频装置的运行安全，风电机组将不得不从电网中解列。大规模风电机组从电网解列，将进一步恶化电网，对电网的稳定运行造成严重影响。对此，电网运营商要求风电机组在电网电压发生跌落故障时，在一定范围内风力发电机不能脱离电网，并向电网提供有功和无功支持。例如，英国国家电网要求在图1所示的电压范围内风电场能够不脱网运行。图中电压范围所指为风电场连接点电压，由于发电机和连接点存在电气隔离，电网故障时发电机机端电压跌落程度会小于连接点电压跌落程度。

目前国内、外对电网三相对称跌落故障下DFIG转子侧的控制方法主要是采用了转子短路保护技术。该方法在电网故障时，虽然保护了励磁变流器和转子绕组，但此时发电机运行在感应电动机方式，需要从电网吸收大量的无功功率，这将进一步恶化电网；第二，保护电路的投切操作会对系统产生暂态冲击；另外，加设新的保护装置提高了系统成本。有学者引入新型拓扑结构，该方案控制复杂，且由于该方案在输电系统故障时发电机脱网运行，因此对电网恢复正常运行起不到积极的支持作用；同样，该方案需要增加系统的成本。

采用改进的励磁控制算法通过对转子侧的控制在一定程度上能够弥补电网电压三相对称跌落对双馈电机运行所造成的影响。其优点在于无需提高系统成本，且在电网跌落时可以给电网提供有功无功支持。因此，有必要设计一种电网电压三相对称跌落故障下DFIG转子电流的控制方法。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，提供一种电网电压三相对称跌落故障下DFIG转子电流控制方法，该方法不需要添设额外的硬件装置，可以有效抑制电网电压三相对称跌落引起的DFIG转子电流震荡，实现双馈风力发电机的不脱网运行，提高DFIG在电网电压三相对称跌落下的运行性能。为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案来实现：

一种电网电压三相对称跌落故障下双馈风力发电机的控制方法，包括下列步骤：

(1)检测三相定子电压，三相定子电流，三相转子电流和转子位置角并计算旋转角速度；

(2)将检测到的三相定子电压、三相定子电流和三相转子电流经3/2变换模块得到两相静止坐标系下的定子电压、定子电流和转子电流；

(3)将定子两相静止坐标系下的定子电压信号经软件锁相环，得到定子磁链以及定子磁链位置角，并将定子电压与定子电流以定子磁链位置角进行Park变换，得到同步旋转坐标下d、q轴定子电压与定子电流；根据步骤(1)得到的转子位置角计算滑差角度，对滑差角度微分得到滑差角速度；根据步骤(2)中计算得到的两相静止坐标系下的转子电流以滑差角度进行Park变换，得到旋转坐标下d、q轴转子电流；

(4)根据两相旋转坐标下的定子电压、定子电流计算定子无功功率；根据定子磁链、滑差角速度及旋转坐标下的转子电流计算转子解耦补偿电压；根据补偿目标，将旋转坐标下d、q轴转子电流通过带通滤波器和超前滞后环节后得到转子电流的一次分量实际值，将此实际值与一次分量给定值做差并通过PI控制器，计算得到一次分量补偿项；

(5)将定子无功功率的给定值与步骤(4)得到的定子无功功率的实际值的差经过PI控制器后，计算得到旋转坐标系下转子d轴电流的给定值；将转速给定值与步骤(1)计算得到的旋转角速度实际值的差经过PI控制器后，计算得到旋转坐标系下转子q轴电流的给定值；

(6)将步骤(5)中计算得到的旋转坐标系下d、q轴转子电流的两个给定值分别与步骤(3)所计算得到的旋转坐标系下的d、q轴转子电流相减，然后经过PI控制器计算得到旋转坐标系下d、q轴转子电压的参考值；

(7)将旋转坐标系下d、q轴转子电压参考值分别与各自的转子解耦补偿电压和一次分量补偿项相加，以滑差角度为变换角进行反Park变换，得到转子两相静止坐标系下的转子电压；该转子电压信号经过空间矢量脉宽调制后，产生控制功率器件的开关信号。

作为进一步的实施方式，步骤(4)中所述的控制目标是：抑制转子过电流；步骤(4)中所述带通滤波器角频率ω_o设置为同步角速度ω_s。

本发明的控制方法在不改动硬件结构的情况下，仅通过在传统有功、无功功率解耦的矢量控制的两个电压内环中分别加入电压补偿控制环节来补偿电网电压三相对称跌落瞬间发电机转子产生的一次分量，抑制电网电压跌落所带来的转子过电流，实现双馈风力发电机的稳定控制和不脱网运行。同时，由于转子电流得到很好抑制，定子电流，定子有功、无功功率以及电磁转矩在电网对称跌落故障时产生的一次分量也得到相应的改善。

附图说明

图1为英国国家电网对电网故障时风电场不脱网运行的电压范围要求。

图2为电网电压三相对称跌落故障下双馈风力发电机转子电流控制原理图。

图3为定子电压50％三相对称跌落故障下采用传统矢量控制方法的电流控制效果图，图中(a)为定子三相电压U_sabc(KA)；(b)为转子三相电流I_rabc(KA)；(c)为定子三相电流I_sabc(KA)；(d)为电机转速n(r/min)。

图4为定子电压50％三相对称跌落故障下采用本发明控制方法的电流抑制效果图，图中(a)为定子三相电压U_sabc(KA)；(b)为转子三相电流I_rabc(KA)；(c)为定子三相电流I_sabc(KA)；(d)为电机转速n(r/min)。

图5为定子电压50％三相对称跌落故障下采用传统矢量控制方法的转矩和功率控制效果图，图中(a)为电磁转矩T_e(KN·m)；(b)为定子有功功率P_s(MW)；(c)为定子无功功率Q_s(MVar)。

图6为定子电压50％三相对称跌落故障下采用本发明控制方法的转矩和功率控制效果图，图中(a)为电磁转矩T_e(KN·m)；(b)为定子有功功率P_s(MW)；(c)为定子无功功率Q_s(MVar)。

图7为定子电压80％三相对称跌落故障下采用传统矢量控制方法的效果图，图中(a)为定子三相电压U_sabc(KA)；(b)为转子三相电流I_rabc(KA)；(c)为定子三相电流I_sabc(KA)；(d)为电机转速n(r/min)。

图8为定子电压80％三相对称跌落故障下采用本发明控制方法的效果图，图中(a)为定子三相电压U_sabc(KA)；(b)为转子三相电流I_rabc(KA)；(c)为定子三相电流I_sabc(KA)；(d)为电机转速n(r/min)。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

与单相电压跌落和两相对地电压跌落相比，三相对称跌落故障通常是电力系统中危害最大的短路故障。电网电压三相对称跌落故障会造成的发电机定子电压的跌落，定子电压的变化将引起发电机定子磁链发生改变。正常情况下发电机定、转子电压方程可表示为空间矢量形式：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_s^s=R_s{i}_s^s+\frac{d{\mathrm{\ψ}}_s^s}{\mathrm{dt}}\\ u_r^r=R_r{i}_r^r+\frac{d{\mathrm{\ψ}}_r^r}{\mathrm{dt}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中：u、i、ψ、R分别代表静止坐标系下电压、电流、磁链和电阻。上标“s”和“r”分别表示定子和转子参考轴系，下标“s”和“r”分别表示定子和转子变量。

在电网电压三相对称跌落故障发生时，定子电压瞬间发生跌落，在忽略定子电阻的情况下，由式(1)可以看出，定子磁链将跟着产生变化。然而，根据超导体闭合回路磁链守恒原理和楞次定律可知，虽然定子电压发生了突变，但故障瞬间发电机定子磁链将保持恒定不变。即定子磁链中将产生暂态直流分量来维持电压跌落瞬间发电机定子磁链恒定。如果考虑定子电阻的影响，此直流分量会随时间衰减。假设在故障发生瞬间只考虑电磁暂态过程，而不计机械暂态过程，即在暂态过程期间发电机保持转速不变。由于故障发生时，发电机转子还以故障前转速旋转，定子磁链直流分量和转子的相对速度为电机转速，定子磁链直流分量会对转子磁链产生影响。根据闭合回路磁链守恒原理，为了保持转子磁链守恒，转子回路中将出现频率为电机转速的交流电流分量，这个交流电流分量将产生一个相同频率的磁链来抵消定子磁链对转子的影响。转子感生的交流电流即是故障发生时转子产生大电流的主要原因。根据式(1)，故障发生时转子磁链保持恒定，转子电压将随电流一起产生转速频率的交流分量。转子感生的频率为转子转速的交流电流、磁链和电压分量，经坐标变换到定子静止坐标系均为一个直流分量，这可以理解为定子直流分量对转子影响的逆过程，实际上，转子电流同样也对定子磁链产生影响。

根据以上电网电压三相对称跌落故障时暂态电磁关系的分析可知，如果通过对转子励磁电压的补偿来抑制转子的感应电流，可以抵消定子磁链暂态直流分量对发电机转子侧的不良影响，使双馈发电机能够在电网电压三相跌落故障发生时保证发电机的不脱网运行。

图2为电网电压三相对称跌落故障下双馈风力发电机转子电流控制原理图。其控制方法具体包括如下步骤：

(1)采用电压传感器和电流传感器分别检测三相定子电压V_sabc，三相定子电流I_sabc，三相转子电流I_rabc，采用编码器检测转子位置角θ_r并计算旋转角速度ω_r；

(2)将步骤(1)检测到的三相定子电压V_sabc、三相定子电流I_sabc和三相转子电流I_rabc经3/2变换模块得到两相静止坐标系下的定子电压V_sαβ、定子电流I_sαβ和转子电流I_rαβ；

(3)将定子两相静止坐标系下的定子电压信号V_sαβ经软件锁相环，得到定子磁链ψ_s以及定子磁链位置角θ_s；定子电压V_sαβ与定子电流I_sαβ以定子磁链位置角θ_s进行Park变换，得到同步旋转坐标下的定子电压u_sd、u_sq与定子电流i_sd、i_sq；根据步骤(1)得到的转子位置角θ_r计算得到滑差角度θ_s-θ_r，滑差角度微分得到滑差角速度ω_sl。根据步骤(2)中计算得到的两相静止坐标系下的转子电流I_rαβ以滑差角度θ_s-θ_r进行Park变换，得到旋转坐标下的转子电流i_rd、i_rq；

(4)通过步骤(3)计算得到的两相旋转坐标下的定子电压u_sd、u_sq，定子电流i_sd、i_sq和转子电流i_rd、i_rq计算得到定子有功功率P_s、无功功率Q_s和电磁转矩T_e；用步骤(3)中得到的定子磁链ψ_s、滑差角速度ω_sl及转子电流i_rd、i_rq计算转子解耦补偿电压u_rd’、u_rq’。根据控制目标，将旋转坐标下d、q轴转子电流通过带通滤波器和超前滞后环节后得到转子电流的一次脉动实际值，将此实际值与一次脉动给定值做差并通过PI控制器，计算得到一次分量补偿项u_crd、u_crq；

(5)将定子无功功率的给定值Q_s ^*与步骤(4)计算得到的定子无功功率的实际值Q_s的差经过PI控制器后，计算得到旋转坐标系下转子d轴电流的给定值i_rd ^*；将转速给定值ω_r ^*与步骤(1)计算得到的旋转角速度实际值ω_r的差经过PI控制器后，计算得到旋转坐标系下转子q轴电流的给定值i_rq ^*；

(6)将步骤(5)中计算得到的旋转坐标系下转子d、q轴电流的给定值i^rd*和i_rq ^*分别与步骤(3)所计算得到的旋转坐标系下的d、q轴转子电流i_rd和i_rq相减，然后经过PI控制器计算得到旋转坐标系下转子d、q轴电压的参考值u_rd ^*和u_rq ^*；

(7)步骤(6)计算得到的旋转坐标系下的转子电压参考值u_rd ^*、u_rq ^*分别与步骤(4)中计算得到的各自的转子解耦补偿电压u_rd’、u_rq’和一次分量补偿项u_crd、u_crq相加，以步骤(3)中检测到的滑差角度θ_s-θ_r为变换角进行反Park变换，得到转子两相静止坐标系下的转子电压V_rαβ；该转子电压信号经过空间矢量脉宽调制后，产生控制功率器件的开关信号。

本发明的设计要点即是在上述电网电压三相对称跌落故障下双馈风力发电机的控制方法中，通过分析多电流产生的原因及过电流的特点，利用电压补偿环对转子感应电流进行抑制。实现了电网电压三相对称跌落故障下双馈风力发电机的不脱网运行。

所述电网电压三相对称跌落故障下双馈风力发电机的控制方法原理分析如下：

首先对传统定子磁链定向的有功、无功功率解耦矢量控制进行分析。定子磁链定向的旋转坐标系下的双馈电机数学模型推导如下：

当定子和转子侧取电动机惯例时，双馈发电机在同步旋转坐标系下的基本方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{sd}}=R_s{i}_{\mathrm{sd}}+\frac{{\mathrm{d\ψ}}_{\mathrm{sd}}}{\mathrm{dt}}-{\mathrm{\ω}}_s{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sq}}\\ u_{\mathrm{sq}}=R_s{i}_{\mathrm{sq}}\frac{{\mathrm{d\ψ}}_{\mathrm{sq}}}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{\ω}}_s{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sd}}\\ u_{\mathrm{rd}}=R_r{i}_{\mathrm{rd}}+\frac{{\mathrm{d\ψ}}_{\mathrm{rd}}}{\mathrm{dt}}-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{sl}}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rq}}\\ u_{\mathrm{rq}}=R_r{i}_{\mathrm{rq}}+\frac{{\mathrm{d\ψ}}_{\mathrm{rq}}}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{sl}}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rd}}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中u_sd、u_sq分别为定子电压的d、q轴分量，u_rd、u_rq分别为转子电压的d、q轴分量，i_sd、i_sq分别为定子电流的d、q轴分量，i_rd、i_rq分别为转子电流的d、q轴分量，ψ_sd、ψ_sq分别为定子磁链的d、q轴分量，ψ_rd、ψ_rq分别为转子磁链的d、q轴分量；R_s、R_r分别为定、转子电阻；ω_s为同步旋转角速度，ω_r为转子旋转角速度，ω_sl为转差角速度，ω_sl＝(ω_s-ω_r)

磁链方程：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sd}}=L_s{i}_{\mathrm{sd}}+L_m{i}_{\mathrm{rd}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sq}}=L_s{i}_{\mathrm{sq}}+L_m{i}_{\mathrm{rq}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rd}}=L_m{i}_{\mathrm{sd}}+L_r{i}_{\mathrm{rd}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rq}}=L_m{i}_{\mathrm{sq}}+L_r{i}_{\mathrm{rq}}\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中L_s为定子自感，L_r为转子自感，L_m为定子与转子互感。

把同步旋转坐标系的d轴定向在定子磁链上，即令ψ_sd＝ψ_s，ψ_sq＝0。由公式(3)中的前两式可推导得：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{sd}}=\frac{{\mathrm{\ψ}}_s}{L_s}-\frac{L_m}{L_s}{i}_{\mathrm{rd}}\\ i_{\mathrm{sq}}=-\frac{L_m}{L_s}{i}_{\mathrm{rq}}\end{array}\right.---\left(\text{4}\right)$

将公式(4)与公式(2)中的后两式和公式(3)中的后两式联立可得：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{rd}}=R_r{i}_{\mathrm{rd}}+{\mathrm{\σL}}_r\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{rd}}}{\mathrm{dt}}-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{sl}}\mathrm{\σ}{L}_r{i}_{\mathrm{rq}}\\ u_{\mathrm{rq}}=R_r{i}_{\mathrm{rq}}+\mathrm{\σ}{L}_r\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{rq}}}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{sl}}(\mathrm{\σ}{L}_r{i}_{\mathrm{rd}}+\frac{L_m}{L_s}{\mathrm{\ψ}}_s)\end{array}\right.---\left(5\right)$

其中， $\mathrm{\σ}=1-L_m^2/\left(L_r{L}_s\right)$

在传统定子磁链定向矢量控制的基础上，推导转子电流的一次分量表达式，过程推导如下：

由以上电网电压三相对称跌落故障时暂态电磁关系的分析可知，故障发生时转子电压和电流可表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{rd}}=u_{\mathrm{rd}0}+u_{\mathrm{rd}1}\\ u_{\mathrm{rq}}=u_{\mathrm{rq}0}+u_{\mathrm{rq}1}\\ i_{\mathrm{rd}}=i_{\mathrm{rd}0}+i_{\mathrm{rd}1}\\ i_{\mathrm{rq}}=i_{\mathrm{rq}0}+i_{\mathrm{rq}1}\end{array}\right.---\left(6\right)$

其中u_rd0，u_rq0，i_rd0，i_rq0分别表示dq坐标系中转子电压和电流直流分量，u_rd1，u_rq1，i_rd1，i_rq1分别表示dq坐标系中转子电压和电流一次分量。

设ψ_sd＝ψ_s，ψ_sq＝0，故障发生时定子磁链可表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_s={\mathrm{\ψ}}_{s0}+{\mathrm{\ψ}}_{s1}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sq}}=0\end{array}\right.---\left(7\right)$

其中ψ_s0表示dq坐标系中转子磁链直流分量，ψ_s1表示dq坐标系中转子磁链一次分量。

由式(5)可得：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{rd}}}{\mathrm{dt}}=-\frac{R_r{i}_{\mathrm{rd}}}{{\mathrm{\σL}}_r}+\frac{u_{\mathrm{rd}}}{\mathrm{\σ}{L}_r}+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{sl}}{i}_{\mathrm{rq}}\\ \frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{rq}}}{\mathrm{dt}}=\frac{R_r{i}_{\mathrm{rq}}}{\mathrm{\σ}{L}_r}+\frac{u_{\mathrm{rq}}}{{\mathrm{\σL}}_r}-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{sl}}(i_{\mathrm{rd}}+\frac{L_m}{L_s{L}_r\mathrm{\σ}}{\mathrm{\ψ}}_s)\end{array}\right.---\left(8\right)$

联立式(6)和(8)，并将系统的一次分量提出得：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{rd}1}}{\mathrm{dt}}=-\frac{R_r{i}_{\mathrm{rd}1}}{\mathrm{\σ}{L}_r}+\frac{u_{\mathrm{rd}1}}{\mathrm{\σ}{L}_r}+{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{sl}}i}_{\mathrm{rq}1}\\ \frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{rq}1}}{\mathrm{dt}}=-\frac{R_r{i}_{\mathrm{rq}1}}{\mathrm{\σ}{L}_r}+\frac{u_{\mathrm{rq}1}}{\mathrm{\σ}{L}_r}-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{sl}}(i_{\mathrm{rd}1}+\frac{L_m{\mathrm{\ψ}}_{s2}}{L_s{L}_r\mathrm{\σ}})\end{array}\right.---\left(9\right)$

由式(9)可知，定、转子电流的一次量可由相应的d、q轴电压进行控制。

以上分析了电网电压三相对称跌落故障下转子电流的一次分量表达式，下面以此为依据设计电压补偿环节来满足不脱网运行的要求。推导过程如下：

根据基于定子磁链定向的DFIG控制策略和推导出的一次分量表达式，可建立如图所示2的DFIG控制系统，系统由主控制系统和电压补偿环节两部分组成。主控制系统设计

基于定子磁链定向的DFIG系统dq轴电流可以按式(5)进行设计。

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{rd}}=R_r{i}_{\mathrm{rd}}+\mathrm{\σ}{L}_r{V}_{\mathrm{rd}}-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{sl}}\mathrm{\σ}{L}_r{i}_{\mathrm{rq}}\\ u_{\mathrm{rq}}=R_r{i}_{\mathrm{rq}}+\mathrm{\σ}{L}_r{V}_{\mathrm{rq}}+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{sl}}(\mathrm{\σ}{L}_r{i}_{\mathrm{rd}}+\frac{L_m}{L_s}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sd}})\end{array}\right.---\left(10\right)$

V_rd、V_rq可分别按下式进行调节：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{rd}}={\mathrm{di}}_{\mathrm{rd}}/\mathrm{dt}=k_{p0}(i_{\mathrm{rd}}^{*}-i_{\mathrm{rd}})+k_{i0}\∫(i_{\mathrm{rd}}^{*}-i_{\mathrm{rd}})\mathrm{dt}\\ V_{\mathrm{rq}}={\mathrm{di}}_{\mathrm{rq}}/\mathrm{dt}=k_{p0}(i_{\mathrm{rq}}^{*}-i_{\mathrm{rq}})+k_{i0}\∫(i_{\mathrm{rq}}^{*}-i_{\mathrm{rq}})\mathrm{dt}\end{array}\right.---\left(11\right)$

其中k_p0，k_i0分别为电流环的比例、积分参数。

补偿环节设计

转子电流一次分量补偿环节可以按式(9)进行设计。

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{crd}}=R_r{i}_{\mathrm{rd}1}+\mathrm{\σ}{L}_r{V}_{\mathrm{crd}}-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{sl}}\mathrm{\σ}{L}_r{i}_{\mathrm{rq}1}\\ u_{\mathrm{crq}}=R_r{i}_{\mathrm{rq}1}+\mathrm{\σ}{L}_r{V}_{\mathrm{crq}}+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{sl}}\mathrm{\ξ}\end{array}\right.---\left(12\right)$

其中u_crd、u_crq分别为转子电流一次分量补偿电压dq轴分量，ξ＝(σL_ri_rd1+ψ_s1L_m/L_s)。

V_crd、V_crq可分别按下式进行调节：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{crd}}=k_{p1}(i_{\mathrm{rd}1}^{*}-i_{\mathrm{rd}1})+k_{i1}\∫(i_{\mathrm{rd}1}^{*}-i_{\mathrm{rd}1})\mathrm{dt}\\ V_{\mathrm{crq}}=k_{p1}(i_{\mathrm{rq}1}^{*}-i_{\mathrm{rq}1})+k_{i1}\∫(i_{\mathrm{rq}1}^{*}-i_{\mathrm{rq}1})\mathrm{dt}\end{array}\right.---\left(13\right)$

其中k_p1，k_i1为转子电流环的比例、积分参数。

通过式(12)和(10)可以看出，各式第一、三项的一次分量包含在主控制环节中，在补偿环节设计中只需考虑第二项即可。

从上面的推导结果可知，通过对转子电流的控制可以有效的抑制电网电压三相对称跌落故障对电机运行的影响。

图2中G(s)为带通滤波器，用于提取转子电流的一次分量，角频率ω_o设置为ω_o＝ω_s，其表达式为：

$G\left(s\right)=\frac{({\mathrm{\ω}}_0/Q_f)s}{s^2+({\mathrm{\ω}}_0/Q_f)s+{\left({\mathrm{\ω}}_0\right)}^2}---\left(14\right)$

其中Q_f为品质因数。

G_d(s)为滞后环节用于补偿因带通滤波器造成的相位滞后。其表达式为：

$G_d\left(s\right)=\frac{K_{1}s+D_1}{K_{2}s+D_2}---\left(15\right)$

为验证理论的正确性和补偿控制策略的有效性，假设电网电压三相对称跌落故障使得发电机定子机端电压跌落的条件下，采用本发明提出的方法对一台额定功率为1.5MW DFIG系统实施控制，转子电流已折算到定子侧。设在控制过程中保持风力发电机始终不脱网运行，且变频器始终正常工作。

对传统定子磁链定向矢量控制策略和提出的电网电压三相对称跌落故障下转子电压补偿控制策略进行比较，图3和图4分别为采用传统双馈风力发电机控制方法和本发明控制方法在电网电压三相对称跌落故障引起的定子电压50％跌落条件下的运行结果。电网电压在0.2s时刻发生跌落，在0.7s时刻恢复正常。图3的传统控制方法在电网电压跌落故障发生时，由于定子电压突变的影响，在电网跌落和恢复瞬间DFIG的定、转子电流大幅增加，实际系统中将会超过变频装置的电流限制值，致使风力发电机组将不得不与电网解列，这既不利于发电机的稳定运行，也不利于电网的故障恢复和稳定运行。与传统控制方法相比，电网电压三相对称跌落故障下图4控制方法有效消除了转子电流的一次分量，抑制了转子过电流的发生，同时定子电流也得到很好的抑制。跌落发生时，发电机转速上升，但很快下降，达到稳定状态。由图1可以看出，本方法控制的风力发电机组满足不脱网运行的条件，提高了DFIG在电网故障条件下的运行控制能力，改善了控制系统的动态品质。

图5和图6分别为定子电压50％三相对称跌落故障下采用传统矢量控制和本发明方法的转矩和功率控制效果图。电网电压在0.2s时刻发生跌落，在0.7s时刻恢复正常。图5的传统控制方法在电网电压跌落故障发生和电网电压恢复瞬间，定子有功、无功功率和电磁转矩均产生了剧烈震荡，有功、无功功率的大幅度震荡将影响电网的稳定，电磁转矩的剧烈震荡将会造成发电机机械损坏。图6的本发明控制方法在故障发生和电网电压恢复瞬间，可以有效的抑制转子电流的一次分量，并且在抑制了转子过电流的同时，由于对定子过电流也达到了抑制的效果，使得定子侧有功、无功功率和电磁转矩脉动明显减小，电机可以发出持续的有功、无功功率支持电网的恢复，满足不脱网运行的要求。

图7和图8为采用传统双馈风力发电机控制方法在电网电压三相对称跌落故障引起的定子电压80％跌落条件下的运行结果。电网电压在0.2s时刻发生跌落，在0.4s时刻恢复正常。由图7看出电网故障发生和恢复时刻，定、转子电流发生剧烈震荡，产生严重过电流，这时保护装置必须启动以保护变频器的安全。发电机组必须与电网解列，进一步影响了电网故障的恢复。

图8为本发明方法的控制效果图，图中在电网故障发生和恢复时刻，本控制方法有效抑制了转子电流的一次分量，电流的震荡很小，不影响风力发电机组的运行。在跌落故障发生时，电机转速开始上升，这是由于变频器的容量限制了发电机在故障发生时对转速的控制。如图1所示，发生严重跌落时，电力运营商对风机保持并网的时间只有150ms，所以转速上升不会很多，不影响系统的稳定运行。由图8中看出，在电网电压恢复后，转速很快得到控制，满足电网严重故障下风力发电机不脱网运行的要求。

综上所述，本发明的控制方法与传统定子磁链定向矢量控制相比，在电网电压三相对称跌落故障下，控制系统能够有效的消除转子的一次分量，抑制转子过电流的产生，增强了DFIG风电机组在电网故障下的不间断运行能力；所提控制系统算法简单，只需要在传统矢量控制的两个电压内环中分别加入电压补偿控制环节，就可以达到对转子过电流的抑制，并减小的转子电流对定子磁链的影响，使得定子过电流也得到了明显抑制。

Claims (3)

1.一种电网电压三相对称跌落故障下双馈风力发电机的控制方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)检测三相定子电压，三相定子电流，三相转子电流和转子位置角并计算旋转角速度；

(2)将检测到的三相定子电压、三相定子电流和三相转子电流经3/2变换模块得到两相静止坐标系下的定子电压、定子电流和转子电流；

(3)将定子两相静止坐标系下的定子电压信号经软件锁相环，得到定子磁链以及定子磁链位置角，并将定子电压与定子电流以定子磁链位置角进行Park变换，得到同步旋转坐标下d、q轴定子电压与定子电流；根据步骤(1)得到的转子位置角计算滑差角度，对滑差角度微分得到滑差角速度；根据步骤(2)中计算得到的两相静止坐标系下的转子电流以滑差角度进行Park变换，得到旋转坐标下d、q轴转子电流；

(4)根据两相旋转坐标下的定子电压、定子电流计算定子无功功率；根据定子磁链、滑差角速度及旋转坐标下的转子电流计算转子解耦补偿电压；根据补偿目标，将旋转坐标下d、q轴转子电流通过带通滤波器和超前滞后环节后得到转子电流的一次分量实际值，将此实际值与一次分量给定值做差并通过PI控制器，计算得到一次分量补偿项；

(5)将定子无功功率的给定值与步骤(4)得到的定子无功功率的实际值的差经过PI控制器后，计算得到旋转坐标系下转子d轴电流的给定值；将转速给定值与步骤(1)计算得到的旋转角速度实际值的差经过PI控制器后，计算得到旋转坐标系下转子q轴电流的给定值；

(6)将步骤(5)中计算得到的旋转坐标系下d、q轴转子电流的两个给定值分别与步骤(3)所计算得到的旋转坐标系下的d、q轴转子电流相减，然后经过PI控制器计算得到旋转坐标系下d、q轴转子电压的参考值；

(7)将旋转坐标系下d、q轴转子电压参考值分别与各自的转子解耦补偿电压和一次分量补偿项相加，以滑差角度为变换角进行反Park变换，得到转子两相静止坐标系下的转子电压；该转子电压信号经过空间矢量脉宽调制后，产生控制功率器件的开关信号。

2.根据权利要求1所述的电网电压三相对称跌落故障下双馈风力发电机的控制方法，其特征在于步骤(4)中所述的补偿目标是：抑制转子过电流。

3.根据权利要求1所述的电网电压三相对称跌落故障下双馈风力发电机的控制方法，其特征在于步骤(4)中所述带通滤波器的角频率ω_o设置为同步角速度ω_s。

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