CN102111101A - 并网型双馈式风力发电机的双闭环控制方法及控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种并网型双馈式风力发电机的双闭环控制方法，包括：采集步骤，采集发电机定子三相电压、发电机定子三相电流、电网电压、发电机转子电流、发电机转子转速；坐标变换步骤，将所采集参数通过Clark变换和Park变换变换到同步旋转坐标系下；发电机转子电流内环控制步骤，将发电机转子电流输入到比例积分器中，输出发电机转子电压的d、q分量对该并网型双馈式风力发电机进行励磁控制；发电机定子电压外环控制步骤，将发电机定子电压输入到比例积分器中，输出发电机定子电压的d、q分量对该并网型双馈式风力发电机进行励磁控制；利用发电机转子电流内环控制和发电机定子电压外环控制，对并网型双馈式风力发电机进行双闭环控制。

Description

并网型双馈式风力发电机的双闭环控制方法及控制装置

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，更具体地说，涉及并网型双馈式风力发电机的双闭环控制方法及控制装置。

背景技术

双馈式风力发电机是一种交流发电机，具有控制灵活、功率因数可调、效率高、变频装置容量小等优点，是目前应用最广泛的变速恒频风力发电机组的关键部件。

目前，双馈式风力发电机的控制普遍采用矢量控制的方法，对发电机参数的依赖性较高，尤其是电机互感参数。

例如，申请号为CN200410009701.8的中国专利申请揭示了一种变速恒频双馈发电机系统及其并网控制方法。在该采用双馈感应电机作为发电机的变速恒频风力发电系统中包括双馈感应电机、励磁变换器、DSP单元、电量采集单元、速度、位置测量单元以及驱动单元。它对励磁变换器进行控制，利用励磁变换器控制双馈发电机定子产生电压，对电机定子电压相位、幅值和频率同时控制，无需单独进行电网电压与电机定子电压同步；在电机速度范围在0～0.5s时，驱动单元开始驱动励磁变换器，这样，电机并网的转速速度范围很宽，并网控制对速度要求不严格，同时，控制过程采用电流开环控制，简化了系统，减轻了系统处理器的负担，使得电流控制变得简单，易行，使得双馈电机易于并网。

再例如，申请号为CN200810105607.0的中国专利申请揭示了一种变速恒频双馈风力发电系统及其并网控制方法。该申请提供了一种变速恒频双馈风力发电系统，包括定子并网装置、发电机、控制板、双PWM变频器、码盘；发电机的定子通过定子并网装置与电网相连；发电机的转子通过双PWM变频器与电网相连；控制板与电网、发电机、双PWM变频器、定子并网装置相连；控制板还通过码盘与转子相连。该系统通过在控制板内设计有电压幅值补偿器和转子位置角补偿器，消除了发电系统因某些参数偏差所造成的影响。

现有技术存在的缺点是：发电机实际运行时，电机参数尤其是互感参数会发生波动，从而使整个控制系统的输出不准确，如定子电压的幅值、频率、相位出现相应的波动，从而在并网时会产生较大的冲击电流，严重时会振荡，使得系统进入不稳定状态，最终降低了整个系统的可靠性。由于目前风力发电机组容量的不断增加，在实际运行中需要考虑由于参数变动而引起的并网状态不稳定以及如何实现机组的软并网问题。

发明内容

本发明旨在提供一种并网型双馈式风力发电机的双闭环控制方法及控制装置，以消除电机参数波动对整个风力发电机系统带来的影响。

根据本发明的实施例，提出一种并网型双馈式风力发电机的双闭环控制方法，包括：

采集步骤，采集发电机定子三相电压、发电机定子三相电流、电网电压、发电机转子电流、发电机转子转速；

坐标变换步骤，将所采集的发电机定子三相电压、发电机定子三相电流、电网电压、发电机转子电流、发电机转子转速通过Clark变换和Park变换变换到同步旋转坐标系下；

发电机转子电流内环控制步骤，将发电机转子电流输入到比例积分器中，通过比例积分器输出发电机转子电压的d、q分量对该并网型双馈式风力发电机进行励磁控制，形成发电机转子电流内环控制；

发电机定子电压外环控制步骤，将发电机定子电压输入到比例积分器中，通过比例积分器输出发电机定子电压的d、q分量对该并网型双馈式风力发电机进行励磁控制，形成发电机定子电压外环控制；

利用发电机转子电流内环控制和发电机定子电压外环控制，对并网型双馈式风力发电机进行双闭环控制。

在一个实施例中，发电机定子电压外环控制是基于发电机定子电压的瞬时值。

在一个实施例中，通过电压调节器得到发电机转子电压的d、q分量的参考值。

根据本发明的实施例，提出一种并网型双馈式风力发电机的双闭环控制装置，包括采集装置、坐标变换装置、发电机转子电流内环控制装置、发电机定子电压外环控制装置。

采集装置采集发电机定子三相电压、发电机定子三相电流、电网电压、发电机转子电流、发电机转子转速。

坐标变换装置将所采集的发电机定子三相电压、发电机定子三相电流、电网电压、发电机转子电流、发电机转子转速通过Clark变换和Park变换变换到同步旋转坐标系下。

发电机转子电流内环控制装置将发电机转子电流输入到比例积分器中，通过比例积分器输出发电机转子电压的d、q分量对该并网型双馈式风力发电机进行励磁控制，形成发电机转子电流内环控制。

发电机定子电压外环控制装置将发电机定子电压输入到比例积分器中，通过比例积分器输出发电机定子电压的d、q分量对该并网型双馈式风力发电机进行励磁控制，形成发电机定子电压外环控制。

发电机转子电流内环控制装置和发电机定子电压外环控制装置对并网型双馈式风力发电机进行双闭环控制。

在一个实施例中，发电机定子电压外环控制装置基于发电机定子电压的瞬时值进行发电机定子电压外环控制。

在一个实施例中，通过电压调节器得到发电机转子电压的d、q分量的参考值。

本发明利用电压外环电流内环的控制结构，能够有效地抑制风电机组在并网前由于电机参数变动等因素出现的频率、相位、幅值的偏差而对整个系统产生的影响，本发明的双闭环控制方法及控制装置使定子电压的输出跟踪电网电压，有效克服了变差，可以顺利实现软并网。本发明实用性强，只需软件手段可以简单、方便、准确的实现发电机输出电压的控制，无需增加硬件，经济成本低。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，在附图中，相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：

图1揭示了根据本发明的一实施例的并网型双馈式风力发电机的双闭环控制方法的流程图。

图2揭示了根据本发明的一实施例的并网型双馈式风力发电机的双闭环控制装置的结构图。

图3揭示了根据本发明的一实施例的双闭环控制过程的空载控制原理框图。

图4揭示了根据本发明的一实施例的双闭环控制过程的并网控制原理框图。

具体实施方式

本发明首先揭示了一种并网型双馈式风力发电机的双闭环控制方法，参考图1所示，该方法包括下述的步骤：

采集步骤102，在采集步骤102中采集发电机定子三相电压、发电机定子三相电流、电网电压、发电机转子电流、发电机转子转速。

坐标变换步骤104，坐标变换步骤104将所采集的发电机定子三相电压、发电机定子三相电流、电网电压、发电机转子电流、发电机转子转速通过Clark变换和Park变换变换到同步旋转坐标系下。

发电机转子电流内环控制步骤106，发电机转子电流内环控制步骤106将发电机转子电流输入到比例积分器中，通过比例积分器输出发电机转子电压的d、q分量对该并网型双馈式风力发电机进行励磁控制，形成发电机转子电流内环控制。

发电机定子电压外环控制步骤108，发电机定子电压外环控制步骤108将发电机定子电压输入到比例积分器中，通过比例积分器输出发电机定子电压的d、q分量对该并网型双馈式风力发电机进行励磁控制，形成发电机定子电压外环控制。在一个实施例中，发电机定子电压外环控制是基于发电机定子电压的瞬时值，并且通过电压调节器得到发电机转子电压的d、q分量的参考值。

控制步骤110，控制步骤110利用发电机转子电流内环控制和发电机定子电压外环控制，对并网型双馈式风力发电机进行双闭环控制。

参考图2所示，本发明还揭示了一种并网型双馈式风力发电机的双闭环控制装置，包括：包括采集装置202、坐标变换装置204、发电机转子电流内环控制装置206、发电机定子电压外环控制装置208。

采集装置202采集发电机定子三相电压、发电机定子三相电流、电网电压、发电机转子电流、发电机转子转速。

坐标变换装置204将所采集的发电机定子三相电压、发电机定子三相电流、电网电压、发电机转子电流、发电机转子转速通过Clark变换和Park变换变换到同步旋转坐标系下。

发电机转子电流内环控制装置206将发电机转子电流输入到比例积分器中，通过比例积分器输出发电机转子电压的d、q分量对该并网型双馈式风力发电机进行励磁控制，形成发电机转子电流内环控制。

发电机定子电压外环控制装置208将发电机定子电压输入到比例积分器中，通过比例积分器输出发电机定子电压的d、q分量对该并网型双馈式风力发电机进行励磁控制，形成发电机定子电压外环控制。在一个实施例中，发电机定子电压外环控制装置208基于发电机定子电压的瞬时值进行发电机定子电压外环控制，并且通过电压调节器得到发电机转子电压的d、q分量的参考值。

发电机转子电流内环控制装置206和发电机定子电压外环控制装置208对并网型双馈式风力发电机进行双闭环控制。

图3和图4揭示了根据本发明的一实施例的并网型双馈式风力发电机的双闭环控制过程的控制原理，其中图3揭示了根据本发明的一实施例的双闭环控制过程的空载控制原理框图，图4揭示了根据本发明的一实施例的双闭环控制过程的并网控制原理框图。

在该实施例中，进行的双闭环控制过程如下：

首先是采集发电机定子三相电压、发电机定子三相电流、电网电压、发电机转子电流、发电机转子转速。

所采集的发电机定子三相电压、发电机定子三相电流、电网电压、发电机转子电流、发电机转子转速通过Clark变换和Park变换变换到同步旋转坐标系下。据并网型双馈式风力发电机在两相同步旋转坐标系下的数学模型，并考虑发电机空载时i_ds＝i_qs＝0，可得：

磁链方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ds}}=L_0{i}_{\mathrm{dr}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{qs}}=L_0{i}_{\mathrm{qr}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{dr}}=L_r{i}_{\mathrm{dr}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{qr}}=L_r{i}_{\mathrm{qr}}\end{array}\right.$

电压方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{ds}}={\mathrm{p\ψ}}_{\mathrm{ds}}-{\mathrm{\ω}}_1{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{qs}}\\ u_{\mathrm{qs}}={\mathrm{p\ψ}}_{\mathrm{qs}}+{\mathrm{\ω}}_1{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ds}}\\ u_{\mathrm{dr}}=R_r{i}_{\mathrm{dr}}+{\mathrm{p\ψ}}_{\mathrm{dr}}-{\mathrm{\ω}}_2{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{qr}}\\ u_{\mathrm{qr}}=R_r{i}_{\mathrm{qr}}+{\mathrm{p\ψ}}_{\mathrm{qr}}+{\mathrm{\ω}}_2{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{dr}}\end{array}\right.$

将磁链方程代入电压方程，可得：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{ds}}=L_0{\mathrm{pi}}_{\mathrm{dr}}-{\mathrm{\ω}}_1{L}_0{i}_{\mathrm{qr}}\\ u_{\mathrm{qs}}={\mathrm{\ω}}_1{L}_0{i}_{\mathrm{dr}}+L_0{\mathrm{pi}}_{\mathrm{qr}}\\ u_{\mathrm{dr}}=(R_r+L_{r}p)i_{\mathrm{dr}}-{\mathrm{\ω}}_2{L}_r{i}_{\mathrm{qr}}\\ u_{\mathrm{qr}}={\mathrm{\ω}}_2{L}_r{i}_{\mathrm{dr}}+(R_r+L_{r}p)i_{\mathrm{qr}}\end{array}\right.$

将d轴准确定向于定子磁链空间矢量方向上，则有约束条件：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ds}}={\mathrm{\ψ}}_s\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{qs}}=0\end{array}\right.$

考虑发电机空载时i_ds＝i_qs＝0，且保持定子磁链ψ_s为常量，可得：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{ds}}={\mathrm{p\ψ}}_{\mathrm{ds}}-{\mathrm{\ω}}_1{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{qs}}=0\\ u_{\mathrm{qs}}={\mathrm{p\ψ}}_{\mathrm{qs}}+{\mathrm{\ω}}_1{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ds}}={\mathrm{\ω}}_1{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ds}}=\left|{\stackrel{\·}{u}}_s\right|\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ds}}={\mathrm{\ψ}}_s=L_0{i}_{\mathrm{dr}}\\ i_{\mathrm{qr}}=0\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{dr}}=L_r{i}_{\mathrm{dr}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{qr}}=0\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{dr}}=(R_r+L_{r}p)i_{\mathrm{dr}}\\ u_{\mathrm{qr}}={\mathrm{\ω}}_2{L}_r{i}_{\mathrm{dr}}\end{array}\right.$

参考图3所示的双闭环控制过程的空载控制原理框图。发电机定子三相电压、发电机定子三相电流、电网电压、发电机转子电流、发电机转子转速的采样值通过Clark变换和Park变换变换到同步旋转坐标系下。然后其中的发电机转子电流送入发电机转子电流dq轴的比例积分器PI中，通过比例积分器PI输出的发电机转子的d、q轴电压对双馈电机进行励磁控制。

从图3中可以看出，发电机转子电流闭环控制(电流内环)策略中发电机定子电压是开环的，其仍然受电机参数尤其是互感参数Lm的影响，因而存在发电机定子电压控制精度差之不足，为了提高发电机定子电压的控制精度，可以考虑进一步采用发电机定子电压闭环控制策略。对发电机定子电压闭环控制系统而言，控制系统设计较为简单的一种就是选择发电机定子电压的d、q分量作为被控量构成闭环控制系统，即基于发电机定子电压瞬时值的闭环控制策略。在该控制策略中，发电机转子电流d、q轴分量的参考值ird和irq由电压调节器的输出给定。据此，得到基于发电机定子电压瞬时值的双馈电机定子电压闭环控制(电压外环控制)结构。

图4揭示了根据本发明的一实施例的双闭环控制过程的并网控制原理框图。将采集到的发电机定子电压和电网电压通过Clark变换和Park变换变换到同步旋转坐标系下，然后将发电机定子电压和电网电压对应的差值再送入比例积分器PI，比例积分器PI的输出是发电机转子电流的给定值，采用电压矢量闭环控制策略，可以从电压幅值和相位两方面来进行控制，动态响应快，避免了因电机互感参数计算给定值而引起的偏差所产生的影响，同时也可以避免整个系统因采样、硬件响应等造成的偏差所产生的影响，保证了控制系统的精度。

本发明利用电压外环电流内环的控制结构，能够有效地抑制风电机组在并网前由于电机参数变动等因素出现的频率、相位、幅值的偏差而对整个系统产生的影响，本发明的双闭环控制方法及控制装置使定子电压的输出跟踪电网电压，有效克服了变差，可以顺利实现软并网。本发明实用性强，只需软件手段可以简单、方便、准确的实现发电机输出电压的控制，无需增加硬件，经济成本低。

上述实施例是提供给熟悉本领域内的人员来实现或使用本发明的，熟悉本领域的人员可在不脱离本发明的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。

Claims (6)

1.一种并网型双馈式风力发电机的双闭环控制方法，其特征在于，包括：

采集步骤，采集发电机定子三相电压、发电机定子三相电流、电网电压、发电机转子电流、发电机转子转速；

坐标变换步骤，将所采集的发电机定子三相电压、发电机定子三相电流、电网电压、发电机转子电流、发电机转子转速通过Clark变换和Park变换变换到同步旋转坐标系下；

发电机转子电流内环控制步骤，将发电机转子电流输入到比例积分器中，通过比例积分器输出发电机转子电压的d、q分量对该并网型双馈式风力发电机进行励磁控制，形成发电机转子电流内环控制；

发电机定子电压外环控制步骤，将发电机定子电压输入到比例积分器中，通过比例积分器输出发电机定子电压的d、q分量对该并网型双馈式风力发电机进行励磁控制，形成发电机定子电压外环控制；

利用发电机转子电流内环控制和发电机定子电压外环控制，对并网型双馈式风力发电机进行双闭环控制。

2.如权利要求1所述的并网型双馈式风力发电机的双闭环控制方法，其特征在于，

发电机定子电压外环控制是基于发电机定子电压的瞬时值。

3.如权利要求1所述的并网型双馈式风力发电机的双闭环控制方法，其特征在于，

通过电压调节器得到发电机转子电压的d、q分量的参考值。

4.一种并网型双馈式风力发电机的双闭环控制装置，其特征在于，包括：

采集装置，采集发电机定子三相电压、发电机定子三相电流、电网电压、发电机转子电流、发电机转子转速；

坐标变换装置，将所采集的发电机定子三相电压、发电机定子三相电流、电网电压、发电机转子电流、发电机转子转速通过Clark变换和Park变换变换到同步旋转坐标系下；

发电机转子电流内环控制装置，将发电机转子电流输入到比例积分器中，通过比例积分器输出发电机转子电压的d、q分量对该并网型双馈式风力发电机进行励磁控制，形成发电机转子电流内环控制；

发电机定子电压外环控制装置，将发电机定子电压输入到比例积分器中，通过比例积分器输出发电机定子电压的d、q分量对该并网型双馈式风力发电机进行励磁控制，形成发电机定子电压外环控制；

发电机转子电流内环控制装置和发电机定子电压外环控制装置对并网型双馈式风力发电机进行双闭环控制。

5.如权利要求4所述的并网型双馈式风力发电机的双闭环控制装置，其特征在于，

发电机定子电压外环控制装置基于发电机定子电压的瞬时值进行发电机定子电压外环控制。

6.如权利要求4所述的并网型双馈式风力发电机的双闭环控制装置，其特征在于，

通过电压调节器得到发电机转子电压的d、q分量的参考值。

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