CN102522942B - 双馈风力发电机励磁控制方法 - Google Patents

Abstract

一种双馈风力发电机的励磁控制方法，所述双馈风力发电机具有双馈电机，该电机具有向电网供电的定子，所述电网具有额定值的电压；与所述定子耦合的驱动转子，所述转子一端通过变速齿轮连接到风力涡轮机，所述转子绕组为三相绕线式转子绕组，电网通过变流器为转子供电，通过将定子电压、定子磁链分解到同步旋转dq坐标轴上，可以实现调节转子电流而控制发电机定子输出的功率。该方法无需进行矢量旋转变化等复杂的变换和计算，可实现有功、无功解耦控制，电流控制模块控制敏感度较低，变流器系统的电路参数、测量延时对电流控制都具有的影响较小，控制技术简单，控制器的成本也因此降低。

Description

双馈风力发电机励磁控制方法

技术领域

本发明涉及一种风力发电机，特别涉及连接到电网双馈风力发电机励磁控制方法。

背景技术

在能源消耗日益增长、环境污染日渐严重的今天，作为可再生绿色能源的风能受到世界各国的普遍重视，风力发电技术也成为近年来各国学者竞相研究的热点。风能是一种变化频繁的随机能源，变速恒频风力发电技术可以保证在绝大多数风速下的风能得到最大限度的捕获和利用，并具有传统恒速恒频风力发电技术所无法比拟的优越性，而双馈风力发电机能很好地满足变速恒频风力发电的技术要求，成为目前比较优化的一种控制策略。它是通过双PWM变流器在双馈发电机的转子侧施加三相交流电进行励磁，通过调节励磁电流的有效值、相位和频率，实现定子侧输出有功和无功功率的控制。

双馈风力发电机的的基本硬件拓扑如图1所示，发电机的定子直接连接到电网，转子绕组通过集电环经变流器与电网相连，通过控制转子电流的频率、有效值，相位和相序，利用双PWM变流器，通过SPWM控制技术，可以获得正弦波转子电流，以减小发电机中的谐波转矩，实现定子侧输出有功和无功功率的控制。

由于双馈发电机的电路存在磁路上的耦合，且其三相坐标系下的数学模型是非线性、时变的高阶系统。为了实现有功、无功解耦控制，通常采用矢量控制法，矢量控制根据矢量变换理论，采用按定子磁场方向定向，把转子电流矢量分解为在同步旋转坐标系中的两个互相垂直的电流分量，实现对发电机有功功率和无功功率的解耦调节。但为使电机实现解耦，需要简化电机模型，还要进行矢量旋转变化等复杂的变换和计算，而且电流控制模块控制敏感度较高，变流器系统的电路参数、测量延时以及锁相环性能对电流控制都具有较大的影响，这些因素造成了矢量控制法的鲁棒性偏低。当电路参数，测量延时以及其他系统因素发生变化时，控制器稳定性会发生明显改变，加大了控制器参数的调试难度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有双馈风力发电机有功功率控制方法的不足，提供一种不需要进行矢量旋转变化等复杂的变换和计算，可实现有功、无功解耦控制的双馈风力发电机励磁控制方法。

设发电机的定子电压、电流、磁链矢量为和

转子电压、电流、磁链矢量为

和

则在稳态运行时，电机电压方程为：

${\stackrel{\·}{U}}_s=R_s{\stackrel{\·}{I}}_s+j{\mathrm{\ω}}_s{\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}}_s---\left(1\right)$

${\stackrel{\·}{U}}_r=R_r{\stackrel{\·}{I}}_r+j({\mathrm{\ω}}_s-{\mathrm{\ω}}_r){\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}}_s---\left(2\right)$

其中R_s、R_r、ω_s、ω_r分别为电机定子、转子每相电阻，定子同步旋转磁场、转子旋转磁场的旋转角速度，式中矢量在空间相对静止，均以同步速度旋转，在同步旋转坐标dq轴系下

U_sd＝R_sI_sd+ω_sψ_sq                     (3)

U_sq＝R_sI_sq-ω_sψ_sd                     (4)

其中ψ_sd、ψ_sq为

在d、q轴上的分量，其值为：

ψ_sd＝L_sI_sd+L_MI_rd                      (5)

ψ_sq＝L_sI_sq+L_MI_rq                      (6)

其中，I_sd、I_sq分别为

在d、q轴上的分量，I_rd、I_rq分别为

在d、q轴上的分量。L_s为定子绕组自感，L_M为定转子绕组互感，由式(3)、(4)可得：

$I_{\mathrm{sd}}=\frac{U_{\mathrm{sd}}-{\mathrm{\ω}}_s{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sq}}}{R_s}---\left(7\right)$

$I_{\mathrm{sq}}=\frac{U_{\mathrm{sq}}+{\mathrm{\ω}}_s{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sd}}}{R_s}---\left(8\right)$

将(7)、(8)代入(5)、(6)可得

$U_{\mathrm{sd}}=\frac{R_s{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sd}}-R_s{L}_M{I}_{\mathrm{rd}}}{L_s}+{\mathrm{\ω}}_s{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sq}}---\left(9\right)$

$U_{\mathrm{sq}}=\frac{R_s{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sq}}-R_s{L}_M{I}_{\mathrm{rq}}}{L_s}-{\mathrm{\ω}}_s{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sd}}---\left(10\right)$

而定子侧的有功功率P为：

P＝U_sdI_sd+U_sqU_sq                       (11)

将式(9)、(10)代入(11)得：

$P=\frac{U_s^2-{\mathrm{\ψ}}_s^2{\mathrm{\ω}}_s^2}{R_s}-\frac{{\mathrm{\ω}}_s{L}_M({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sd}}{I}_{\mathrm{rq}}-{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sq}}{I}_{\mathrm{rd}})}{L_s}---\left(12\right)$

设X₂＝ψ_sdI_rq-ψ_sqI_rd

则

$P=\frac{U_s^2-{\mathrm{\ω}}_s^2{\mathrm{\ψ}}_s^2}{R_s}-\frac{{\mathrm{\ω}}_s{L}_M}{L_s}{X}_2---\left(13\right)$

而定子侧的无功功率Q为：

Q＝U_sqI_sd-U_sdI_sq                       (14)

将式(9)、(10)代入(14)得：

$Q=\frac{{\mathrm{\ω}}_s}{L_s}({\mathrm{\ψ}}_s^2-{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sd}}{I}_{\mathrm{rd}}-{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sq}}{I}_{\mathrm{rq}})---\left(15\right)$

设X₁＝ψ_sdI_rd+ψ_sqI_rq

则

$Q=\frac{{\mathrm{\ω}}_s}{L_s}({\mathrm{\ψ}}_s^2-X_1)---\left(16\right)$

由式(13)、(16)可知，当电机并联到无穷大电网时，Us恒定，ψ_S可近似为常数，R_s、L_s、L_M、ω_s也为常数，因此发电机定子输出的无功功率、有功功率分别只与X₁、X₂有关，控制X₁、X₂就能实现对定子输出的功率控制，图2是定子磁链，转子电流矢量在dq同步旋转坐标轴上的分布，由图2可知，

其中A、B分别为与d轴的夹角，

为定子磁链与转子电流矢量间的夹角，则双馈风力发电机有功功率控制方法如图3。

发电机预先给定一转子励磁电流I_r，在风力涡轮机拖动下，并入电网，则可测量定子输出的电压、电流U、I，并计算出定子输出的有功功率P，无功功率Q，根据磁链模型，可以计算出定子磁链。

给定定子输出有功率为P*、无功功率为Q*。比较P*与定子输出的有功功率P，得到二者差值；比较Q*与定子输出的无功功率Q，也得到二者差值，利用PI调节算法可得到转子励磁电流Ir的给定值控制器根据给定值

调节变流器控制脉冲，得到转子励磁电流的输出。

由于本发明采用上述技术方案，在风力发电稳态运行中，无需进行矢量旋转变化等复杂的变换和计算，也能实现有功、无功的解耦控制，电流控制模块控制敏感度较低，变流器系统的电路参数、测量延时对电流控制都具有的影响较小，虽然控制的实时性和精度有所降低，但控制技术非常简单，控制器的成本也因此降低。

附图说明

图1是双馈风力发电机的的基本硬件拓扑结构；

图2是根据本发明的双馈风力发电机定子磁链、转子电流矢量关系图；

图3是根据本发明的双馈风力发电机功率控制框图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

双馈风力发电机的基本硬件拓扑结构如图1所示，电网通过变流器为双馈风力发电机的转子供电，发电机在风机驱动下，其定子向电网输出有功和无功。发电机参数测定有很多公知的方法，最常用的方法是利用空载和堵转试验来测定电机参数。利用文献1中的方法，也可以得到该发电机的参数，例如定子电阻R_s、定子绕组电感Ls、定转子绕组互感L_M等参数。

文献1：《矢量控制系统中异步电动机参数的估算和测量》，马小亮，电气传动，2010年第40卷第7期。

通过光电编码盘可以检测发电机转子位置，进而通过微分可求出转子转速，从而得到电机转差频率ω₂。而观测定子磁链有三类方法：直接检测法、间接计算法，基于高频信号注入的方法。直接检测法是在定子α轴和β轴的气隙处嵌放磁敏元件，直接检测出定子磁链在定子α轴和β轴的分量ψ_αs和ψ_βs。据此可求得定子磁链的有效值ψ_s以及与α轴的夹角。间接计算法通过定子电压、电流等物理量建立磁链观测模型，在控制中实时推算定子磁链的有效值和相位。传统的方法是采用电压模型来观测定子磁链，并通过对反电动势信号的积分计算来得到定子磁链。由于这种方法具有需要的电机参数少和不需要转速信息的优点而得到了广泛应用，其表达式为：

ψ_s＝∫(U_s-i_sR_s)dt

基于高频信号注入的方法需要在异步电机的定子绕组中注入高频信号，通过电机的非理想特性如磁饱和效应等获取电机磁链的有效值和方向。

在对双馈风力发电机功率控制时，首先利用空载和堵转试验来测定电机定子电阻R_s、定子绕组电感Ls、定转子绕组互感L_M等参数，发电机预先给定一转子励磁电流

在风力涡轮机拖动下，并入电网，则可测量定子输出的电压、电流U、I，并计算出定子输出的有功功率P和无功功率Q，根据磁链模型，可以计算出定子磁链的有效值ψ_s和在αβ坐标轴上的相位，将其转化到dq旋转轴上，将预先给定的转子励磁电流

也映射到dq旋转轴上，则在该坐标轴上，可得到定子磁链与转子励磁电流的夹角为

令

给定定子输出有功功率为P^*，比较P^*与定子输出的有功功率P，得到差ΔP＝P^*-P，利用PI增量调节算法可得到X₂的增量ΔX_K的值；给定定子输出无功功率为Q^*，比较Q^*与定子输出的无功功率Q，得到差ΔQ＝Q^*-Q，利用PI增量调节算法可得到X₁的增量ΔY_K的值

$\mathrm{\Δ}{X}_K=K_P(\mathrm{\Δ}{P}_K-\mathrm{\Δ}{P}_{k-1}+\frac{T}{T_P}\mathrm{\Δ}{P}_K)$

$\mathrm{\Δ}{Y}_K=K_Q(\mathrm{\Δ}{Q}_K-\mathrm{\Δ}{Q}_{k-1}+\frac{T}{T_Q}\mathrm{\Δ}{Q}_K)$

其中，K_p、K_Q为比例系数，T_p、T_Q为积分时间常数，可通过常规的参数整定方法确定。而ΔP_K、ΔP_k-1为第K次与第K-1次采样周期中给定定子输出有功功率与定子实际输出的有功功率的差；ΔQ_K、ΔQ_k-1为第K次与第K-1次采样周期中给定定子输出无功功率与定子实际输出的无功功率的差，T为一个采样周期的时间。则应输入控制有功的控制量为X_K＝X₂+ΔX_K，控制无功的控制量为Y_K＝X₁+ΔY_K。令 可得到

则

由于定子磁链的相位已根据磁链模型得出，令其与同步旋转轴的d轴夹角为A，

为dq轴上定子磁链与转子电流矢量间的夹角，因此根据图2，可知，它与d轴夹角为

而转子电流矢量有效值为

因而，在变流控制器的控制作用下，向转子绕组输出与d轴夹角为

有效值为

频率为转差频率的转子电流，即可输出需要的有功和无功功率。

Claims (4)

1.一种双馈风力发电机的励磁控制方法，所述双馈风力发电机具有双馈电机，该电机具有向电网供电的定子，所述电网具有额定值的电压；与所述定子耦合的驱动转子，所述转子一端通过变速齿轮连接到风力涡轮机，所述转子绕组为三相绕线式转子绕组，电网通过变流器为转子供电，所述变流器通过电刷和集电环与转子绕组连接，所述方法包括如下步骤：

(a)利用空载和堵转试验来测定电机定子电阻R_s、定子绕组电感Ls、定转子绕组互感L_M,转步骤（b）;

(b)预先给定一转子励磁电流

在风力涡轮机拖动下，并入电网,转步骤（c）；

(c)给定定子输出有功功率为P^*，无功功率为Q^*，转步骤（d）；

(d)给定采样周期T，通过光电编码盘检测发电机转子位置，进而通过微分可求出转子转速，从而得到电机转差频率ω₂，测量定子第K次输出的电压、电流矢量U_K、I_K，并计算出定子第K次输出的有功功率P_K，其中K=1,2……，计算P^*与P_K的差ΔP_K=P^*-P_K；计算出定子第K次输出的无功功率Q_K，比较Q^*与Q_K，得到Q^*与Q_K的差ΔQ_K=Q^*-Q_K，并将ΔP_K、ΔQ_K存储到控制器的存储单元中；测量出或根据磁链模型，计算出定子磁链的有效值ψ_s及其在静止αβ坐标轴上的相位，将其折算到dq同步旋转坐标轴上，得到定子磁链矢量与d轴夹角，令该夹角为A，将转子励磁电流

也映射到dq旋转轴上，在dq旋转轴上，可得到定子磁链与转子励磁电流的夹角

令

转步骤（e）;

（e）在ΔP_K、ΔQ_K的基础上，利用PI增量调节算法可得到X₂与X₁的增量ΔX_K，ΔY_K，转步骤（f）；

（f）求出X_K=X₂+ΔX_K，Y_K=X₁+ΔY_K，转步骤（g）；

（g）给定在变流控制器的控制作用下，向转子绕组输出变换到同步旋转坐标轴dq上与d轴夹角为有效值为

频率为转差频率ω₂的转子电流，转步骤(h);

(h)令K＝K＋1，在同步旋转坐标轴dq上令

的有效值为

其与d轴夹角为

转步骤（c）。

2.如权利要求1所述的双馈风力发电机的励磁控制方法，其中步骤(e)中，得到X₂的增量ΔX_K的方法以及X1的增量ΔY_K的PI增量调节算法为：

$\mathrm{\Δ}{X}_K=K_p(\mathrm{\Δ}{P}_K-\mathrm{\Δ}{P}_{k-1}+\frac{T}{T_p}\mathrm{\Δ}{Q}_K)$

$\mathrm{\Δ}{Y}_K=K_Q(\mathrm{\Δ}{Q}_K-\mathrm{\Δ}{Q}_{k-1}+\frac{T}{T_Q}\mathrm{\Δ}{Q}_K)$

其中，K_p、K_Q为比例系数，T_p、T_Q为积分时间常数，可通过常规的参数整定方法确定，而ΔP_K、ΔP_k-1为第K次与第K-1次采样周期中给定定子输出有功功率与定子实际输出的有功功率的差；ΔQ_K、ΔQ_k-1为第K次与第K-1次采样周期中给定定子输出无功功率与定子实际输出的无功功率的差，T为一个采样周期的时间。

3.如权利要求1所述的双馈风力发电机的励磁控制方法，其中步骤（d）中，磁链模型为u-i电压电流模型。

4.如权利要求1所述的双馈风力发电机的励磁控制方法，其中步骤（d）中，在定子α轴和β轴的气隙处嵌放磁敏元件，直接检测出定子磁链在定子α轴和β轴的分量ψ_αs和ψ_βs，据此可求得定子磁链的有效值ψ_s以及与α轴的夹角。

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