CN102570952A - 双馈式风力发电系统用于低电压穿越的一种去磁控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供双馈式风力发电系统用于低电压穿越的一种去磁控制方法，利用转子侧变流器向转子回路中注入与定子直流电流反向(空间矢量)的转子去磁电流分量，实现对于定子直流磁链的加速衰减；该控制过程只需检测定子电流幅值，无需对定子磁链进行观测，可以摆脱对系统参数的依赖性；从仿真结果中可以看到，本发明能够很好地实现对定子直流磁链的衰减，并且对系统参数无依赖，鲁棒性较强。

Description

双馈式风力发电系统用于低电压穿越的一种去磁控制方法

【技术领域】

本发明涉及新能源(风力发电)研究领域，特别涉及双馈式风力发电系统在电网故障及恢复期间定子直流磁链的去磁控制方法。

【背景技术】

自上世纪70年代以来，能源与环保逐渐成为世界主流关注的焦点之一。随着能源消耗的不断增加及其传统能源的不断减少，新能源的发展引起了全社会的广泛关注及推动，其中风力发电因为便于大规模利用和较低的成本近年来获得了迅猛的发展。双馈式风力发电系统由于其可变速运行、有功无功可单独控制及低变流器容量的诸多优点成为风力发电系统中的主流选择。

然而因为双馈式风力发电系统的定子直接连接到电网，该种类风力发电系统对电网故障十分敏感。电网故障引起的电网电压跌落及恢复会在电子磁链中产生出直流分量，该定子直流磁链因为高速切割转子从而在转子回路中产生巨大的感应电动势，导致机侧变流器过调制。如果机侧变流器不能补偿感应出来的高电压，直流磁链感应出来的高电动势会在转子回路中产生大电流，从而损毁机侧变流器，导致风力发电系统与电网脱离。除此之外，直流磁链还会向电网注入谐波、引入机侧变流器高损耗和电机电磁转矩振荡，因此我们期望加速直流磁链的衰减。

通过文献检索发现，针对直流磁链的衰减，研究人员通过对机侧变流器施加去磁控制给出了解决方案：向转子回路中注入与定子直流磁链空间矢量反向的转子电流。然而定子磁链不能够直接检测，传统的解决方案中所需的定子磁链是通过定子电动势和定子电流观测出来的，这个磁链观测的过程又需要知道定子电阻的阻值。因为定子电阻的阻值没有方法直接测量，而且会随着系统的工况变化，所以传统的去磁控制对系统参数依赖性很大。

以下给出检索的相关文献：

[1]D.Xiang，L.Ran，P.J.Tavner，and S.Yang，“Control of a doubly fedinduction generator in a wind turbine during grid fault ride-through，”IEEETrans.Energy Convers.，vol.21，no.3，pp.652-662，Sep.2006.

[2]J.Lopez，P.Sanchis，E.Gubia，A.Ursua，L.Marroyo，and X.Roboam，“Control of doubly fed induction generator under symmetricalvoltage dips，”in Proc.Int.Symp.Ind.Electron.，Cambridge，U.K，pp.2456-2462，Jul.2008.

[3]J.Lopez，E.Guba，P.Sanchis，E.Olea，J.Ruiz，and L.Marroyo，“Ride through of wind turbines with doubly fed induction generator undersymmetrical voltage dips，”IEEE Trans.Ind.Electron.，vol.56，no.10，pp.4246-4254，Oct.2009.

【发明内容】

针对上述现有理论与技术上存在的缺陷或不足，本发明的目的在于提出一种无需系统参数的去磁控制控制方法。该控制方法可在不知双馈电机定子电阻阻值的条件下施加去磁控制，有效地减小定子直流磁链的衰减时间常数，增大衰减速度，以确保双馈电机在故障期间具有良好的响应，并摆脱对系统参数的依赖性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

双馈式风力发电系统用于低电压穿越的一种去磁控制方法，包括以下步骤：

步骤一，检测三相定子电流i_sa、i_sb和i_sc，将检测得到的三相定子电流i_sa、i_sb和i_sc进行滤波、变换或者变换、滤波得到去磁控制所选取坐标系下转子去磁电流指令

和

步骤二，检测三相转子电流i_ra、i_rb和i_rc，对检测得到的三相转子电流i_ra、i_rb和i_rc进行滤波、变换或者变换、滤波得到在去磁控制所选取坐标系下实际转子去磁电流i_{rd1_n}和i_{rq1_n}；

步骤三，将选取的坐标系下转子去磁电流指令

和

与实际转子去磁电流i_{rd1_n}和i_{rq1_n}做差后送入调节器，得到转子去磁电压指令

和

步骤四，将去磁控制所选取坐标系下转子电压去磁指令

和

做反变换得到转子同步旋转坐标系下转子电压去磁指令

和计算公式如下：

其中：其中θ为选取的坐标系与静止坐标系的夹角；θ_r为转子同步旋转坐标系与静止坐标系的夹角；

步骤五，将转子同步旋转坐标系下转子电压去磁指令

和

与转子同步旋转坐标系下转子电压稳态指令

和

相加得到转子同步旋转坐标系下转子电压指令

和

与载波做比较后其输出作为最终的三相PWM调制波；转子同步旋转坐标系下转子电压指令计算公式如下：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{ra}2}^{*}\\ u_{\mathrm{rb}2}^{*}\\ u_{\mathrm{rc}2}^{*}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{ra}2\_n}^{*}\\ u_{\mathrm{rb}2\_n}^{*}\\ u_{\mathrm{rc}2\_n}^{*}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{ra}2\_f}^{*}\\ u_{\mathrm{rb}2\_f}^{*}\\ u_{\mathrm{rc}2\_f}^{*}\end{array}\right]---\left(5\right).$

本发明进一步的改进在于：转子去磁电流指令在空间上与定子直流分量反向且成比例，比例系数为-K；其中K为正的比例系数，取值范围为

其中L_s为定子电感，L_m为互感。

本发明进一步的改进在于：步骤一中进行滤波、变换的具体步骤为：

将检测得到的三相定子电流i_sa、i_sb和i_sc滤波得出直流分量i_{sa_dc}、i_{sb_dc}和i_{sc_dc}，则静止坐标系下三相转子去磁电流的指令

和

计算公式如下：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ra}\_n}^{*}\\ i_{\mathrm{rb}\_n}^{*}\\ i_{\mathrm{rc}\_n}^{*}\end{array}\right]=-K\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{sa}\_\mathrm{dc}}\\ i_{\mathrm{sb}\_\mathrm{dc}}\\ i_{\mathrm{sc}\_\mathrm{dc}}\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中K为正的比例系数，取值范围为

其中L_s为定子电感，L_m为互感；

将静止坐标系下的转子去磁电流指令进行变换，得到去磁控制所选取坐标系下转子去磁电流指令

和

计算公式如下：

本发明进一步的改进在于：步骤二中进行滤波、变换的具体步骤为：

将检测到的三相转子电流i_ra、i_rb和i_rc进行滤波得到对应于空间上静止的转子电流去磁分量i_{ra_n}、i_{rb_n}和i_{rc_n}；

对转子去磁电流i_{ra_n}、i_{rb_n}和i_{rc_n}进行变换得到在选取的旋转坐标系下转子去磁电流i_{rd1_n}和i_{rq1_n}，计算公式如下：

本发明进一步的改进在于：步骤一中进行变换、滤波的具体步骤为：

将检测得到的三相定子电流i_sa、i_sb和i_sc进行变换得到去磁控制所选取的坐标系下定子电流i_sd1和i_sq1，公式如下：

对定子电流i_sd1和i_sq1进行滤波，得到对应于空间上静止的分量i_{sd1_n}和i_{sq1_n}；则在去磁控制所选取的坐标系下转子去磁电流指令

和的计算公式为：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{rd}1\_n}^{*}\\ i_{\mathrm{rq}1\_n}^{*}\end{array}\right]=-K\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{sd}1\_n}\\ i_{\mathrm{sq}1\_n}\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中K为正的比例系数，取值范围为

其中L_s为定子电感，L_m为互感。

本发明进一步的改进在于：步骤二中进行变换、滤波的具体步骤为：

将检测到的三相转子电流i_ra、i_rb和i_rc进行变换得到去磁控制所选取的坐标系下转子电流i_rd1和i_rq1，公式如下：

对转子电流i_rd1和i_rq1进行滤波得到对应于空间上静止的分量i_{rd1_n}和i_{rq1_n}。

本发明进一步的改进在于：去磁控制选取的坐标系为静止坐标系或者同步旋转坐标系或者转子同步旋转坐标系。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明利用转子侧变流器向转子回路中注入与定子直流电流反向(空间矢量)的转子去磁电流分量，实现对于定子直流磁链的加速衰减。该控制过程只需检测定子电流幅值，无需对定子磁链进行观测，可以摆脱对系统参数的依赖性。从仿真结果中可以看到，本发明能够很好地实现对定子直流磁链的衰减，并且对系统参数无依赖，鲁棒性较强。

【附图说明】

图1为双馈式风力发电系统结构图；

图2a和图2b为电网电压深度50％下不施加去磁控制时双馈电机响应示意图；其中图2a为定子磁链空间矢量轨迹图；图2a为转子侧感应电压-时间曲线；

图3为传统去磁控制转子侧变流器的控制系统框图；

图4为本发明中转子侧变流器的控制系统框图；

图5为定子电阻的估计值R_{s_estimated}与定子电阻实际值R_s完全相等时在电网电压20％跌落深度故障下的仿真结果图；其中(a)为没有去磁控制时定子磁链幅值-时间曲线；(b)为本发明控制下定子磁链幅值-时间曲线；(c)为传统去磁控制下定子磁链幅值-时间曲线；

图6为定子电阻估计值等于0.8倍定子电阻实际值，即R_{s_estimated}＝0.8R_s时在电网电压20％跌落深度故障下的的仿真结果图；其中(a)为本发明控制下定子磁链幅值-时间曲线；(b)为传统去磁控制下观测的定子磁链幅值-时间曲线；(c)为传统去磁控制下实际定子磁链幅值-时间曲线。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。

参照图1，典型的双馈风力发电机组包含风力机、齿轮箱、双馈式电机、背靠背变流器和升压变压器。由于变流器只处理滑差倍的额定功率，所以其成本、体积、损耗对比与全功率变换器均较低，因此在风力发电系统中得到广泛应用。然而由于双馈式风力发电机的定子直接连接到电网，电网故障会通过电机定子转子的耦合传递至转子变流器，从而对电机造成很大的威胁。

在不施加去磁控制时，50％电网电压跌落下的双馈电机响应如图2所示。可以看到电网故障造成的电压跌落在定子磁链中产生了直流分量，该直流分量在转子回路中产生了很高的感应电压，对变流器的工作造成威胁，因此我们需要尽快衰减定子直流磁链。

传统的去磁控制中转子侧变流器的控制系统框图如图3所示。直流磁链的加速是由去磁转子电流i_rn的注入实现的，其大小与定子直流磁链ψ_sn大小成正比，方向与其相反，空间矢量表达式为

其中T为正的比例系数(由所需的定子直流磁链衰减时间常数决定)，负号表示与定子直流磁链方向相反。然而定子直流磁链ψ_sn不能够直接检测，须首先观测出定子磁链ψ_s然后滤波得到直流分量。定子ψ_s磁链的观测是通过可直接测量的定子电流i_s和定子端口电压v_s推算出来的，三者的关系式为

可以看出磁链的估算中需要知道定子电阻R_s的值，但由于定子电阻也不能直接测量，只能通过各种算法进行估算，而且会受到系统工况的影响产生漂移(电阻值改变)，因此传统的去磁控制对系统参数的依赖性很大。

图4给出了本发明中的控制框图。用于加速定子直流磁链衰减的转子去磁电流分量i_rn不再跟随定子直流磁链ψ_sn，而是跟随定子直流电流i_sn，其指令给定为

表示其大小与定子直流电流i_sn大小成正比，在空间上方向与其相反，其中K为正的比例系数(由所需的定子直流磁链衰减时间常数决定)。通过图3图4的对比我们可以看出，本发明中的控制只需要可以实时检测的定子电流大小，不需要的任何系统参数，从而摆脱了对系统参数的依赖性，提高了鲁棒性和系统的响应。

本发明提出一种双馈式风力发电系统用于低电压穿越的一种去磁控制方法，包括以下步骤：

步骤1，检测得到三相定子电流i_sa、i_sb和i_sc，并滤波得出直流分量i_{sa_dc}、i_{sb_dc}和i_{sc_dc}，则静止坐标系下三相转子去磁电流的指令

和

计算公式如下：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ra}\_n}^{*}\\ i_{\mathrm{rb}\_n}^{*}\\ i_{\mathrm{rc}\_n}^{*}\end{array}\right]=K\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{sa}\_\mathrm{dc}}\\ i_{\mathrm{sb}\_\mathrm{dc}}\\ i_{\mathrm{sc}\_\mathrm{dc}}\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中K为正的比例系数，取值范围为

其中L_s为定子电感，L_m为互感；

步骤2，将静止坐标系下的转子去磁电流指令进行变换，得到去磁控制所选取坐标系下转子去磁电流指令

和

计算公式如下：

其中θ为去磁控制选取的坐标系与静止坐标系的夹角，去磁控制选取的典型坐标系为静止坐标系或者同步旋转坐标系，也可为其他坐标系；

步骤1和步骤2可以调换顺序，即先进行变换变换再滤波，此时低通滤波器改为对应的带通滤波器，其具体步骤如下：

将检测得到的三相定子电流i_sa、i_sb和i_sc进行变换得到去磁控制所选取的坐标系下定子电流i_sd1和i_sq1，公式如下：

对定子电流i_sd1和i_sq1进行滤波，得到对应于空间上静止的分量i_{sd1_n}和i_{sq1_n}；则在去磁控制所选取的坐标系下转子去磁电流指令

和的计算公式为：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{rd}1\_n}^{*}\\ i_{\mathrm{rq}1\_n}^{*}\end{array}\right]=-K\begin{array}{}\end{array}\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{sd}1\_n}\\ i_{\mathrm{sq}1\_n}\end{array}\right]$

其中K为正的比例系数，取值范围为其中L_s为定子电感，L_m为互感。

步骤3，检测三相转子电流i_ra、i_rb和i_rc，对其进行滤波得到在空间上静止的转子去磁电流i_{ra_n}、i_{rb_n}和i_{rc_n}；

步骤4，对转子去磁电流i_{ra_n}、i_{rb_n}和i_{rc_n}进行变换得到在选取的旋转坐标系下得转子去磁电流i_{rd1_n}和i_{rq1_n}，计算公式如下：

其中θ_r为转子同步旋转坐标系与静止坐标系的夹角；

步骤3和步骤4可以调换顺序，即先进行变换再滤波，此时滤波器通带频率做相应调整，其具体步骤如下：

将检测到的三相转子电流i_ra、i_rb和i_rc进行变换得到去磁控制所选取的坐标系下转子电流i_rd1和i_rq1，公式如下：

对转子电流i_rd1和i_rq1进行滤波得到对应于空间上静止的分量i_{rd1_n}和i_{rq1_n}。

步骤5，将选取的坐标系下转子去磁电流指令

和

与实际转子去磁电流i_{rd1_n}和i_{rq1_n}做差后送入调节器，得到转子去磁电压指令和

步骤6，将去磁控制所选取坐标系下转子电压去磁指令

和

做反变换得到转子同步旋转坐标系下转子电压去磁指令

和计算公式如下：

步骤7，将转子同步旋转坐标系下转子电压去磁指令

和

与转子同步旋转坐标系下转子电压稳态指令和

相加得到转子同步旋转坐标系下转子电压指令

和与载波做比较后其输出作为最终的三相PWM调制波。转子同步旋转坐标系下转子电压指令计算公式如下：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{ra}2}^{*}\\ u_{\mathrm{rb}2}^{*}\\ u_{\mathrm{rc}2}^{*}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{ra}2\_n}^{*}\\ u_{\mathrm{rb}2\_n}^{*}\\ u_{\mathrm{rc}2\_n}^{*}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{ra}2\_f}^{*}\\ u_{\mathrm{rb}2\_f}^{*}\\ u_{\mathrm{rc}2\_f}^{*}\end{array}\right]---\left(5\right).$

图5、6给出了采用本发明中控制方法的仿真波形，分别为定子电阻估计值等于定子电阻实际值(R_{s_estimated}＝R_s)和定子电阻估计值等于0.8倍定子电阻实际值(R_{s_estimated}＝0.8R_s)仿真波形。从仿真波形中可以看出当定子电阻估计值实际值完全吻合时，传统的去磁控制和本发明中给出的去磁控制具有等效的控制效果；然而当定子电阻估计值与实际值不相等时，传统去磁控制下得定子磁链不能被完全衰减，而本发明中给出的去磁控制则不受影响。

本发明中给出了一种用于低电压穿越且不受系统参数影响的双馈风力发电系统去磁控制方法。并利用PSCAD/EMTDC对该控制方法进行了仿真验证。从仿真的结果中可以看到，该控制方法能够很好地加速定子磁链的衰减，并且摆脱了对系统参数的依赖性。

Claims (6)

1.双馈式风力发电系统用于低电压穿越的一种去磁控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，检测三相定子电流i_sa、i_sb和i_sc，将检测得到的三相定子电流i_sa、i_sb和i_sc进行滤波、变换或者变换、滤波得到去磁控制所选取坐标系下转子去磁电流指令

和

步骤二，检测三相转子电流i_ra、i_rb和i_rc，对检测得到的三相转子电流i_ra、i_rb和i_rc进行滤波、变换或者变换、滤波得到在去磁控制所选取坐标系下实际转子去磁电流i_{rd1_n}和i_{rq1_n}；

步骤三，将选取的坐标系下转子去磁电流指令和

与实际转子去磁电流i_{rd1_n}和i_{rq1_n}做差后送入调节器，得到转子去磁电压指令

和

步骤四，将去磁控制所选取坐标系下转子电压去磁指令

和

做反变换得到转子同步旋转坐标系下转子电压去磁指令

和

计算公式如下：

其中：其中θ为选取的坐标系与静止坐标系的夹角；θ_r为转子同步旋转坐标系与静止坐标系的夹角；

步骤五，将转子同步旋转坐标系下转子电压去磁指令

和与转子同步旋转坐标系下转子电压稳态指令和

相加得到转子同步旋转坐标系下转子电压指令

和

与载波做比较后其输出作为最终的三相PWM调制波；转子同步旋转坐标系下转子电压指令计算公式如下：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{ra}2}^{*}\\ u_{\mathrm{rb}2}^{*}\\ u_{\mathrm{rc}2}^{*}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{ra}2\_n}^{*}\\ u_{\mathrm{rb}2\_n}^{*}\\ u_{\mathrm{rc}2\_n}^{*}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{ra}2\_f}^{*}\\ u_{\mathrm{rb}2\_f}^{*}\\ u_{\mathrm{rc}2\_f}^{*}\end{array}\right]---\left(5\right).$

2.根据权利要求1所述的双馈式风力发电系统用于低电压穿越的一种去磁控制方法，其特征在于，转子去磁电流指令在空间上与定子直流分量反向且成比例，比例系数为-K；其中K为正的比例系数，取值范围为

其中L_s为定子电感，L_m为互感。

3.根据权利要求1所述的双馈式风力发电系统用于低电压穿越的一种去磁控制方法，其特征在于，步骤一中进行滤波、变换的具体步骤为：

将检测得到的三相定子电流i_sa、i_sb和i_sc滤波得出直流分量i_{sa_dc}、i_{sb_dc}和i_{sc_dc}，则静止坐标系下三相转子去磁电流的指令和

计算公式如下：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ra}\_n}^{*}\\ i_{\mathrm{rb}\_n}^{*}\\ i_{\mathrm{rc}\_n}^{*}\end{array}\right]=-K\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{sa}\_\mathrm{dc}}\\ i_{\mathrm{sb}\_\mathrm{dc}}\\ i_{\mathrm{sc}\_\mathrm{dc}}\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中K为正的比例系数，取值范围为

其中L_s为定子电感，L_m为互感；

将静止坐标系下的转子去磁电流指令进行变换，得到去磁控制所选取坐标系下转子去磁电流指令和

计算公式如下：

4.根据权利要求1所述的双馈式风力发电系统用于低电压穿越的一种去磁控制方法，其特征在于，步骤二中进行滤波、变换的具体步骤为：

将检测到的三相转子电流i_ra、i_rb和i_rc进行滤波得到对应于空间上静止的转子电流去磁分量i_{ra_n}、i_{rb_n}和i_{rc_n}；

对转子去磁电流i_{ra_n}、i_{rb_n}和i_{rc_n}进行变换得到在选取的旋转坐标系下转子去磁电流i_{rd1_n}和i_{rq1_n}，计算公式如下：

5.根据权利要求1所述的双馈式风力发电系统用于低电压穿越的一种去磁控制方法，其特征在于，步骤一中进行变换、滤波的具体步骤为：

将检测得到的三相定子电流i_sa、i_sb和i_sc进行变换得到去磁控制所选取的坐标系下定子电流i_sd1和i_sq1，公式如下：

对定子电流i_sd1和i_sq1进行滤波，得到对应于空间上静止的分量i_{sd1_n}和i_{sq1_n}；则在去磁控制所选取的坐标系下转子去磁电流指令

和

的计算公式为：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{rd}1\_n}^{*}\\ i_{\mathrm{rq}1\_n}^{*}\end{array}\right]=-K\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{sd}1\_n}\\ i_{\mathrm{sq}1\_n}\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中K为正的比例系数，取值范围为

其中L_s为定子电感，L_m为互感。

6.根据权利要求1所述的双馈式风力发电系统用于低电压穿越的一种去磁控制方法，其特征在于，步骤二中进行变换、滤波的具体步骤为：

将检测到的三相转子电流i_ra、i_rb和i_rc进行变换得到去磁控制所选取的坐标系下转子电流i_rd1和i_rq1，公式如下：

对转子电流i_rd1和i_rq1进行滤波得到对应于空间上静止的分量i_{rd1_n}和i_{rq1_n}。

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