CN102570962A - 双馈风力发电高电压穿越控制结构及其发电机、发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及双馈风力发电高电压穿越控制结构，在双馈风力发电机转子励磁控制中，在转子电流反馈通道中引入反馈系数R_a，与转子d、q轴反馈电流相乘形成的乘积叠加在转子励磁和转矩电流调节器的输出，构成转子侧虚拟电阻的控制结构。本发明的优点在于：减小了电网电压骤升时发电机转子电流和电磁转矩的冲击，避免了撬棒电路的频繁动作，虚拟电阻可以根据电网电压骤升幅度和当前转速灵活变化，在保证转子电压不超过变流器转子允许值时，最大限度的抑制转子电流和电磁转矩的振荡，达到电网电压骤升时的发电机的最优控制。本发明还涉及具有所述双馈风力发电高电压穿越控制结构的双馈风力发电机、双馈风力发电系统。

Description

双馈风力发电高电压穿越控制结构及其发电机、发电系统

技术领域

本发明涉及风力发电领域，尤其涉及一种双馈风力发电高电压穿越控制结构及具有所述双馈风力发电高电压穿越控制结构的双馈风力发电机、双馈风力发电系统。

背景技术

随着风电场规模和风力发电容量的不断扩大，当电网出现故障时，如果风力发电机与电网解列，若不能像常规能源那样在电网故障的情况下对电网提供频率和电压的支撑,则可能导致严重的连锁反应,并对电网的稳定运行造成严重影响。在实际风电场系统中，单相对地故障可能产生电网电压骤升，风电场负载的突然撤除也可能产生电网电压骤升，投入大的电容补偿器也可能引起电网电压骤升。目前使用的大多是双馈风力发电机，其定子和电网相联，而转子通过变流器与电网相联，因此，与电网电压跌落故障类似，当电网电压骤升故障发生时，其暂态过程也会对双馈发电机的定、转子形成电流、电压冲击。为了规避这些问题并保护变流器，可使风电机组自动离网，当故障恢复后再并网运行，但是这种离网策略已不能满足当今大规模风电场发电的并网准则要求。当前，大多风电并网准则都要求风电场具有低电压穿越（LVRT）能力，随着风力发电装机容量的不断扩大和并网准则完善，具有高电压穿越（HVRT）能力也会逐步成为对风电场的必然要求。澳大利亚率先制定了并网风力发电机的高电压穿越（HVRT）准则，当高压侧电网电压骤升至额定电压的130%时，风电机组应维持60ms而不脱网，并提供足够大的故障恢复电流。显然，这一准则要求风力发电机必须能够抵御和穿越高电压的能力。

发明内容

有鉴于此，本发明有必要提供双馈风力发电高电压穿越控制结构及具有所述双馈风力发电高电压穿越控制结构的双馈风力发电机、双馈风力发电系统，其提出了变阻尼的控制方案，从而在抑制电网电压骤升下转子过电压的同时，最大限度地抑制了转子过电流，不仅实现了双馈风力发电机的HVRT，还提高了双馈风力发电机的HVRT性能。

解决上述技术问题所采用的技术方案是：双馈风力发电高电压穿越控制结构，其用于在电网电压骤升下抑制双馈风力发电机的转子的过电压，所述双馈风力发电高电压穿越控制结构包括第一坐标转换单元、第二坐标转换单元、第三坐标转换单元、锁相环、定子磁链计算单元、前馈解耦单元、第一微分单元、第二微分单元、第一积分单元、第二积分单元、电压空间矢量调制单元、第一加法器、第二加法器、第三加法器、第四加法器、第五加法器，所述第一坐标转换单元用于根据转差角度θ_sr将所述双馈风力发电机的转子侧三相交流电流i_a、i_b、i_c从三相静止坐标系转换到两相旋转坐标系的d轴励磁反馈电流i_rd、q轴转矩反馈电流i_rq；所述锁相环接收所述双馈风力发电机的定子侧的三相交流电压U_sa、U_sb、U_sc并由此输出电网电压角度θ_s、定子电压矢量U_s；所述第二坐标转换单元用于根据所述电网电压角度θ_s将所述双馈风力发电机的定子侧三相交流电流i_A、i_B、i_C从三相静止坐标系转换到两相旋转坐标系的定子d轴电流i_sd、定子q轴电流i_sq；所述定子磁链计算单元用于对所述定子d轴电流i_sd、所述定子q轴电流i_sq、所述d轴励磁反馈电流i_rd以及所述q轴转矩反馈电流i_rq进行定子磁链计算产生定子d轴磁链                                                

、定子q轴磁链

；所述第一微分单元用于对所述转子电角度θ_r进行微分算法得到转速反馈值；所述第一加法器用于相加所述转子电角度θ_r与所述电网电压角度θ_s得到转差角度θ_sr；所述第二微分单元用于对所述转差角度θ_sr进行微分算法得到转差角速度

；所述前馈解耦单元用于对所述定子d轴磁链

、所述定子q轴磁链

、所述d轴励磁反馈电流i_rd、所述q轴转矩反馈电流i_rq、所述定子电压矢量U_s、所述转速反馈值

、以及所述转差角速度

进行前馈解耦计算得到d轴前馈解耦补偿项V_rdc、q轴前馈解耦补偿项V_rqc；所述第二加法器用于相加所述d轴励磁反馈电流i_rd与d轴励磁反馈电流期望值i^* _rd；所述第三加法器用于相加所述q轴转矩反馈电流i_rq与q轴转矩反馈电流期望值i^* _rq；所述第一积分单元用于对所述第二加法器的输出进行积分运算；所述第二积分单元用于对所述第三加法器的输出进行积分运算；所述第四加法器用于相加所述第一积分单元的输出、所述d轴前馈解耦补偿项V_rdc以及所述d轴励磁反馈电流i_rd得到转子侧d轴电压分量

；所述第五加法器用于相加所述第二积分单元的输出、所述q轴前馈解耦补偿项V_rqc以及所述q轴转矩反馈电流i_rq得到转子侧q轴电压分量

；所述第三坐标转换单元用于根据所述转差角度θ_sr将所述转子侧d轴电压分量

、所述转子侧q轴电压分量

从两相旋转坐标系转换到三相静止坐标系的转子侧α轴电压分量

、转子侧β轴电压分量

；所述电压空间矢量调制单元用于对所述转子侧α轴电压分量

、所述转子侧β轴电压分量

进行电压空间矢量调制并由此控制所述双馈风力发电机的转子侧变流器的逆变器模块中的功率管；

其中：

所述第四加法器与所述第一坐标转换单元之间还连接有第一虚拟电阻，所述第一虚拟电阻用于调整所述d轴励磁反馈电流i_rd，所述第一虚拟电阻根据所述电网电压骤升幅度和当前转速反馈值

而动态变化；所述第五加法器与所述第一坐标转换单元之间还连接有第二虚拟电阻，所述第二虚拟电阻用于调整所述q轴转矩反馈电流i_rq，所述第二虚拟电阻根据所述电网电压骤升幅度和当前转速反馈值

而动态变化；所述第一虚拟电阻、所述第二虚拟电阻的阻值选择均必须满足以下条件：Ir≤Irmax；Vr≤Vrmax，其中，Ir为转子侧电流的有效值，即为（i² _rd+i² _rq）^1/2，i_rd为所述d轴励磁反馈电流，i_rq为所述q轴转矩反馈电流；Vr为转子侧电压的有效值，即为（V² _rdc+V² _rqc）^1/2，V_rdc为所述d轴前馈解耦补偿项，V_rqc为所述q轴前馈解耦补偿项；Irmax和Vrmax分别为所述转子侧变流器所允许的电流、电压最大值。

作为上述方案的进一步改进，当前转速反馈值（

）为常数时，随着所述电网电压骤升幅度的增加，所述第一、第二虚拟电阻均成单调递减。

作为上述方案的进一步改进，所述电网电压骤升30%时，随着转差的增加，所述第一、第二虚拟电阻均成单调递减，同步转速点的虚拟电阻最大，并且超同步比次同步虚拟电阻递减的斜率更陡。

作为上述方案的进一步改进，所述Ir与所述Vr满足以下关系式：

其中

、

、

、

、

、

、、

分别为定子互感、转子互感、定子自感、骤升幅度、转子电压、瞬态电抗、虚拟电阻、转子电阻。

作为上述方案的进一步改进，所述第一虚拟电阻、所述第二虚拟电阻的设置通过软件控制实现。优选地，通过离线仿真计算得到不同转速，骤升幅度下的虚拟电阻值，以表格形式存储在DSP中，当电网电压发生骤升时，实时读取表格中值，软件切换到变虚拟电阻控制策略。对于虚拟电阻值的选择，还可以根据电网电压骤升幅度和骤升时发电机转速，采用最优控制中的极小值原理，以故障时转子侧变流器的转子电流、转子电压不超过转子变流器所允许的转子电流、转子电压最大值为目标，进行优化选择，还可以采用多目标优化的智能算法。

本发明还涉及双馈风力发电机，其安装有双馈风力发电高电压穿越控制结构，所述双馈风力发电高电压穿越控制结构用于在电网电压骤升下抑制所述双馈风力发电机的转子的过电压，所述双馈风力发电高电压穿越控制结构包括第一坐标转换单元、第二坐标转换单元、第三坐标转换单元、锁相环、定子磁链计算单元、前馈解耦单元、第一微分单元、第二微分单元、第一积分单元、第二积分单元、电压空间矢量调制单元、第一加法器、第二加法器、第三加法器、第四加法器、第五加法器，所述第一坐标转换单元用于根据转差角度θ_sr将所述双馈风力发电机的转子侧三相交流电流i_a、i_b、i_c从三相静止坐标系转换到两相旋转坐标系的d轴励磁反馈电流i_rd、q轴转矩反馈电流i_rq；所述锁相环接收所述双馈风力发电机的定子侧的三相交流电压U_sa、U_sb、U_sc并由此输出电网电压角度θ_s、定子电压矢量U_s；所述第二坐标转换单元用于根据所述电网电压角度θ_s将所述双馈风力发电机的定子侧三相交流电流i_A、i_B、i_C从三相静止坐标系转换到两相旋转坐标系的定子d轴电流i_sd、定子q轴电流i_sq；所述定子磁链计算单元用于对所述定子d轴电流i_sd、所述定子q轴电流i_sq、所述d轴励磁反馈电流i_rd以及所述q轴转矩反馈电流i_rq进行定子磁链计算产生定子d轴磁链

、定子q轴磁链

；所述第一微分单元用于对所述转子电角度θ_r进行微分算法得到转速反馈值；所述第一加法器用于相加所述转子电角度θ_r与所述电网电压角度θ_s得到转差角度θ_sr；所述第二微分单元用于对所述转差角度θ_sr进行微分算法得到转差角速度

；所述前馈解耦单元用于对所述定子d轴磁链

、所述定子q轴磁链

、所述d轴励磁反馈电流i_rd、所述q轴转矩反馈电流i_rq、所述定子电压矢量U_s、所述转速反馈值

、以及所述转差角速度

进行前馈解耦计算得到d轴前馈解耦补偿项V_rdc、q轴前馈解耦补偿项V_rqc；所述第二加法器用于相加所述d轴励磁反馈电流i_rd与d轴励磁反馈电流期望值i^* _rd；所述第三加法器用于相加所述q轴转矩反馈电流i_rq与q轴转矩反馈电流期望值i^* _rq；所述第一积分单元用于对所述第二加法器的输出进行积分运算；所述第二积分单元用于对所述第三加法器的输出进行积分运算；所述第四加法器用于相加所述第一积分单元的输出、所述d轴前馈解耦补偿项V_rdc以及所述d轴励磁反馈电流i_rd得到转子侧d轴电压分量

；所述第五加法器用于相加所述第二积分单元的输出、所述q轴前馈解耦补偿项V_rqc以及所述q轴转矩反馈电流i_rq得到转子侧q轴电压分量

；所述第三坐标转换单元用于根据所述转差角度θ_sr将所述转子侧d轴电压分量

、所述转子侧q轴电压分量

从两相旋转坐标系转换到三相静止坐标系的转子侧α轴电压分量、转子侧β轴电压分量

；所述电压空间矢量调制单元用于对所述转子侧α轴电压分量

、所述转子侧β轴电压分量

进行电压空间矢量调制并由此控制所述双馈风力发电机的转子侧变流器的逆变器模块中的功率管；

其中：

所述第四加法器与所述第一坐标转换单元之间还连接有第一虚拟电阻，所述第一虚拟电阻用于调整所述d轴励磁反馈电流i_rd，所述第一虚拟电阻根据所述电网电压骤升幅度和当前转速反馈值

而动态变化；所述第五加法器与所述第一坐标转换单元之间还连接有第二虚拟电阻，所述第二虚拟电阻用于调整所述q轴转矩反馈电流i_rq，所述第二虚拟电阻根据所述电网电压骤升幅度和当前转速反馈值

而动态变化；所述第一虚拟电阻、所述第二虚拟电阻的阻值选择均必须满足以下条件：Ir≤Irmax；Vr≤Vrmax，其中，Ir为转子侧电流的有效值，即为（i² _rd+i² _rq）^1/2，i_rd为所述d轴励磁反馈电流，i_rq为所述q轴转矩反馈电流；Vr为转子侧电压的有效值，即为（V² _rdc+V² _rqc）^1/2，V_rdc为所述d轴前馈解耦补偿项，V_rqc为所述q轴前馈解耦补偿项；Irmax和Vrmax分别为所述转子侧变流器所允许的电流、电压最大值。

作为上述方案的进一步改进，当前转速反馈值（

）为常数时，随着所述电网电压骤升幅度的增加，所述第一、第二虚拟电阻均成单调递减。

作为上述方案的进一步改进，所述电网电压骤升30%时，随着转差的增加，所述第一、第二虚拟电阻均成单调递减，同步转速点的虚拟电阻最大，并且超同步比次同步虚拟电阻递减的斜率更陡。

作为上述方案的进一步改进，所述Ir与所述Vr满足以下关系式：

其中

、

、

、

、

、

、

、

分别为定子互感、转子互感、定子自感、骤升幅度、转子电压、瞬态电抗、虚拟电阻、转子电阻。

作为上述方案的进一步改进，所述第一虚拟电阻、所述第二虚拟电阻的设置通过软件控制实现。优选地，通过离线仿真计算得到不同转速，骤升幅度下的虚拟电阻值，以表格形式存储在DSP中，当电网电压发生骤升时，实时读取表格中值，软件切换到变虚拟电阻控制策略。对于虚拟电阻值的选择，还可以根据电网电压骤升幅度和骤升时发电机转速，采用最优控制中的极小值原理，以故障时转子侧变流器的转子电流、转子电压不超过转子变流器所允许的转子电流、转子电压最大值为目标，进行优化选择，还可以采用多目标优化的智能算法。

本发明还涉及双馈风力发电系统，其安装有若干双馈风力发电机，每个双馈风力发电机安装有双馈风力发电高电压穿越控制结构，所述双馈风力发电高电压穿越控制结构用于在电网电压骤升下抑制所述双馈风力发电机的转子的过电压，所述双馈风力发电高电压穿越控制结构包括第一坐标转换单元、第二坐标转换单元、第三坐标转换单元、锁相环、定子磁链计算单元、前馈解耦单元、第一微分单元、第二微分单元、第一积分单元、第二积分单元、电压空间矢量调制单元、第一加法器、第二加法器、第三加法器、第四加法器、第五加法器，所述第一坐标转换单元用于根据转差角度θ_sr将所述双馈风力发电机的转子侧三相交流电流i_a、i_b、i_c从三相静止坐标系转换到两相旋转坐标系的d轴励磁反馈电流i_rd、q轴转矩反馈电流i_rq；所述锁相环接收所述双馈风力发电机的定子侧的三相交流电压U_sa、U_sb、U_sc并由此输出电网电压角度θ_s、定子电压矢量U_s；所述第二坐标转换单元用于根据所述电网电压角度θ_s将所述双馈风力发电机的定子侧三相交流电流i_A、i_B、i_C从三相静止坐标系转换到两相旋转坐标系的定子d轴电流i_sd、定子q轴电流i_sq；所述定子磁链计算单元用于对所述定子d轴电流i_sd、所述定子q轴电流i_sq、所述d轴励磁反馈电流i_rd以及所述q轴转矩反馈电流i_rq进行定子磁链计算产生定子d轴磁链、定子q轴磁链

；所述第一微分单元用于对所述转子电角度θ_r进行微分算法得到转速反馈值

；所述第一加法器用于相加所述转子电角度θ_r与所述电网电压角度θ_s得到转差角度θ_sr；所述第二微分单元用于对所述转差角度θ_sr进行微分算法得到转差角速度

；所述前馈解耦单元用于对所述定子d轴磁链

、所述定子q轴磁链、所述d轴励磁反馈电流i_rd、所述q轴转矩反馈电流i_rq、所述定子电压矢量U_s、所述转速反馈值

、以及所述转差角速度

进行前馈解耦计算得到d轴前馈解耦补偿项V_rdc、q轴前馈解耦补偿项V_rqc；所述第二加法器用于相加所述d轴励磁反馈电流i_rd与d轴励磁反馈电流期望值i^* _rd；所述第三加法器用于相加所述q轴转矩反馈电流i_rq与q轴转矩反馈电流期望值i^* _rq；所述第一积分单元用于对所述第二加法器的输出进行积分运算；所述第二积分单元用于对所述第三加法器的输出进行积分运算；所述第四加法器用于相加所述第一积分单元的输出、所述d轴前馈解耦补偿项V_rdc以及所述d轴励磁反馈电流i_rd得到转子侧d轴电压分量

；所述第五加法器用于相加所述第二积分单元的输出、所述q轴前馈解耦补偿项V_rqc以及所述q轴转矩反馈电流i_rq得到转子侧q轴电压分量

；所述第三坐标转换单元用于根据所述转差角度θ_sr将所述转子侧d轴电压分量

、所述转子侧q轴电压分量从两相旋转坐标系转换到三相静止坐标系的转子侧α轴电压分量

、转子侧β轴电压分量

；所述电压空间矢量调制单元用于对所述转子侧α轴电压分量

、所述转子侧β轴电压分量

进行电压空间矢量调制并由此控制所述双馈风力发电机的转子侧变流器的逆变器模块中的功率管；

其中：

所述第四加法器与所述第一坐标转换单元之间还连接有第一虚拟电阻，所述第一虚拟电阻用于调整所述d轴励磁反馈电流i_rd，所述第一虚拟电阻根据所述电网电压骤升幅度和当前转速反馈值

而动态变化；所述第五加法器与所述第一坐标转换单元之间还连接有第二虚拟电阻，所述第二虚拟电阻用于调整所述q轴转矩反馈电流i_rq，所述第二虚拟电阻根据所述电网电压骤升幅度和当前转速反馈值

而动态变化；所述第一虚拟电阻、所述第二虚拟电阻的阻值选择均必须满足以下条件：Ir≤Irmax；Vr≤Vrmax，其中，Ir为转子侧电流的有效值，即为（i² _rd+i² _rq）^1/2，i_rd为所述d轴励磁反馈电流，i_rq为所述q轴转矩反馈电流；Vr为转子侧电压的有效值，即为（V² _rdc+V² _rqc）^1/2，V_rdc为所述d轴前馈解耦补偿项，V_rqc为所述q轴前馈解耦补偿项；Irmax和Vrmax分别为所述转子侧变流器所允许的电流、电压最大值。

作为上述方案的进一步改进，当前转速反馈值（

）为常数时，随着所述电网电压骤升幅度的增加，所述第一、第二虚拟电阻均成单调递减。

作为上述方案的进一步改进，所述电网电压骤升30%时，随着转差的增加，所述第一、第二虚拟电阻均成单调递减，同步转速点的虚拟电阻最大，并且超同步比次同步虚拟电阻递减的斜率更陡。

作为上述方案的进一步改进，所述Ir与所述Vr满足以下关系式：

其中

、

、

、

、、

、

、

分别为定子互感、转子互感、定子自感、骤升幅度、转子电压、瞬态电抗、虚拟电阻、转子电阻。

作为上述方案的进一步改进，所述第一虚拟电阻、所述第二虚拟电阻的设置通过软件控制实现。优选地，通过离线仿真计算得到不同转速，骤升幅度下的虚拟电阻值，以表格形式存储在DSP中，当电网电压发生骤升时，实时读取表格中值，软件切换到变虚拟电阻控制策略。对于虚拟电阻值的选择，还可以根据电网电压骤升幅度和骤升时发电机转速，采用最优控制中的极小值原理，以故障时转子侧变流器的转子电流、转子电压不超过转子变流器所允许的转子电流、转子电压最大值为目标，进行优化选择，还可以采用多目标优化的智能算法。

与现有的技术相比，本发明提供的双馈风力发电高电压穿越控制结构及具有所述双馈风力发电高电压穿越控制结构的双馈风力发电机、双馈风力发电系统的优点是：减小了电网电压骤升时发电机转子电流和电磁转矩的冲击，避免了撬棒电路的频繁动作，虚拟电阻可以根据电网电压骤升幅度和当前转速灵活变化，在保证转子电压不超过变流器转子允许值时，最大限度的抑制转子电流和电磁转矩的振荡，达到电网电压骤升时的发电机的最优控制。

附图说明

图1是本发明基于虚拟电阻的双馈发电机控制结构图。

图2是本发明中虚拟电阻随骤升幅度的变化关系图。

图3是本发明中虚拟电阻随转速的变化关系图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，其为本发明较佳实施方式提供的基于虚拟电阻的双馈风力发电高电压穿越控制结构图。双馈风力发电高电压穿越控制结构应用于双馈发电机10上，双馈发电机10是双馈风力发电系统中的其中一个发电机。

所述双馈风力发电高电压穿越控制结构包括第一坐标转换单元21、第二坐标转换单元23、第三坐标转换单元25、锁相环27、定子磁链计算单元29、前馈解耦单元210、第一微分单元212、第二微分单元214、第一积分单元216、第二积分单元218、电压空间矢量调制单元219、第一加法器221、第二加法器223、第三加法器225、第四加法器227、第五加法器229、第一虚拟电阻230以及第二虚拟电阻232。

第一坐标转换单元21用于根据转差角度θ_sr将双馈风力发电机10的转子侧三相交流电流i_a、i_b、i_c从三相静止坐标系转换到两相旋转坐标系的d轴励磁反馈电流i_rd、q轴转矩反馈电流i_rq。

锁相环27接收双馈风力发电机10的定子侧的三相交流电压U_sa、U_sb、U_sc并由此输出电网电压角度θ_s、定子电压矢量U_s。

第二坐标转换单元23用于根据所述电网电压角度θ_s将双馈风力发电机10的定子侧三相交流电流i_A、i_B、i_C从三相静止坐标系转换到两相旋转坐标系的定子d轴电流i_sd、定子q轴电流i_sq。

定子磁链计算单元29用于对所述定子d轴电流i_sd、所述定子q轴电流i_sq、所述d轴励磁反馈电流i_rd以及所述q轴转矩反馈电流i_rq进行定子磁链计算产生定子d轴磁链、定子q轴磁链

。

第一微分单元212用于对所述转子电角度θ_r进行微分算法得到转速反馈值。

第一加法器221用于相加所述转子电角度θ_r与所述电网电压角度θ_s得到转差角度θ_sr。

第二微分单元214用于对所述转差角度θ_sr进行微分算法得到转差角速度

。

前馈解耦单元210用于对所述定子d轴磁链

、所述定子q轴磁链

、所述d轴励磁反馈电流i_rd、所述q轴转矩反馈电流i_rq、所述定子电压矢量U_s、所述转速反馈值

、以及所述转差角速度

进行前馈解耦计算得到d轴前馈解耦补偿项V_rdc、q轴前馈解耦补偿项V_rqc。

第二加法器223用于相加所述d轴励磁反馈电流i_rd与d轴励磁反馈电流期望值i^* _rd。

第三加法器225用于相加所述q轴转矩反馈电流i_rq与q轴转矩反馈电流期望值i^* _rq。

第一积分单元216用于对第二加法器223的输出进行积分运算；第二积分单元218用于对第三加法器225的输出进行积分运算。

第一虚拟电阻230连接于第四加法器227与第一坐标转换单元21之间，第一虚拟电阻230用于调整所述d轴励磁反馈电流i_rd，第一虚拟电阻230的阻值选择必须满足以下条件：Ir≤Irmax；Vr≤Vrmax，其中，Ir为转子侧电流的有效值，即为（i² _rd+i² _rq）^1/2，i_rd为所述d轴励磁反馈电流，i_rq为所述q轴转矩反馈电流；Vr为转子侧电压的有效值，即为（V² _rdc+V² _rqc）^1/2，V_rdc为所述d轴前馈解耦补偿项，V_rqc为所述q轴前馈解耦补偿项；Irmax和Vrmax分别为所述转子侧变流器所允许的电流、电压最大值。

第二虚拟电阻232连接于第五加法器229与第一坐标转换单元21之间，第二虚拟电阻232用于调整所述q轴转矩反馈电流i_rq，第二虚拟电阻232的阻值选择必须满足以下条件：Ir≤Irmax；Vr≤Vrmax，其中，Ir为转子侧电流的有效值，即为（i² _rd+i² _rq）^1/2，i_rd为所述d轴励磁反馈电流，i_rq为所述q轴转矩反馈电流；Vr为转子侧电压的有效值，即为（V² _rdc+V² _rqc）^1/2，V_rdc为所述d轴前馈解耦补偿项，V_rqc为所述q轴前馈解耦补偿项；Irmax和Vrmax分别为所述转子侧变流器所允许的电流、电压最大值。

所述Ir与所述Vr满足以下关系式：

其中

、

、、

、

、

、

、

分别为定子互感、转子互感、定子自感、骤升幅度、转子电压、瞬态电抗、虚拟电阻、转子电阻。

在本实施方式中，第一虚拟电阻230、第二虚拟电阻232的设置通过软件控制实现。可以通过离线仿真计算得到不同转速，骤升幅度下的虚拟电阻值，以表格形式存储在DSP中，当电网电压发生骤升时，实时读取表格中值，软件切换到变虚拟电阻控制策略。对于虚拟电阻值的选择，还可以根据电网电压骤升幅度和骤升时发电机转速，采用最优控制中的极小值原理，以故障时转子侧变流器的转子电流、转子电压不超过转子变流器所允许的转子电流、转子电压最大值为目标，进行优化选择，还可以采用多目标优化的智能算法。

第四加法器227用于相加第一积分单元216的输出、所述d轴前馈解耦补偿项V_rdc以及经过第一虚拟电阻230调整的所述d轴励磁反馈电流i_rd得到转子侧d轴电压分量

。

第五加法器229用于相加第二积分单元218的输出、所述q轴前馈解耦补偿项V_rqc以及经过第二虚拟电阻232调整的所述q轴转矩反馈电流i_rq得到转子侧q轴电压分量

。

第三坐标转换单元25用于根据所述转差角度θ_sr将所述转子侧d轴电压分量

、所述转子侧q轴电压分量从两相旋转坐标系转换到三相静止坐标系的转子侧α轴电压分量

、转子侧β轴电压分量

。

电压空间矢量调制单元219用于对所述转子侧α轴电压分量、所述转子侧β轴电压分量

进行电压空间矢量调制并由此控制双馈风力发电机10的转子侧变流器的逆变器模块12中的功率管。

简而言之，所述转子侧变流器采用基于电网电压定向的矢量控制策略，双馈发电机10的转子侧a相交流电流i_a、b相交流电流i_b、c相交流电流i_c经过调理电路接入DSP不同的A/D引脚（图未示），经过三相静止坐标系到两相旋转坐标系的转换变为d轴励磁反馈电流i_rd、q轴转矩反馈电流i_rq，定子侧A相交流电流i_A、B相交流电流i_B、C相交流电流i_C经过三相静止坐标系到两相旋转坐标系的转换变为定子d轴反馈电流i_sd、定子q轴反馈电流i_sq，双馈发电机10的转速经过光电编码器（图未示）转换为两路相位差九十度的脉冲信号，经过光电编码接口电路（图未示）后，送至DSP的正交编码脉冲电路（图未示），经过微分算法后得到发电机转速反馈值

。根据电网电压定向原理，定子侧A相交流电压U_sa、B相交流电压U_sb、C相交流电压U_sc经过锁相环（PLL）27得到电网电压角度θ_s、定子电压矢量U_s,定子d轴电流i_sd、定子q轴电流i_sq、转子d轴电流i_rd、转子q轴电流i_rq经过定子磁链计算得到定子d轴磁链

和定子q轴磁链

，转子角速度、转差角速度

、转子d轴电流i_rd、转子q轴电流i_rq、定子电压矢量U_s、定子d轴磁链和定子q轴磁链经过前馈解耦计算得d轴前馈解耦补偿项V_rdc、q轴前馈解耦补偿项V_rqc，d轴前馈解耦补偿项V_rdc、q轴前馈解耦补偿项V_rqc为消除转子电压、电流交叉耦合的前馈解耦补偿项，经过PI控制的转子励磁电流调节器输出和经过PI控制的转矩电流调节器输出分别与前馈解耦补偿项V_rdc、V_rqc相加后，再和励磁反馈电流i_rd与系数R_a相乘项、转矩反馈电流i_rq与系数R_a相乘项相加，得到同步旋转坐标系下的转子侧d轴电压分量

、转子侧q轴电压分量

，经过两相旋转坐标系到两相静止坐标系的转换变为转子侧α轴电压分量

、转子侧β轴电压分量，再经过电压空间矢量SVPWM调制，由DSP的PWM调制发生单元输出6路脉宽信号输入至由光耦组成的隔离驱动电路（图未示），直接控制转子侧变流器的IPM模块12中的功率管。实现对双馈发电机10转子侧的控制。实现双馈发电机10电磁转矩和转子励磁之间的完全解耦控制，定子侧有功、无功的独立控制。

图2为双馈发电机10超同步运行于1800r/min时的虚拟电阻（第一虚拟电阻230、第二虚拟电阻232中的任意一者）与电网电压骤升幅度间的关系曲线，显然，随着电网电压骤升幅度的增加，虚拟电阻成单调递减，以使转子电压被限制在最大允许值。图3为电网电压骤升30%时的虚拟电阻与转速间的关系曲线，可见，随着转差的增加，虚拟电阻成单调递减，同步转速点的虚拟电阻最大，并且超同步比次同步虚拟电阻递减的斜率更陡。骤升幅度高，优选考虑电流；骤升幅度低，优选考虑电压。

综上所述，基于转子变虚拟电阻的转子励磁控制策略，随着虚拟电阻增加，控制系统对转子电流振荡的抑制能力增强，但转子电压也随之增加。由于双馈发电机10的转子电压不仅与电机转速有关还与电网电压骤升幅度有关，因此必须选取合适的虚拟电阻，保证在一定的转速和电网电压骤升幅度下，既要抑制转子电流振荡，也要保证转子电压不至于过高，暂态时间不至于加长。转子故障电流与电网电压骤升幅度、转速均相关。针对不同的电网电压骤升幅度，选择合适的虚拟电阻是有必要的。通过改变虚拟电阻R_a的大小，可以改变转子时间常数，增加转子侧阻尼，抑制电网电压骤升时转子电流的峰值，虚拟电阻的选择必须满足：Ir

Irmax; Vr

Vrmax其中，Irmax和Vrmax分别为转子侧变流器所允许的电流、电压最大值。在电网电压骤升幅度较大时考虑满足转子电压限制条件，虚拟电阻选择小，在电网电压骤升幅度较小时考虑满足转子电流限制条件，虚拟电阻选择较大。

简而言之，在双馈风力发电机转子励磁控制中，在转子电流反馈通道中引入反馈系数R_a，与转子d、q轴反馈电流相乘形成的乘积叠加在转子励磁和转矩电流调节器的输出，构成转子侧虚拟电阻的控制结构。针对不同的电网电压骤升幅度、骤升时不同的转速，虚拟电阻的值是可变的，改变转子时间常数，增加转子侧阻尼，抑制电网电压骤升时转子电流的峰值。其变化的原则是：虚拟电阻的选择必须满足电网电压骤升时转子侧电压、电流的幅值不能超过转子侧变流器所允许的电压、电流最大值。在电网电压骤升幅度较大时考虑满足转子电压限制条件，虚拟电阻选择小，在电网电压骤升幅度较小时考虑满足转子电流限制条件，虚拟电阻选择较大。

本发明的优点在于：减小了电网电压骤升时发电机转子电流和电磁转矩的冲击，避免了撬棒电路的频繁动作，虚拟电阻可以根据电网电压骤升幅度和当前转速灵活变化，在保证转子电压不超过变流器转子允许值时，最大限度的抑制转子电流和电磁转矩的振荡，达到电网电压骤升时的发电机的最优控制。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.双馈风力发电高电压穿越控制结构，其用于在电网电压骤升下抑制双馈风力发电机的转子的过电压，所述双馈风力发电高电压穿越控制结构包括第一坐标转换单元、第二坐标转换单元、第三坐标转换单元、锁相环、定子磁链计算单元、前馈解耦单元、第一微分单元、第二微分单元、第一积分单元、第二积分单元、电压空间矢量调制单元、第一加法器、第二加法器、第三加法器、第四加法器、第五加法器，其中：

所述第一坐标转换单元用于根据转差角度（θ_sr）将所述双馈风力发电机的转子侧三相交流电流（i_a、i_b、i_c）从三相静止坐标系转换到两相旋转坐标系的d轴励磁反馈电流（i_rd）、q轴转矩反馈电流（i_rq）；

所述锁相环接收所述双馈风力发电机的定子侧的三相交流电压（U_sa、U_sb、U_sc）并由此输出电网电压角度（θ_s）、定子电压矢量（U_s）；

所述第二坐标转换单元用于根据所述电网电压角度（θ_s）将所述双馈风力发电机的定子侧三相交流电流（i_A、i_B、i_C）从三相静止坐标系转换到两相旋转坐标系的定子d轴电流（i_sd）、定子q轴电流（i_sq）；

所述定子磁链计算单元用于对所述定子d轴电流（i_sd）、所述定子q轴电流（i_sq）、所述d轴励磁反馈电流（i_rd）以及所述q轴转矩反馈电流（i_rq）进行定子磁链计算产生定子d轴磁链（                                               

）、定子q轴磁链（）；

所述第一微分单元用于对所述转子电角度（θ_r）进行微分算法得到转速反馈值（

）；

所述第一加法器用于相加所述转子电角度（θ_r）与所述电网电压角度（θ_s）得到转差角度（θ_sr）；

所述第二微分单元用于对所述转差角度（θ_sr）进行微分算法得到转差角速度（

）；

所述前馈解耦单元用于对所述定子d轴磁链（

）、所述定子q轴磁链（

）、所述d轴励磁反馈电流（i_rd）、所述q轴转矩反馈电流（i_rq）、所述定子电压矢量（U_s）、所述转速反馈值（

）、以及所述转差角速度（

）进行前馈解耦计算得到d轴前馈解耦补偿项（V_rdc）、q轴前馈解耦补偿项（V_rqc）；

所述第二加法器用于相加所述d轴励磁反馈电流（i_rd）与d轴励磁反馈电流期望值（i^* _rd）；

所述第三加法器用于相加所述q轴转矩反馈电流（i_rq）与q轴转矩反馈电流期望值（i^* _rq）；

所述第一积分单元用于对所述第二加法器的输出进行积分运算；

所述第二积分单元用于对所述第三加法器的输出进行积分运算；

所述第四加法器用于相加所述第一积分单元的输出、所述d轴前馈解耦补偿项（V_rdc）以及所述d轴励磁反馈电流（i_rd）得到转子侧d轴电压分量（

）；

所述第五加法器用于相加所述第二积分单元的输出、所述q轴前馈解耦补偿项（V_rqc）以及所述q轴转矩反馈电流（i_rq）得到转子侧q轴电压分量（

）；

所述第三坐标转换单元用于根据所述转差角度（θ_sr）将所述转子侧d轴电压分量（）、所述转子侧q轴电压分量（

）从两相旋转坐标系转换到三相静止坐标系的转子侧α轴电压分量（

）、转子侧β轴电压分量（

）；

所述电压空间矢量调制单元用于对所述转子侧α轴电压分量（）、所述转子侧β轴电压分量（

）进行电压空间矢量调制并由此控制所述双馈风力发电机的转子侧变流器的逆变器模块中的功率管；

其特征在于：

所述第四加法器与所述第一坐标转换单元之间还连接有第一虚拟电阻，所述第一虚拟电阻用于调整所述d轴励磁反馈电流（i_rd），所述第一虚拟电阻根据所述电网电压骤升幅度和当前转速反馈值（）而动态变化；

所述第五加法器与所述第一坐标转换单元之间还连接有第二虚拟电阻，所述第二虚拟电阻用于调整所述q轴转矩反馈电流（i_rq），所述第二虚拟电阻根据所述电网电压骤升幅度和/或当前转速反馈值（

）而动态变化；

所述第一虚拟电阻、所述第二虚拟电阻的阻值选择均必须满足以下条件：Ir≤Irmax；Vr≤Vrmax，其中，Ir为转子侧电流的有效值，即为（i² _rd+i² _rq）^1/2，i_rd为所述d轴励磁反馈电流（i_rd），i_rq为所述q轴转矩反馈电流（i_rq）；Vr为转子侧电压的有效值，即为（V² _rdc+V² _rqc）^1/2，V_rdc为所述d轴前馈解耦补偿项（V_rdc），V_rqc为所述q轴前馈解耦补偿项（V_rqc）；Irmax和Vrmax分别为所述转子侧变流器所允许的电流、电压最大值。

2.如权利要求1所述的双馈风力发电高电压穿越控制结构，其特征在于，当前转速反馈值（

）为常数时，随着所述电网电压骤升幅度的增加，所述第一、第二虚拟电阻均成单调递减。

3.如权利要求2所述的双馈风力发电高电压穿越控制结构，其特征在于，所述电网电压骤升30%时，随着转差的增加，所述第一、第二虚拟电阻均成单调递减，同步转速点的虚拟电阻最大，并且超同步比次同步虚拟电阻递减的斜率更陡。

4.如权利要求1所述的双馈风力发电高电压穿越控制结构，其特征在于，所述Ir与所述Vr满足以下关系式：

其中

、

、

、

、

、

、

、

分别为定子互感、转子互感、定子自感、骤升幅度、转子电压、瞬态电抗、虚拟电阻、转子电阻。

5.如权利要求1所述的双馈风力发电高电压穿越控制结构，其特征在于，所述第一虚拟电阻、所述第二虚拟电阻的设置通过软件控制实现。

6.如权利要求5所述的双馈风力发电高电压穿越控制结构，其特征在于，通过离线仿真计算得到不同转速，骤升幅度下的虚拟电阻值，以表格形式存储在DSP中，当电网电压发生骤升时，实时读取表格中值，软件切换到变虚拟电阻控制策略。

7.如权利要求5所述的双馈风力发电高电压穿越控制结构，其特征在于，根据电网电压骤升幅度和骤升时发电机转速，采用最优控制中的极小值原理，以故障时转子侧变流器的转子电流、转子电压不超过转子变流器所允许的转子电流、转子电压最大值为目标，对虚拟电阻值进行优化选择。

8.双馈风力发电机，其安装有如权利要求1至7中任意一项所述的双馈风力发电高电压穿越控制结构。

9.双馈风力发电系统，其安装有若干如权利要求8所述的双馈风力发电机。

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