CN103117700B - 一种不平衡电网下基于谐振反馈的dfig控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种不平衡电网下基于谐振反馈的DFIG控制方法，其采用谐振反馈控制技术，可以使得不平衡电网下DFIG控制方法得到简化，在任何环节中均无需对系统电磁量进行正、负序分离以及转子负序电流参考值计算环节，从而可避免正、负序分离过程所带来的时延、相角和幅值的检测误差等问题，从而达到不同目标的要求以及良好的动态特性；采用本发明可在不对称电网条件下实现DFIG发电系统的强化运行与控制，提高其故障穿越能力；且本发明亦可以应用于太阳能发电、生物质能并网逆变装置和交流传动变流装置等各类形式的PWM三相或单相变流器装置中，以获取在不平衡电网下的不同控制效果。

Description

一种不平衡电网下基于谐振反馈的DFIG控制方法

技术领域

本发明属于风力发电控制技术领域，具体涉及一种不平衡电网下基于谐振反馈的DFIG控制方法。

背景技术

能源是人类社会存在和发展的重要物质基础。随着社会的不断进步、经济快速发展，整个社会对能源的需求量持续增加。但由于能源危机、气候变暖和环境污染等问题，可再生能源的开发利用得到了世界各国的广泛关注和支持。以中国为例，截止2011年底，中国累计装机容量为62.36GW，达到世界总装机容量的26.64%，并预测到2015年，中国风电装机将突破100GW，其中海上风电装机达到5GW，在2030年风电装机容量超越核电，成为火电、水电之后的第三大电力来源。这对于缓解我国能源供需矛盾、优化能源结构、保障国家能源安全、以及促进社会的可持续发展等方面具有重要的意义。

双馈异步风力发电机（DFIG）由于其变流器容量小、功率独立解耦控制、成本较低等优势，成为变速恒频风力发电机组的主流机型。但由于DFIG定子与电网直接相连和变流器控制能力有限，在电网发生故障时DFIG机组易出现过流、过压、转矩冲击等现象，危害变流器以及机组轴系特别是齿轮箱等部件运行安全，以至于产生自我保护动作从而引起风力机组的脱网。因此，2011年12月国家标准GB/T19963-2011《风电场接入电力系统技术规定》正式颁布，并于2012年6月1日正式实施，其中对并网风力发电机的故障穿越能力（FRT）提出了明确的要求：要求风力机能够承受2%的稳态和4%的短时电压不平衡度，而不得从电网解列。

目前，不平衡电网下DFIG的控制技术已成为国内外风电研究的热点问题，Xu L和Wang Y在标题为Dynamic Modeling and Control of DFIG-Based WindTurbines Under Unbalanced Network Conditions（IEEE Transactions on PowerSystems,2007,22(1):314-323.）提出了一种DFIG控制方法，其基于对称分量理论的矢量控制技术，该方法的核心是将转子电流分解为正序和负序分量，在正、反转同步速旋转两相坐标系中采用双比例-积分调节器对转子电流的正、负序分量进行调节，以实现不同的控制目标，其控制原理如图1所示。DFIG的转子变流器4可以采用双比例-积分电流调节器以及相应的解耦补偿计算模块17对转子电流进行控制，首先必须获得转子电流反馈值。利用两组（每组3个）电流霍尔传感器2分别采集三相定子电流信号I_sabc、三相转子电流信号I_rabc，利用一组（3个）电压霍尔传感器3采集三相定子电压信号U_sabc；将采集到的三相定子电流信号I_sabc、三相转子电流信号I_rabc、三相定子电压信号U_sabc分别经过三相静止/两相静止坐标变换模块6，得到同时含有正序分量、负序分量的定子电压综合矢量U_sαβ、定子电流综合矢量I_sαβ、转子电流综合矢量I_rαβ，同时将定子电压综合矢量U_sαβ、定子电流综合矢量I_sαβ经过磁链计算模块10可得到两相定子静止坐标系中定子磁链综合矢量ψ_sαβ；其中，定子电压综合矢量U_sαβ、定子电流综合矢量I_sαβ、定子磁链综合矢量ψ_sαβ经过两相定子静止/正、反转同步速旋转两相坐标变换模块11，得到在正、反转同步速两相坐标系中定子电压综合矢量和定子电流综合矢量和定子磁链综合矢量和转子电流综合矢量I_rαβ经过两相转子速旋转/正、反转同步速旋转两相坐标变换模块12，得到正、反转同步速旋转两相坐标系中转子电流综合矢量和然后通过2倍频（100Hz）陷波器模块13滤除各综合矢量中的2倍频分量，以获取各综合矢量中的直流分量根据不同的控制目标，由转子电流参考值计算模块14计算在相应的控制目标下转子电流正、负序参考值然后将转子电流参考值计算模块14计算所得转子电流正序和负序参考值与转子正、负序电流反馈值比较以获得误差信号，并在正、反转坐标系中分别对误差信号做比例-积分调节，最后经过反馈解耦补偿与坐标变换并加和后，可获得两相同步速旋转坐标系中转子电压参考矢量将所获得的转子电压参考矢量经过正转同步速两相/转子静止两相坐标系坐标变换模块18，获得转子静止两相坐标系中转子电压参考矢量然后经过信号经过空间矢量脉宽调制模块9调制后，可获得调节DFIG的转子变流器4的开关信号S_a、S_b、S_c，实现在不平衡电网下DFIG的运行控制，达到所要求的目标与控制效果。此外，系统采用软件锁相环电路7获取电网电压的同步信号，采用光电编码器5获取转子角频率ω_r以及转子位置角θ_r，为转子电流的采集与坐标变换提供理论依据。

根据上述分析可知，电网电压不对称条件下DFIG的控制方法的实质是将不对称的电磁分量分解为正、负序对称分量系统后，在分别在正、反转同步速旋转两相坐标系中通过两个比例-积分调节器分别实现正、负序分量的无静差跟踪。图1所示的DFIG控制方法中，转子电流参考值计算、转子电流反馈值的提取中涉及系统电磁分量的正、负序分离，这个分离过程会引入时延以及相角和幅值的误差。此外，该控制系统不论电网电压平衡还是不平衡条件下均对系统电磁量进行正负序分离，以获取转子电流参考值，增加控制系统的计算负担。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术缺陷，本发明提供了一种不平衡电网下基于谐振反馈的DFIG控制方法，其无需对系统电磁量正、负序分离，计算简便。

一种不平衡电网下基于谐振反馈的DFIG控制方法，包括如下步骤：

（1）采集DFIG的三相定子电压、三相定子电流、三相转子电流、转速以及转子位置角；通过对所述的三相定子电压、三相定子电流和三相转子电流进行dq变换，计算出DFIG定子的输出有功功率P_s和输出无功功率Q_s以及DFIG的电磁转矩T_e；

（2）对所述的三相转子电流进行PI调节及解耦补偿，得到转子电压有功轴矢量U_rd1和转子电压无功轴矢量U_rq1；

（3）根据不同的四种控制目标，使I_rd和I_rq、-I_sd和-I_sq、P_s和-Q_s或T_e和-Q_s分别作为有功轴输入信号和无功轴输入信号，其中：I_sd和I_sq分别为三相定子电流的d轴分量和q轴分量，I_rd和I_rq分别为三相转子电流的d轴分量和q轴分量；

对所述的有功轴输入信号和无功轴输入信号分别进行谐振调节得到转子电压有功轴矢量U_rd2和转子电压无功轴矢量U_rq2；

（4）使转子电压有功轴矢量U_rd1和转子电压无功轴矢量U_rq1分别减去转子电压有功轴矢量U_rd2和转子电压无功轴矢量U_rq2，得到转子有功轴电压指令U_rd和转子无功轴电压指令U_rq；

（5）对转子有功轴电压指令U_rd和转子无功轴电压指令U_rq进行Park反变换得到转子α轴电压指令U_rα和转子β轴电压指令U_rβ；根据所述的转子α轴电压指令U_rα和转子β轴电压指令U_rβ通过SVPWM（空间矢量脉宽调制）技术构造得到一组PWM信号以对DFIG的转子变流器进行控制。

所述的步骤（1）中，计算DFIG定子的输出有功功率P_s和输出无功功率Q_s以及DFIG的电磁转矩T_e的过程如下：首先，分别对三相定子电压、三相定子电流和三相转子电流进行dq变换得到三相定子电压的d轴分量U_sd和q轴分量U_sq、三相定子电流的d轴分量I_sd和q轴分量I_sq以及三相转子电流的d轴分量I_rd和q轴分量I_rq；然后根据以下算式计算出DFIG定子的输出有功功率P_s和输出无功功率Q_s以及DFIG的电磁转矩T_e：

P_s＝U_sdI_sd+U_sqI_sq Q_s＝U_sqI_sd-U_sdI_sq

T_e＝n_pL_m(I_sqI_rd-I_sdI_rq)

其中：n_p为DFIG的极对数，L_m为DFIG的定转子互感。

所述的步骤（2）中，根据以下算式对三相转子电流进行PI调节及解耦补偿：

$U_{\mathrm{rd}1}=G_{\mathrm{PI}}\left(s\right)\·(i_{\mathrm{rd}}-I_{\mathrm{rd}})+(R_r{I}_{\mathrm{rd}}-{\mathrm{\ω}}_s\mathrm{\σ}{L}_r{I}_{\mathrm{rq}})+\frac{L_m}{L_s}(U_{\mathrm{sd}}-R_s{I}_{\mathrm{sd}}+{\mathrm{\ω}}_r{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sq}})$

$U_{\mathrm{rq}1}=G_{\mathrm{PI}}\left(s\right)\·(i_{\mathrm{rq}}-I_{\mathrm{rq}})+(R_r{I}_{\mathrm{rq}}-{\mathrm{\ω}}_s\mathrm{\σ}{L}_r{I}_{\mathrm{rq}})+\frac{L_m}{L_s}(U_{\mathrm{sq}}-R_s{I}_{\mathrm{sq}}+{\mathrm{\ω}}_r{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sq}})$

$G_{\mathrm{PI}}\left(s\right)=K_p+\frac{K_i}{s}$

其中：U_sd和U_sq分别为三相定子电压的d轴分量和q轴分量，R_s和R_r分别为定子电阻和转子电阻，i_rd和i_rq分别为转子电流的d轴参考矢量和q轴参考矢量，ψ_sd和ψ_sq分别为定子磁链的d轴分量和q轴分量，L_s和L_r分别为DFIG的定子漏感和转子漏感，L_m为DFIG的定转子互感，ω_s=ω₁-ω_r，ω₁为三相定子电压正序分量的角频率，ω_r为DFIG的转速，σ为漏磁系数，K_p和K_i分别为比例系数和积分系数，s为拉普拉斯算子。

所述的转子电流的d轴参考矢量和q轴参考矢量根据以下公式计算求得：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{rd}}=-\frac{2{\mathrm{PL}}_s}{3U_{\mathrm{sd}}{L}_m}\\ i_{\mathrm{rq}}=\frac{2{\mathrm{QL}}_s}{3U_{\mathrm{sd}}{L}_m}-\frac{U_{\mathrm{sd}}}{{\mathrm{\ω}}_1{L}_m}\end{array}\right.$

其中：P和Q分别为给定的有功功率参考值和无功功率参考值。

所述的定子磁链的d轴分量和q轴分量的求解过程如下：

首先，分别对三相定子电压和三相定子电流进行Clarke变换得到三相定子电压的α轴分量U_sα和β轴分量U_sβ以及三相定子电流的α轴分量I_sα和β轴分量I_sβ；

然后，根据以下公式计算求得定子磁链的α轴分量ψsα和β轴分量ψsβ：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}=\∫(U_{\mathrm{s\α}}-R_s{I}_{\mathrm{s\α}})\·\mathrm{dt}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}=\∫(U_{\mathrm{s\β}}-R_s{I}_{\mathrm{s\β}})\·\mathrm{dt}\end{array}\right.$

其中：t为时间；

最后，对定子磁链的α轴分量ψ_sα和β轴分量ψ_sβ进行Park变换，得到定子磁链的d轴分量和q轴分量。

所述的步骤（3）中，若控制目标为三相转子电流无脉动，则使I_rd和I_rq分别作为有功轴输入信号和无功轴输入信号；若控制目标为三相定子电流平衡，则使-I_sd和-I_sq分别作为有功轴输入信号和无功轴输入信号；若控制目标为定子输出有功功率和输出无功功率恒定，则使P_s和-Q_s分别作为有功轴输入信号和无功轴输入信号；若控制目标为抑制电磁转矩和定子输出无功功率中二倍频振荡，则使T_e和-Q_s分别作为有功轴输入信号和无功轴输入信号。

所述的步骤（3）中，根据以下算式对有功轴输入信号和无功轴输入信号分别进行谐振调节：

U_rd2＝G_R(s)·C_d

U_rq2＝G_R(s)·C_q

$G_R\left(s\right)=\frac{K_{r}s}{s^2+2{\mathrm{\ω}}_{c}s+{\left(2{\mathrm{\ω}}_1\right)}^2}$

其中：C_d和C_q分别为有功轴输入信号和无功轴输入信号，K_r为谐振调节系数，ω₁为三相定子电压正序分量的角频率，ω_c为谐振截止频率，s为拉普拉斯算子。

所述的步骤（5）中，根据以下算式对转子有功轴电压指令U_rd和转子无功轴电压指令U_rq进行Park反变换：

$\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{r\α}}\\ U_{\mathrm{r\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos ({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_r)& -\sin ({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_r)\\ \sin ({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_r)& \cos ({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_r)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{rd}}\\ U_{\mathrm{rq}}\end{array}\right]$

其中：θ₁为三相定子电压正序分量的相位，θ_r为DFIG的转子位置角。

本发明可以使得不平衡电网下DFIG控制方法得到简化，在任何环节中均无需对系统电磁量进行正、负序分离以及转子负序电流参考值计算环节，从而可避免正、负序分离过程所带来的时延、相角和幅值的检测误差等问题，从而达到不同目标的要求以及良好的动态特性；采用本发明可在不对称电网条件下实现DFIG发电系统的强化运行与控制，提高其故障穿越能力；且本发明亦可以应用于太阳能发电、生物质能并网逆变装置和交流传动变流装置等各类形式的PWM三相或单相变流器装置中，以获取在不平衡电网下的不同控制效果。

附图说明

图1为现有不平衡电网下DFIG控制方法的原理流程示意图。

图2为本发明不平衡电网下DFIG控制方法的原理流程示意图。

图3为采用本发明在多转子控制目标切换下DFIG的仿真波形图。

图4为采用本发明谐振反馈控制下DFIG的仿真波形图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明DFIG控制方法进行详细说明。

本实施方式以一台容量为1.5MW、额定电压为690V的商用DFIG为例；如图2所示，一种不平衡电网下基于谐振反馈的DFIG控制方法，包括如下步骤：

（1）首先，利用两组（每组3个）电流霍尔传感器2分别采集DFIG的三相定子电流I_sa~I_sc和三相转子电流I_ra~I_rc，利用一组（3个）电压霍尔传感器3采集DFIG的三相定子电压U_sa~U_sc；

然后，利用锁相环7检测出三相定子电压U_sa~U_sc正序分量的角频率ω₁和相位θ₁，利用光电编码器5检测出DFIG的转速ω_r以及转子位置角θ_r，并计算出转子滑差角频率ω_s=ω₁-ω_r；

利用Clarke变换模块6分别对三相定子电压U_sa~U_sc、三相定子电流I_sa~I_sc以及三相转子电流I_ra~I_rc进行Clarke变换得到三相定子电压的α轴分量U_sα和β轴分量U_sβ、三相定子电流的α轴分量I_sα和β轴分量I_sβ以及三相转子电流的α轴分量I_rα和β轴分量I_rβ；

Clarke变换的表达式如下：

$\left[\begin{array}{c}{F}_{\mathrm{\α}}\\ F_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{F}_a\\ F_b\\ F_c\end{array}\right]$

根据以下算式利用磁链计算模块10计算出定子磁链的α轴分量ψ_sα和β轴分量ψ_sβ；

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}=\∫(U_{\mathrm{s\α}}-R_s{I}_{\mathrm{s\α}})\·\mathrm{dt}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}=\∫(U_{\mathrm{s\β}}-R_s{I}_{\mathrm{s\β}})\·\mathrm{dt}\end{array}\right.$

其中：R_s为定子电阻，本实施方式中R_s=0.0083pu。

利用Park变换模块15根据相位θ₁分别对U_sα~U_sβ、I_sα~I_sβ和ψ_sα~ψ_sβ进行Park变换得到三相定子电压的d轴分量U_sd和q轴分量U_sq、三相定子电流的d轴分量I_sd和q轴分量I_sq以及定子磁链的d轴分量ψ_sd和q轴分量ψ_sq；

利用Park变换模块16根据相位θ₁-θ_r对I_rα~I_rβ进行Park变换得到三相转子电流的d轴分量I_rd和q轴分量I_rq；

Park变换的表达式如下：

$\left[\begin{array}{c}{F}_d\\ F_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{F}_{\mathrm{\α}}\\ F_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]$

最后，利用电磁转矩计算模块23根据以下算式计算出DFIG定子的输出有功功率P_s和输出无功功率Q_s以及DFIG的电磁转矩T_e：

P_s＝U_sd I_sd+U_sq I_sq Q_s＝U_sq I_sd-U_sd I_sq

T_e＝n_pL_m(I_sqI_rd-I_sdI_rq)

其中：n_p为DFIG的极对数，L_m为DFIG的定转子互感；本实施方式中n_p=3，L_m=4.817pu。

（2）首先，利用转子电流参考矢量计算模块22根据以下算式计算出转子电流dq轴参考矢量i_rd~i_rq；

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{rd}}=-\frac{2{\mathrm{PL}}_s}{3U_{\mathrm{sd}}{L}_m}\\ i_{\mathrm{rq}}=\frac{2{\mathrm{QL}}_s}{3U_{\mathrm{sd}}{L}_m}-\frac{U_{\mathrm{sd}}}{{\mathrm{\ω}}_1{L}_m}\end{array}\right.$

其中：P和Q分别为给定的有功功率参考值和无功功率参考值，L_s为DFIG的定子漏感；本实施方式中L_s=4.8828pu，P=1pu，Q=0pu。

然后，利用PI调节及解耦补偿模块20根据以下算式对三相转子电流进行PI调节及解耦补偿，得到转子电压有功轴矢量U_rd1和转子电压无功轴矢量U_rq1；

$U_{\mathrm{rd}1}=G_{\mathrm{PI}}\left(s\right)\·(i_{\mathrm{rd}}-I_{\mathrm{rd}})+(R_r{I}_{\mathrm{rd}}-{\mathrm{\ω}}_s\mathrm{\σ}{L}_r{I}_{\mathrm{rq}})+\frac{L_m}{L_s}(U_{\mathrm{sd}}-R_s{I}_{\mathrm{sd}}+{\mathrm{\ω}}_r{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sq}})$

$U_{\mathrm{rq}1}=G_{\mathrm{PI}}\left(s\right)\·(i_{\mathrm{rq}}-I_{\mathrm{rq}})+(R_r{I}_{\mathrm{rq}}-{\mathrm{\ω}}_s\mathrm{\σ}{L}_r{I}_{\mathrm{rq}})+\frac{L_m}{L_s}(U_{\mathrm{sq}}-R_s{I}_{\mathrm{sq}}+{\mathrm{\ω}}_r{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sq}})$

$G_{\mathrm{PI}}\left(s\right)=K_p+\frac{K_i}{s}$

其中：R_r为转子电阻，L_r为DFIG的转子漏感，σ为漏磁系数，K_p和K_i分别为比例系数和积分系数；本实施方式中R_r=0.0069pu，σ=0.0316，K_p=3，K_i=12，L_r=4.9071pu。

（3）根据不同的四种控制目标，使I_rd和I_rq、-I_sd和-I_sq、P_s和-Q_s或T_e和-Q_s分别作为有功轴输入信号C_d和无功轴输入信号C_q；

若控制目标为三相转子电流无脉动（目标1），则使I_rd和I_rq分别作为有功轴输入信号C_d和无功轴输入信号C_q；

若控制目标为三相定子电流平衡（目标2），则使-I_sd和-I_sq分别作为有功轴输入信号C_d和无功轴输入信号C_q；

若控制目标为定子输出有功功率和输出无功功率恒定（目标3），则使P_s和-Q_s分别作为有功轴输入信号C_d和无功轴输入信号C_q；

若控制目标为抑制电磁转矩和定子输出无功功率中二倍频振荡（目标4），则使T_e和-Q_s分别作为有功轴输入信号C_d和无功轴输入信号C_q；

利用谐振反馈调节器21根据以下算式对有功轴输入信号C_d和无功轴输入信号C_q分别进行谐振调节得到转子电压有功轴矢量U_rd2和转子电压无功轴矢量U_rq2；

U_rd2＝G_R(s)·C_d

U_rq2＝G_R(s)·C_q

$G_R\left(s\right)=\frac{K_{r}s}{s^2+2{\mathrm{\ω}}_{c}s+{\left(2{\mathrm{\ω}}_1\right)}^2}$

其中：K_r为谐振调节系数，ω_c为谐振反馈调节器的截止频率；本实施方式中ω_c=10rad/s，K_r=30。

（4）利用减法器19使转子电压有功轴矢量U_rd1和转子电压无功轴矢量U_rq1分别减去转子电压有功轴矢量U_rd2和转子电压无功轴矢量U_rq2，得到转子有功轴电压指令U_rd和转子无功轴电压指令U_rq；

U_rd＝U_rd1-U_rd2

U_rq＝U_rq1-U_rq2

（5）利用Park反变换模块18根据相位θ₁-θ_r对转子有功轴电压指令U_rd和转子无功轴电压指令U_rq进行Park反变换得到转子α轴电压指令U_rα和转子β轴电压指令U_rβ；

$\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{r\α}}\\ U_{\mathrm{r\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos ({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_r)& -\sin ({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_r)\\ \sin ({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_r)& \cos ({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_r)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{rd}}\\ U_{\mathrm{rq}}\end{array}\right]$

最后，利用SVPWM调制模块9根据转子α轴电压指令U_rα和转子β轴电压指令U_rβ通过SVPWM技术构造得到一组PWM信号S_a~S_c以对DFIG的转子变流器4进行控制。

图3为电网不平衡度为8%时多目标切换时的稳态波形，其中谐振反馈调节器在0.1s的时候被激活。从图中可以看出，谐振反馈调节器未激活前（即0-0.2s）DFIG转子电流、定子有功功率和无功功率以及DFIG电磁转矩均存在明显振荡；在谐振反馈调节器激活后（0.2-1.0s），此时DFIG依次达到四个控制目标所要求的控制效果（目标1：0.2-0.4s；目标2：0.4-0.6s；目标2：0.6-0.8s；目标4：0.8-1.0s）。因此，利用谐振反馈调节器和PI调节器可以实现转子电流的调节与控制，以达到DFIG不同控制目标的要求。

图4为DFIG在采用谐振反馈控制技术后在电网瞬时不平衡故障发生时结果。在0.1-0.5s期间，电网处于不平衡状态，其不对称度为8%。在本实施方式中，谐振反馈调节器选择抑制电磁转矩脉动为控制目标（目标4）。通过图4可以看出采用谐振反馈控制技术后，在故障发生瞬间DFIG电磁转矩二倍频波动随即得到了抑制，而且无功功率脉动也能立即消除，进一步验证了本实施方式的有效性，减轻了对风力机组的机械压力，从而增强了风力机组的故障穿越能力。

综上所述，本发明所公开的不平衡电网下DFIG的谐振反馈控制技术，可以有效的实现定子电流平衡、转子电流平衡、定子功率稳定和DFIG电磁转矩稳定四个控制目标，而在任何环节中免除了对电磁量进行正负序分离以及转子负序电流参考值的计算环节，而且该方法具有较强的适应性，不会对DFIG机组的稳态运行以及瞬态运行造成影响。

Claims (7)

1.一种不平衡电网下基于谐振反馈的DFIG控制方法，包括如下步骤：

(1)采集DFIG的三相定子电压、三相定子电流、三相转子电流、转速以及转子位置角；通过对所述的三相定子电压、三相定子电流和三相转子电流进行dq变换，计算出DFIG定子的输出有功功率P_s和输出无功功率Q_s以及DFIG的电磁转矩T_e；

(2)对所述的三相转子电流进行PI调节及解耦补偿，得到转子电压有功轴矢量U_rd1和转子电压无功轴矢量U_rq1；

(3)根据不同的四种控制目标，使I_rd和I_rq、-I_sd和-I_sq、P_s和-Q_s或T_e和-Q_s分别作为有功轴输入信号和无功轴输入信号，其中：I_sd和I_sq分别为三相定子电流的d轴分量和q轴分量，I_rd和I_rq分别为三相转子电流的d轴分量和q轴分量；

若控制目标为三相转子电流无脉动，则使I_rd和I_rq分别作为有功轴输入信号和无功轴输入信号；若控制目标为三相定子电流平衡，则使-I_sd和-I_sq分别作为有功轴输入信号和无功轴输入信号；若控制目标为定子输出有功功率和输出无功功率恒定，则使P_s和-Q_s分别作为有功轴输入信号和无功轴输入信号；若控制目标为抑制电磁转矩和定子输出无功功率中二倍频振荡，则使T_e和-Q_s分别作为有功轴输入信号和无功轴输入信号；

对所述的有功轴输入信号和无功轴输入信号分别进行谐振调节得到转子电压有功轴矢量U_rd2和转子电压无功轴矢量U_rq2；

(4)使转子电压有功轴矢量U_rd1和转子电压无功轴矢量U_rq1分别减去转子电压有功轴矢量U_rd2和转子电压无功轴矢量U_rq2，得到转子有功轴电压指令U_rd和转子无功轴电压指令U_rq；

(5)对转子有功轴电压指令U_rd和转子无功轴电压指令U_rq进行Park反变换得到转子α轴电压指令U_rα和转子β轴电压指令U_rβ；根据所述的转子α轴电压指令U_rα和转子β轴电压指令U_rβ通过SVPWM技术构造得到一组PWM信号以对DFIG的转子变流器进行控制。

2.根据权利要求1所述的DFIG控制方法，其特征在于：所述的步骤(1)中，计算DFIG定子的输出有功功率P_s和输出无功功率Q_s以及DFIG的电磁转矩T_e的过程如下：首先，分别对三相定子电压、三相定子电流和三相转子电流进行dq变换得到三相定子电压的d轴分量U_sd和q轴分量U_sq、三相定子电流的d轴分量I_sd和q轴分量I_sq以及三相转子电流的d轴分量I_rd和q轴分量I_rq；然后根据以下算式计算出DFIG定子的输出有功功率P_s和输出无功功率Q_s以及DFIG的电磁转矩T_e：

P_s＝U_sdI_sd+U_sqI_sq    Q_s＝U_sqI_sd-U_sdI_sq

T_e＝n_pL_m(I_sqI_rd-I_sdI_rq)

其中：n_p为DFIG的极对数，L_m为DFIG的定转子互感。

3.根据权利要求1所述的DFIG控制方法，其特征在于：所述的步骤(2)中，根据以下算式对三相转子电流进行PI调节及解耦补偿：

$U_{\mathrm{rd}1}=G_{\mathrm{PI}}\left(s\right)\·(i_{\mathrm{rd}}-I_{\mathrm{rd}})+(R_r{I}_{\mathrm{rd}}-{\mathrm{\ω}}_s{\mathrm{\σL}}_r{I}_{\mathrm{rq}})+\frac{L_m}{L_s}(U_{\mathrm{sd}}-R_s{I}_{\mathrm{sd}}+{\mathrm{\ω}}_r{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sq}})$

$U_{\mathrm{rq}1}=G_{\mathrm{PI}}\left(s\right)\·(i_{\mathrm{rq}}-I_{\mathrm{rq}})+(R_r{I}_{\mathrm{rq}}+{\mathrm{\ω}}_s{\mathrm{\σL}}_r{I}_{\mathrm{rd}})+\frac{L_m}{L_s}(U_{\mathrm{sq}}-R_s{I}_{\mathrm{sq}}+{\mathrm{\ω}}_r{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sd}})$

$G_{\mathrm{PI}}\left(s\right)=K_p+\frac{K_i}{s}$

其中：U_sd和U_sq分别为三相定子电压的d轴分量和q轴分量，R_s和R_r分别为定子电阻和转子电阻，i_rd和i_rq分别为转子电流的d轴参考矢量和q轴参考矢量，ψ_sd和ψ_sq分别为定子磁链的d轴分量和q轴分量，L_s和L_r分别为DFIG的定子漏感和转子漏感，L_m为DFIG的定转子互感，ω_s＝ω₁-ω_r，ω₁为三相定子电压正序分量的角频率，ω_r为DFIG的转速，σ为漏磁系数，K_p和K_i分别为比例系数和积分系数，s为拉普拉斯算子。

4.根据权利要求3所述的DFIG控制方法，其特征在于：所述的转子电流的d轴参考矢量和q轴参考矢量根据以下公式计算求得：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{rd}}=-\frac{{2\mathrm{PL}}_s}{{3U}_{\mathrm{sd}}{L}_m}\\ i_{\mathrm{rq}}=\frac{{2\mathrm{QL}}_s}{{3U}_{\mathrm{sd}}{L}_m}-\frac{U_{\mathrm{sd}}}{{\mathrm{\ω}}_1{L}_m}\end{array}\right.$

其中：P和Q分别为给定的有功功率参考值和无功功率参考值。

5.根据权利要求3所述的DFIG控制方法，其特征在于：所述的定子磁链的d轴分量和q轴分量的求解过程如下：

首先，分别对三相定子电压和三相定子电流进行Clarke变换得到三相定子电压的α轴分量U_sα和β轴分量U_sβ以及三相定子电流的α轴分量I_sα和β轴分量I_sβ；

然后，根据以下公式计算求得定子磁链的α轴分量ψ_sα和β轴分量ψ_sβ：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}=\∫(U_{\mathrm{s\α}}-R_s{I}_{\mathrm{s\α}})\·\mathrm{dt}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}=\∫(U_{\mathrm{s\β}}-R_s{I}_{\mathrm{s\β}})\·\mathrm{dt}\end{array}\right.$

其中：t为时间；

最后，对定子磁链的α轴分量ψ_sα和β轴分量ψ_sβ进行Park变换，得到定子磁链的d轴分量和q轴分量。

6.根据权利要求1所述的DFIG控制方法，其特征在于：所述的步骤(3)中，根据以下算式对有功轴输入信号和无功轴输入信号分别进行谐振调节：

U_rd2＝G_R(s)·C_d

U_rq2＝G_R(s)·C_q

$G_R\left(s\right)=\frac{K_{r}s}{s^2+{2\mathrm{\ω}}_{c}s+{\left({2\mathrm{\ω}}_1\right)}^2}$

其中：C_d和C_q分别为有功轴输入信号和无功轴输入信号，K_r为谐振调节系数，ω₁为三相定子电压正序分量的角频率，ω_c为谐振截止频率，s为拉普拉斯算子。

7.根据权利要求1所述的DFIG控制方法，其特征在于：所述的步骤(5)中，根据以下算式对转子有功轴电压指令U_rd和转子无功轴电压指令U_rq进行Park反变换：

$\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{r\α}}\\ U_{\mathrm{r\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos ({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_r)& -\sin ({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_r)\\ \sin ({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_r)& \cos ({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_r)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{rd}}\\ U_{\mathrm{rq}}\end{array}\right]$

其中：θ₁为三相定子电压正序分量的相位，θ_r为DFIG的转子位置角。