CN103746623B - 永磁直驱风电机组的最大可用转矩弱磁控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风力发电领域，具体将是一种用于永磁直驱风电机组的最大可用转矩弱磁控制方法，其特征在于：获取永磁直驱风电机组的最大风能跟踪设计曲线：，在给定的转速下，以直、交轴电流为优化变量，离线求解约束最优化问题，记该最优化问题的优化变量解为，得到最大可用转矩弱磁控制方法的弱磁电流给定；以适当的步长改变转子转速，即令；将得到的一系列(，)点连成曲线，从而获取各个转速下的弱磁电流给定曲线。根据风电机组控制有其自身的特殊性，即机组的整体控制策略使得永磁同步发电机的转矩指令与当前转速呈现一一对应的关系。这就为简化风电机组的弱磁控制器设计提供了可能。

Description

永磁直驱风电机组的最大可用转矩弱磁控制方法

技术领域

本发明涉及风力发电领域，具体将是一种用于永磁直驱风电机组的最大可用转矩弱磁控制方法。

背景技术

永磁直驱风电机组因其结构紧凑、性能可靠而在风力发电领域得到了广泛的应用。兆瓦级的大容量永磁直驱机组一般采用全功率背靠背变流器作为永磁同步电机的驱动单元。为了捕获较多的风能，在风速较高的情况下，永磁同步发电机的运行转速也较高，进而使得发电机的感应电动势也较高。由于背靠背变流器的直流母线电压有限，若发电机定子感应电动势过高，则发电机无法输出足够多的有功功率。这将降低直驱机组的发电量甚至影响其稳定性。此时，为了保证发电机能够输出足够多的有功功率，机侧变流器需进行弱磁控制。

机侧变流器一般采用矢量控制方式，定子的d、q轴电流进行独立控制。传统的控制方式下，当发电机处于低转速运行区域时，一般控制d轴电流为零，而通过控制q轴电流来实现发电机的转矩控制，实现最大风能跟踪(MaximumPointPowerTracking,MPPT)运行；当发电机进入高转速运行区后，则切换到弱磁控制方式，通过适当地控制定子d轴电流来削弱气隙磁通，达到降低发电机的感应电动势，保障充足的功率输出的目的。

现有的针对直驱风电机组的弱磁控制方法主要来自电机驱动领域的永磁同步电动机弱磁控制方法。其基本思路都是基于输出的调制指令超出变流器直流母线最大利用值的误差部分，来对弱磁电流进行反馈调节。例如：

汪令祥，张兴，张崇巍等.兆瓦级永磁同步风力发电机矢量控制策略.合肥永夜大学学报（自然科学版）.33(3).pp.379-383.2010.其技术方案为：

在发电机切入速度与转折速度间采用最大转矩电流比（MTPA,MaximumTorquePerAmpere）控制方式提高系统的发电功率，在转折速度至极限速度间，采用最大功率输出的弱磁控制方式提高系统的稳定性；根据实时检测的发电机运行状况，2种控制策略实现相互转换。

又如专利号申请号为200680056165.4，申请日2006.10.19，名称为“永磁同步电动机的矢量控制装置”的发明专利，其技术方案为：在将电压与设定值进行比较、控制电流指令值的方法中，需要根据电压变动使设定值变化，需要进行复杂的控制。此发明所涉及的永磁同步电动机的矢量控制装置，包括：利用基于调制比算出的电流指令值校正值来校正电流指令值的电流指令值校正部，从而能用简单的结构实现在高速区域以单脉冲模式进行稳定的弱磁控制。

再如专利号申请号为201010268866.2，申请日2010.08.27，名为“永磁同步电机的弱磁控制方法和装置”，其技术方案为：通过调节等效于转子坐标系下的d轴电流的给定值和q轴电流的给定值以减小所述永磁同步电机的反电势；d轴电流的给定值和q轴电流的给定值通过如下方法获得：将转子的实际角速度信号与预先给定角速度信号进行比较，对比较信号进行PI调节后，获得转子的给定转矩；根据给定转矩获得d轴电流的初始给定值；根据实际角速度信号、输出电压信号和牵引逆变器的最大给定电压值获得d轴电流的调节值；根据d轴电流的初始给定值和d轴电流的调节值获得d轴电流的给定值；然后根据给定转矩和d轴电流的给定值获得q轴电流的给定值。

上述弱磁技术都直接借鉴电机驱动领域中的控制策略，而没有考虑到风力发电系统的特殊性。传统的电动机驱动领域中，电动机的转矩指令和当前转速并无必然联系：即在同一转速下，随动态要求的不同，其转矩指令可能完全不同。这就要求弱磁控制器的设计必须覆盖任意转速下所有可能出现的转矩指令。这是一个二维的优化问题，因此使得其弱磁控制实现起来相对复杂，必须引入误差比较与反馈控制环节，控制参数不容易整定。

发明内容

为了克服现有直驱风电机组永磁同步发电机的弱磁控制方法原理复杂、参数不易整定的问题，在充分结合风电机组的整体控制策略基础上，现在特别提出一种具有结构简洁，稳定性好且无需参数整定的永磁直驱风电机组的最大可用转矩（MaximumAvailableTorque，MAT）弱磁控制方法。

为达到上述目的，本发明的解决方案是：

永磁直驱风电机组的最大可用转矩弱磁控制方法，其特征在于：

a、获取永磁同步发电机的电气参数：包括空载额定电压，定子额定电流，定子直轴电感，交轴电感，定子电阻，转子磁链幅值，极对数。

b、获取背靠背变流器的电气参数：包括额定直流母线电压，直流母线电压调制比。

c、获取永磁直驱风电机组的最大风能跟踪设计曲线：，式中为转子电角速度；表示发电机转矩的指令值，为发电机转矩实际值。

d、开始获取最大可用转矩弱磁控制曲线，首先初始化转速变量，为最低并网转速。

e、在给定的转速下（给定转速是指代步骤d设定的初始转速值或经过步骤g算得的新转速值。通常在0~1.2p.u.之间），以永磁同步发电机定子的直轴电流和交轴电流为优化变量，离线求解下述约束最优化问题（本发明中“离线”和“在线”是电机拖动领域常用术语。本发明包括离线设计步骤a-i和在线实施步骤j-m两个方面。离线设计只在设计人员的计算机上做一次即可，而在线实施则是控制算法在风电机组上实际执行的过程。以下公式中的表示求“使得达到最小”的一组的值，该符号为通用数学符号）：

记该最优化问题的优化变量解为。

f、得到最大可用转矩弱磁控制方法的弱磁电流给定。

g、按设计所需，以适当的步长改变转子转速，即令。（的通常取值范围为0.01~0.1p.u.）。

h、若尚未到最高并网转速，则重复步骤e，若已达到最高转速则进行下一步。

i、将得到的一系列(，)点连成曲线，从而获取各个转速下的弱磁电流给定曲线。

j、在线实现的转矩与弱磁控制器的输入为转子电角速度，输出为q轴（q轴即“交轴”，为永磁同步电机通用术语）电流给定指令与弱磁电流给定指令；所述控制器包括MPPT转矩单元、MAT弱磁单元以及q轴电流给定单元。

k、转速一方面输入MPPT转矩单元，通过式得到输出的转矩指令。

l、转速另一方面输入MAT弱磁单元，通过式得到输出的弱磁电流给定指令。

m、转矩指令与弱磁电流给定指令输入q轴电流给定单元，通过式得到输出的q轴电流给定指令。

本发明的优点为：

1、本发明根据风电机组控制有其自身的特殊性，即机组的整体控制策略使得永磁同步发电机的转矩指令与当前转速呈现一一对应的关系。这一特性就使得弱磁控制器的设计只需覆盖任意转速下的特定转矩指令即可，将问题变为了一维优化问题。这就为简化风电机组的弱磁控制器设计提供了可能。

2、由于弱磁电流给定是根据永磁发电机产生最大输出转矩时的弱磁电流来设计的，因此该方法能够保证转矩与弱磁控制器在在线运行过程中，风电机组有最大的可用转矩，从而让风电机组获取最大的稳定裕度，保证系统的稳定性。

3、本发明的弱磁控制的设计充分结合了永磁直驱风电机组的整体控制策略，其结构非常简洁，只有前向通道，没有反馈环节，进而避免了反馈导致的不稳定的可能。

4、本发明的转矩与弱磁控制器的在线实现只需根据当前转速进行三次代数函数运算即可，而无需控制器，无需参数整定，计算量小，易于工程实现。

附图说明

图1是现有的永磁直驱风电机组的典型系统框图。

图2是本发明提出的永磁直驱风电机组的最大可用转矩弱磁控制方法的离线设计流程图。

图3是本发明较佳实施例中获得的最大风能跟踪设计曲线。

图4是本发明较佳实施例中获得的最大可用转矩弱磁控制的弱磁电流给定曲线。

图5是本发明提出的转矩与弱磁控制器的在线实施结构框图。

图6是采用本发明提出的永磁直驱风电机组的最大可用转矩弱磁控制方法的实施例分析结果图

图7是采用传统的MTPA弱磁控制方法的稳定裕度分析结果图。

具体实施方式

图1是现有的永磁直驱风电机组的典型系统框图。其中被控对象为与风力机同轴相连的永磁同步电机，执行机构为背靠背变流器。网侧变流器对电网电压进行整流并维持变流器的直流母线电压恒定，机侧变流器则控制永磁同步发电机产生指定的转矩并在适当的情况下进行弱磁。

机侧变流器的控制系统主要包括三部分，转矩与弱磁控制器、电流环控制器和转子转速位置测量、电流旋转变换单元。转矩与弱磁控制器根据当前转子转速值，产生定子d轴、q轴电流给定值，。电流环控制器则根据定子dq轴电流给定，与反馈电流进行比较后进行闭环控制，再经过反旋转变换后产生静止坐标系下的脉宽调制波（PWM）送至机侧变流器。转子转速、位置测量与电流旋转变换单元则根据发电机的定子电压和电流来获取转子的当前转速、位置并将静止坐标系下的反馈电流变换到d、q轴下，得到，。本发明所提出的方法用于实现转矩与弱磁控制器单元。

图2本发明提出的永磁直驱风电机组的最大可用转矩弱磁控制方法的离线设计流程图。以下进行详述。

a.首先获取永磁同步发电机的电气参数：包括空载额定电压，定子额定电流，定子直轴电感，交轴电感，定子电阻，转子磁链幅值，极对数。所述永磁同步发电机的电气参数一般可从发电机制造商处获取或通过标准电机试验得到。

b.获取背靠背变流器的电气参数：包括额定直流母线电压，直流母线电压调制比。所述背靠背变流器的电气参数一般可从变流器制造商处获取。机侧变流器采用SPWM调制方式时，，采用SVPWM调制方式时，。

c.获取永磁直驱风电机组的最大风能跟踪设计曲线：，式中为转子电角速度。所述最大风能跟踪设计曲线一般可从风力机制造商处获取。这一曲线给出了从最低并网转速到最高并网转速范围内的转矩指令设计值。表示发电机转矩的指令值，为发电机转矩实际值。

d.开始获取最大可用转矩弱磁控制曲线。首先初始化转速变量。

e.在给定的转速下，以直、交轴电流为优化变量，离线求解下述约束最优化问题：

该最优化问题含义为计算永磁同步发电机在给定转速下的最大可用的电磁转矩。注意由于参考正方向采用了电动机惯例，因此发电运行时。第一个约束反映的是背靠背变流器直流母线电压利用率的约束，第二个约束反映的是发电机额定电流的约束，第三、四个约束也是因为采用了电动机惯例。记该最优化问题的优化变量解为。

给定转速是指代步骤d设定的初始转速值或者经过步骤g算得的新转速值，通常在0~1.2p.u.之间；为永磁同步发电机定子的直轴电流，则为永磁同步发电机定子的交轴电流；本发明中“离线”和“在线”是电机拖动领域常用术语。本发明包括离线设计（步骤a-i）和在线实施（步骤j-m）两个方面。离线设计只在设计人员的计算机上做一次即可，而在线实施则是控制算法在风电机组上实际执行的过程。表示求“使得达到最小”的一组的值，即，该符号为通用数学符号。

f.设计出最大可用转矩弱磁控制方法的弱磁电流给定。

g.按设计所需，以适当的步长改变转子转速，即令。通常取值范围为0.01~0.1p.u.。

h.若尚未到最高并网转速，则重复步骤e。若已达到最高转速则进行下一步。

i.将得到的一系列(，)点连成曲线，从而获取各个转速下的弱磁电流给定曲线。

图3和图4分别是本发明较佳实施例中获得的最大风能跟踪设计曲线与最大可用转矩弱磁控制的弱磁电流给定曲线。

在图3、图4对应实施例中，。图3给出的最大风能跟踪曲线中，随着转速的升高，电磁转矩（绝对值）给定根据风力机的特性以平方关系增加，以便捕获尽可能多的风能。当达到额定转速后，风电机组进入恒功率运行段，随着转速进一步升高，电磁转矩给定以反比例关系下降。

图4给出了最大可用转矩弱磁控制下的弱磁电流给定曲线，在转速较低时，弱磁电流保证恒定。当转速上升接近额定转速时，弱磁电流（绝对值）增加，以降低发电机的感应电压，保证发电机有足够的输出功率。

图5是本发明提出的转矩与弱磁控制器的在线实施结构框图。

j.转矩与弱磁控制器的输入为转子电角速度，输出为q轴电流给定指令与弱磁电流给定指令。所述控制器由MPPT转矩单元、MAT弱磁单元以及q轴电流给定单元组成。q轴即“交轴”，为永磁同步电机通用术语。

k.转速一方面输入MPPT转矩单元，通过式得到输出的转矩指令。

l.转速另一方面输入MAT弱磁单元，通过式得到输出的弱磁电流给定指令。

m.转矩指令与弱磁电流给定指令输入q轴电流给定单元，通过式得到输出的q轴电流给定指令。

可以看出，弱磁控制的设计充分结合了永磁直驱风电机组的整体控制策略，其结构非常简洁，只有前向通道，没有反馈环节，进而避免了反馈导致的不稳定的可能。转矩与弱磁控制器的在线实现只需根据当前转速进行三次代数函数运算即可，而无需控制器，无需参数整定，计算量小，易于工程实现。

图6、图7是对比采用本发明提出的永磁直驱风电机组的最大可用转矩弱磁控制方法的实施例与采用传统的MTPA弱磁控制方法的转矩裕度分析结果。

图6为采用最大可用转矩弱磁控制方法后的结果，其中实线为风电机组的实际运行转矩曲线，即完成最大风能跟踪所需的转矩曲线。而虚线则为可用转矩曲线，即在一定的转速下，通过最大可用转矩弱磁控制方法能够让发电机产生的最大输出转矩。实际运行转矩曲线与可用转矩曲线之间的部分即为该控制方式下的风电机组的转矩裕度，它反映了风电机组应对外部扰动的能力。该区域越大说明风电机组的稳定运行越有保障。

图7为采用MTPA弱磁控制方法的结果，其中实现为风电机组的实际运行转矩曲线，即完成最大风能跟踪所需的转矩曲线，与图6相同。图7的虚线为可用转矩曲线，即在一定的转速下，通过MTPA弱磁控制方法能够让发电机产生的最大输出转矩。在转矩较低(小于0.84p.u.)时可用转矩情况与图6类似的，但当转速较高时，可用转矩（绝对值）迅速减小，并实际转矩曲线逐渐重合，几乎没有转矩裕度。

对比图6和图7可以看出，尽管在理想条件下，采用传统的MTPA弱磁控制时，发电机也能够完成最大风能跟踪，但在转速较高时，几乎没有转矩裕度。但在实际应用中，风电机组存在诸如控制误差，轴系的摩擦损耗等各种扰动，较低的转矩裕度对风电机组的稳定运行非常不利。而采用本发明提出的最大可用转矩弱磁控制方法时，不仅能够满足最大风能跟踪的要求，而且使得机组始终保持有最大的转矩裕度，从而保障风电机组的稳定运行。

Claims (3)

1.永磁直驱风电机组的最大可用转矩弱磁控制方法，其特征在于：

步骤a、获取永磁同步发电机的电气参数：包括空载额定电压U_N，定子额定电流I_N，定子直轴电感L_d，交轴电感L_q，定子电阻R，转子磁链幅值ψ_r，极对数n_p；

步骤b、获取背靠背变流器的电气参数：包括额定直流母线电压U_dcN，直流母线电压调制比k_dc；

步骤c、获取永磁直驱风电机组的最大风能跟踪设计曲线：T_e ^*＝MPPT(ω_r)，式中ω_r为转速；T_e ^*表示发电机转矩的指令值，T_e为发电机转矩实际值；

步骤d、开始获取最大可用转矩弱磁控制曲线，首先初始化转速变量ω_r＝ω_rmin，ω_rmin为最低并网转速；

步骤e、在给定的转速ω_r下，以直、交轴电流i_d,i_q为优化变量，离线求解下述约束最优化问题：

$\underset{i_d,i_q}{min}{T}_e=\frac{3}{2}{n}_p({\mathrm{\ψ}}_r{i}_q+(L_d-L_q\left)i_d{i}_q\right)$

$\begin{array}{cc}s.t.& {({\mathrm{Ri}}_d-{\mathrm{\ω}}_r{L}_q{i}_q)}^2+{({\mathrm{Ri}}_q+{\mathrm{\ω}}_r{L}_d{i}_d+{\mathrm{\ω}}_r{\mathrm{\ψ}}_r)}^2\≤{k_{dc}}^2{U_{dcN}}^2\end{array}$

i_d ²+i_q ²≤2I_N ²

i_d≤0

i_q≤0

记该最优化问题的优化变量解为i_dOPT,i_qOPT；给定转速ω_r是指代步骤d设定的初始转速值或者经过步骤g算得的新转速值ω_r，i_d为永磁同步发电机定子的直轴电流，i_q则为永磁同步发电机定子的交轴电流，表示求“使得T_e达到最小”的一组i_d,i_q的值，即i_dOPT,i_qOPT；

步骤f、得到最大可用转矩弱磁控制方法的弱磁电流给定i_d ^*＝i_dOPT；

步骤g、按设计所需，以适当的步长Δω_r改变转子转速ω_r，即令ω_r＝ω_r+Δω_r；

步骤h、若ω_r尚未到最高并网转速ω_rmax，则重复步骤e，若已达到最高转速则进行下一步；

步骤i、将得到的一系列(ω_r，i_d ^*)点连成曲线，从而获取各个转速下的弱磁电流给定曲线i_d ^*＝MAT(ω_r)；MAT表示最大可用转矩MaximumAvailableTorque；

步骤j、在线实现的转矩与弱磁控制器的输入为转速ω_r，输出为q轴电流给定指令i_q ^*与弱磁电流给定指令i_d ^*；所述控制器包括MPPT转矩单元、MAT弱磁单元以及q轴电流给定单元；

步骤k、转速ω_r一方面输入MPPT转矩单元，通过式T_e ^*＝MPPT(ω_r)得到输出的转矩指令T_e ^*；

步骤l、转速ω_r另一方面输入MAT弱磁单元，通过式i_d ^*＝MAT(ω_r)得到输出的弱磁电流给定指令i_d ^*；

步骤m、转矩指令T_e ^*与弱磁电流给定指令i_d ^*输入q轴电流给定单元，通过式得到输出的q轴电流给定指令i_q ^*。

2.根据权利要求1所述的永磁直驱风电机组的最大可用转矩弱磁控制方法，其特征在于：所述d步骤中ω_r取值范围为0～1.2p.u.。

3.根据权利要求1所述的永磁直驱风电机组的最大可用转矩弱磁控制方法，其特征在于：所述g步骤中Δω_r取值范围为0.01～0.1p.u.。