CN103904970B - 九相永磁风力发电系统发电机侧pwm变换器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种九相永磁风力发电系统发电机侧PWM变换器控制方法，首先利用最佳叶尖速比法实现最大风能跟踪，得到当前风速下的电机参考转速；然后通过转速内环控制得到电流控制环节的三组三相系统的定子交轴电流参考信号，同时设定三组三相系统定子直轴电流参考信号为零；将三组交、直轴电流参考信号经过dq‑αβ变换转换到αβ坐标系上，与Clark变换后得到的定子侧电流反馈信号比较后得到电流误差值，再将其通过比例谐振调节器得到三组αβ坐标系上电压参考信号，分别送入三个SVPWM信号发生模块，输出的SVPWM信号用于驱动电机侧变换器。本发明方法简化了传统控制方法，同时有效消除了系统内的耦合，大大增强了系统鲁棒性。

Description

九相永磁风力发电系统发电机侧PWM变换器控制方法

技术领域

本发明属于新能源发电技术领域，涉及一种九相永磁风力发电系统发电机侧PWM变换器控制方法。

背景技术

风能是一种清洁的可再生能源，在能源危机和环境问题不断凸显的今天，积极发展包括风能、太阳能等可再生能源的发电技术是当务之急，研制适合于风能高效转换利用、运行可靠、控制方便且成本较低的新型风力发电系统成为当前紧迫而又影响较大的技术问题，如何使得电能的获取效率更高、更稳定、电能质量更好以及如何控制保证电网安全稳定运行成为了亟待解决的问题。

随着风力发电机组单机容量的不断增大，电力电子功率变换器便成为制约系统容量增大的瓶颈。为了突破电力电子器件容量的限制，多相电机被应用于风力发电系统。多相电机减小了功率变换器的容量，提高了系统的冗余性和可靠性，但是这也为发电机侧控制提出了更高的要求。为了降低多相电机的控制难度，可将多相风力发电系统看作多组三相系统并联运行，从而对每组子系统采取传统的三相电机的控制方法，这样的做法使多相电机的控制变得简单，且有较高的可靠性。然而，多组三相系统相比于三相系统，在系统内部存在更多的耦合，而传统多组三相系统的控制方法不仅控制算法复杂，而且解耦方法存在诸多缺陷。为此，本发明针对这一问题提出了一种新颖的适用于九相风力发电三组三相系统发电机侧系统的控制方法，这种方法不仅吸取了传统的多组三相系统控制的优势，而且简化了控制算法,解决了系统中的耦合问题。

发明内容

技术问题：本发明提供一种可以实现九相永磁风力发电系统最大风能跟踪，并简化控制算法、有效解决系统内耦合问题的九相永磁风力发电系统发电机侧PWM变换器的控制方法。

技术方案：本发明的九相永磁风力发电系统发电机侧PWM变换器控制方法，首先根据当前的风速和风力机参数，利用最佳叶尖速比法实现最大风能跟踪，即MPPT模块控制，得到当前风速下的最佳电机转速即电机参考转速；然后通过对发电机侧PWM变换器的控制，使电机转速达到这一参考转速；

对发电机侧PWM变换器的控制的具体步骤为：

将电机参考转速与实际电机转速做减法运算得到转速误差值，再通过PI调节器的调节得到电流控制环节的三组三相系统的定子交轴电流参考信号，同时设定三组三相系统的定子直轴电流参考信号为零；

将三组三相系统的定子交轴电流参考信号和定子直轴电流参考信号分别经过dq-αβ变换转换到αβ坐标系上，并将得到的αβ坐标系上的电流参考信号分别与实际采集并经过Clark变换得到的定子侧电流反馈信号做减法运算得到电流误差值；

再把电流误差值经过比例谐振调节器调节后得到三组αβ坐标系上的电压参考信号，其中比例谐振调节器调节过程中的传递函数其中k_p、k_i为比例环节系数、积分环节系数，ω_c为控制器截止频率，ω₀为基波频率，s为复变量；

最后将三组αβ坐标系上的电压参考信号分别送入三个SVPWM信号发生模块，利用输出的三组SVPWM信号驱动发电机侧PWM变换器。

本发明方法中，每组三相系统中，αβ坐标系上的电流参考信号包括α轴上的电流参考信号和β轴上的电流参考信号定子侧电流反馈信号包括α轴上的电流信号i_α和β轴上的电流信号i_β，将电流参考信号i_α、i_β分别与对应的定子侧电流反馈信号做减法运算，得到α轴上的电流误差值Δi_α和β轴上的Δi_β；

每组三相系统中的两个电流误差值Δi_α和Δi_β分别经过比例谐振调节器调节后，得到α轴上的电压信号和β轴上的电压信号构成一组αβ坐标系上的电压参考信号。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

降低了系统的系统控制算法的复杂性，解决了传统三组三相系统中较为严重的耦合问题。传统的三组三相系统在PWM变换器的控制中采用的是基于PI控制器的矢量控制。由于PI控制器对交流量进行跟踪控制时会产生稳态误差，所以采用PI控制器对PWM变流器电流进行调节的时候，需要将测量得到的三相静止交流电流通过坐标矩阵变换转化到两相同步旋转坐标系下，再将PI控制器所产生的控制信号通过坐标变换矩阵转化到静止坐标系下执行控制指令，多次的旋转坐标变换无疑增加了控制算法的复杂性。此外，由dq坐标系下PWM整流器的电压方程 $\left\{\begin{array}{c}L\frac{{\mathrm{di}}_q}{\mathrm{dt}}+\mathrm{\ω}{\mathrm{Li}}_d=e_q-V_{\mathrm{dc}}{S}_q\\ L\frac{{\mathrm{di}}_d}{\mathrm{dt}}+\mathrm{\ω}{\mathrm{Li}}_q=e_d-V_{\mathrm{dc}}{S}_d\end{array}\right.$ （其中：e_d、e_q为电网电动势矢量在d、q轴上的分量；i_d、i_q为网侧电流矢量的d、q轴分量；S_d、S_q为开关函数对应的d、q轴分量；V_dc为直流侧电压）可以看出i_d、i_q是相互耦合的，这给控制器的设计带来了麻烦。为实现解耦控制以获得良好的动态性能控制系统中需引入解耦项和前馈补偿项，因为它们与电路参数相关，故势必影响到控制系统的鲁棒性，这对于普通的三相系统影响比较小，因此这种解耦方式在三相系统中得到广泛使用，然而，对用本发明中的九相系统，这种解耦方式就不再可行，因为九相系统虽然被分为三组三相系统，理论上当参考信号相同时三组三相系统可相互独立控制，但在实际工作中这三组三相系统在参数上和工作状态上必然存在差异，也就是当三组系统采用同样的控制参数将得到不同的电流和电压值，这将直接导致三组系统之间的耦合，而传统的解耦方式将受到三组系统间耦合的影响，使解耦效果变差，甚至加重系统耦合。为解决系统控制复杂度高，耦合程度高的问题，本发明将传统的PI控制策略下的三组交、直轴参考电流通过dq-αβ变换转换到三组两相静止坐标系下，用比例谐振控制环节（其中k_p、k_i为比例、积分环节系数，ω_c为控制器截止频率，ω₀为基波频率，s为复变量）代替PI调节器,使系统在静止坐标系下对交流信号进行无静差调节，减少了坐标变化的次数，简化了系统控制过程。而从αβ坐标系下PWM整流器的电压方程 $\left\{\begin{array}{c}L\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{\α}}}{\mathrm{dt}}+v_{\mathrm{\α}}=e_{\mathrm{\α}}\\ L\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{\β}}}{\mathrm{dt}}+v_{\mathrm{\β}}=e_{\mathrm{\β}}\end{array}\right.$ （其中：i_α、i_β、e_α、e_β分别为电流的α、β轴分量和电网电压）可以看出，当系统在αβ坐标系下时，两坐标轴之间的耦合被消除，无需进行解耦，这大大增强了系统鲁棒性。综上所述，本发明降低了系统的系统控制算法的复杂性，解决了传统三组三相系统中较为严重的耦合问题。

附图说明

图1为九相永磁风力发电系统发电机侧PWM变换器控制系统结构图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明技术方案作进一步具体说明。

本发明的九相永磁风力发电系统发电机侧PWM变换器控制方法，包括：最大风能跟踪模块即MPPT模块、转速控制模块、电流控制模块和SVPWM信号发生模块；

图1中的九相永磁同步电机相邻两相相差40电角度，可以将第一、四、七相和第二、五、八相以及第三、六、九相看做三个互差40电角度的三相绕组，因此，对九相电机的控制可化分解为对三组三相系统的分别控制。

控制时将实时测得的风速v作为MPPT模块的输入信号，通过关系式（其中ω^*为转速参考值，λ_opt为最佳叶尖速比，R为风力机风轮半径，v为风速）即最佳叶尖速比法得到当前风速下的最佳转速值作为转速控制模块的输入信号；

转速控制模块中电机参考转速ω^*与实际电机转速ω做减法运算得到转速误差值Δω，再通过PI调节得出三组交轴电流参考信号同时给定三组直轴电流参考信号i_d ^*为零；将得到的三组交、直轴电流参考信号输入电流模块，电流控制模块将三组交、直轴电流参考信号经过三组dq-αβ变换转换到各自αβ坐标系中α轴上的电流参考信号和β轴上的电流参考信号三组dq-αβ变换矩阵分别为：

$\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}\\ \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right],\left[\begin{array}{cc}\cos (\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{9})& -\sin (\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{9})\\ \sin (\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{9})& \cos (\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{9})\end{array}\right]$ 和 $\left[\begin{array}{cc}\cos (\mathrm{\θ}-\frac{4\mathrm{\π}}{9})& -\sin (\mathrm{\θ}-\frac{4\mathrm{\π}}{9})\\ \sin (\mathrm{\θ}-\frac{4\mathrm{\π}}{9})& \cos (\mathrm{\θ}-\frac{4\mathrm{\π}}{9})\end{array}\right],$

其中θ为电机转子位置信号；定子侧三组三相电流反馈信号分别乘以三组Clark变换矩阵：

$\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& \cos 3\mathrm{\α}& \cos 6\mathrm{\α}\\ 0& \sin 3\mathrm{\α}& \sin 6\mathrm{\α}\end{array}\right]$

$\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}\cos 2\mathrm{\α}& \cos 4\mathrm{\α}& \cos 7\mathrm{\α}\\ \sin 2\mathrm{\α}& \sin 4\mathrm{\α}& \sin 7\mathrm{\α}\end{array}\right]$

$\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}\cos 3\mathrm{\α}& \cos 5\mathrm{\α}& \cos 8\mathrm{\α}\\ \sin 3\mathrm{\α}& \sin 5\mathrm{\α}& \sin 8\mathrm{\α}\end{array}\right]$

其中α为由此得到三组αβ轴上的电流信号，每组包括α轴上的电流信号i_α和β轴上的电流信号i_β，i_α、i_β分别与对应的做减法运算得到α轴和β轴上的电流误差值Δi_α和Δi_β；

每组三相系统中的两个电流误差值Δi_α和Δi_β分别经过比例谐振调节器调节后，得到α轴上的电压信号和β轴上的电压信号构成一组αβ坐标系上的电压参考信号。比例谐振调节器调节过程中的传递函数为其中k_p、k_i为比例、谐振积分环节系数，ω_c为控制器截止频率，ω₀为基波频率，s为复变量，通过调节截止频率ω_c可以有效控制幅频特性，提高系统的稳定性，通过调节比例系数k_p和谐振积分系数k_i可以控制系统开环零点和闭环增益，从而控制闭环极点的位置，达到控制比例谐振调节器响应特性的目的；

最后将三组αβ坐标系上电压参考信号分别送入三个SVPWM信号发生模块，输出的SVPWM信号用于驱动发电机侧PWM变换器。

应理解上述实施例仅用于说明本发明技术方案的具体实施方式，而不用于限制本发明的范围。在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等同形式的修改和替换均落于本申请权利要求所限定的保护范围。

Claims (2)

1.一种九相永磁风力发电系统发电机侧PWM变换器控制方法，其特征在于，该方法首先根据当前的风速和风力机参数，利用最佳叶尖速比法实现最大风能跟踪，即MPPT模块控制，得到当前风速下的最佳电机转速即电机参考转速；然后通过对发电机侧PWM变换器的控制，使电机转速达到这一参考转速；

所述对发电机侧PWM变换器的控制的具体步骤为：

将电机参考转速与实际电机转速做减法运算得到转速误差值，再通过PI调节器的调节得到电流控制环节的三组三相系统的定子交轴电流参考信号，同时设定三组三相系统的定子直轴电流参考信号为零；

将三组三相系统的定子交轴电流参考信号和定子直轴电流参考信号分别经过dq-αβ变换转换到αβ坐标系上，并将得到的αβ坐标系上的电流参考信号分别与实际采集并经过Clark变换得到的定子侧电流反馈信号做减法运算得到电流误差值；

再把所述电流误差值经过比例谐振调节器调节后得到三组αβ坐标系上的电压参考信号，其中比例谐振调节器调节过程中的传递函数其中k_p、k_i为比例环节系数、积分环节系数，ω_c为控制器截止频率，ω₀为基波频率，s为复变量；

最后将三组αβ坐标系上的电压参考信号分别送入三个SVPWM信号发生模块，利用输出的三组SVPWM信号驱动发电机侧PWM变换器。

2.根据权利要求1所述的九相永磁风力发电系统发电机侧PWM变换器控制方法，其特征在于，每组三相系统中，αβ坐标系上的电流参考信号包括α轴上的电流参考信号和β轴上的电流参考信号所述定子侧电流反馈信号包括α轴上的电流信号i_α和β轴上的电流信号i_β，将电流参考信号分别与对应的定子侧电流反馈信号i_α、i_β做减法运算，得到α轴上的电流误差值Δi_α和β轴上的Δi_β；

每组三相系统中的两个电流误差值Δi_α和Δi_β分别经过比例谐振调节器调节后，得到α轴上的电压信号和β轴上的电压信号构成一组αβ坐标系上的电压参考信号。