CN104868497B - 一种无磁链观测的双馈风机低电压穿越的控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无磁链观测的双馈风机低电压穿越控制方法及系统，适用于深度电网故障时双馈风机转子侧变流器的励磁控制；其具体实施方法为：一旦检测到电网发生深度故障，将立即控制双馈风机的转子电流以一定比例直接跟踪定子电流，同时在转子电流指令中再注入一定的与定子电压相关的补偿项来提供动态无功支撑；本发明还提供了实现上述原理的控制系统结构框图。本发明相对于灭磁控制、磁链跟踪等低电压穿越励磁控制方法，无需磁链观测环节来生成暂态控制指令，具有结构简单、且能实现抑制电磁转矩脉动或动态无功补偿等多种控制目标的优点，极大地增强了双馈风机的低电压穿越能力。

Description

一种无磁链观测的双馈风机低电压穿越的控制方法及系统

技术领域

本发明属于双馈风机技术领域，更具体地，涉及一种无磁链观测的双馈风机低电压穿越的控制方法及系统。

背景技术

随着电网中风电渗透率的提高，低电压穿越能力已成为风电机组并网的必备要求，即：在电网发生故障期间，风电机组能保持不脱网持续运行，并能在规定时间内向电网提供无功支撑。在各种机型中，双馈风机(Doubly fed induction generator，DFIG)因其变速恒频运行且励磁变流器容量小等优点而成为主力机型，但其低电压穿越难度要远高于其它机组。这是由于电网故障时的转子侧感应电动势(Electromotive force，EMF)会远高于直流母线电压，转子侧变流器(Rotor-side converter，RSC)无法输出足够高的电压来维持对双馈风机的控制。

就励磁控制而言，双馈机组在低电压穿越时面临着两大类问题：一是变流器的生存，即转子侧变流器过流及直流母线过压；二是机组端口特性的优化，比如抑制电磁转矩脉动或提供动态无功支撑等。目前，最常见方案是利用撬棒(Crowbar)来提供故障电流通路，从而避免变流器过压过流。但撬棒投入后，双馈机组退化为常规鼠笼型电机而失去可控性，并且会从电网吸收大量无功，此外，还存在明显的电磁转矩脉动。为获得较好的暂态特性，一些学者提出了在定子侧串入附加电阻或动态电压调节器(DVR)等方案来支撑定子端电压，从而减小转子侧感应电动势以缓解变流器压力。然而，这些方案都需要新增硬件，进而增加了系统的硬件成本并降低了可靠性。

另一类方案是通过优化变流器的励磁控制来提高现有硬件利用率，进而来提高双馈型风电机组的低电压穿越能力。其中，部分方法是立足于改进内环控制器，包括在电流内环中引入非线性控制器、鲁棒控制器等改进的误差调节器、以及EMF前馈和虚拟阻抗等前馈方案。它们都有利于计算出抑制EMF扰动的励磁电压需求，从而提高RSC输出电压来抑制故障电流。但是，当电网发生深度故障时，EMF将远高于直流母线电压，即使控制器算出了上述电压需求，RSC也无法实际输出，从而失去其预期功能。另外，其他方案将避免过压过流作为首要控制目标，通过疏导故障电流来降低转子电压需求以维持系统可控。不仅更能充分利用RSC容量抑制过压过流，同时还可在一定程度上改善端口特性。比如，灭磁控制利用转子电流来抵消定子磁链中的暂态和负序分量，可大幅降低RSC电压输出要求以维持系统可控。磁链跟踪控制让转子磁链跟踪定子磁链，利用DFIG的磁链电流约束来抑制RSC过流，同时还能消除电磁转矩脉动。但是，这类方法都需要定子磁链观测来生成暂态控制指令，其中灭磁控制还需相序分离环节。而磁链观测需要准确的电机参数，电网故障后电压电流的剧烈变化会导致电阻和电感偏离其正常工况值；此外，磁链观测器中用来抑制采样零漂积累误差的滤波器，也会滤除定子电流中的暂态直流分量，两者都会影响到磁链观测的准确性。因上述方案是利用磁链观测值来生成控制指令，观测误差会直接影响这些方法的有效性；而如果采用一些特殊方案提高观测精度，又会进一步增加系统的复杂性。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明为了解决现有技术中各种低电压穿越的励磁控制方法均需要磁链观测环节来生成指令的不足，提出了一种无磁链观测的双馈风机低电压穿越的控制方法及系统，能适用于穿越深度电网故障、无需磁链观测、且简单可行。

本发明提供了一种无磁链观测的双馈风机低电压穿越的控制方法，当检测到电网故障时，控制转子电流按照比例-k_r直接跟踪定子电流，同时在转子电流指令中再注入与故障后定子电压相关的正序基波补偿量来提供动态无功支撑；其中L_r为转子自感，L_m为定子与转子之间的互感。

更进一步地，所述控制转子电流按照比例-k_r直接跟踪定子电流具体为：

采集双馈电机的定子电流信号I_sabc；

通过坐标变换将三相静止坐标系下的定子电流信号I_sabc变换为两相旋转坐标系下的定子d轴电流I_sd和q轴电流I_sq；

将定子d轴电流I_sd和q轴电流I_sq分别乘以系数-k_r作为转子d轴电流指令基本项q轴电流指令基本项

更进一步地，所述正序基波补偿量的获取方法包括：

采集双馈电机的定子电压信号U_sabc和定子电流信号I_sabc；

通过坐标变换，将三相静止坐标系下的定子电压信号U_sabc变换为两相旋转坐标系下的定子d轴电压U_sd、q轴电压U_sq；将三相静止坐标系下的定子电流信号I_sabc变换为两相旋转坐标系下的定子d轴电流I_sd、q轴电流I_sq；

根据所述定子d轴电压U_sd、q轴电压U_sq和所述定子d轴电流I_sd、q轴电流I_sq获得d轴正序基波补偿量I_ad和q轴正序基波补偿量I_aq。

更进一步地，所述正序基波补偿量U_sd代表定子d轴电压，U_sq代表定子q轴电压，ω_s代表并网点电压的旋转角频率，L_m代表互感，k_ms代表励磁系数，k_r代表跟踪系数，I_sd代表定子d轴电流，I_sq代表定子q轴电流，上标P代表正序分量，上标s代表定子坐标系，j代表虚数单位符号。

更进一步地，所述正序基波补偿量k_a为补偿系数，k_a＞1；I_smd代表励磁电流的d轴分量，I_smq代表励磁电流的q轴分量，上标P代表正序分量。

更进一步地，在获得正序基波补偿量后，所述控制方法还包括以下步骤：

根据所述正序基波补偿量获得转子d轴电流指令q轴电流指令

根据转子d轴电流指令转子q轴电流指令分别和实际转子d轴电流I_rd、q轴电流I_rq进行相减运算，获得d轴误差信号I_errd、q轴误差信号I_errq，其中，

对所述d轴误差信号I_errd和所述q轴误差信号I_errq分别进行闭环处理，获得变流器d轴电压需求信号V_rd、变流器q轴电压需求信号V_rq；

根据转子d轴电流I_rd和q轴电流I_rq生成d轴前馈信号V_rdc、q轴前馈信号V_rqc；其中，ω₂代表转差角频率，σ代表漏感系数，L_r代表转子自感，E_rd代表转子侧感应电动势的d轴分量，E_rq代表转子侧感应电动势的q轴分量；

根据所述前馈信号V_rdc、V_rqc和变流器d轴电压需求信号V_rd、变流器q轴电压需求信号V_rq，获得调制电压信号其中，

对所述调制电压信号进行SVPWM调制，获得转子侧变流器开关管的PWM控制信号S_a、S_b、S_c。

本发明还提供了一种无磁链观测的双馈风机低电压穿越的控制系统，包括转子电流指令生成模块，其输入端用于接收定子电压和定子电流，用于根据所述定子电流获得转子电流指令，并根据所述定子电压和所述定子电流获得正序基波补偿量。

更进一步地，所述转子电流指令生成模块包括补偿量计算单元、乘法器和加法器；

所述补偿量计算单元用于根据定子d轴电压U_sd和定子d轴电流i_sd获得d轴正序基波补偿量I_ad；根据定子q轴电压U_sq和定子q轴电流i_sq来获得q轴正序基波补偿量I_aq；

所述乘法器用于将定子d轴电流I_sd、q轴电流I_sq分别乘以系数-k_r来获得转子电流指令的第一基本项和第二基本项

所述加法器用于将所述第一基本项与所述d轴正序基波补偿量I_ad相加来获得转子d轴电流指令并将所述第二基本项与所述q轴正序基波补偿量I_aq相加来获得转子q轴电流指令

更进一步地，所述控制系统还包括：采样处理单元、转子电流控制环和空间矢量调制器；所述采样处理单元的输入端连接至双馈电机定转子侧，用于根据采集的定子电压电流信号、转子电流信号、并网点电压的相位角θ_s和双馈电机的转子角θ_r，输出定子电压电流信号U_sd、U_sq、I_sd、I_sq，转子电流信号I_rd、I_rq和转差角θ₂；所述转子电流控制环的指令输入端连接至所述转子电流指令生成模块的输出端；所述转子电流控制环的反馈输入端连接所述1输出的所述转子电流信号I_rd、I_rq；用于根据所述转子电流指令 对所述转子电流信号I_rd、I_rq进行闭环调节，获得调制电压信号所述空间矢量调制器的第一输入端连接至所述转子电流控制环的输出端，所述空间矢量调制器的第二输入端连接所述转差角θ₂；用于根据所述转差角θ₂对所述调制电压信号进行SVPWM调制，获得转子侧变流器开关管的PWM控制信号S_a、S_b、S_c。

更进一步地，所述采样处理单元包括采样单元、锁相环、编码器、Park坐标变换单元和减法器；

所述采样单元用于采集双馈电机的定子交流电压信号U_sabc、定子交流电流信号I_sabc和转子交流信号I_rabc；

所述锁相环用于根据所述定子交流电压信号U_sabc获得并网点电压的相位角θ_s；

所述编码器用于获得双馈电机的转子角θ_r；

所述Park坐标变换单元用于将三相静止坐标系下的转子电流信号I_rabc、定子电压信号U_sabc和定子电流信号I_sabc分别变换为两相旋转坐标系下的转子d轴电流I_rd、q轴电流I_rq和定子d轴电压U_sd、q轴电压U_sq以及定子d轴电流I_sd、q轴电流I_sq；

所述减法器用于将并网点电压的相位角θ_s与所述双馈电机的转子角θ_r相减获得所述转差角θ₂。

本发明在传统的矢量控制系统的基础上，创造性引入了一种的转子电流指令生成单元来取代传统的功率外环或其他依赖于磁链观测的暂态电流指令生成模块。该单元包括两个并行的模块：一是利用定子电流乘以比例系数-k_r来产生，另一个是利用定子电压来开环产生。前者中包含有正序、负序和暂态等多种频率分量，用于降低故障期间的励磁电压需求以维持系统可控并避免RSC过流；后者主要包括正序基波分量，用于根据故障暂态过程中的性能要求来调控基波正序量以提供基波动态无功支撑、或最小化故障电流或消除转矩脉动等。

本发明考虑了电网故障暂态期间的转子侧变流器电压输出能力约束，从而可有效现有变流器容量来维持机组可控而不过压过流。同时利用双馈风机固有模型的特点，通过控制定转子电流之间的数量关系而不是直接控制定子电流或转子电流的方法来生成转子电流指令，省去了磁链观测及其相序分离需求并可避免它们所带来的问题。本发明提出的控制方法可实现双馈风机在电网电压跌落深度达80％时的对称和不对称故障下的穿越，不仅可以在无需投入任何硬件装置的前提下可避免变流器过压过流，而且还能抑制转矩脉动或提供动态无功支撑。

附图说明

图1为双馈电机的转子侧等效电路模型；

图2为本发明提出的双馈风机低电压穿越控制方法的控制框图；

图3为本发明所述方法在不对称和对称故障下的仿真结果；

其中，不对称电网故障时的仿真结果为：(a)为定子线电压，(b)为定子无功、有功电流，(c)为转子线电压，(d)为转子三相电流，(e)为直流母线电压，(f)为电磁转矩，(g)为转子电流跟踪图；

对称电网故障时的仿真结果为：(h)为定子线电压，(i)为定子无功、有功电流，(j)为转子线电压，(k)为转子三相电流，(l)为直流母线电压，(m)为电磁转矩，(n)为转子电流跟踪图；

图4为本发明所述方法在不同附加补偿项的仿真结果；

其中：定子侧不吸收正序无功功率时的仿真结果为：(a)为转子线电压，(b)为转子三相电流，(c)为定子有功、无功电流，(d)为电磁转矩，(e)为定子三相电流；

定子侧发出无功功率时的仿真结果为：(f)为转子线电压，(g)为转子三相电流、(h)为定子有功、无功电流、(i)为电磁转矩、(j)为定子三相电流。

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。

本发明涉及双馈型风力发电系统中的低电压穿越(Low-voltage ride through，LVRT)控制领域，具体涉及一种无需磁链观测的双馈风机低电压穿越励磁控制方法与系统。本发明能够解决现有技术中各种励磁控制低电压方法均需要磁链观测环节来生产指令的不足，能适用于穿越深度电网故障、无需磁链观测、简单可行。

本发明提出了一种控制转子电流按一定比例反向跟踪定子电流的低电压穿越控制方法，其利用双馈电机模型的固有特性(即定转子电流矢量和必须恒等于等效定子磁链励磁电流而后者又几乎独立于转子侧励磁控制)，而不是采用直接的磁链观测来生成暂态控制指令。该方法将易于检测的定子电流乘以某一比例系数-k_r(范围为：L_r为转子自感，L_m为定子与转子之间的互感)后直接作为转子电流的指令，通过调控该比例系数k_r来将所需的转子侧电压电流维持在变流器容量容许范围内；同时向转子电流指令中注入一定的与定子电压直接相关的正序基波分量I_ad、I_aq，可以向电网提供一定的无功支撑，满足现代风电并网规范中关于风电机组在故障期间需向电网提供无功功率支撑的要求。

图2示出了本发明实施例提供的无磁链观测的双馈风机低电压穿越的控制系统的原理框图，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：

无磁链观测的双馈风机低电压穿越的控制系统包括：采样处理单元1、转子电流指令生成模块2、转子电流控制环3、空间矢量调制器4以及双馈风电机组主电路中转子侧变流器5；其中，采样处理单元1的输入端连接至双馈电机定转子侧，用于采集定转子电压电流信号、电机转子角信号以及并网点电压的相位角信号，其输出端中的定子测量量连接至转子电流指令生成模块2的输入端，其输出端中的转子测量量连接至转子电流控制环3的反馈输入端；转子电流指令生成模块2根据所述的定子测量量计算出转子电流指令，其输出端连接至转子电流控制环3的指令输入端；转子电流控制环3通过所述的转子电流指令和转子测量量进行闭环调节来计算出调制电压信号，其输出端连接至空间矢量调制器4的调制输入端；空间矢量调制器4用于通过空间矢量调制来生成得到控制转子侧变流器开关管的PWM控制信号，其输出端连接至转子侧变流器5的开关信号输入端。

在本发明实施例中，采样处理单元1包括：采样单元，用于采集双馈电机的定子交流电压信号U_sabc、定子交流电流信号I_sabc、转子交流信号I_rabc；锁相环单元，用于根据定子电压U_sabc来获得出并网点电压的相位角θ_s；编码器单元，用于获得双馈电机的转子角θ_r；Park坐标变换单元，用于将三相静止坐标系下的转子电流信号I_rabc、定子电压信号U_sabc和定子电流信号I_sabc变换为两相旋转坐标系下的转子d轴电流I_rd、q轴电流I_rq和定子d轴电压U_sd、q轴电压U_sq以及定子d轴电流I_sd、q轴电流I_sq。

电流指令生成模块2包括：补偿量计算单元，通过定子d轴电压U_sd和定子d轴电流I_sd来计算获得d轴正序基波补偿量I_ad；根据定子q轴电压U_sq和定子q轴电流I_sq来计算获得q轴正序基波补偿量I_aq；乘法器，通过将定子d轴电流I_sd和q轴电流I_sq分别乘以系数-k_r来作为转子d轴电流指令基本项q轴电流指令基本项加法器，通过将转子d轴电流指令基本项与d轴正序基波补偿量I_ad相加来获得转子d轴电流指令并通过将转子q轴电流指令基本项与q轴正序基波补偿量I_aq相加来获得转子q轴电流指令

转子电流控制环3包括：前馈单元，通过转子d轴电流I_rd、q轴电流I_rq来计算获得前馈补偿信号V_rdc、V_rqc；控制器单元，根据转子d轴电流指令q轴电流指令和实际转子d轴电流I_rd、q轴电流I_rq，计算得到d轴误差信号I_errd、q轴误差I_errq，其中，第一控制器用于将d轴误差信号I_errd进行闭环调节获得变流器d轴电压需求信号V_rd，第二控制器用于将q轴误差信号I_errq进行闭环调节获得变流器q轴电压需求信号V_rq；调制电压信号生成单元，其中第一加法器用于将d轴误差信号I_errd和d轴前馈补偿信号V_rdc相加获得d轴调制电压信号第二加法器用于将q轴误差信号I_errq和q轴前馈补偿信号V_rqc相加获得q轴调制电压信号

空间矢量调制器4用于对调制电压信号进行SVPWM调制来获得转子侧变流器开关管的PWM控制信号S_a、S_b、S_c，该PWM控制信号S_a、S_b、S_c用于控制转子侧变流器中开关管的导通与关断，进而来调控转子侧变流器的输出电压信号。

本发明在传统的矢量控制系统的基础上，创造性引入了一种的转子电流指令生成单元来取代传统的功率外环或其他依赖于磁链观测的暂态电流生成模块。该单元包括两个并行的模块：一是利用定子电流乘以比例系数-k_r来产生，另一个是利用定子电压来开环产生。前者中包含有正序、负序和暂态等多种频率分量，用于降低故障期间的励磁电压需求以维持系统可控并避免RSC过流；后者主要包括正序基波分量，用于根据故障暂态过程中的性能要求来调控基波正序量以提供基波动态无功支撑、或最小化故障电流或消除转矩脉动等。

本发明考虑了电网故障暂态期间的转子侧变流器电压输出能力约束，从而可有效现有变流器容量来维持机组可控而不过压过流。同时利用双馈风机固有模型的特点，通过控制定转子电流之间的数量关系而不是直接控制定子电流或转子电流的方法来生成转子电流指令，省去了磁链观测及其相序分离需求并可避免它们所带来的问题。本发明提出的控制方法可实现双馈风机在电网电压跌落深度达80％时的对称和不对称故障下的穿越，不仅可以在无需投入任何硬件装置的前提下可避免变流器过压过流，而且还能抑制转矩脉动或提供动态无功支撑。

本发明还提供了一种双馈风机低电压穿越控制方法，包括以下步骤：

S1：采集双馈电机的转子电流信号I_rabc、定子电压信号U_sabc和定子电流信号I_sabc，以及通过编码器采集双馈电机的转子角θ_r，并且通过锁相环来获得并网点电压的相位角θ_s；

S2：并网点电压的相位角θ_s减去双馈电机的转子角θ_r来获得转差角θ₂；

S3：通过坐标变换单元，其中三相静止坐标下的坐标a轴与两相旋转坐标下的坐标d轴之间的夹角为转差角θ₂，分别将三相静止坐标系下的转子电流信号I_rabc、定子电压信号U_sabc和定子电流信号I_sabc变换为两相旋转坐标系下的转子d轴电流I_rd、q轴电流I_rq、定子d轴电压U_sd、q轴电压U_sq和定子d轴电流I_sd、q轴电流I_sq；

S4：将定子d轴电流I_sd、q轴电流I_sq分别乘以系数-k_r作为转子d轴电流指令基本项q轴电流指令基本项

S5：根据定子d轴电压U_sd、q轴电压U_sq和定子d轴电流I_sd、q轴电流I_sq，来获得d轴正序基波补偿量I_ad、q轴正序基波补偿量I_aq的大小；

S6：通过加法器将转子d轴电流指令基本项与d轴正序基波补偿量I_ad相加来获得转子d轴电流指令并通过加法器将转子q轴电流指令基本项与q轴正序基波补偿量I_aq相加来获得转子q轴电流指令

S7：根据转子d轴电流指令转子q轴电流指令分别与实际转子d轴电流I_rd、q轴电流I_rq进行相减运算，获得d轴误差信号I_errd、q轴误差信号I_errq，其计算公式为式(1)；

S8：通过控制器来对误差信号I_errd、I_errq进行闭环处理，得到变流器输出电压需求信号V_rd、V_rq；

S9：根据转子d轴电流I_rd、q轴电流I_rq生成前馈信号V_rdc、V_rqc，其计算公式为式(2)；

其中，前馈信号V_rdc、V_rqc由解耦前馈项-ω₂σL_rI_rq、ω₂σL_rI_rd和感应电动势前馈项E_rd、E_rq两部分组成，式中，ω₂为转差角频率，σ为漏感系数，L_r为转子自感，E_rd为转子侧感应电动势的d轴分量，E_rq为转子侧感应电动势的q轴分量。

S10：根据前馈信号V_rdc、V_rqc和变流器输出电压需求信号V_rd、V_rq，计算得到调制电压信号其计算公式为式(3)；

S11：通过SVPWM调制模块来对调制电压信号进行调制，获得转子侧变流器开关管的PWM控制信号S_a、S_b、S_c。

为了更进一步的说明本发明实施例提供的无磁链观测的双馈风机低电压穿越的控制方法及系统，下面结合附图说明本发明的工作原理及其具体实施方式。

根据双馈电机的数学模型，定子磁链相关的方程可表示为：

式中，电压电流磁链等状态量为定子静止坐标系下表示的复向量，且统一折算到定子侧，其中：U_s代表定子电压，I_s代表定子电流，ψ_s代表定子磁链矢量，I_r代表转子电流，R_s代表定子电阻，R_r代表转子电阻，L_s代表定子自感，L_r代表转子自感，L_m代表互感，下标s代表定子侧的状态量，下标r代表转子侧的状态量，上标s代表定子坐标系，上标r代表转子坐标系。

在式(4)中，由于双馈电机定子侧直接并网，从而定子侧电压由电网确定，而且定子侧电阻通常很小不超过0.01pu，因此，双馈风机的定子磁链主要取决于电网电压而转子侧励磁控制的影响通常忽略不计。

而根据式(5)可知，定转子电流与各自励磁电感乘积的矢量和必须等于定子磁链。为便于说明，将式(5)变形为：

由于定转子电流矢量和必须等于等效的定子磁链励磁电流I_sm而后者又主要取决于电网电压，所以当定子电压确定时，I_sm也就基本确定，此时无论定转子电流如何变化，其矢量和都恒等于该励磁电流。通常，一般直接控制转子电流或定子电流中的一个，而另一个根据式(6)约束间接受控。如常规的功率电流双环控制模式下，利用定子功率外环来直接调控定子电流从而间接控制转子电流；而灭磁控制下是利用定子磁链观测值来直接生成转子电流指令。

在双馈电机的低电压穿越过程中，其最大障碍在于定子磁链中的暂态和负序分量在转子侧会激励出远高于直流母线电压的感应电动势故障分量。根据图1所示的转子侧等效电路模型，此时RSC有限的电压输出能力不足以抵消该EMF，从而无法完全消除故障电流。此时维持系统可控以抑制过压过流的根本要求是降低转子侧励磁电压需求，由于EMF必须降落在转子暂态阻抗和RSC上，这就要求转子侧暂态电感和电阻上要流过较大的暂态和负序分量以分担较大的EMF压降。在励磁控制系统作用下，这就要求转子电流指令中包含有一定的暂态和负序分量，且该分量应该与定子磁链中的对应分量反向。如果直接控制转子电流与定子磁链之间的关系，而需要磁链观测及其相序分量环节，而在电网故障后的电磁暂态过程中，磁链观测易于受到电机参数因电压电流剧烈变化而偏移以及为克服电压电流采样量零漂而采用滤波器的影响，两者都会影响到磁链观测的准确性。

为此，本发明提出直接控制定转子电流之间的数量关系，根据式(6)约束，定转子电流也能实现其自动分配。比如转子电流被控制为反向的跟踪定子电流，即：式中k_r——转子电流跟踪系数。

将式(7)带入(5)，则定转子电流可表示为：

可见当跟踪系数k_r一定时，有且仅有唯一的一组定转子电流与之对应，因此调控k_r就能间接实现对转子电流的控制。此时转子端电压：

式(9)中，如果0＜k_r＜L_m/L_r，则转子电压比EMF小；而如果k_r＜0，则转子电压比EMF还高，其中，E_r代表转子侧感应电动势(EMF)。

根据式(8)(9)可知，转子电压电流由跟踪系数k_r密切相关。通过设计合适的k_r，可使所对应的转子侧电压和转子电流的幅值都在RSC容许范围内，从而实现可控LVRT。不过式(8)中的定子电流中含有与定子磁链正序分量同向的分量，会从电网吸收一定的无功电流，无法满足并网规范中的动态无功支撑要求。为此，在上述控制方法基础上，再向转子电流指令中注入一定的正序基波分量I_a来调控双馈风机的定子侧无功功率输出，即：

将式(10)带入式(5)中，可解得定转子电流为：

式中，k_ms代表定子侧励磁系数，k_ms＝L_m/L_s。

式(11)(12)中的定转子电流都包含有两个分量：一个正比于定子磁链，与式(8)相同；另一个与注入分量相关。前者用于产生暂态和负序电流来减小转子电压需求，通过调控后者中的I_a可调控定转子电流中的正序有功和无功分量。

那么，由式(11)可知，若要使得实际定子电流中的正序基波分量等于某一预设值I_a，那么，可取该补偿值I_a为：若考虑只发出无功功率，那么，该基波补偿值I_a为：I_a＝k_a(I_sm)^P(14)式中，k_a代表补偿系数，并且k_a＞1。

式中，ω_s代表并网点电压的旋转角频率信号，L_m代表互感，U_s代表定子电压，k_ms代表励磁系数，k_r代表跟踪系数，I_s代表定子电流，I_sm代表励磁电流，k_a代表补偿系数，上标s代表定子坐标系，上标P代表正序分量。

其对应的控制系统结构如图2所示，包括采样处理单元1、转子电流指令生成模块2、转子电流控制环3、空间矢量调制器4，以及双馈风电机组主电路中转子侧变流器5。其中转子电流指令生成模块2是本发明的独创内容，其根据变换到dq坐标下的定子电流后乘以-k_r后生成转子电流指令，同时根据暂态控制的性能要求来确定是否需要注入补偿量I_a及其大小。

本发明以一台典型参数下的1.5MW双馈风机为例，进行了仿真研究。故障发生前，电机转速为超同步30％，机组以额定功率稳定输出，设置k_r＝0.85。分别在三相对称跌落80％和单相跌落80％下，运用本发明提出控制方法进行控制(无补偿项)得到的转子电流、转子电压和转矩如图3所示，当采用不同补偿项时得到的双馈电机状态量如图4所示。

本领域的技术人员容易理解，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 (8)

1.一种无磁链观测的双馈风机低电压穿越的控制方法，其特征在于，当检测到电网故障时，控制转子电流按照比例-k_r直接跟踪定子电流，同时在转子电流指令中再注入与故障后定子电压相关的正序基波补偿量来提供动态无功支撑；其中L_r为转子自感，L_m为定子与转子之间的互感；

所述控制转子电流按照比例-k_r直接跟踪定子电流具体为：

采集双馈电机的定子电流信号I_sabc；

通过坐标变换将三相静止坐标系下的定子电流信号I_sabc变换为两相旋转坐标系下的定子d轴电流I_sd和q轴电流I_sq；

将定子d轴电流I_sd和q轴电流I_sq分别乘以系数-k_r作为转子d轴电流指令基本项q轴电流指令基本项

2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述正序基波补偿量的获取方法包括：

采集双馈电机的定子电压信号U_sabc和定子电流信号I_sabc；

通过坐标变换，将三相静止坐标系下的定子电压信号U_sabc变换为两相旋转坐标系下的定子d轴电压U_sd、q轴电压U_sq；将三相静止坐标系下的定子电流信号I_sabc变换为两相旋转坐标系下的定子d轴电流I_sd、q轴电流I_sq；

根据所述定子d轴电压U_sd、q轴电压U_sq和所述定子d轴电流I_sd、q轴电流I_sq获得d轴正序基波补偿量I_ad和q轴正序基波补偿量I_aq。

3.如权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述正序基波补偿量ω_s代表并网点电压的旋转角频率，k_ms代表励磁系数，上标P代表正序分量，上标s代表定子坐标系，j代表虚数单位符号。

4.如权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述正序基波补偿量k_a为补偿系数，k_a＞1；I_smd代表励磁电流的d轴分量，I_smq代表励磁电流的q轴分量，上标P代表正序分量。

5.如权利要求2所述的控制方法，其特征在于，在获得正序基波补偿量后，所述控制方法还包括以下步骤：

根据所述转子d轴电流指令基本项q轴电流指令基本项分别与所述d轴正序基波补偿量I_ad、q轴正序基波补偿量I_aq相加来获得转子d轴电流指令q轴电流指令

根据转子d轴电流指令转子q轴电流指令分别和实际转子d轴电流I_rd、q轴电流I_rq进行相减运算，获得d轴误差信号I_errd、q轴误差信号I_errq，其中，

对所述d轴误差信号I_errd和所述q轴误差信号I_errq分别进行闭环处理，获得变流器d轴电压需求信号V_rd、变流器q轴电压需求信号V_rq；

根据转子d轴电流I_rd和q轴电流I_rq生成d轴前馈信号V_rdc、q轴前馈信号V_rqc；其中，ω₂代表转差角频率，σ代表漏感系数，E_rd代表转子侧感应电动势的d轴分量，E_rq代表转子侧感应电动势的q轴分量；

根据所述前馈信号V_rdc、V_rqc和变流器d轴电压需求信号V_rd、变流器q轴电压需求信号V_rq，获得调制电压信号其中，

对所述调制电压信号进行SVPWM调制，获得转子侧变流器开关管的PWM控制信号S_a、S_b、S_c。

6.一种无磁链观测的双馈风机低电压穿越的控制系统，其特征在于，包括转子电流指令生成模块(2)，其输入端用于接收定子电压和定子电流，用于根据所述定子电流获得转子电流指令，并根据所述定子电压和所述定子电流获得正序基波补偿量；

所述转子电流指令生成模块(2)包括补偿量计算单元、乘法器和加法器；

所述补偿量计算单元用于根据定子d轴电压U_sd和定子d轴电流I_sd获得d轴正序基波补偿量I_ad；根据定子q轴电压U_sq和定子q轴电流I_sq来获得q轴正序基波补偿量I_aq；

所述乘法器用于将定子d轴电流I_sd、q轴电流I_sq分别乘以系数-k_r来获得转子电流指令的第一基本项和第二基本项

所述加法器用于将所述第一基本项与所述d轴正序基波补偿量I_ad相加来获得转子d轴电流指令并将所述第二基本项与所述q轴正序基波补偿量I_aq相加来获得转子q轴电流指令

7.如权利要求6所述的控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括：采样处理单元(1)、转子电流控制环(3)和空间矢量调制器(4)；

所述采样处理单元(1)的输入端连接至双馈电机定转子侧，用于根据采集的定子电压电流信号、转子电流信号、并网点电压的相位角θ_s和双馈电机的转子角θ_r，输出定子电压电流信号U_sd、U_sq、I_sd、I_sq，转子电流信号I_rd、I_rq和转差角θ₂；

所述转子电流控制环(3)的指令输入端连接至所述转子电流指令生成模块(2)的输出端；所述转子电流控制环(3)的反馈输入端连接所述采样处理单元(1)输出的所述转子电流信号I_rd、I_rq；用于根据所述转子电流指令对所述转子电流信号I_rd、I_rq进行闭环调节，获得调制电压信号

所述空间矢量调制器(4)的第一输入端连接至所述转子电流控制环(3)的输出端，所述空间矢量调制器(4)的第二输入端连接所述转差角θ₂；用于根据所述转差角θ₂对所述调制电压信号进行SVPWM调制，获得转子侧变流器开关管的PWM控制信号S_a、S_b、S_c。

8.如权利要求7所述的控制系统，其特征在于，所述采样处理单元(1)包括采样单元、锁相环、编码器、Park坐标变换单元和减法器；

所述采样单元用于采集双馈电机的定子交流电压信号U_sabc、定子交流电流信号I_sabc和转子交流电流信号I_rabc；

所述锁相环用于根据所述定子交流电压信号U_sabc获得并网点电压的相位角θ_s；

所述编码器用于获得双馈电机的转子角θ_r；

所述Park坐标变换单元用于将三相静止坐标系下的转子交流电流信号I_rabc、定子交流电压信号U_sabc和定子交流电流信号I_sabc分别变换为两相旋转坐标系下的转子d轴电流I_rd、q轴电流I_rq和定子d轴电压U_sd、q轴电压U_sq以及定子d轴电流I_sd、q轴电流I_sq；

所述减法器用于将并网点电压的相位角θ_s与所述双馈电机的转子角θ_r相减获得所述转差角θ₂。