CN104967375B - 电网故障下双馈风力发电机转子磁链预测控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电网故障下双馈风力发电机转子磁链预测控制方法，由定子两相电流和转子两相电流计算出定子参考两相静止坐标系下的定子磁链和转子磁链，通过定子磁链实际值计算出转子磁链的给定值，根据双馈风力发电机转子侧变换器电压的离散模型预测变换器下一时刻不同开关状态下的动态行为，通过价值函数对7个电压矢量预测结果进行评估，最终选择使价值函数最小的电压矢量，此种算法能够在每个采样周期预测到最优的开关状态作为变换器的开关信号。本发明的控制方法实现的是不定频控制，以上算法在每个开关周期循环一次，与稳态时的控制方法相比，有较高的采样频率，在故障瞬间响应速度快，提高了双馈风力发电机故障运行能力。

Description

电网故障下双馈风力发电机转子磁链预测控制方法

技术领域

本发明属于双馈风力发电机运行控制技术领域，具体涉及一种在电网电压骤降故障时双馈风力发电机转子磁链预测控制方法。

背景技术

我国风能资源丰富，风能理论储量在40亿kW以上，理论技术可开发量约为6亿-10亿kW，无论是从保障能源安全、优化能源结构，还是从节能减排、应对气候变化的环保来考虑，我国都离不开以风力发电为主的可再生能源的补充和发展。作为主流机型的双馈风力发电机，定子直接挂接电网，转子通过三相交—直—交变换器实现交流励磁，电功率可以通过定子、转子双通道与电网实现交换。

由于双馈风力发电机的励磁变换器容量小，对整个DFIG的控制能力弱，使得双馈风力发电机的变换器的控制策略显得十分重要，特别是当电网电压发生故障时的运行控制尤为关键，值得深入研究。在电网发生故障时，目前部分文献研究了基于撬棒保护控制策略，为了抑制电网电压跌落引起的双馈风力发电机转子侧过电流，撬棒电路被用来将双馈电机转子侧绕组短路，该短接回路为转子冲击电流提供一条通路，适当选择电阻值可以限制转子回路的最大电流，撬棒动作时双馈电机自动从系统中脱离。此种方法增加了硬件成本，故障时从电网吸收大量的无功功率，影响电网的稳定性，对电网的暂态电磁冲击和风力机的机械冲击均很严重。另外还有部分文献报道了电网故障条件下双馈风力发电机直接功率预测控制与svpwm控制相结合，此种控制方法将功率的参考值与测得的功率实际值作比较，然后将功率误差经过PI调节器控制，输出两相同步旋转坐标系下的转子电压，再经过坐标转换，得到定子参考两相静止坐标系下的转子电压，最后经过svpwm控制模块，进行定频控制。此种方法电压矢量的选择是根据一个预先定义的开关表，在一个周期内按照一定规律进行开关动作，因此在每一个时刻选择的电压矢量未必是最优的电压矢量，当然开关的控制也未必是最优的。因此有必要一种保证开关的控制在每一时刻达到最优的控制方法，并且当故障发生时，有更高的采样频率和更快的响应速度。转子磁链预测控制是一种非线性控制技术，不包含线性控制器和调制器，有比较快的响应速度，算法采用多种求解寻优，直接输出开关控制量，根据数学模型对控制对象下一时刻的运行状态进行预测。通过定义价值函数，对7个不同电压矢量作用下的预测的转子磁链进行实时评估，并选择出最优的电压矢量作为控制器输出。算法能够在每个采样周期预测到最优的开关状态作为控制器的输出，系统有较高的采样频率和更快的故障响应速度，故障状态下可以控制转子电流在1.5-1.6倍额定电流以内，电磁转矩波动较小。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种电网故障下双馈风力发电机转子磁链预测控制方法，该控制方法主要针对转子侧变换器的不定频控制，与电网稳态运行时相比有更高的采样频率和更快的响应速度，并且控制精度也相应提高。通过当前时刻的转子磁链对下一时刻的转子磁链进行预测，直接选取使价值函数最优的电压矢量所对应的开关量，在故障状态下，使转子电流控制在1.5-1.6倍额定值以内，使电磁转矩波动较小，减小对机组的冲击，同时保证对输出有功功率和无功功率的控制。

本发明为实现上述目的采用如下技术方案，电网故障下双馈风力发电机转子磁链预测控制方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）、当电网发生故障时，控制系统从定频控制转为高频下的不定频控制，系统控制频率提高为原矢量控制的10倍，采集定子三相电流i _sa 、i _sb 、i _sc ，经过坐标转换得到定子参考两相静止坐标系下的定子两相电流i _sα 、i _sβ ；采集转子三相电流i _ra 、i _rb 、i _rc ，经过坐标转换得到定子参考两相静止坐标系下的转子两相电流i _rα 、i _rβ ；

（2）、将检测到的转子角速度ω _r进行离散积分运算得到θ _r；

（3）、将定子参考两相静止坐标系下的定子两相电流i _sα 、i _sβ ，转子两相电流i _rα 、i _rβ ，定子自感L _s，转子自感L _r和定转子间互感L _m进行定子磁链和转子磁链计算得到定子磁链α、β轴分量Ψ_sα 、Ψ_sβ 和转子磁链α、β轴分量Ψ_rα 、Ψ_rβ ；

（4）、对转子磁链的给定值进行计算，即：Ψ_rαβ ^*=MΨ_sαβ ，其中，Ψ_rαβ ^*为转子磁链α、β轴的给定值，Ψ_sαβ 为定子磁链α、β轴的实际值，I _rαβ 为定子参考两相静止坐标系下的转子电流额定值，在故障期间M随Ψ_s ^r变换自适应改变，实现对转子磁链的实时最优控制；

（5）、双馈风力发电机转子侧变换器电压在两相定子参考静止坐标系下的电压公式表示为：；

（6）、对双馈风力发电机转子侧变换器的电压公式进行离散化得到转子磁链预测模型：；

（7）、评估双馈风力发电机转子磁链的价值函数如下式所示：g_i=[Ψ_rα ^*(k)-Ψ_rαi (k)]²+[Ψ_rβ ^*(k)-Ψ_rβi (k)]²，式中，Ψ_rα ^*(k)、Ψ_rβ ^*(k)分别为α、β轴转子磁链的给定值，Ψ_rαi (k)、Ψ_rβi (k)为不同电压矢量作用下预测到的磁链值，下标i=1,2,…,7；

（8）、通过转子磁链预测模型对k+1时刻不同电压矢量作用下的转子磁链动态行为进行预测，将预测的结果通过价值函数进行评估和优化，并选择最优的开关状态作为下一时刻开关的控制信号。

目前的控制方法中，当电网电压发生单相跌落或者三相对称跌落60%以及更严重的故障时，转子电流一般控制在2倍额定电流左右。本发明采用转子磁链自适应控制实现转子磁链弱磁最优控制；同时采用转子磁链快速预测方法，在提高控制系统响应速度的同时，避免了大扰动下控制器的饱和问题；在故障期间通过采用提高10倍控制频率的高频不定频控制方法，进一步缩短了对故障的响应时间，同时所有变量基于定子参考两相静止坐标系，不需要复杂的坐标变换，在故障瞬间可以快速有效地控制转子电流在1.5-1.6倍额定电流以内。

附图说明

图1为两相定子α β静止坐标系、两相转子速ω _r旋转α _r β _r坐标系、两相同步速ω _e旋转d q坐标系；

图2为控制结构框图；

图3为电网电压发生三相对称跌落60%故障时转子磁链预测控制的运行结果图；

图4为电网电压发生单相跌落60%故障时转子磁链预测控制的运行结果图；

具体实施方法

下面结合附图对本发明做进一步说明。图1为两相定子α β静止坐标系、两相转子速ω _r旋转α _r β _r坐标系、两相同步速ω _e旋转d q坐标系。本发明的控制方法基于定子参考两相静止坐标系，定子侧和转子侧变量，经过坐标转换，得到两相定子静止α β坐标系下的变量。

双馈风力发电机网侧变换器在定子参考两相静止坐标系下的磁链方程如下所示：

Ψ_sα =L _s i _sα +L _m i _rα（1）

Ψ_sβ =L _s i _sβ +L _m i _rβ （2）

式中：Ψ_sα 、Ψ_sβ 分别定子参考两相静止坐标系下的定子磁链；L _s、L _m分别表示定子自感以及定转子之间的互感；i _sα 、i _sβ 分别表示定子参考两相静止坐标系下的定子电流；i _rα 、i _rβ 分别表示定子参考两相静止坐标系下的转子电流。

双馈风力发电机转子侧变换器在定子参考两相静止坐标系下的磁链方程和电压方程如下所示：

Ψ_rα =L _m i _sα +L _r i _rα （3）

Ψ_rβ =L _m i _sβ +L _r i _rβ （4）

（5）

（6）

式中：Ψ_rα 、Ψ_rβ 分别表示定子参考两相静止坐标系下的转子磁链；L _r表示转子自感；U _rα 、U _rβ 分别表示定子参考两相静止坐标系下的转子电压；R _r表示转子电阻；ω _r表示发电机转子角速度。

对式（5）、（6）进行离散化，可得：

（7）

（8）

式中：T _s表示采样周期；Ψ_rα (k+1)、Ψ_rβ (k+1)分别表示k+1时刻在定子参考两相静止坐标系下的转子磁链。

定义评估双馈风力发电机转子磁链的价值函数如下式所示：

g_i=[Ψ _rα ^*(k)-Ψ _rαi (k)]²+[Ψ _rβ ^*(k)-Ψ _rβi (k)]² （9）

式中：Ψ_rα ^*(k)、Ψ_rβ ^*(k)分别表示α、β轴转子磁链k时刻的给定值；Ψ_rαi (k)、Ψ_rβi (k)为不同电压矢量作用下预测到的磁链值，下标i=1,2，…，7。将不同电压矢量预测到的转子磁链和转子磁链给定值通过价值函数进行评估，从而选择出下一时刻最优的电压矢量，从而选择出最优的开关状态。

转子磁链的给定值进行计算：

Ψ_rαβ ^*=MΨ_sαβ （10）

其中，Ψ_rαβ ^*为转子磁链α、β轴的给定值，Ψ_sαβ 为定子磁链α、β轴的实际值，I _rαβ 为定子参考两相静止坐标系下的转子电流额定值，故障瞬间转子电流变大，但是对M的计算中，转子电流取其额定值，使故障期间转子电流在其额定值附近波动，并且不超过2倍额定电流值，在故障期间M可以随Ψ_s ^r变换自适应改变，实现对转子磁链的实时最优控制；根据定子磁链在故障期间的变化以及M的变化，转子磁链给定值同步变化，达到定转子磁链同步弱磁控制的目的。

本发明在故障前后采用的是变控制频率控制方法，转子磁链预测控制的采样频率是正常运行时的10倍，故障响应速度极快。转子磁链预测控制是一种非线性控制技术，不包含线性控制器和调制器，有较快的响应速度，同时避免了电网故障大扰动下线性控制器饱和问题。算法采用多种求解寻优，直接输出开关控制量，根据数学模型对控制对象下一时刻的运行状态进行预测。通过定义价值函数，对7个不同电压矢量作用下的预测的转子磁链进行实时评估，并选择出最优的电压矢量作为控制器输出。所有变量基于定子参考两相静止坐标系，不需要复杂的坐标变换，算法能够在每个采样周期预测到最优的开关状态作为控制器的输出，系统有较高的采样频率和更快的故障响应速度，故障状态下可以控制转子电流在1.5~1.6倍额定电流以内，电磁转矩波动较小。

图2为电网故障下双馈风力发电机转子磁链预测控制框图。当检测到电网电压发生跌落故障时，双馈风力发电机转子侧控制器由基于定子磁场定向的矢量控制切换到转子磁链预测控制。其具体步骤如下：

（1）、采集定子三相电流i _sa 、i _sb 、i _sc ，经过坐标转换得到定子参考两相静止坐标系下的定子两相电流i _sα 、i _sβ ；采集转子三相电流i _ra 、i _rb 、i _rc ，经过坐标转换得到定子参考两相静止坐标系下的转子两相电流i _rα 、i _rβ ；

（2）、将检测到的转子角速度ω_r进行离散积分运算得到θ _r ；

（3）、将定子参考两相静止坐标系下的定子两相电流i _sα 、i _sβ ，转子两相电流i _rα 、i _rβ ，定子自感L_s，转子自感L_r和定转子间互感L_m进行定子磁链和转子磁链计算得到定子磁链α、β轴分量Ψ _sα 、Ψ _sβ 和转子磁链α、β轴分量Ψ _rα 、Ψ _rβ ；

（4）、对转子磁链的给定值进行计算，即：Ψ_rαβ ^*=MΨ_sαβ，其中，Ψ_rαβ ^*为转子磁链α、β轴的给定值，Ψ_sαβ 为定子磁链α、β轴的实际值，I _rαβ 为定子参考两相静止坐标系下的转子电流额定值，故障期间M随Ψ_s ^r变换自适应改变，实现对转子磁链的实时最优控制，根据定子磁链在故障期间的变化以及M的变化，转子磁链给定值同步变化，达到定转子磁链同步弱磁控制的目的；

（5）、双馈风力发电机转子侧变换器电压在两相定子参考静止坐标系下的电压公式表示为：；

（6）、对双馈风力发电机转子侧变换器电压公式进行离散化，可得转子磁链预测模型：

；

（7）、评估双馈风力发电机转子磁链的价值函数如下式所示：g_i=[Ψ _rα ^*(k)-Ψ _rαi (k)]²+[Ψ _rβ ^*(k)-Ψ _rβi (k)]²，式中，Ψ _rα ^*(k)、Ψ _rβ ^*(k)分别为α、β轴转子磁链的给定值；Ψ _rαi (k)、Ψ _rβi (k)为不同电压矢量作用下预测到的磁链值，下标i=1,2,…,7；

（8）、通过转子磁链预测模型对k+1时刻不同电压矢量作用下的转子磁链动态行为进行预测，将预测的结果通过价值函数进行评估和优化，并选择最优的开关状态作为下一时刻开关的控制信号。

图3为电网电压发生三相对称跌落60%故障时转子磁链预测控制的运行结果图，从图中可以看出，电磁转矩几乎为零，波动较小，在电网稳定运行时，转子电流为2000A，当故障发生时，采用转子预测控制，此时转子电流为3000A，转子电流控制在1.5倍额定峰值电流以内。

图4为电网电压发生单相跌落60%故障时转子磁链预测控制的运行结果图，从图中可以看出，电磁转矩几乎为零，波动较小，在电网稳定运行时，转子电流为2000A，当故障发生时，采用转子磁链预测控制，此时转子电流为3200A，转子电流控制在1.6倍额定峰值电流以内。

以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。

Claims (1)

1.电网故障下双馈风力发电机转子磁链预测控制方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)、当电网发生故障时，控制系统从定频控制转为高频下的不定频控制，系统控制频率提高为原矢量控制的10倍，采集定子三相电流i_sa、i_sb、i_sc，经过坐标转换得到定子参考两相静止坐标系下的定子两相电流i_sα、i_sβ；采集转子三相电流i_ra、i_rb、i_rc，经过坐标转换得到定子参考两相静止坐标系下的转子两相电流i_rα、i_rβ；

(2)、将检测到的转子角速度ω_r进行离散积分运算得到θ_r，θ_r为两相转子坐标系与两相静止坐标系之间的夹角；

(3)、将定子参考两相静止坐标系下的定子两相电流i_sα、i_sβ，转子两相电流i_rα、i_rβ，定子自感L_s，转子自感L_r和定转子间互感L_m进行定子磁链和转子磁链计算得到定子磁链α、β轴分量Ψ_sα、Ψ_sβ和转子磁链α、β轴分量Ψ_rα、Ψ_rβ；

(4)、对转子磁链的给定值进行计算，即：Ψ_rα ^*＝M_αΨ_sα、Ψ_rβ ^*＝M_βΨ_sβ，其中Ψ_rα ^*、Ψ_rβ ^*分别为转子磁链α、β轴的给定值，Ψ_sα、Ψ_sβ分别为定子磁链α、β轴的实际值，I_rα、I_rβ分别为定子参考两相静止坐标系下的转子两相电流额定值，故障期间M_α和M_β分别随Ψ_sα、Ψ_sβ变换自适应改变，实现对转子磁链的实时最优控制；

(5)、双馈风力发电机转子侧变换器电压在定子参考两相静止坐标系下的电压公式表示为：

(6)、对双馈风力发电机转子侧变换器的电压公式进行离散化得到转子磁链预测模型：

式中，R_r为转子电阻，U_rα和U_rβ分别为转子电压在α、β轴分量，T_s为采样周期；

(7)、评估双馈风力发电机转子磁链的价值函数如下式所示：g_i＝[Ψ_rα ^*(k)-Ψ_rαi(k)]²+[Ψ_rβ ^*(k)-Ψ_rβi(k)]²，式中，Ψ_rα ^*(k)、Ψ_rβ ^*(k)分别为α、β轴转子磁链的给定值，Ψ_rαi(k)、Ψ_rβi(k)分别为不同电压矢量作用下预测到的磁链值，下标i＝1,2,…,7；

(8)、通过转子磁链预测模型对k+1时刻不同电压矢量作用下的转子磁链动态行为进行预测，将预测的结果通过价值函数进行评估和优化，并选择最优的开关状态作为下一时刻开关的控制信号。