CN104967379A - 一种畸变电网下双馈异步风力发电机基于反推控制的定子谐波电流抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种畸变电网下双馈异步风力发电机基于反推控制的定子谐波电流抑制方法，该方法以李雅普诺夫稳定性理论为基础，在静止两相坐标系下双馈风力发电机理想和谐波电网电压的统一数学模型下，进行反推控制算法设计，实现了有功无功的解耦控制。本发明克服了传统矢量控制动态性能欠佳，同时因需复杂坐标变换和严格磁场定向的工程实现难度弱点，又克服了传统查表法直接功率控制的稳态性能欠佳的缺陷，在理想电网条件下取得了优良的动静态性能。

Description

一种畸变电网下双馈异步风力发电机基于反推控制的定子谐波电流抑制方法

技术领域

本发明属于风力发电机控制技术领域，具体涉及一种畸变电网下双馈异步风力发电机基于反推控制的定子谐波电流抑制方法。

背景技术

双馈异步风力发电机(DFIG)系统中发电机定子通过变压器与电网直接联接，电网出现的扰动将直接影响到发电机本身的运行。另外其与转子相连的励磁变换器的容量有限，仅能对发电机实施有限能力的控制，与基于全功率变换器的风力发电系统相比，双馈异步风电系统表现出对电网故障非常敏感，承受能力也较差的特点。与此同时，随着非线性负载和单相负载越来越多，电网中谐波的数量和种类在增加。谐波的存在能使得许多电力设施性能恶化甚至破坏使其不能正常工作，包括双馈风电系统。然而，许多电网准则允许一定程度的电网谐波电压存在，同时在这种情况下，双馈风电系统应该保持不脱网工作，其向电网输出的电流的谐波含量应该低于一定的值。因此，许多针对双馈风电系统在谐波电网电压条件下的谐波电流抑制控制方法及发明正在开展或已经实施。

目前，大部分的此类发明都是针对特定次数的谐波电压，如在多重旋转坐标系下的矢量控制，采用谐振控制器的矢量控制和直接功率控制等。而在实际电网环境中，谐波次数种类繁多，甚至包含分数次数，所以这些控制策略在实际电网中的运用效果是有限的。同时，每个谐振控制器只能针对一个，两个或者有限多个特定阶次的谐波，对于实际电网中理论上趋于无数个阶次的谐波，所需要的谐振控制器的数目是无限的，这在目前的数字资源中是不可能实现的。

同时，目前双馈异步风力发电系统的主流控制策略为矢量控制、查表法直接功率控制、比例积分直接功率控制等。其中，矢量控制需要的严格磁场定向和复杂的坐标变化，采用比例积分控制器所带来的动态响应速度慢使得其工程应用效果欠佳。查表法直接功率控制结构简单，无需复杂坐标变换，动态响应快，但滞环控制器使得稳态下有功、无功功率波动较大，且变换器开关频率不固定导致电流谐波次数不固定，滤波器设计较困难。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种畸变电网下双馈异步风力发电机基于反推控制的定子谐波电流抑制方法，能够实现不同谐波条件下的定子谐波电流抑制，并具有一定的电网频率偏差鲁棒性，达到非常优良的定子谐波电流输出抑制效果。

一种畸变电网下双馈异步风力发电机基于反推控制的定子谐波电流抑制方法，包括如下步骤：

(1)采集DFIG的三相定子电压U_sabc、三相定子电流I_sabc、三相转子电流I_rabc、转速ω_r以及转子位置角θ_r，并利用锁相环提取三相定子电压U_sabc的角频率ω_s；

进而对所述的三相定子电压U_sabc、三相定子电流I_sabc和三相转子电流I_rabc进行Clarke变换，对应得到定子α-β静止坐标系下的定子电压矢量U_sαβ、定子电流矢量I_sαβ和转子电流矢量I_rαβ；

(2)根据所述的定子电压矢量U_sαβ和定子电流矢量I_sαβ，计算DFIG的机侧有功功率P_s和机侧无功功率Q_s；

进而根据谐波电网条件下定子谐波电流的抑制补偿功率算法，计算有功功率的补偿参考值P^* _{s_comp}和无功功率的补偿参考值Q^* _{s_comp}，并对所述的补偿参考值P^* _{s_comp}和Q^* _{s_comp}进行微分运算，得到对应的导数值和

(3)根据所述的转子电流矢量I_rαβ、机侧有功功率P_s和机侧无功功率Q_s、补偿参考值P^* _{s_comp}和Q^* _{s_comp}以及对应的导数值和通过畸变电网反推控制算法计算出定子α-β静止坐标系下的转子电压矢量V_rαβ；

(4)利用转子位置角θ_r对所述的转子电压矢量V_rαβ进行坐标变换，得到转子α-β静止坐标系下的转子电压矢量U_rαβ，进而通过SVPWM(空间矢量脉宽调制)构造得到一组开关信号以对DFIG的机侧变流器进行控制。

所述的步骤(2)中通过以下算式计算DFIG的机侧有功功率P_s和机侧无功功率Q_s：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_s=\frac{3}{2}{U}_{\mathrm{s\α}}{I}_{\mathrm{s\α}}+\frac{3}{2}{U}_{\mathrm{s\β}}{I}_{\mathrm{s\β}}\\ Q_s=\frac{3}{2}{U}_{\mathrm{s\β}}{I}_{\mathrm{s\α}}-\frac{3}{2}{U}_{\mathrm{s\α}}{I}_{\mathrm{s\β}}\end{array}\right.$

其中：U_sα和U_sβ分别为定子电压矢量U_sαβ的α轴分量和β轴分量，I_sα和I_sβ分别为定子电流矢量I_sαβ的α轴分量和β轴分量。

所述的步骤(2)中的抑制补偿功率算法，具体过程如下：

首先，对所述的定子电压矢量U_sαβ进行基频滤波，得到定子谐波电压矢量U_{sαβ_h}；

然后，对所述的定子电流矢量I_sαβ进行基频滤波，得到定子谐波电流矢量I_{sαβ_h}；使定子电流矢量I_sαβ减去定子谐波电流矢量I_{sαβ_h}，得到定子基波电流矢量I_{sαβ_f}；

最后，通过以下算式计算出有功功率的补偿参考值P^* _{s_comp}和无功功率的补偿参考值Q^* _{s_comp}：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{s\_\mathrm{comp}}^{*}=\frac{3}{2}{U}_{\mathrm{s\α}\_h}{I}_{\mathrm{s\α}\_f}+\frac{3}{2}{U}_{\mathrm{s\β}\_h}{I}_{\mathrm{s\β}\_f}\\ Q_{s\_\mathrm{comp}}^{*}=\frac{3}{2}{U}_{\mathrm{s\β}\_h}{I}_{\mathrm{s\α}\_f}-\frac{3}{2}{U}_{\mathrm{s\α}\_h}{I}_{\mathrm{s\β}\_f}\end{array}\right.$

其中：U_{sα_h}和U_{sβ_h}分别为定子谐波电压矢量U_{sαβ_h}的α轴分量和β轴分量，I_{sα_f}和I_{sβ_f}分别为定子基波电流矢量I_{sαβ_f}的α轴分量和β轴分量。

所述的步骤(3)中的畸变电网反推控制算法，具体过程如下：

首先，根据DFIG有功功率及无功功率的偏差定义DFIG的李雅普诺夫函数V如下：

$\begin{array}{cc}V=\frac{1}{2}{e}_p^2+\frac{1}{2}{e}_q^2& \left\{\begin{array}{c}{e}_p=P_s^{*}-P_s\\ e_q=Q_s^{*}-Q_s\end{array}\right.\end{array}$

其中：P_s ^*和Q_s ^*分别为给定的有功功率参考值和无功功率参考值；

然后，对上述李雅普诺夫函数V进行求导，并使求导后的结果满足以下关系式：

$\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{dt}}=e_p\frac{{\mathrm{de}}_p}{\mathrm{dt}}+e_q\frac{{\mathrm{de}}_q}{\mathrm{dt}}=-k_p{e}_p^2-k_q{e}_q^2$

其中：k_p和k_q分别为预设的有功功率调节系数和无功功率调节系数，t为时间；

最后，将改进后畸变电网条件下的DFIG功率数学模型代入上述关系式中，得到关于转子电压矢量V_rαβ的方程式如下并进行求解：

其中：σ为DFIG的漏磁系数，|U_s|为定子电压矢量U_sαβ的模且L_m为DFIG的定转子互感，L_r为DFIG的转子电感，ω_slip为DFIG的滑差角频率且ω_slip＝ω_s-ω_r，R_s为DFIG的定子电阻，R_r为DFIG的转子电阻，V_rα和V_rβ分别为转子电压矢量V_rαβ的α轴分量和β轴分量，I_rα和I_rβ分别为转子电流矢量I_rαβ的α轴分量和β轴分量，U_sα和U_sβ分别为定子电压矢量U_sαβ的α轴分量和β轴分量。

所述改进后畸变电网条件下DFIG功率数学模型的表达式如下：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{dP}}_s}{\mathrm{dt}}=-\frac{3}{2\mathrm{\σ}{L}_m}\frac{L_r}{L_m}\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{slip}}}{{\mathrm{\ω}}_s}{\left|U_s\right|}^2-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{slip}}{Q}_s+\frac{L_r}{\mathrm{\σ}{L}_m}\frac{R_s}{L_m}{P}_s+\\ \frac{3}{2\mathrm{\σ}{L}_m}(U_{\mathrm{s\α}}{V}_{\mathrm{r\α}}+U_{\mathrm{s\β}}{V}_{\mathrm{r\β}})-\frac{3R_r}{2\mathrm{\σ}{L}_m}(U_{\mathrm{s\α}}{I}_{\mathrm{r\α}}+U_{\mathrm{s\β}}{I}_{\mathrm{r\β}})\\ \frac{{\mathrm{dQ}}_s}{\mathrm{dt}}={\mathrm{\ω}}_{\mathrm{slip}}{P}_s+\frac{3}{2\mathrm{\σ}{L}_m}(U_{\mathrm{s\β}}{V}_{\mathrm{r\α}}-U_{\mathrm{s\α}}{V}_{\mathrm{r\β}})+\frac{L_r}{\mathrm{\σ}{L}_m}\frac{R_s}{L_m}{Q}_s-\\ \frac{3R_r}{2\mathrm{\σ}{L}_m}(U_{\mathrm{s\β}}{I}_{\mathrm{r\α}}-U_{\mathrm{s\α}}{I}_{\mathrm{r\β}})\end{array}\right.$

本发明基于反推算法的双馈风电系统的定子谐波电流抑制方法，针对在实际电网中谐波总是实时存在和动态变化的，提出了不同于传统针对特定次数谐波，需要实时监测电网谐波状态、只能消除有限次数谐波电流的限制的方法、而是一种用于谐波畸变电网电压条件下广义的双馈风电系统定子谐波电流抑制方法。

本发明不但实现了双馈风电系统的定子谐波电流抑制，而且相比于多重旋转坐标系分别控制和以谐振控制器为基础的方法，该方法具有可以节约大量数字资源的优点，同时不需要复杂的坐标变换和严格的磁场定向条件，调节参数较少，具有一定的电网频率偏差鲁棒性，达到非常优良的定子谐波电流输出抑制效果。在正常电网条件下，相比于传统的矢量控制和查表法直接功率控制，其具有良好的动静态性能，不因复杂坐标变换而占有大量的数字资源，不需要严格的磁场定向，便于工程实施，且稳态性能超过查表法直接功率控制，有重大的工程应用价值。

附图说明

图1为双馈风力发电机的结构框图。

图2为本发明功率补偿算法的流程框图。

图3为本发明双馈风力发电机的控制框图。

图4为矢量控制附加谐振控制器的仿真波形图；在0.1s处给定有功功率阶跃从0到0.5p.u.，在0.2s处给定无功率阶跃从0到0.35p.u.，在0.3s处电网电压开始畸变，0.4s处谐波抑制策略关闭，给定谐波次数：10％的5次，8％的7次；其中，(a)为三相电网电压，(b)为双馈异步风力发电机定子输出电流，(c)为双馈异步风力发电机转子电流，(d)为双馈异步风力发电机定子输出有功功率，(e)为双馈异步风力发电机定子输出无功功率。

图5为查表法直接功率控制附加本发明的控制目标的仿真波形图；在0.1s处给定有功功率阶跃从0到0.5p.u.，在0.2s处给定无功率阶跃从0到0.35p.u.，在0.3s处电网电压开始畸变，0.4s处谐波抑制策略关闭，给定谐波次数：10％的5次，8％的7次；其中，(a)为三相电网电压，(b)为双馈异步风力发电机定子输出电流，(c)为双馈异步风力发电机转子电流，(d)为双馈异步风力发电机定子输出有功功率，(e)为双馈异步风力发电机定子输出无功功率。

图6为本发明反推控制的仿真波形图；在0.1s处给定有功功率阶跃从0到0.5p.u.，在0.2s处给定无功率阶跃从0到0.35p.u.，在0.3s处电网电压开始畸变，0.4s处谐波抑制策略关闭；其中，(a)为三相电网电压，(b)为双馈异步风力发电机定子输出电流，(c)为双馈异步风力发电机转子电流，(d)为双馈异步风力发电机定子输出有功功率，(e)为双馈异步风力发电机定子输出无功功率。

图7为本发明反推控制的电网频率变化、谐波次数、幅度变化适应性仿真波形图；给定有功功率0.5p.u.，给定无功率0.35p.u.，电网频率51Hz，给定谐波次数：20％的3.3次，20％的9.1次，8％的13.7次，5％的-7次，3％的-9.1次，2％的17次，在0.3s处电网电压开始畸变，0.4s处谐波抑制策略关闭；其中，(a)为三相电网电压，(b)为双馈异步风力发电机定子输出电流，(c)为双馈异步风力发电机转子电流，(d)为双馈异步风力发电机定子输出有功功率，(e)为双馈异步风力发电机定子输出无功功率。

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的技术方案进行详细说明。

图1所示了双馈感应风电机组的系统结构，根据恒幅值变换原则，转子侧变换器在定子两相静止α-β坐标系中的数学模型的向量形式电压方程和磁链方程可分别表示为可得：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{s\α\β}}=R_s{I}_{\mathrm{s\α\β}}+\frac{d{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α\β}}}{\mathrm{dt}}\\ V_{\mathrm{r\α\β}}=R_r{I}_{\mathrm{r\α\β}}+\frac{d{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\α\β}}}{\mathrm{dt}}-j{\mathrm{\ω}}_r{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\α\β}}\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α\β}}=L_s{I}_{\mathrm{s\α\β}}+L_m{I}_{\mathrm{r\α\β}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\α\β}}=L_r{I}_{\mathrm{r\α\β}}+L_m{I}_{\mathrm{s\α\β}}\end{array}\right.$

则可推导出：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{dI}}_{\mathrm{s\α\β}}}{\mathrm{dt}}=\frac{1}{\mathrm{\σ}{L}_m}[(V_{\mathrm{r\α\β}}-R_r{I}_{\mathrm{r\α\β}})-\frac{L_r}{L_m}(U_{\mathrm{s\α\β}}-R_s{I}_{\mathrm{s\α\β}})+j{\mathrm{\ω}}_r(\mathrm{\σ}{L}_m{I}_{\mathrm{s\α\β}}+\frac{L_r}{L_m}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α\β}})]\\ \frac{{\mathrm{dI}}_{\mathrm{r\α\β}}}{\mathrm{dt}}=\frac{1}{\mathrm{\σ}{L}_m}[(U_{\mathrm{s\α\β}}-R_s{I}_{\mathrm{s\α\β}})-\frac{L_s}{L_m}(V_{\mathrm{r\α\β}}-R_r{I}_{\mathrm{r\α\β}})-j\frac{{\mathrm{\ω}}_r{L}_s}{L_m}(\mathrm{\σ}{L}_m{I}_{\mathrm{s\α\β}}+\frac{L_r}{L_m}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α\β}})]\end{array}\right.$

双馈感应风电机组定子从电网吸收的有功和无功功率导数可表示为：

$\frac{\mathrm{dS}}{\mathrm{dt}}=\frac{3}{2}(U_{\mathrm{s\α\β}}\frac{{\mathrm{dI}}_{\mathrm{s\α\β}}^{^}}{\mathrm{dt}}+I_{\mathrm{s\α\β}}^{^}\frac{{\mathrm{dU}}_{\mathrm{s\α\β}}}{\mathrm{dt}})$

代入并推导得视在功率表达式：

$\frac{\mathrm{dS}}{\mathrm{dt}}=\frac{3}{2\mathrm{\σ}{L}_m}\left(\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{s\α\β}}{V}_{\mathrm{r\α\β}}^{^}-\frac{L_r}{L_m}\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{slip}}}{{\mathrm{\ω}}_f}{\left|U_s\right|}^2\\ -R_r{U}_{\mathrm{s\α\β}}{I}_{\mathrm{r\α\β}}^{^}-j\frac{L_r{\mathrm{\ω}}_r}{L_m}{U}_{\mathrm{s\α\β}}{u}_2^{^}\end{array}\right)+j{\mathrm{\ω}}_{f}S+I_{\mathrm{r\α\β}}^{^}{u}_1$

其中，u₁＝Σj(ω_h-ω_f)U_{sαβ_h}可忽略。

解耦得到畸变电网条件下的DFIG数学模型的有功无功功率导数：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{dP}}_s}{\mathrm{dt}}=-\frac{3}{2\mathrm{\σ}{L}_m}\frac{L_r}{L_m}\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{slip}}}{{\mathrm{\ω}}_s}{\left|U_s\right|}^2-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{slip}}{Q}_s+\frac{L_r}{\mathrm{\σ}{L}_m}\frac{R_s}{L_m}{P}_s+\\ \frac{3}{2\mathrm{\σ}{L}_m}(U_{\mathrm{s\α}}{V}_{\mathrm{r\α}}+U_{\mathrm{s\β}}{V}_{\mathrm{r\β}})-\frac{3R_r}{2\mathrm{\σ}{L}_m}(U_{\mathrm{s\α}}{I}_{\mathrm{r\α}}+U_{\mathrm{s\β}}{I}_{\mathrm{r\β}})\\ \frac{{\mathrm{dQ}}_s}{\mathrm{dt}}={\mathrm{\ω}}_{\mathrm{slip}}{P}_s+\frac{3}{2\mathrm{\σ}{L}_m}(U_{\mathrm{s\β}}{V}_{\mathrm{r\α}}-U_{\mathrm{s\α}}{V}_{\mathrm{r\β}})+\frac{L_r}{\mathrm{\σ}{L}_m}\frac{R_s}{L_m}{Q}_s-\\ \frac{3R_r}{2\mathrm{\σ}{L}_m}(U_{\mathrm{s\β}}{I}_{\mathrm{r\α}}-U_{\mathrm{s\α}}{I}_{\mathrm{r\β}})\end{array}\right.$

图2所示了本发明的功率补偿算法的计算框图，根据定子电压矢量U_sαβ，通过基频滤波器后得到畸变电网电压的谐波定子电压矢量U_{sαβ_h}；根据定子电流矢量I_sdq，通过基频滤波器后得到畸变电网下的谐波定子电流矢量I_{sαβ_h}，定子电流矢量I_sdq再减去谐波定子电流矢量I_{sαβ_h}，得到基频定子电流矢量I_{sαβ_f}；最后，补偿参考有功无功功率值P^* _{s_comp}和Q^* _{s_comp}通过下式计算可得：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{s\_\mathrm{comp}}^{*}=\frac{3}{2}{U}_{\mathrm{s\α}\_h}{I}_{\mathrm{s\α}\_f}+\frac{3}{2}{U}_{\mathrm{s\β}\_h}{I}_{\mathrm{s\β}\_f}\\ Q_{s\_\mathrm{comp}}^{*}=\frac{3}{2}{U}_{\mathrm{s\β}\_h}{I}_{\mathrm{s\α}\_f}-\frac{3}{2}{U}_{\mathrm{s\α}\_h}{I}_{\mathrm{s\β}\_f}\end{array}\right.$

如图3所示，本发明双馈异步风力发电机的畸变电网反推控制及其定子谐波电流抑制方法，如下：

A1.采集DFIG的三相定子电压U_sabc、三相定子电流I_sabc、三相转子电流I_rabc、转速ω_r和转子位置角θ_r；利用锁相环提取三相定子电压的角频率ω_s；进而三相定子电压U_sabc、三相定子电流I_sabc和三相转子电流I_rabc进行α-β变换，对应得到α-β旋转坐标系中的定子电压矢量U_sαβ、定子电流矢量I_sαβ和转子电流矢量I_rαβ；

A2.通过定子功率计算得到DFIG的机侧实时有功功率P_s和机侧实时无功功率Q_s；根据谐波电网条件下定子电流谐波电流抑制补偿功率算法，得到补偿参考有功无功功率值P^* _{s_comp}和Q^* _{s_comp}，并对其微分运算，得到其导数值；

A3.将上述定子电压矢量U_sαβ、定子电流矢量I_sαβ和转子电流矢量I_rαβ、转速ω_r、角频率ω_s、参考有功无功功率值P^* _{s_comp}和Q^* _{s_comp}及其导数值，主功率有功无功功率给定值P_s ^*和Q_s ^*，实时有功功率P_s和实时无功功率Q_s输入畸变电网反推算法控制器，得到静止定子坐标系下转子电压指令V_rαβ。

其中，畸变电网反推算法控制器的设计具体过程如下：

首先，根据DFIG有功无功功率偏差定义系统李雅普诺夫函数V如下：

$\begin{array}{cc}V=\frac{1}{2}{e}_p^2+\frac{1}{2}{e}_q^2& \left\{\begin{array}{c}{e}_p=P_s^{*}-P_s\\ e_q=Q_s^{*}-Q_s\end{array}\right.\end{array}$

然后，对系统李雅普诺夫函数V求导，并设计令其满足下式：

$\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{dt}}=e_p\frac{{\mathrm{de}}_p}{\mathrm{dt}}+e_q\frac{{\mathrm{de}}_q}{\mathrm{dt}}=-k_p{e}_p^2-k_q{e}_q^2$

最后，根据畸变电网条件下的DFIG数学模型，将有功无功功率偏差导数代入解方程组可得静止定子坐标系下转子电压指令V_rαβ：

A4.由转子位置角θ_r，对定子坐标系下转子电压指令V_rαβ进行坐标变换得到转子α-β静止坐标系下的转子电压指令U_rαβ，进而通过SVPWM构造得到一组开关信号以对DFIG机侧变流器进行控制。

以下，我们对本实施方式进行仿真，系统和仿真参数如表1所示：

表1

图4～图6的比较仿真结果表明在理想电网条件下，本发明所提出的反推控制具有良好的动静态性能，在继承直接功率控制的优异的动态性能优点的同时，又能克服传统直接功率控制所欠缺的稳态性能，同时具有与矢量控制相近的稳态性能，又比传统矢量控制具有较快的动态响应。在特定次数谐波畸变电网条件下的比较仿真结果表明，本发明所提出的反推控制及其定子谐波电流抑制方法具有与谐振控制器为基础的谐波抑制方法相当的效果，但本方法的实施是在无需电网畸变谐波相位的实时检测下进行，所以更容易工程实施。仿真结果同样表明本发明所提出的补偿功率目标设计也适用于现有的一些无比例积分控制的控制策略的改进实施。

图7表明本发明所提出的反推控制及其定子谐波电流抑制方法具有普适的电网畸变下运行的效果，并对电网电压畸变电压程度，谐波次数，谐波数目，电网频率偏差具有极强的鲁棒性。其实施不需要对畸变电网电压进行实时的检测，加上运行也不需要像谐振控制器的矢量控制控制所需要的严格磁场定向和复杂坐标变换，所以形成极具工程实施意义的广义定子谐波电流抑制方法。

上述的对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种畸变电网下双馈异步风力发电机基于反推控制的定子谐波电流抑制方法，包括如下步骤：

(1)采集DFIG的三相定子电压U_sabc、三相定子电流I_sabc、三相转子电流I_rabc、转速ω_r以及转子位置角θ_r，并利用锁相环提取三相定子电压U_sabc的角频率ω_s；

进而对所述的三相定子电压U_sabc、三相定子电流I_sabc和三相转子电流I_rabc进行Clarke变换，对应得到定子α-β静止坐标系下的定子电压矢量U_sαβ、定子电流矢量I_sαβ和转子电流矢量I_rαβ；

(2)根据所述的定子电压矢量U_sαβ和定子电流矢量I_sαβ，计算DFIG的机侧有功功率P_s和机侧无功功率Q_s；

进而根据谐波电网条件下定子谐波电流的抑制补偿功率算法，计算有功功率的补偿参考值P^* _{s_comp}和无功功率的补偿参考值Q^* _{s_comp}，并对所述的补偿参考值P^* _{s_comp}和Q^* _{s_comp}进行微分运算，得到对应的导数值和

(3)根据所述的转子电流矢量I_rαβ、机侧有功功率P_s和机侧无功功率Q_s、补偿参考值P^* _{s_comp}和Q^* _{s_comp}以及对应的导数值和通过畸变电网反推控制算法计算出定子α-β静止坐标系下的转子电压矢量V_rαβ；

(4)利用转子位置角θ_r对所述的转子电压矢量V_rαβ进行坐标变换，得到转子α-β静止坐标系下的转子电压矢量U_rαβ，进而通过SVPWM构造得到一组开关信号以对DFIG的机侧变流器进行控制。

2.根据权利要求1所述的定子谐波电流抑制方法，其特征在于：所述的步骤(2)中通过以下算式计算DFIG的机侧有功功率P_s和机侧无功功率Q_s：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_s=\frac{3}{2}{U}_{\mathrm{s\α}}{I}_{\mathrm{s\α}}+\frac{3}{2}{U}_{\mathrm{s\β}}{I}_{\mathrm{s\β}}\\ Q_s=\frac{3}{2}{U}_{\mathrm{s\β}}{I}_{\mathrm{s\α}}-\frac{3}{2}{U}_{\mathrm{s\α}}{I}_{\mathrm{s\β}}\end{array}\right.$

其中：U_sα和U_sβ分别为定子电压矢量U_sαβ的α轴分量和β轴分量，I_sα和I_sβ分别为定子电流矢量I_sαβ的α轴分量和β轴分量。

3.根据权利要求1所述的定子谐波电流抑制方法，其特征在于：所述的步骤(2)中的抑制补偿功率算法，具体过程如下：

首先，对所述的定子电压矢量U_sαβ进行基频滤波，得到定子谐波电压矢量U_{sαβ_h}；

然后，对所述的定子电流矢量I_sαβ进行基频滤波，得到定子谐波电流矢量I_{sαβ_h}；使定子电流矢量I_sαβ减去定子谐波电流矢量I_{sαβ_h}，得到定子基波电流矢量I_{sαβ_f}；

最后，通过以下算式计算出有功功率的补偿参考值P^* _{s_comp}和无功功率的补偿参考值Q^* _{s_comp}：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{s\_\mathrm{comp}}^{*}=\frac{3}{2}{U}_{\mathrm{s\α}\_h}{I}_{\mathrm{s\α}\_f}+\frac{3}{2}{U}_{\mathrm{s\β}\_h}{I}_{\mathrm{s\β}\_f}\\ Q_{s\_\mathrm{comp}}^{*}=\frac{3}{2}{U}_{\mathrm{s\β}\_h}{I}_{\mathrm{s\α}\_f}-\frac{3}{2}{U}_{\mathrm{s\α}\_h}{I}_{\mathrm{s\β}\_f}\end{array}\right.$

其中：U_{sα_h}和U_{sβ_h}分别为定子谐波电压矢量U_{sαβ_h}的α轴分量和β轴分量，I_{sα_f}和I_{sβ_f}分别为定子基波电流矢量I_{sαβ_f}的α轴分量和β轴分量。

4.根据权利要求1所述的定子谐波电流抑制方法，其特征在于：所述的步骤(3)中的畸变电网反推控制算法，具体过程如下：

首先，根据DFIG有功功率及无功功率的偏差定义DFIG的李雅普诺夫函数V如下：

$\begin{array}{cc}V=\frac{1}{2}{e}_p^2+\frac{1}{2}{e}_q^2& \left\{\begin{array}{c}{e}_p=P_s^{*}-P_s\\ e_q=Q_s^{*}-Q_s\end{array}\right.\end{array}$

其中：P_s ^*和Q_s ^*分别为给定的有功功率参考值和无功功率参考值；

然后，对上述李雅普诺夫函数V进行求导，并使求导后的结果满足以下关系式：

$\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{dt}}=e_p\frac{{\mathrm{de}}_p}{\mathrm{dt}}+e_q\frac{{\mathrm{de}}_q}{\mathrm{dt}}=-k_p{e}_p^2-k_q{e}_q^2$

其中：k_p和k_q分别为预设的有功功率调节系数和无功功率调节系数，t为时间；

最后，将改进后畸变电网条件下的DFIG功率数学模型代入上述关系式中，得到关于转子电压矢量V_rαβ的方程式如下并进行求解：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{r\α}}=\frac{2\mathrm{\σ}{L}_m}{3{\left|U_s\right|}^2}\left[\begin{array}{c}{k}_p{U}_{\mathrm{s\α}}(P_s^{*}-P_s)-\frac{L_r{R}_s{P}_s}{\mathrm{\σ}{L}_m^2}\\ +k_q{U}_{\mathrm{s\β}}(Q_s^{*}-Q_s)-\frac{L_r{R}_s{Q}_s}{\mathrm{\σ}{L}_m^2}\\ +{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{slip}}{U}_{\mathrm{s\α}}{Q}_s+U_{\mathrm{s\α}}\frac{{\mathrm{dP}}_{s\_\mathrm{comp}}^{*}}{\mathrm{dt}}\\ -{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{slip}}{U}_{\mathrm{s\β}}{P}_s+U_{\mathrm{s\β}}\frac{{\mathrm{dQ}}_{s\_\mathrm{comp}}^{*}}{\mathrm{dt}}\end{array}\right]+R_r{I}_{\mathrm{r\α}}+\frac{L_r{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{slip}}}{L_m{\mathrm{\ω}}_s}{U}_{\mathrm{s\α}}\\ V_{\mathrm{r\β}}=\frac{2\mathrm{\σ}{L}_m}{3{\left|U_s\right|}^2}\left[\begin{array}{c}{k}_p{U}_{\mathrm{s\β}}(P_s^{*}-P_s)-\frac{L_r{R}_s{P}_s}{\mathrm{\σ}{L}_m^2}\\ -k_q{U}_{\mathrm{s\α}}(Q_s^{*}-Q_s)-\frac{L_r{R}_s{Q}_s}{\mathrm{\σ}{L}_m^2}\\ +{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{slip}}{U}_{\mathrm{s\β}}{Q}_s+U_{\mathrm{s\β}}\frac{{\mathrm{dP}}_{s\_\mathrm{comp}}^{*}}{\mathrm{dt}}\\ +{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{slip}}{U}_{\mathrm{s\α}}{P}_s-U_{\mathrm{s\α}}\frac{{\mathrm{dQ}}_{s\_\mathrm{comp}}^{*}}{\mathrm{dt}}\end{array}\right]+R_r{I}_{\mathrm{r\β}}+\frac{L_r{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{slip}}}{L_m{\mathrm{\ω}}_s}{U}_{\mathrm{s\β}}\end{array}\right.$

其中：σ为DFIG的漏磁系数，|U_s|为定子电压矢量U_sαβ的模且L_m为DFIG的定转子互感，L_r为DFIG的转子电感，ω_slip为DFIG的滑差角频率且ω_slip＝ω_s-ω_r，R_s为DFIG的定子电阻，R_r为DFIG的转子电阻，V_rα和V_rβ分别为转子电压矢量V_rαβ的α轴分量和β轴分量，I_rα和I_rβ分别为转子电流矢量I_rαβ的α轴分量和β轴分量，U_sα和U_sβ分别为定子电压矢量U_sαβ的α轴分量和β轴分量。

5.根据权利要求4所述的定子谐波电流抑制方法，其特征在于：所述改进后畸变电网条件下DFIG功率数学模型的表达式如下：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{dP}}_s}{\mathrm{dt}}=-\frac{3}{2\mathrm{\σ}{L}_m}\frac{L_r}{L_m}\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{slip}}}{{\mathrm{\ω}}_s}{\left|U_s\right|}^2-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{slip}}{Q}_s+\frac{L_r}{\mathrm{\σ}{L}_m}\frac{R_s}{L_m}{P}_s+\\ \frac{3}{2\mathrm{\σ}{L}_m}(U_{\mathrm{s\α}}{V}_{\mathrm{r\α}}+U_{\mathrm{s\β}}{V}_{\mathrm{r\β}})-\frac{{3R}_r}{2\mathrm{\σ}{L}_m}(U_{\mathrm{s\α}}{I}_{\mathrm{r\α}}+U_{\mathrm{s\β}}{I}_{\mathrm{r\β}})\\ \frac{{\mathrm{dQ}}_s}{\mathrm{dt}}={\mathrm{\ω}}_{\mathrm{slip}}{P}_s+\frac{3}{2\mathrm{\σ}{L}_m}(U_{\mathrm{s\β}}{V}_{\mathrm{r\α}}-U_{\mathrm{s\α}}{V}_{\mathrm{r\β}})+\frac{L_r}{\mathrm{\σ}{L}_m}\frac{R_s}{L_m}{Q}_s-\\ \frac{{3R}_r}{2\mathrm{\σ}{L}_m}(U_{\mathrm{s\β}}{V}_{\mathrm{r\α}}-U_{\mathrm{s\α}}{V}_{\mathrm{r\β}})\end{array}\right..$