CN104967383A - 双馈风力发电机不脱网的模型预测控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双馈风力发电机不脱网的模型预测控制方法，电网电压跌落时，采用转子磁链预测控制方法，通过预测转子磁链选择出最优的电压矢量作用于转子侧变换器，实现转子磁链与定子磁链的同步控制，减弱定子磁链对转子磁链的故障冲击，从而降低转子故障过电流。与稳态时的模型预测控制相比，在电网故障时采用的转子磁链预测方法的控制频率提高1倍，对故障响应速度更快，故障状态下可以有效地控制转子电流在1.5-1.6倍额定电流以内，电磁转矩波动较小，提高了双馈风力发电机故障期间不脱网的能力。

Description

双馈风力发电机不脱网的模型预测控制方法

技术领域

本发明具体涉及一种电网正常运行时的双馈风力发电机转子侧变换器模型预测控制以及电网电压跌落时转子磁链预测控制方法，属于双馈风力发电机运行控制技术领域。

背景技术

风力发电就是将风能转化为机械能、进而转化为电能的过程，其中风力机及其控制系统的作用是将风能转换为机械能，而发电机及其控制系统则是将机械能转换为电能。双馈风力发电机作为风力发电的主流机型，对其控制性能的研究至关重要，双馈风力发电机的主要运行目标有两个，首先是变速恒频前提下实现最大风能追踪，关键是转速或者有功功率的控制，其次是双馈风力发电机输出无功功率的控制，以保证所并电网的运行稳定性。

当电网正常运行时，双馈风力发电机矢量控制一般采用功率控制环为外环、电流控制环为内环的双闭环结构，通过外环功率调节器获得转子电流参考值，通过内环电流调节器获得转子电压参考值，两调节器均采用PI线性控制器，此种控制方法需要复杂的坐标变换，整个控制系统结构复杂、动态性能欠佳、对PI控制器和发电机参数依赖较大。因此本发明采用模型预测控制，不需要PI控制器，避免了电网故障大扰动下线性控制器饱和问题。根据价值函数选出最优的电压矢量作用于变换器，采样频率高，控制结构简单，精度高，对有功功率和无功功率进行了控制。当电网电压跌落时，双馈风力发电机采用转子磁链预测控制方法，通过预测转子磁链选择出最优的电压矢量作用于转子侧变换器，实现转子磁链与定子磁链的同步控制，减弱定子磁链对转子磁链的故障冲击，从而降低转子故障过电流，当电网电压发生单相跌落90%或者三相对称跌落70%故障时，目前大多数控制方法对故障期间转子电流值很难控制在其额定电流的2倍以内，电磁转矩波动比较大，对机组的冲击力很大。控制系统的响应速度和控制器的控制精度直接影响故障电流的抑制效果。本发明控制方法可以控制故障电流在1.5-1.6倍额定电流以内，电磁转矩波动较小，提高了双馈风力发电机在故障过程中不脱网能力。

发明内容

本发明的目的是提供了一种双馈风力发电机不脱网的模型预测控制方法，当电网电压正常时，不需要PI控制器，避免了电网故障大扰动下线性控制器饱和问题，根据价值函数选出最优的电压矢量作用于变换器，采样频率高，控制结构简单，精度高，对有功功率和无功功率进行了控制。当电网电压跌落时，对双馈风力发电机定子磁链和转子磁链进行同步控制，实现对转子磁链的控制，达到转子磁链跟随其给定值的目标,该方法可以控制故障电流在1.5-1.6倍额定电流以内，电磁转矩波动较小，提高了双馈风力发电机故障运行能力。

本发明是通过以下技术方案实现的，当电网正常运行时，采用模型预测控制，当电网电压跌落时，采用转子磁链预测控制。与正常运行采用的模型预测控制相比，此控制方法从定转子磁链弱磁角度进行不定频控制，控制系统的控制频率提高1倍，对故障响应速度更快，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。其具体步骤为：

（1）、当电网电压正常运行时，采集三相定子电压u _sa 、u _sb 、u _sc ，三相定子电流i _sa 、i _sb 、i _sc ，三相转子电流i _ra 、i _rb 、i _rc ，检测转子角速度ω _r进行积分运算得到θ _r；

（2）、将三相定子电压u _sa 、u _sb 、u _sc ，三相定子电流i _sa 、i _sb 、i _sc 经过坐标转换得到两相静止坐标系下的两相定子电压u _sα 、u _sβ 和两相定子电流i _sα 、i _sβ ，由此计算出定子磁链空间位置角度θ ₁，将两相定子电压u _sα 、u _sβ ，两相定子电流i _sα 、i _sβ ，三相转子电流i _ra 、i _rb 、i _rc 经过坐标转换得到两相同步旋转坐标系下的定子电压u _sd 、u _sq ，定子电流i _sd 、i _sq ，转子电流i _rd 、i _rq ；

（3）、将两相同步旋转坐标系下的定子电流i _sd 、i _sq ，转子电流i _rd 、i _rq ，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d、q轴分量Ψ_sd 、Ψ_sq 和转子磁链d、q轴分量Ψ_rd 、Ψ_rq ；

（4）、将同步旋转坐标系的d轴定向于定子磁链矢量                                               时，得到，，根据双馈风力发电机定子磁链矢量的定义：，式中：、、分别为定子电流矢量、转子电流矢量以及定子的等效励磁电流矢量；

（5）、基于定子磁链定向的双馈风力发电机转子电压方程为：，，式中：u _rd 、u _rq 分别为转子电压在两相同步旋转坐标系下d、q轴分量，R _r为转子电阻，ω _er=ω _e-ω _r为转差角速度，ω _e为同步角速度，为发电机的漏磁系数；

（6）、假定采样周期为T _s，将步骤（5）中的转子电压公式离散得： ，转子侧变换器电压分别由八个电压矢量表示，其中六个V ₁-V ₆为有效矢量，二个V ₀和V ₇为零矢量，将八个电压矢量以及k时刻的变量代入离散公式中，得到k+1时刻不同电压矢量预测下的电流；

（7）、评估转子电流的价值函数如下：，式中：i _rd ^* (k+1)、i _rq ^* (k+1)分别为k+1时刻d、q轴电流的给定值，i _rd (k+1)、i _rq (k+1)分别为k+1时刻d、q轴电流的预测值，选择出使价值函数最小的电压矢量作用于变换器；

（8）、当电网电压跌落时，设置控制系统的控制频率提高1倍，转子侧变换器采用转子磁链预测控制，双馈风力发电机在同步旋转坐标系下的转子电压公式分别为：，，假定采样周期为T _s，将此公式进行离散可得：，，将八个电压矢量以及k时刻的变量代入离散公式中，得到k+1时刻不同电压矢量预测下的转子磁链；

（9）、转子磁链的给定值进行计算，即：Ψ_r ^*=MΨ_s，其中，I _s ^r为定子电流额定值，Ψ_s ^r为定子磁链实际值，上标r表示以转子速度ω _r旋转的两相坐标系，下标s表示定子侧的变量，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，将得到的以转子转速ω _r旋转的两相转子坐标系下的转子磁链给定值，经过坐标转换，得到两相同步旋转坐标系下的转子磁链给定值；

（10）、评估转子磁链价值函数为：，式中：Ψ_rd ^* (k+1)、Ψ_rq ^* (k+1)分别为k+1时刻d、q轴转子磁链的给定值，Ψ_rd (k+1)、Ψ_rq (k+1)分别为k+1时刻d、q轴转子磁链的预测值，选择出使价值函数最小的电压矢量作用于变换器。

当电网电压发生单相跌落90%或者三相对称跌落70%故障时，目前大多数控制方法对故障期间转子电流值很难控制在其额定电流的2倍以内，电磁转矩波动比较大，对机组的冲击力很大。本发明通过对转子磁链的实时最优控制，实现对转子电流的抑制；同时，当电网发生故障时，控制系统的控制频率较正常运行时提高1倍，对故障响应速度更快，且有效避免了电网故障大扰动下控制器饱和问题。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。

附图说明

图1两相同步速旋转d、q坐标系中双馈风力发电机等效电路；

图2为电网电压正常时控制结构图；

图3为电网电压跌落时控制结构图；

图4为电网电压三相对称跌落70%故障时本发明控制方法的运行结果；

图5为电网电压发生单相跌落90%故障时本发明控制方法的运行结果。

具体实施方法

下面结合附图对本发明做进一步说明。图1为两相同步速旋转d、q坐标系中双馈风力发电机等效电路，

两相同步速旋转d、q坐标系中矢量形式的双馈风力发电机电压方程和磁链方程，即

  （1）

  （2）

  （3）

  （4）

式中：、分别表示定子电压矢量和转子电压矢量；R _s、R _r分别表示定子电阻和转子电阻；、分别表示定子电流矢量；、分别表示定子磁链矢量和转子磁链矢量；ω _e表示同步角速度；ω _er=ω _e-ω _r表示转差角速度，ω _r表示转子角速度；L _s、L _r和L _m分别表示定子电感、转子电感和定转子之间的互感。

根据双馈风力发电机定子磁链矢量的定义：

  （5）

式中：为定子的等效励磁电流矢量，。可以得到：

  （6）

  （7）

式中：表示发电机的漏磁系数。

将式（5）、式（6）和式（7）分别代入式（1）和式（2）可得：

  （8）

  （9）

在电网电压恒定的情况下，定子磁链矢量恒定，即。所以式（8）和式（9）可以写为：

  （10）

  （11）

当同步速旋转坐标系的d轴定向与定子磁链矢量时，有：

  （12）

  （13）

式中：Ψ_sd 、Ψ_sq 分别表示定子磁链在两相同步速旋转坐标系下d、q轴下的分量。

转子磁链在两相同步速旋转坐标系下的分量用定子磁链和转子电流可以表示为：

  （14）

  （15）

式中：Ψ_rd 、Ψ_rq 分别表示转子磁链在两相同步速旋转坐标系下d、q轴下的分量，i _sd 和i _sq 分别表示两相同步速旋转坐标系下的定子电流d、q轴分量；i _rd 和i _rq 分别表示两相同步速旋转坐标系下的转子电流d、q轴分量。

由式（14）、式（15），将双馈风力发电机转子电压写成d、q轴分量形式为：

  （16）

   （17）

式中：u _rd 、u _rq 分别为转子电压在两相同步旋转坐标系下d、q轴分量。

假定采样周期为T _s，将式（16）、式（17）进行离散可得：

  （18）

  （19）

转子侧变换器电压可分别由八个电压矢量表示，其中六个为有效矢量(V ₁-V ₆)，二个为零矢量(V ₀,V ₇)。将八个电压矢量以及k时刻的变量代入离散公式中，得到k+1时刻不同电压矢量预测下的电流。

评估转子电流的价值函数如下：

  （20）

式中：i _rd ^* (k+1)、i _rq ^* (k+1)分别为k+1时刻d、q轴电流的给定值；i _rd (k+1)、i _rq (k+1)分别为k+1时刻d、q轴电流的预测值；选择出使价值函数最小的电压矢量作用于变换器。

当电网电压跌落时，双馈风力发电机转子侧变换器采用转子磁链预测控制，转子电压在两相同步速旋转坐标系下的方程为：

  （21）

  （22）

假定采样周期为，将式（21）、式（22）离散可得：

  （23）

  （24）

将八个电压矢量以及k时刻的变量代入离散公式中，得到k+1时刻不同电压矢量预测下的转子磁链。

两相转子转速ω _r旋转的坐标系下，定子和转子磁链方程可以表示为：

Ψ_s ^r=L _s I _s ^r+L _m I _r ^r  （25）

Ψ_r ^r=L _r I _r ^r+L _m I _s ^r  （26）

I _s和I _r分别表示定子电流和转子电流，Ψ_s和Ψ_r表示定子磁链和转子磁链，上标r表示以转子转速ω _r旋转两相坐标系，下标s和r分别表示定子侧的变量和转子侧变量。

由式(25)和式(26)可以得到：

  （27）

由式(25)和式(26)可以得到转算过程中：

  （28）

式中L _ls，L _lr分别表示定子漏电感和转子漏电感。

将转子磁链的给定值Ψ_r ^*=MΨ_s代入式(27)可以得到：

  （28）

I _s ^r为定子电流的额定值，Ψ_s ^r为定子磁链的实际值。通过定转子磁链与定转子电流的关系，以及转子磁链弱磁控制方法，得到M值大小，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。故障瞬间Ψ_s ^r的值最大，此时M取最大值，由式(28)可以看出，M越大，转子故障电流值越小，因此可以实现故障瞬间对转子电流有效地控制，故障瞬间对转子过电流的控制尤为重要。双馈风力发电机定子侧直接与电网相连，定子侧电流的畸变对电网危害很大，因此故障期间I _s ^r取额定值，以实现故障期间对定子电流的调节，控制定子电流在其允许的最大电流以内，最后将得到的以转子转速ω _r旋转的两相转子坐标系下的转子磁链给定值，经过坐标转换，得到两相同步旋转坐标系下的转子磁链给定值。

评估转子磁链的价值函数为：

  （34）

式中：Ψ_rd ^* (k+1)、Ψ_rq ^* (k+1)分别为k+1时刻d、q轴转子磁链的给定值；Ψ_rd (k+1)、Ψ_rq (k+1)分别为k+1时刻d、q轴转子磁链的预测值；选择出使价值函数最小的电压矢量作用于变换器。

当电网电压稳态运行时，采用模型预测控制，不需要PI控制器，避免了电网故障大扰动下控制器饱和问题。根据价值函数选出最优的电压矢量作用于变换器，采样频率高，控制结构简单，精度高，对有功功率和无功功率进行了控制。

当电网电压跌落时，设置控制系统控制频率为正常时的2倍，采用转子磁链预测控制方法，通过预测转子磁链选择出最优的电压矢量作用于转子侧变换器，实现转子磁链与定子磁链的同步控制，减弱定子磁链对转子磁链的故障冲击，从而降低转子故障过电流，该控制方法可以控制故障电流在1.5-1.6倍额定电流以内，电磁转矩波动较小，提高了双馈风力发电机故障期间不脱网的能力。

当电网正常运行时，采用模型预测控制，如图2所示的控制。当电网电压跌落时，采用转子磁链预测控制，如图3所示的控制。其具体步骤如下：（1）、当电网电压正常运行时，采集三相定子电压u _sa 、u _sb 、u _sc ，三相定子电流i _sa 、i _sb 、i _sc ，三相转子电流i _ra 、i _rb 、i _rc ，检测转子角速度ω _r进行积分运算得到θ _r；（2）、将三相定子电压u _sa 、u _sb 、u _sc ，三相定子电流i _sa 、i _sb 、i _sc 经过坐标转换得到两相静止坐标系下的两相定子电压u _sα 、u _sβ 和两相定子电流i _sα 、i _sβ ，由此计算出定子磁链空间位置角度θ ₁，将两相定子电压u _sα 、u _sβ ，两相定子电流i _sα 、i _sβ ，三相转子电流i _ra 、i _rb 、i _rc 经过坐标转换得到两相同步旋转坐标系下的定子电压u _sd 、u _sq ，定子电流i _sd 、i _sq ，转子电流i _rd 、i _rq ；（3）、将两相同步旋转坐标系下的定子电流i _sd 、i _sq ，转子电流i _rd 、i _rq ，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d、q轴分量Ψ_sd 、Ψ_sq 和转子磁链d、q轴分量Ψ_rd 、Ψ_rq ；（4）、将同步旋转坐标系的d轴定向于定子磁链矢量时，得到，，根据双馈风力发电机定子磁链矢量的定义：，式中：、、分别为定子电流矢量、转子电流矢量以及定子的等效励磁电流矢量；（5）、基于定子磁链定向的双馈风力发电机转子电压方程为：，，式中：u _rd 、u _rq 分别为转子电压在两相同步旋转坐标系下d、q轴分量，R _r为转子电阻，ω _er=ω _e-ω _r为转差角速度，ω _e为同步角速度，为发电机的漏磁系数；（6）、假定采样周期为T _s，将步骤（5）中的转子电压公式离散得： ，转子侧变换器电压分别由八个电压矢量表示，其中六个V ₁-V ₆为有效矢量，二个V ₀和V ₇为零矢量，将八个电压矢量以及k时刻的变量代入离散公式中，得到k+1时刻不同电压矢量预测下的电流；（7）、评估转子电流的价值函数如下：，式中：i _rd ^* (k+1)、i _rq ^* (k+1)分别为k+1时刻d、q轴电流的给定值，i _rd (k+1)、i _rq (k+1)分别为k+1时刻d、q轴电流的预测值，选择出使价值函数最小的电压矢量作用于变换器；（8）、当电网电压跌落时，设置控制系统的控制频率提高1倍，转子侧变换器采用转子磁链预测控制，双馈风力发电机在同步旋转坐标系下的转子电压公式分别为：，，假定采样周期为T _s，将此公式进行离散可得：，，将八个电压矢量以及k时刻的变量代入离散公式中，得到k+1时刻不同电压矢量预测下的转子磁链；（9）、转子磁链的给定值进行计算，即：Ψ_r ^*=MΨ_s，其中，I _s ^r为定子电流额定值，Ψ_s ^r为定子磁链实际值，上标r表示以转子速度ω _r旋转的两相坐标系，下标s表示定子侧的变量，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，将得到的以转子转速ω _r旋转的两相转子坐标系下的转子磁链给定值，经过坐标转换，得到两相同步旋转坐标系下的转子磁链给定值；（10）、评估转子磁链价值函数为：，式中：Ψ_rd ^* (k+1)、Ψ_rq ^* (k+1)分别为k+1时刻d、q轴转子磁链的给定值，Ψ_rd (k+1)、Ψ_rq (k+1)分别为k+1时刻d、q轴转子磁链的预测值，选择出使价值函数最小的电压矢量作用于变换器。

图4为电网电压正常时和电网电压跌落时采用不同控制方法的运行结果图。在0-0.3s，电网电压正常运行时，转子侧变换器采用模型预测控制，此控制方法可以很好地控制转子电流的正弦度，并且电磁转矩基本没有波动；在0.3s，电网电压发生三相对称跌落70%故障，通过对转子磁链进行预测控制，使转子故障电流控制在1.5-1.6倍额定电流以内，电磁转矩波动较小，提高了双馈风力发电机故障期间不脱网的能力。

图5为电网电压正常时和电网电压跌落时采用不同控制方法的运行结果图。在0-0.3s，电网电压正常运行时，转子侧变换器采用模型预测控制，此控制方法可以很好地控制转子电流的正弦度，并且电磁转矩基本没有波动；在0.3s，电网电压发生单相对称跌落90%故障，通过对转子磁链进行预测控制，使转子故障电流控制在1.5-1.6倍额定电流以内，电磁转矩波动较小，提高了双馈风力发电机故障期间不脱网的能力。

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.双馈风力发电机不脱网的模型预测控制方法，其特征在于：当电网正常运行时，采用模型预测控制，当电网电压跌落时，采用转子磁链预测控制，该转子磁链预测控制的具体步骤为：

（1）、当电网电压正常运行时，采集三相定子电压u _sa 、u _sb 、u _sc ，三相定子电流i _sa 、i _sb 、i _sc ，三相转子电流i _ra 、i _rb 、i _rc ，检测转子角速度ω _r进行积分运算得到θ _r；

（2）、将三相定子电压u _sa 、u _sb 、u _sc ，三相定子电流i _sa 、i _sb 、i _sc 经过坐标转换得到两相静止坐标系下的两相定子电压u _sα 、u _sβ 和两相定子电流i _sα 、i _sβ ，由此计算出定子磁链空间位置角度θ ₁，将两相定子电压u _sα 、u _sβ ，两相定子电流i _sα 、i _sβ ，三相转子电流i _ra 、i _rb 、i _rc 经过坐标转换得到两相同步旋转坐标系下的定子电压u _sd 、u _sq ，定子电流i _sd 、i _sq ，转子电流i _rd 、i _rq ；

（3）、将两相同步旋转坐标系下的定子电流i _sd 、i _sq ，转子电流i _rd 、i _rq ，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d、q轴分量Ψ_sd 、Ψ_sq 和转子磁链d、q轴分量Ψ_rd 、Ψ_rq ；

（4）、将同步旋转坐标系的d轴定向于定子磁链矢量                                               时，得到，，根据双馈风力发电机定子磁链矢量的定义：，式中：、、分别为定子电流矢量、转子电流矢量以及定子的等效励磁电流矢量；

（5）、基于定子磁链定向的双馈风力发电机转子电压方程为：，，式中：u _rd 、u _rq 分别为转子电压在两相同步旋转坐标系下d、q轴分量，R _r为转子电阻，ω _er=ω _e-ω _r为转差角速度，ω _e为同步角速度，为发电机的漏磁系数；

（6）、假定采样周期为T _s，将步骤（5）中的转子电压公式离散得： ，转子侧变换器电压分别由八个电压矢量表示，其中六个V ₁-V ₆为有效矢量，二个V ₀和V ₇为零矢量，将八个电压矢量以及k时刻的变量代入离散公式中，得到k+1时刻不同电压矢量预测下的电流；

（7）、评估转子电流的价值函数如下：，式中：i _rd ^* (k+1)、i _rq ^* (k+1)分别为k+1时刻d、q轴电流的给定值，i _rd (k+1)、i _rq (k+1)分别为k+1时刻d、q轴电流的预测值，选择出使价值函数最小的电压矢量作用于变换器；

（8）、当电网电压跌落时，设置控制系统的控制频率提高1倍，转子侧变换器采用转子磁链预测控制，双馈风力发电机在同步旋转坐标系下的转子电压公式分别为：，，假定采样周期为T _s，将此公式进行离散可得：，，将八个电压矢量以及k时刻的变量代入离散公式中，得到k+1时刻不同电压矢量预测下的转子磁链；

（9）、转子磁链的给定值进行计算，即：Ψ_r ^*=MΨ_s，其中，I _s ^r为定子电流额定值，Ψ_s ^r为定子磁链实际值，上标r表示以转子速度ω _r旋转的两相坐标系，下标s表示定子侧的变量，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，将得到的以转子转速ω _r旋转的两相转子坐标系下的转子磁链给定值，经过坐标转换，得到两相同步旋转坐标系下的转子磁链给定值；

（10）、评估转子磁链价值函数为：，式中：Ψ_rd ^* (k+1)、Ψ_rq ^* (k+1)分别为k+1时刻d、q轴转子磁链的给定值，Ψ_rd (k+1)、Ψ_rq (k+1)分别为k+1时刻d、q轴转子磁链的预测值，选择出使价值函数最小的电压矢量作用于变换器。