CN104993514B - 电网电压跌落时双馈风力发电机转子磁链无差拍控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电网电压跌落时双馈风力发电机转子磁链无差拍控制方法，将两相同步旋转坐标系下的转子电压公式进行离散得到转子电压预测模型，在模型中为了使转子磁链跟随其给定值，实现无差拍控制，需要将下一时刻转子的磁链的值替换为转子磁链同一时刻的给定值，转子磁链的给定值跟随其定子磁链的实际值，将预测到的两相同步旋转坐标系下的转子电压，经过坐标反转换，得到两相转子转速旋转坐标系下的转子电压，最后经过PWM调制。本发明不但能够控制转子故障电流在1.5‑1.6倍额定电流以内，而且故障期间电磁转矩脉动较小，减小对发电机组的冲击，可有效提高双馈风力发电机在电网电压故障下不脱网运行能力。

Description

电网电压跌落时双馈风力发电机转子磁链无差拍控制方法

技术领域

本发明属于双馈风力发电机运行控制技术领域，具体涉及一种电网电压跌落时双馈风力发电机转子磁链无差拍控制方法，用于有效保障故障期间发电机不脱网运行。

背景技术

随着世界各国对风电产业的重视，风电在电力生产中所占比重越来越大，大容量的风电机组与电网系统之间的相互作用、相互适应、有效整合成为一个很重要、很突出的问题，形成了风力发电技术中重要的研发内容。随着双馈风力发电机的装机容量在电力系统中所占比重快速增大，它们与局部电网之间的相互影响也越来越大，由于双馈风力发电机的定、转子直接并网，不能有效隔离与电网之间的联系，风电机组对电网故障非常敏感，并且在故障情况下，小容量励磁变换器对双馈风力发电机的控制能力也受到限制，导致双馈风力发电机的电网故障穿越能力较弱。但为了保证电网运行安全，要求双馈风力发电机具备一定的电网故障耐受能力。

在电网发生故障时，目前部分文献将直接转矩控制技术应用于双馈风力发电机中，该策略直接控制电机的转矩，降低了矢量控制的复杂性，减少了电机参数的应用。但是直接转矩控制也存在一定的问题：功率变换器的开关频率随滞环比较器的环宽变化而变化，而且会产生电流畸变，低速时转矩脉动较大，从而影响输出电能的质量。还有一部分文献提出电机的直接功率控制，该控制策略同样使用了滞环比较器，使得转子变换器开关频率随着有功功率和无功功率变化，该变化的开关频率需要复杂和昂贵的功率变流器和交流谐波滤波器。另外还有部分文献将空间矢量技术引入到直接功率控制方法，但是该方法需要较为复杂的坐标转换，控制精度不高。当电网电压发生单相跌落60%或者三相对称跌落60%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。因此需要提出一种解决上述问题的控制方法，即转子磁链无差拍控制方法。转子磁链无差拍控制具有故障动态响应速度快，控制精度高，以及控制过程中无过冲的等特点，可有效避免电网故障大扰动下控制器的饱和问题。不但能够控制转子故障电流在1.5-1.6倍额定电流以内，而且故障期间电磁转矩脉动较小，可有效提高双馈风力发电机在电网电压故障下不脱网运行能力。

发明内容

本发明针对现有技术的不足提供了一种电网电压跌落时双馈风力发电机转子磁链无差拍控制方法，该控制方法具有动态响应速度快，控制精度高，故障过程中无过冲等特点，不但能够控制转子故障电流在1.5-1.6倍额定电流以内，而且故障期间电磁转矩脉动较小，减小对发电机组的冲击，可有效提高双馈风力发电机在电网电压故障下不脱网运行能力。

本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，电网电压跌落时双馈风力发电机转子磁链无差拍控制方法，其特征在于：电网电压稳态运行时，双馈风力发电机转子侧变换器进行基于定子磁场定向的矢量控制，电网电压发生跌落故障时，双馈风力发电机进行转子磁链无差拍控制方法，该转子磁链无差拍控制方法的具体步骤为：

（1）、电网发生故障时，提高控制系统控制频率为正常运行时的2倍；

（2）、将检测到的定子三相电压u _sabc 和定子三相电流i _sabc 经过坐标转换得到两相静止坐标系下定子两相电压u _sαβ 和定子两相电流i _sαβ ；

（3）、计算出定子磁链空间位置角θ ₁，将检测到的转子三相电流i _rabc 经过坐标转换得到两相转子坐标系下转子两相电流i _rαβ ；

（4）、将测得的转子转速ω _r进行积分计算得到θ _r；

（5）、基于定子磁场定向的两相同步旋转坐标系计算定子磁链与转子α轴夹角θ ₁-θ _r，然后对定子两相电流i _sαβ 和转子两相电流i _rαβ 进行坐标转换得到定转子电流的d、q轴分量；

（6）、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 ；

（7）、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表示以转子转速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；

（8）、双馈风力发电机转子电压在两相同步旋转坐标系下的公式为：

，

，

式中：u _rd 和u _rq 分别表示转子电压d轴和q轴分量，R _r为转子电阻；

（9）、假定采样周期为T _s，将双馈风力发电机转子电压公式离散可得

，

，

转子磁链预测无差拍控制目标使转子磁链在k+1时刻达到给定值，即式中，Ψ_rd (k+1)、Ψ_rq (k+1)分别为转子磁链d、q轴在k+1时刻的给定值Ψ_rd ^*(k+1)、Ψ_rq ^*(k+1)；

（10）由步骤（9）中双馈风力发电机转子电压离散公式经过变形可得：

，

从公式中得到u _rd (k)、u _rq (k)，将u _rd (k)、u _rq (k)经过坐标反变换得到两相转子参考坐标系下的转子电压，然后进行PWM调制。

当电网电压发生单相跌落60%或者三相对称跌落60%故障时，目前大多数控制方法对故障期间转子电流值一般控制在其额定电流的2倍左右，电磁转矩波动比较大，对机组的冲击力很大。电网发生故障时，本发明参数M可以自适应改变，并通过预测无差拍控制器实现对转子磁链的实时预测和最优控制，避免了电网故障极端扰动下控制器的饱和问题。此过程中控制器提高控制频率为正常时的2倍，缩短了对故障的响应时间，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，电磁转矩波动也较小。

附图说明

图1为两相定子参考α β静止坐标系、两相转子转速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%故障时转子磁链无差拍控制的运行结果图；

图4为电网电压发生单相跌落60%故障时转子磁链无差拍控制的运行结果图。

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、两相转子转速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两相同步旋转坐标系，将采集到的定子电流和转子电流，经过坐标转换，得到两相同步旋转坐标系下的变量。

当定子侧和转子侧取电动机惯例时，双馈发电机在两相同步旋转坐标系下的基本电压方程为：

（1）

（2）

（3）

（4）

式中：u _rd 和u _rq 分别表示转子电压d轴和q轴分量；i _rd 和i _rq 分别表示转子电流d轴和q轴分量；Ψ_sd 和Ψ_sq 分别表示定子磁链d轴和q轴分量；Ψ_rd 和Ψ_rq 分别表示转子磁链d轴和q轴分量；ω _e为发电机同步角速度；ω _r为发电机转子角速度；R _r为转子电阻。

两相同步旋转坐标系下，转子磁链方程可以表示为：

Ψ_sd =L _s i _sd +L _m i _rd （5）

Ψ_sq =L _s i _sq +L _m i _rq （6）

Ψ_rd =L _m i _sd +L _r i _rd （7）

Ψ_rq =L _m i _sq +L _r i _rq （8）

式中：Ψ_sd 和Ψ_sq 分别表示定子磁链d轴和q轴分量；i _sd 和i _sq 分别表示定子电流d轴和q轴分量；L _s，L _r和L _m分别表示定子自感、转子自感以及定转子之间的互感。

对式（3）、（4）进行离散化，可得：

（9）

（10）

式中：T _s 为采样周期。预测无差拍转子磁链控制目标使转子磁链在k+1时刻达到给定值，即式中，Ψ_rd (k+1)、Ψ_rq (k+1)分别为转子磁链d、q轴在k+1时刻的给定值Ψ_rd ^*(k+1)、Ψ_rq ^*(k+1)。所以可以得到下式：

（11）

（12）

式（11）、（12）即为双馈风力发电机转子磁链无差拍控制模型。

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 （13）

Ψ_r ^r=L _r I _r ^r+L _m I _s ^r （14）

其中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(13)和式(14)可以得到：

（15）

由式(13)和式(14)可以得到转子电流，计算过程中，将转子磁链的给定值Ψ_r ^*=MΨ_s代入可得：

（16）

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(15)可以得到：

（17）

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(16)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。

双馈风力发电机电磁转矩可以表示为：

（18）

式中：P _p 是发电机的极对数，由转子磁链弱磁给定Ψ_r ^*=MΨ_s，可以得到在故障期间电磁转矩为0。

双馈风力发电机转子磁链无差拍控制方法，与矢量控制方法相比，它具有动态响应速度快，控制精度高，故障过程中无过冲等特点，且可以消除较大扰动下控制器的饱和。不但能够控制转子故障电流在1.5-1.6倍额定电流以内，而且故障期间电磁转矩脉动较小，减小对发电机组的冲击，可有效提高双馈风力发电机在电网电压故障下不脱网运行能力。

图2为本发明转子磁链无差拍控制结构框图。当电网电压稳态运行时，双馈风力发电机转子侧变换器进行基于定子磁链定向的矢量控制方法，当电网电压发生跌落故障时，双馈风力发电机进行转子磁链无差拍控制方法，该转子磁链预测无差拍控制方法的具体步骤为：（1）、将检测到的定子三相电压u _sabc 和定子三相电流i _sabc 经过坐标转换得到两相静止坐标系下定子两相电压u _sαβ 和定子两相电流i _sαβ ；（2）、计算出定子磁链空间位置角θ ₁，将检测到的转子三相电流i _rabc 经过坐标转换得到两相转子坐标系下转子两相电流i _rαβ ；（3）、将测得的转子转速ω _r进行积分计算得到θ _r；（4）、基于定子磁场定向的两相同步旋转坐标系计算定子磁链与转子α轴夹角θ ₁-θ _r，然后对定子两相电流i _sαβ 和转子两相电流i _rαβ 进行坐标转换得到定转子电流的d、q轴分量；（5）、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 ；（6）、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表示以转子转速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；（7）、双馈风力发电机转子电压在两相同步旋转坐标系下的公式：

，

；

式中：u _rd 和u _rq 分别表示转子电压d轴和q轴分量，R _r为转子电阻；（8）、假定采样周期为T _s ，将双馈风力发电机的的转子电压公式离散可得：

，

转子磁链预测无差拍控制目标使转子磁链在k+1时刻达到给定值，即式中，Ψ_rd (k+1)、Ψ_rq (k+1)分别为转子磁链d、q轴在k+1时刻的给定值Ψ_rd ^*(k+1)、Ψ_rq ^*(k+1)；（9）、由步骤（8）中双馈风力发电机转子电压离散公式经过变形可得：

，

从公式中可以得到u _rd (k)、u _rq (k)，将u _rd (k)、u _rq (k)经过坐标反变换得到两相转子参考坐标系下的转子电压，然后进行PWM调制。

图3为电网电压发生三相对称跌落60%故障时转子磁链无差拍控制的运行结果图，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，采用转子磁链无差拍控制，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%故障时转子磁链无差拍控制的运行结果图，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，采用转子磁链无差拍控制，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.电网电压跌落时双馈风力发电机转子磁链无差拍控制方法，其特征在于：电网电压稳态运行时，双馈风力发电机转子侧变换器进行基于定子磁场定向的矢量控制，电网电压发生跌落故障时，双馈风力发电机进行转子磁链无差拍控制方法，该转子磁链无差拍控制方法的具体步骤为：

(1)、电网发生故障时，提高控制系统控制频率为正常运行时的2倍；

(2)、将检测到的定子三相电压u_sabc和定子三相电流i_sabc经过坐标转换得到两相静止坐标系下定子两相电压u_sαβ和定子两相电流i_sαβ；

(3)、计算出定子磁链空间位置角θ₁，将检测到的转子三相电流i_rabc经过坐标转换得到以转子转速ω_r旋转的两相坐标系的转子两相电流i_rαβ；

(4)、将测得的转子转速ω_r进行积分计算得到θ_r；

(5)、基于定子磁场定向的两相同步旋转坐标系计算定子磁链与转子α轴夹角θ₁-θ_r，然后对定子两相电流i_sαβ和转子两相电流i_rαβ进行坐标转换得到定转子电流的d、q轴分量；

(6)、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；

(7)、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表示以转子转速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旋转的两相坐标系的转子磁链给定值，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；

(8)、双馈风力发电机转子电压在两相同步旋转坐标系下的公式为：

u_rd＝R_ri_rd+dΨ_rd/dt-Ψ_rq(ω_e-ω_r)，u_rq＝R_ri_rq+dΨ_rq/dt+Ψ_rd(ω_e-ω_r)，式中：u_rd和u_rq分别表示转子电压d轴和q轴分量，R_r为转子电阻，ω_e为电网电压角频率；

(9)、假定采样周期为T_s，将双馈风力发电机转子电压公式离散可得

Ψ_rd(k+1)-Ψ_rd(k)＝T_s[u_rd-R_ri_rd+Ψ_rq(ω_e-ω_r)]，Ψ_rq(k+1)-Ψ_rq(k)＝T_s[u_rq-R_ri_rq-Ψ_rd(ω_e-ω_r)]，转子磁链预测无差拍控制目标使转子磁链在k+1时刻达到给定值，即式中，Ψ_rd(k+1)、Ψ_rq(k+1)分别为转子磁链d、q轴在k+1时刻的给定值Ψ_rd ^*(k+1)、Ψ_rq ^*(k+1)；

(10)由步骤(9)中双馈风力发电机转子电压离散公式经过变形可得：

$u_{rd}\left(k\right)=R_r{i}_{rd}\left(k\right)-{\mathrm{\Ψ}}_{rq}\left(k\right)\[{\mathrm{\ω}}_e-{\mathrm{\ω}}_r\left(k\right)\]+\frac{1}{T_s}\[{\mathrm{\Ψ}}_{rd}^{*}(k+1)-{\mathrm{\Ψ}}_{rd}\left(k\right)\]$

从公式中得到u_rd(k)、u_rq(k)，将u_rd(k)、u_rq(k)经过坐标反变换得到以转子转速ω_r旋转的两相坐标系坐标系下的转子电压，然后进行PWM调制。