CN104993756A - 双馈风力发电机定转子磁链弱磁控制的故障运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双馈风力发电机定转子磁链弱磁控制的故障运行方法。本发明的技术方案要点为：双馈风力发电机定转子磁链弱磁控制的故障运行方法，电网电压稳态运行时，双馈风力发电机转子侧变换器采用基于定子磁链定向的矢量控制，电网电压故障运行时，双馈风力发电机转子侧变换器进行定转子磁链弱磁控制，并且设置定转子磁链弱磁控制的控制频率是基于定子磁链定向的矢量控制的2倍。本发明在故障发生期间不需要进行复杂的坐标转换，实现了对故障的快速响应，可以有效地控制转子电流在其1.5-1.6倍额定电流以内，电磁转矩波动较小，定子侧有功功率和无功功率波动较小，提高了双馈风力发电机故障运行能力。

Description

双馈风力发电机定转子磁链弱磁控制的故障运行方法

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提高双馈风力发电机故障运行能力的控制方法。

背景技术

为解决日益紧迫的能源安全和环境恶化问题，可再生能源特别是风能的开发利用已成为最有效的解决方案。作为主流机型的双馈风力发电机，由于其定子绕组直接与电网相连，转子绕组通过背靠背的双变换器进行励磁，此励磁变频器的容量小，所以其抗电网扰动能力薄弱，在电网电压跌落的情况下易造成输出功率波动，电流谐波，电磁转矩持续脉动等负面反应，严重影响输出电能质量，危害机组运行安全。

近年来，风电技术发展的动向之一是变速恒频双馈感应发电机风电机组的研究已经从电网正常运行转向电网故障条件下不间断运行，电网故障造成的双馈风力发电机转子电流极度不平衡，转子和定子绕组产生不平衡发热，发电机的电磁转矩产生波动，向电网输送的功率也产生波动，污染电网。为了解决这个问题，通过双馈风力发电机的数学模型，有的学者提出了改进的矢量控制策略，分别对转子电流正序和负序分量进行调节和控制；有的学者提出了滑模直接控制转矩的思想，主要用来减轻不平衡电网电压条件下电磁转矩和功率波动；有的学者提出了在转子侧采用直接功率控制的方法，主要用来减轻转子电流，电磁转矩的波动；有的学者提出了预测电流控制，在无需相序分解的情况下对转子电流正序和负序分量进行了控制。以上控制方法通过对转子电流的抑制，在一定程度上缓解了故障过电流问题。当电网电压发生单相或者三相对称跌落60%以及更严重的故障时，双馈风力发电机转子电流几乎不能被控制在2倍额定电流以内，对机组损害严重。因此有必要提出一种从本质上降低故障期间转子电流、电磁转矩波动、无功功率和有功功率波动的控制方法，从定转子磁链之间的相互作用对转子绕组的影响分析，提出一种消除定转子磁链影响的控制方法，对故障期间的转子电流进行有效地控制，使故障期间的转子电流控制在其额定电流1.5-1.6倍以内，电磁转矩波动较小，减小了对机组的冲击，使定子侧有功功率和无功功率波动较小，其控制结构简单，更容易实现。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种双馈风力发电机定转子磁链弱磁控制的故障运行方法，该控制方法从双馈风力发电机故障情况下的电磁特性出发，对转子磁链进行精确快速的弱磁控制，使故障期间转子电流控制在1.5-1.6倍额定电流以内，并且故障期间双馈风力发电机电磁转矩、定子侧有功功率和无功功率波动较小。本发明不需要硬件装置，节约成本，控制策略简便且易于实现，提高了双馈风力发电机故障运行的可靠性。

本发明为实现上述目的采用如下技术方案，双馈风力发电机定转子磁链弱磁控制的故障运行方法，电网电压稳态运行时，双馈风力发电机转子侧变换器采用基于定子磁链定向的矢量控制，电网电压故障运行时，双馈风力发电机转子侧变换器进行定转子磁链弱磁控制，并且设置定转子磁链弱磁控制的控制频率是基于定子磁链定向的矢量控制的2倍，对电网故障实施快速积极响应，其具体步骤为：

（1）、将测得的转子角速度ω _r进行积分变换得到转子旋转角度θ _r；

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

（3）、根据转子旋转角度θ _r，将检测到的转子三相电流经过坐标转换得到两相静止坐标系下的转子两相电流；

（4）、将得到的定子两相电流，转子两相电流，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轴分量和转子磁链α β轴分量；

（5）、对转子磁链的给定值进行计算，即：，其中，M与转子两相电流和定子磁链有关，转子两相电流在故障期间取其额定值，在故障期间M随Ψ_sαβ 变换自适应改变，实现对转子磁链的实时最优控制，同时也实现对定子磁链和转子磁链进行同步弱磁控制；

（6）、将转子磁链的给定值与计算得到的转子磁链值作差得到转子磁链偏差，通过双谐振PR控制器对转子磁链偏差进行调节，双谐振PR控制器的谐振频率分别设为0和ω _e；

（7）、双谐振PR控制器输出为两相定子参考坐标系下的转子电压u _rα 、u _rβ 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。

国内外研究表明，当电网电压发生单相或者三相对称跌落60%以及更严重的故障时，双馈风力发电机转子电流一般控制在2倍额定电流，很少小于2倍额定电流，严重影响机组运行。转子绕组中出现过电流和过电压的根本原因是定子磁链中出现直流分量和负序分量，这些磁链分量作用于转子绕组，使转子绕组中出现过电流。本发明通过对转子磁链进行最优弱磁控制，保证转子磁链实时最优；提高故障期间控制系统控制频率，实现控制系统对电网故障的积极响应；并通过控制系统倍频条件下的双谐振PR控制器对磁链分量进行快速准确控制，有效提高了双馈风力发电机的故障运行能力。相对于目前2倍额定电流的故障控制方法，本发明定转子磁链弱磁控制方法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，定子侧有功功率和无功功率波动较小，所有变量基于定子参考两相静止坐标系，在故障发生期间不需要进行复杂的坐标转换，同样实现了对故障的快速响应，可有效提高双馈风力发电机在电网电压骤降故障下的不脱网运行能力。

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为两相静止α β坐标系中DFIG矢量形式等效电路；

图3为控制结构框图；

图4为电网电压发生三相对称跌落70%故障时基于定子磁场定向的矢量控制的运行结果图；

图5为电网电压发生三相对称跌落70%故障时定转子磁链弱磁控制的运行结果图；

图6为电网电压发生单相跌落90%故障时基于定子磁场定向的矢量控制的运行结果图；

图7为电网电压发生单相跌落90%故障时定转子磁链弱磁控制的运行结果图。

具体实施方式

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、两相转子角速度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静止坐标系，定子侧和转子侧变量，经过坐标转换，得到两相静止α β坐标系下的变量。

图2为两相静止α β坐标系中DFIG矢量形式等效电路，两相静止α β坐标系中矢量形式的DFIG定、转子电压、磁链、电磁转矩方程可以表示为：

  （1）

  （2）

  （3）

  （4）

  （5）

式中：R _s、R _r分别为定、转子电阻；L _s、L _r分别为定、转子全自感，L _s=L _ls+L _m，L _r=L _lr+L _m，其中L _m、L _ls和L _lr分别是定转子之间的互感、定子漏感和转子漏感；ω _r为转子角速度；P _p为发电机的极对数。以上各转子量均折算到定子侧。

由双馈感应发电机的磁链方程，可以推导出定、转子磁链与电流的关系：

  （6）

  （7）

  （8）

式中：上标s和r分别表示定子参考系和转子参考系；下标s和r分别表示定子侧变量和转子侧变量，由式(8)可以看出，故障期间定子磁链发生变化必然会引起转子磁链变化，这也是引起转子绕组过电流的根本原因。

在电网电压故障的情况下，转子磁链弱磁控制能够控制转子电流在1.5-1.6倍额定峰值电流以内，同时减小电磁转矩、定子侧有功功率和无功功率的波动。转子磁链弱磁控制实质是对转子磁链的给定值进行计算，即：，下面进一步确定M的值。

将转子磁链的给定值代入(4)，可以得到：

  （9）

联立式(3)和(9)，可以得到：

  （10）

式中：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。M与转子电流和定子磁链有关，转子电流在故障期间取其额定值，这样可以控制转子电流在其额定值附近波动，在故障期间M随Ψ_sαβ 变换自适应改变，实现对转子磁链的实时最优控制，同时也实现对定子磁链和转子磁链进行同步弱磁控制。

双谐振PR控制器的传递函数：

  （11）

式中：K _p 、K _i1、K _i2分别为比例常数、积分时间常数1、积分时间常数2，ω ₀₁和ω ₀₂为谐振频率1和谐振频率2，当给定交流信号的角频率为ω ₀₁或ω ₀₂时，则G _PR (s)的幅值趋于无限大。在电网电压发生三相对称跌落故障时，通过设置控制器谐振频率ω ₀₁为0，实现对转子磁链偏差进行无静差控制，在电网电压发生单相跌落故障时，通过同时设置控制器谐振频率ω ₀₁为0和ω ₀₂为ω _e，实现对转子磁链偏差进行无静差控制。经过双谐振PR控制器得到两相静止坐标系下的转子电压u _rα 、u _rβ ，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。

当电网电压稳态运行时，双馈风力发电机转子侧变换器采用基于定子磁链定向的矢量控制，当电网电压发生故障时，双馈风力发电机转子侧变换器采用转子磁链弱磁控制方法，所有变量基于定子参考两相静止坐标系，在故障发生期间不需要进行复杂的坐标转换，同时设置转子磁链弱磁控制的控制频率是基于定子磁链定向的矢量控制的2倍，对电网故障实施快速积极响应，提高了对控制器响应速度，在故障瞬间对转子电流进行了有效地控制，提高了双馈风力发电机在故障状态下不脱网运行的能力。

图3为控制结构框图。当电网电压稳态运行时，双馈风力发电机转子侧变换器采用基于定子磁场定向的矢量控制，当电网电压故障运行时，双馈风力发电机转子侧变换器进行定转子磁链弱磁控制，转子侧变换器定转子磁链弱磁控制的方法为：（1）、将测得的转子角速度ω _r进行积分变换得到转子旋转角度θ _r；（2）、将检测到的定子三相电压和定子三相电流经过坐标转换得到两相静止坐标系下定子两相电压和定子两相电流；（3）、根据转子旋转角度θ _r，将检测到的转子三相电流经过坐标转换得到两相静止坐标系下的转子两相电流；（4）、将得到的定子两相电流，转子两相电流，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轴分量和转子磁链α β轴分量；（5）、对转子磁链的给定值进行计算，即：，其中，M与转子两相电流和定子磁链有关，转子两相电流在故障期间取其额定值，这样可以控制转子两相电流在其额定值附近波动，在故障期间M随Ψ_sαβ 变换自适应改变，实现对转子磁链的实时最优控制，同时也实现对定子磁链和转子磁链进行同步弱磁控制；（6）、将转子磁链给定值与计算得到的转子磁链α、β轴分量作差，得到转子磁链偏差；采用双谐振PR控制器，可实现对指定频率正弦量的无静差控制，在两相静止坐标系下采用双谐振PR控制器，不需要复杂的补偿项，双谐振PR控制器的传递函数为： 式中：K _p 、K _i1、K _i2分别为比例常数、积分时间常数1、积分时间常数2，ω ₀₁和ω ₀₂为谐振频率1和谐振频率2，当给定交流信号的角频率为ω ₀₁或ω ₀₂时，则G _PR (s)的幅值趋于无限大。在电网电压发生三相对称跌落故障时，通过设置控制器谐振频率ω ₀₁为0，实现对转子磁链偏差进行无静差控制，在电网电压发生单相跌落故障时，通过同时设置控制器谐振频率ω ₀₁为0和ω ₀₂为ω _e，实现对转子磁链偏差进行无静差控制；（7）、双谐振PR控制器输出为两相静止坐标系下的转子电压u _rα 、u _rβ 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4为电网发生对称故障时基于定子磁场定向的矢量控制的运行结果图，在0.3s时，电网发生三相电压跌落70%的故障，从图中可以看出，电磁转矩波动较大，因此对发电机组冲击比较大，故障瞬间，转子电流和定子电流超出2倍额定峰值电流，定子侧有功功率和无功功率波动较大，定子磁链的波形发生畸变，转子磁链的波动也比较大，此控制方法在故障情况下不适用。图5为电网发生对称故障时转子磁链弱磁控制的运行结果图，在0.3s时电网发生三相电压跌落70%的故障，从图中可以看出，电磁转矩几乎为零，波动较小，在稳态时，转子电流值为2000A，在故障期间，转子电流被控制在3000A以内，转子电流控制在1.5倍额定峰值电流以内，有功功率和无功功率有较小的波动，定子磁链和转子磁链波动较小，并且转子磁链跟随定子磁链同步变化，达到了其控制目标。

图6为电网电压发生单相跌落故障时基于定子磁场定向的矢量控制的运行结果图，在0.3s时，电网发生单相电压跌落90%的故障，电磁转矩波动较大，转子电流和定子电流超出2倍额定峰值电流，对发电机组冲击性大，定子侧有功功率和无功功率变化较大，特别是有功功率波动，发电机与电网之间功率传输不平衡，定子磁链和转子磁链变化较大，对定子电流和转子电流影响较大，此控制方法在故障情况下不适用。图7为电网电压发生单相跌落故障时转子磁链弱磁控制的运行结果图，在0.3s时，电网发生单相电压跌落90%的故障，电磁转矩几乎为零，波动较小，在稳态时，转子电流值为2000A，在故障期间，转子电流被控制在3200A以内，转子电流控制在1.6倍额定峰值电流以内，定子侧有功功率和无功功率波动与基于定子磁场定向的矢量控制的相比波动较小，定子磁链和转子磁链波动较小，并且转子磁链跟随定子磁链同步变化，达到了其控制目标。

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.双馈风力发电机定转子磁链弱磁控制的故障运行方法，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采用基于定子磁链定向的矢量控制，电网电压故障运行时，双馈风力发电机转子侧变换器进行定转子磁链弱磁控制，并且设置转子磁链弱磁控制的控制频率是基于定子磁链定向的矢量控制的2倍，其具体步骤为：

（1）、将测得的转子角速度ω _r进行积分变换得到转子旋转角度θ _r；

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

（3）、根据转子旋转角度θ _r，将检测到的转子三相电流经过坐标转换得到两相静止坐标系下转子两相电流；

（4）、将得到的定子两相电流，转子两相电流，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轴分量和转子磁链α β轴分量；

（5）、对转子磁链的给定值进行计算，即：，其中，M与转子两相电流和定子磁链有关，转子两相电流在故障期间取其额定值，在故障期间M随Ψ_sαβ 变换自适应改变，实现对转子磁链的实时最优控制，同时也实现对定子磁链和转子磁链进行同步弱磁控制；

（6）、将转子磁链的给定值与计算得到的转子磁链值作差得到转子磁链偏差，通过双谐振PR控制器对转子磁链偏差进行调节，双谐振PR控制器的谐振频率分别设为0和ω _e；

（7）、双谐振PR控制器输出为两相静止坐标系下的转子电压u _rα 、u _rβ 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。