CN105024608A - 一种不平衡电网下基于矩阵变换器的pmsg比例积分谐振控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种不平衡电网下基于矩阵变换器的PMSG比例积分谐振控制方法，其可以有效得实现定子电流平衡及PMSG电磁转矩平稳的控制目标，而控制环中没有正负序分离环节，减少了正、负序分离过程所带来的时延、相角和幅值的检测误差等问题，计算简便，具有良好的动态特性，能够实现快速、精确地控制。本发明控制方法中的比例积分系数可以直接采用传统平衡条件下PI调节器的设计参数，具有较强的适应性。同时本发明进一步验证了矩阵变换器运用在直驱式永磁发电技术中的可行性和科学性，使得基于矩阵变换器的PMSG系统在理想电网和不平衡电网电压中均可实现良好的运行效果，具有很好的研究价值和实用价值。

Description

一种不平衡电网下基于矩阵变换器的PMSG比例积分谐振控制方法

技术领域

本发明属于风力发电控制技术领域，具体涉及一种不平衡电网下基于矩阵变换器的PMSG比例积分谐振控制方法。

背景技术

随着人类生存环境的日益恶化，以及全球化石能源的日益短缺，世界各国都在大力发展各种可再生能源。风能安全、清洁，资源丰富、取之不竭，是可再生能源中发展最快、最具开发潜力的绿色能源。风力发电是风能的主要使用形式，其中永磁直驱风电系统采用了风力机与永磁同步发电机(PMSG)直接相连接的方式，取消了升速齿轮箱，减少了系统维护、降低了运行噪声，极大提高发电运行效率和系统稳定性，逐渐成为风电技术的研究热点。

电机控制技术是风力发电系统核心的技术之一。由于PMSG无法进行励磁调节，不能通过调节电机本身进行控制，因此，对直驱式永磁发电系统选择合适的变频装置十分重要。

高性能交-直-交变频装置的研发已取得了长足的进展，在市场已有成熟产品。但是，随着工业电气自动化的进步及节能和环保要求的提高，交-直-交PWM变频器仍存在体积大、重量重、不易维护；输入功率因数低，对电网有谐波污染等缺点。而矩阵变换器具有控制自由度大；输出电压大小、频率可调；输入功率因数可调；功率双向流动，可四象限运行；结构紧凑、体积小、效率高、便于模块化实现等优点，研究其在永磁直驱风电系统中的应用具有重要的意义。

当前大多数PMSG风电机组控制策略主要是针对电网电压幅值和频率恒定、相位连续的理想电网条件设计，但实际电网往往并非理想，电网故障经常存在，尤其是实际电力系统中的不对称故障会造成定子电流高度的不平衡，电磁转矩产生脉动，输向电网的功率发生振荡。因此，对于在电网电压不平衡情况下的控制策略成为近年来国内外研究热点，但目前的研究成果主要是基于双PWM变频器励磁系统下的控制策略，由于矩阵变换器没有中间储能环节，电网电压的不平衡、大扰动等非正常工况都会直接影响到电机侧，加剧了控制难度，因此需要研究不平衡电网电压条件下基于矩阵变换器的PMSG控制策略。

目前，直驱式永磁风力发电技术在不平衡电网下运行控制的研究中，针对的多是基于交-直-交式双PWM变换器的控制系统，并没有涉及到不平衡电网下基于矩阵变换器的PMSG的运行控制。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种不平衡电网下基于矩阵变换器的PMSG比例积分谐振控制方法，其控制环中没有正负序分离环节，能够实现快速、精确地控制，同时电流控制器的比例积分系数可以直接采用传统平衡条件下PI调节器的设计参数，具有较强的适应性。

一种不平衡电网下基于矩阵变换器的PMSG比例积分谐振控制方法，包括如下步骤：

(1)首先采集三相电网电压U_sabc、PMSG的三相定子电流I_sabc、转速ω_r以及转子位置角θ_r；然后对三相电网电压U_sabc和三相定子电流I_sabc分别进行Park变换，对应得到d-q旋转坐标系下的电网电压矢量U_gdq和定子电流矢量I_sdq；最后利用陷波器提取电网电压矢量U_gdq的正序分量U_gdq+，利用锁相环提取正序分量U_gdq+的相位θ；

(2)定义PMSG的控制目标为定子电流正弦无谐波及电磁转矩平稳，进而根据转速ω_r和定子电流矢量I_sdq计算得到定子q轴给定电流I_sq ^*，并采用转子磁场定向控制，使定子d轴给定电流I_sd ^*＝0；

(3)使定子d轴给定电流I_sd ^*和定子q轴给定电流I_sq ^*分别减去定子电流矢量I_sdq的d轴分量I_sd和q轴分量I_sq，得到对应的电流误差ΔI_sd和ΔI_sq；然后对电流误差ΔI_sd和ΔI_sq进行PIR(比例-积分-谐振)调节和解耦补偿，得到PMSG的定子电压给定矢量U_sdq ^*，进而对定子电压给定矢量U_sdq ^*进行Park反变换，得到三相定子电压给定信号U_sabc ^*；

(4)使所述的三相定子电压给定信号U_sabc ^*作为矩阵变换器的输出线电压参考，使幅值为1相位为θ的三相正弦电流作为矩阵变换器的输入相电流参考，进而利用间接的SVPWM(空间矢量脉宽调制)调制法进行调制，得到一组PWM信号用以对PMSG矩阵变换器中的功率开关器件进行控制。

所述的步骤(1)中陷波器的传递函数F(s)的表达式如下：

其中：ω₀＝2π*100rad/s，ζ为衰减系数，s为拉普拉斯算子。

所述的步骤(2)中通过以下公式计算定子q轴给定电流I_sq ^*：

其中：P_loose为PMSG的损耗功率，P_m为PMSG输入的机械功率，I_sd和I_sq分别为定子电流矢量I_sdq的d轴分量和q轴分量，K₁和K₂均为给定的比例调节系数，μ为PMSG的摩擦系数，R_s为PMSG的定子电阻。

所述的步骤(3)中通过以下公式对电流误差ΔI_sd和ΔI_sq进行PIR调节和解耦补偿：

其中：U_sd ^*和U_sq ^*分别为定子电压给定矢量U_sdq ^*的d轴分量和q轴分量，G_PIR(s)为PIR调节的传递函数，ψ_m为PMSG的转子磁链，L_d和L_q分别为PMSG的交轴电感和直轴电感，I_sd和I_sq分别为定子电流矢量I_sdq的d轴分量和q轴分量。

所述PIR调节的传递函数G_PIR(s)的表达式如下：

其中：K_P、K_I和K_R分别为给定的比例系数、积分系数和谐振系数，ω₀＝2π*100rad/s，ω_c为给定的截止频率，s为拉普拉斯算子。

所述的步骤(4)中利用间接的SVPWM调制法进行调制，即将交-交变换等效为虚拟的交-直-交变换，根据开关函数关系得到一组PWM信号用以对PMSG矩阵变换器中的功率开关器件进行控制。

本发明使得不平衡电网电压条件下基于矩阵变换器的PMSG控制方法得以实现，可以有效得实现定子电流平衡及PMSG电磁转矩平稳的控制目标，而控制环中没有正负序分离环节，减少了正、负序分离过程所带来的时延、相角和幅值的检测误差等问题，计算简便，具有良好的动态特性，能够实现快速、精确地控制。本发明控制方法中的比例积分系数可以直接采用传统平衡条件下PI调节器的设计参数，具有较强的适应性。同时本发明进一步验证了矩阵变换器运用在直驱式永磁发电技术中的可行性和科学性，使得基于矩阵变换器的PMSG系统在理想电网和不平衡电网电压中均可实现良好的运行效果，具有很好的研究价值和实用价值。

附图说明

图1为本发明PMSG比例积分谐振控制方法的原理流程示意图。

图2为电网电压不平衡度δ＝15％条件下未采用本发明PMSG比例积分谐振控制方法的仿真波形图；其中，上图为定子三相电流的波形示意图，下图为电磁转矩的波形示意图。

图3为电网电压不平衡度δ＝15％条件下采用本发明PMSG比例积分谐振控制方法的仿真波形图；其中，上图为定子三相电流的波形示意图，下图为电磁转矩的波形示意图。

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。

本实施方式以一台容量为2MW、额定电压为690V的商用PMSG为例；如图1所示，本发明不平衡电网下基于矩阵变换器的PMSG比例积分谐振控制方法，包括如下步骤：

使用一组电流霍尔传感器2采集PMSG的三相定子电流，同时使用电压霍尔传感器3采集电网三相电压U_gabc；使用增强型锁相环模块7检测出三相电网电压正序分量的角频率ω₁和相位θ₁；使用位置传感器5检测出PMSG的转速ω_r以及转子位置角θ_r。

在此定义正转同步速ω₁旋转dq⁺坐标系以角速度ω₁逆时针旋转，而反转同步速-ω₁旋转dq^-坐标系以角速度ω₁顺时针旋转，下标“+”和“-”表示为正、负序分量，上标“+”、“-”分别表示为正、反转同步速旋转坐标系。

使用Clark变换模块6和定子Park变换模块8根据相位θ＝θ₁对三相定子电流I_sabc进行坐标变换，得到三相定子电流的dq轴分量I_sdq。

Clark变换的表达式如下式：

Park变换的表达式如下式：

使用Clark变换模块6根据相位θ₁对电网三相电压U_gabc进行坐标变换得到U_gαβ，在Park变换模块10中根据相位θ₁对U_gαβ进行正转同步速旋转坐标变换，再经过陷波器11分别滤除2倍频分量，提取正序分量，即

陷波器的连续域表达式如下式：

其中：ω₀＝2ω₁＝200πrad/s，ζ为衰减系数，实际系统中，考虑到滤波效果和控制系统稳定性，取ζ＝0.707。

定子电流给定值产生模块12计算原理如下：

由贝兹(Betz)理论可知，单位时间内风轮叶片吸收到的最大风能为：

上式中，v为风轮叶片前方的风速，ρ为空气的密度，A为风轮的截面积，R为风轮半径。

风能不可能全部被吸收转化为机械能，通常用风轮的风能利用系数C_p表示风能转换效率，其值的大小与桨距角β和叶尖速比λ有关，理论最大值为：

一台实际的风力机输出机械功率P_m可表示为：

风力机吸收风能后，产生的机械转矩为：

由于尖速比λ＝ΩR/v，所以机械转矩也可表示为：

以此作为永磁电机的输入机械转矩；且由于：

上式说明了在最佳叶尖速比运行时，风力机的输出功率和它的转速是三次方的关系。永磁同步电机光电编码器5可以观测到电机转子的转速ω_r。由上式可知，风力机的输出功率和它的转速是三次方的关系，由此可以得到实时功率给定风力机的输出功率与永磁同步电机的输入功率之间的损耗为P_loose，其值大小与电机转速和定子电流大小有关。由于电机的电磁转矩为：

且因为：

即T_e与i_sq成正比，由此可以得到永磁同步发电机定子q轴电流给定采用转子磁场定向控制，定子d轴电流给定为这样就得到了定子电流给定值p为PMSG的极对数，ψ_m为PMSG的转子磁链；T_e为PMSG电磁转矩。

利用PIR调节及解耦补偿模块13，根据下式对三相转子电流进行PIR调节及解耦补偿，由此即可得到转子电压给定值的dq轴分量

U^* _sd＝G_PIR(s)·(i^* _sd-i_sd)-ω_rL_qi_sq

U^* _sq＝G_PIR(s)·(i^* _sq-i_sq)+ω_rL_di_sd+ω_rψ_m

其中，ω_c为给定的截止频率，引入衰减项2ω_cs，降低控制器对频率偏差的敏感程度；K_P、K_I和K_R分别为比例系数、积分系数和谐振系数；L_d、L_q分别为定子绕组交、直轴电感；ψ_m为永磁体产生的磁链，s为拉普拉斯算子。在本实施方式中，K_P＝30，K_I＝8，K_R＝100，ω₀＝2π*100rad/s，ω_c＝5rad/s。

再利用Park反变换模块14和Clark反变换模块15和根据相位θ_r对定子电压给定值的dq轴分量做坐标变换，得到三相定子电压给定信号以此作为矩阵变换器间接空间矢量法的输出线电压矢量参考。

为了保证矩阵变换器输入侧功率因数为1，即要求输入电压和电流同相位，利用模块16检测的相位，作为矩阵变换器三相正弦输入电流给定值的相位。再利用网侧Park反变换模块17和Clark反变换模块15和根据相位θ₁将矩阵变换器输入电流dq轴给定变换到三相静止坐标系中，从而得到作为矩阵变换器间接空间矢量法输入相电流矢量参考。

根据上述步骤所得的输出线电压矢量参考和法输入相电流矢量参考，利用间接空间矢量法进行调制，从而得到一组PWM调制信号S_1～9对矩阵变换器4的9个双向开关进行控制，从而实现对PMSG的控制。

以下对本实施方式进行仿真分析，其中PMSG参数如下：

PMSG的相数为3，极对数p为48；额定功率P为2MW，额定电压为660V/50Hz；额定转速n_N为18rpm，定子电阻为0.006Ω，摩擦因数μ＝0.001，定子电感为0.835mH，永磁体磁通为6.495Wb，转动惯量J为47.7kg·m²。

图2为PMSG未采用本发明控制策略后在电网瞬时不平衡故障发生时的仿真结果。电网电压在0.5s时发生不对称故障，电网电压不平衡度为δ＝15％。可以看出，不对称故障发生后，定子三相电流带有较大的谐波，电磁转矩也会产生较大的波动。

图3为PMSG在采用本发明控制策略后在电网瞬时不平衡故障发生时的仿真结果。在本发明仿真中，电网电压在0.5s时发生不对称故障，电网电压不平衡度为δ＝15％。由图3可知，当在故障发生瞬间，PMSG的定子三相电流谐波得到了抑制，电磁转矩波动也被消除，电机与运行性能平稳，验证了本实施方式的有效性。

综上所述，本发明不平衡电网电压条件下基于矩阵变换器的PMSG的比例积分谐振控制方法，可以有效实现在不平衡电网条件下，减少定子电流谐波，抑制PMSG电磁转矩波动的控制目标；同时其比例积分系数可以直接采用传统平衡条件下PI调节器的设计参数，该方法具有较强的适应性，不会对PMSG机组的稳态运行以及瞬态运行造成影响。

Claims (6)

1.一种不平衡电网下基于矩阵变换器的PMSG比例积分谐振控制方法，包括如下步骤：

（1）首先采集三相电网电压U_sabc、PMSG的三相定子电流I_sabc、转速ω_r以及转子位置角θ_r；然后对三相电网电压U_sabc和三相定子电流I_sabc分别进行Park变换，对应得到d-q旋转坐标系下的电网电压矢量U_gdq和定子电流矢量I_sdq；最后利用陷波器提取电网电压矢量U_gdq的正序分量U_gdq+，利用锁相环提取正序分量U_gdq+的相位θ；

（2）定义PMSG的控制目标为定子电流正弦无谐波及电磁转矩平稳，进而根据转速ω_r和定子电流矢量I_sdq计算得到定子q轴给定电流I_sq ^*，并采用转子磁场定向控制，使定子d轴给定电流I_sd ^*=0；

（3）使定子d轴给定电流I_sd ^*和定子q轴给定电流I_sq ^*分别减去定子电流矢量I_sdq的d轴分量I_sd和q轴分量I_sq，得到对应的电流误差ΔI_sd和ΔI_sq；然后对电流误差ΔI_sd和ΔI_sq进行PIR调节和解耦补偿，得到PMSG的定子电压给定矢量U_sdq ^*，进而对定子电压给定矢量U_sdq ^*进行Park反变换，得到三相定子电压给定信号U_sabc ^*；

（4）使所述的三相定子电压给定信号U_sabc ^*作为矩阵变换器的输出线电压参考，使幅值为1相位为θ的三相正弦电流作为矩阵变换器的输入相电流参考，进而利用间接的SVPWM调制法进行调制，得到一组PWM信号用以对PMSG矩阵变换器中的功率开关器件进行控制。

2.根据权利要求1所述的PMSG比例积分谐振控制方法，其特征在于：所述的步骤（1）中陷波器的传递函数F(s)的表达式如下：

$F\left(s\right)=\frac{s^2+{\mathrm{\ω}}_0^2}{s^2+2{\mathrm{\ζ\ω}}_{0}s+{\mathrm{\ω}}_0^2}$

其中：ω₀=2π*100rad/s，ζ为衰减系数，s为拉普拉斯算子。

3.根据权利要求1所述的PMSG比例积分谐振控制方法，其特征在于：所述的步骤（2）中通过以下公式计算定子q轴给定电流I_sq ^*：

$\begin{array}{cc}{P}_m=K_1{\mathrm{\ω}}_r^3& P_{loose}={\mathrm{\μ\ω}}_r^2+(I_{sq}^2+I_{sd}^2)R_s\end{array}$

$\begin{array}{cc}{I}_{sq}^{*}=K_2{T}_{cmd}& T_{cmd}=\frac{P_m-P_{loose}}{{\mathrm{\ω}}_r}\end{array}$

其中：P_loose为PMSG的损耗功率，P_m为PMSG输入的机械功率，I_sd和I_sq分别为定子电流矢量I_sdq的d轴分量和q轴分量，K₁和K₂均为给定的比例调节系数，μ为PMSG的摩擦系数，R_s为PMSG的定子电阻。

4.根据权利要求1所述的PMSG比例积分谐振控制方法，其特征在于：所述的步骤（3）中通过以下公式对电流误差ΔI_sd和ΔI_sq进行PIR调节和解耦补偿：

$\begin{array}{cc}{U}_{sd}^{*}=G_{PIR}\left(s\right)\·{\mathrm{\ΔI}}_{sd}-{\mathrm{\ω}}_r{L}_q{I}_{sq}& U_{sq}^{*}=G_{PIR}\left(s\right)\·{\mathrm{\ΔI}}_{sq}+{\mathrm{\ω}}_r{L}_d{I}_{sd}+{\mathrm{\ω}}_r{\mathrm{\ψ}}_m\end{array}$

其中：U_sd ^*和U_sq ^*分别为定子电压给定矢量U_sdq ^*的d轴分量和q轴分量，G_PIR(s)为PIR调节的传递函数，ψ_m为PMSG的转子磁链，L_d和L_q分别为PMSG的交轴电感和直轴电感，I_sd和I_sq分别为定子电流矢量I_sdq的d轴分量和q轴分量。

5.根据权利要求4所述的PMSG比例积分谐振控制方法，其特征在于：所述PIR调节的传递函数G_PIR(s)的表达式如下：

$G_{PIR}\left(s\right)=K_P+\frac{K_I}{s}+K_R\frac{2{\mathrm{\ω}}_{c}s}{s^2+2{\mathrm{\ω}}_{c}s+{\mathrm{\ω}}_0^2}$

其中：K_P、K_I和K_R分别为给定的比例系数、积分系数和谐振系数，ω₀=2π*100rad/s，ω_c为给定的截止频率，s为拉普拉斯算子。

6.根据权利要求1所述的PMSG比例积分谐振控制方法，其特征在于：所述的步骤（4）中利用间接的SVPWM调制法进行调制，即将交-交变换等效为虚拟的交-直-交变换，根据开关函数关系得到一组PWM信号用以对PMSG矩阵变换器中的功率开关器件进行控制。