CN106982021B - 一种并网型双馈感应发电机定子电流控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种并网型双馈感应发电机定子电流控制方法及装置，该方法包括：对采集的双馈感应发电机的的参数进行坐标变换，得到两相静止α‑β坐标系下的定子电压矢量U_sαβ和定子电流矢量I_sαβ；计算双馈感应发电机的定子电流矢量I_sαβ的α、β轴指令；根据双馈感应发电机定子电流α、β轴指令与实际测量的反馈值，计算定子两相静止坐标系下的转子电压指令U'_rαβ；对转子电压指令U'_rαβ进行坐标变换，得到转子两相静止α‑β坐标系下的转子电压指令U_rαβ；根据转子电压指令U_rαβ得到一组PWM信号，对双馈感应发电机的转子变流器进行控制。本发明提供的技术方案简化了控制系统设计和实施流程，增强了控制系统对发电机参数变化的适应性。

Description

一种并网型双馈感应发电机定子电流控制方法及装置

技术领域

本发明涉及双馈感应风力发电机控制方法及装置，具体涉及一种并网型双馈感应发电机定子电流控制方法及装置。

背景技术

由于双馈风电机组的变流器容量小、可变速恒频运行等优势，双馈风电机组成为风电机组中的主流机型，占据了高达70-80％的装机比例，也是目前风力发电技术领域的主要研究对象，特别是双馈感应发电机运行与控制的研究。

双馈感应发电机的控制，主要分为矢量控制和直接功率控制两大类。矢量控制，通过锁相环获取定子电压相位角(或定子磁链相位角)作为同步旋转坐标系的坐标变换角度，然后以比例积分调节器构造转子电流闭环控制来获取所需的励磁电压指令。采用矢量控制方案对电机参数依赖性强，易受电流交叉耦合项的影响。

直接功率控制方案，利用滞环控制器对双馈感应发电机定子输出有功、无功功率的误差进行控制，并结合预先设定合理可行的变流器功率器件的开关表，选择合适的功率器件的开关信号，直接实现对变流器的控制。然而，采用直接功率控制的变流器开关频率不确定，将导致宽频谐波电流注入带电网，造成滤波电感的设计困难。此外，直接功率控制缺少了必要的电流闭环环节，会因此导致其输出电流品质不达标的实际情况，而IEEE、IEC和我国的电能质量相关标准都对并网电流提出了相应的定量指标。

因此，需要一种并网型双馈感应发电机定子电流控制方法及装置，来降低电流闭环控制对电机参数的依赖性，增强控制系统对外部参数变化的鲁棒性。

发明内容

本发明提供一种并网型双馈感应发电机定子电流控制方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1：对采集双馈感应发电机的参数进行坐标变换，得到两相静止α-β坐标系下的定子电压矢量U_sαβ和定子电流矢量I_sαβ；

步骤2：计算双馈感应发电机的定子电流矢量I_sαβ的α、β轴指令；

步骤3：根据双馈感应发电机定子电流α、β轴指令与实际测量的反馈值，计算定子两相静止坐标系下的转子电压指令U′_rαβ；

步骤4：对转子电压指令U′_rαβ进行坐标变换，得到转子两相静止α-β坐标系下的转子电压指令U_rαβ；

步骤5：根据转子电压指令U_rαβ得到一组PWM信号，对双馈感应发电机的转子变流器进行控制。

所述步骤1采集的参数包括双馈感应发电机的三相定子电压矢量U_sabc、三相定子电流矢量I_sabc、转子旋转的电角速度ω_r以及转子位置角θ_r。

所述步骤1根据下式对三相定子电压矢量U_sabc和三相定子电流矢量I_sabc进行坐标变换：

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，u_sa、u_sb和u_sc分别为三相定子电压矢量U_sabc的a轴、b轴和c轴分量，i_sa、i_sb和i_sc分别为三相定子电流矢量I_sabc的a轴、b轴和c轴分量。

所述步骤2包括按下式计算双馈感应发电机的定子电流I_sαβ的α轴和β轴指令i_sα.ref和i_sβ.ref：

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，P_s.ref和Q_s.ref分别为双馈感应发电机定子有功、无功功率指令。

所述步骤3包括按误差调节解耦补偿算法计算转子电压指令U′_rαβ，步骤包括：

步骤3-1：计算双馈感应发电机定子电流的误差信号Δi_sα和Δi_sβ：

为双馈感应发电机的定子电流I_sαβ的α轴和β轴指令i_sα.ref和i_sβ.ref分别与实际测量的定子电流的α轴和β轴分量i_sα和i_sβ的差；

步骤3-2：根据双馈感应发电机定子电流的误差信号Δi_sα和Δi_sβ，计算定子两相静止坐标系下的电压调节矢量v'_rαβ；

步骤3-3：对电压调节矢量v'_rαβ进行电压解耦补偿，得到定子两相静止坐标系下的转子电压指令U′_rαβ。

所述步骤3-2电压调节矢量v'_rαβ在α轴的分量和β轴分量v'_rα和v'_rβ分别如下式所示：

v'_rα＝C_PVR(s)Δi_sα

v'_rβ＝C_PVR(s)Δi_sβ

其中：K_p为比例系数，K_i为积分系数，ω_c为截止角频率，ω₀为虚拟旋转角速度，s为拉普拉斯算子。

所述步骤3-3按下式计算转子电压指令U′_rαβ：

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，e_rα和e_rβ分别为电压解耦矢量e_rαβ的α轴分量和β轴分量，ψ_sα和ψ_sβ分别为定子电压矢量ψ_sαβ的α轴分量和β轴分量，v'_rα和v'_rβ分别为电压调节矢量v'_rαβ的α轴分量和β轴分量，u'_rα和u'_rβ分别为转子电压指令U′_rαβ的α轴分量和β轴分量，L_r为双馈感应发电机的转子电感，L_m为双馈感应发电机的定转子互感，ω_r为双馈感应发电机转子旋转的电角速度。

所述的步骤4根据下式对双馈感应发电机转子电压指令U′_rαβ进行坐标变换：

其中：u'_rα和u'_rβ分别为定子两相静止坐标系中转子电压指令U′_rαβ的α轴分量和β轴分量，u_rα和u_rβ分别为转子两相静止坐标系中转子电压指令U_rαβ的α轴分量和β轴分量。

所述的步骤5根据转子电压指令U_rαβ通过SVPWM技术构造一组PWM信号。

本发明提供一种并网型双馈感应发电机定子电流控制装置，所述装置包括：采集模块，用于采集双馈感应发电机的参数；

第一坐标变换模块，用于对采集的参数进行坐标变换，得到两相静止α-β坐标系下的定子电压矢量U_sαβ和定子电流矢量I_sαβ；

定子电流指令配置模块，用于计算双馈感应发电机的定子电流矢量I_sαβ的α、β轴指令；

转子电压指令配置模块，用于计算定子两相静止坐标系下的转子电压指令U′_rαβ；

第二坐标变换模块，用于对定子两相静止坐标系下的转子电压指令U′_rαβ进行坐标变换，得到转子两相静止α-β坐标系下的转子电压指令U_rαβ；

空间矢量调节模块，用于根据所述转子电压指令U_rαβ生成一组PWM信号。

所述定子电流指令配置模块、转子电压指令配置模块、第二坐标变换模块和空间矢量调节模块依次连接。

所述转子电压指令配置模块包括定子电流闭环调节模块和定子电流解耦补偿模块。

与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

本发明提供的并网型双馈感应发电机定子电流控制方法及装置，大大降低了电流控制回路对发电机参数的依赖性，增强了控制系统对外部参数变化的鲁棒性，同时可避免以提取电网电压相位角为目标的锁相环环节，并消除了复杂繁琐的坐标变换，简化了控制系统实施流程。

附图说明

图1为本发明并网型双馈感应发电机定子电流控制装置框图；

其中，1：双馈感应发电机，2：电压传感器模块，3：电流传感器模块，4：两电平电压源型三相变流器模块，5：光电编码器，6：Clarke变换模块，7：增量式积分器，8：定子电流指令配置模块，9：定子电流闭环调节模块，10：定子电流解耦补偿模块，11：Parker反变换模块，12：空间矢量调节模块。

图2为双馈感应发电机仿真结果图；

其中，(a)双馈感应发电机三相定子电流仿真结果图，(b)为双馈感应发电机三相转子电流仿真结果图，(c)为双馈感应发电机的有功功率和无功功率仿真结果图，(d)为定子两相静止坐标系中定子α轴电流及其相应的误差仿真结果图，(e)为定子两相静止坐标系中定子β电流及其相应的误差结果图。

具体实施方式

本发明提供一种并网型双馈感应发电机定子电流控制方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1：采集双馈感应发电机的的参数，对所述参数进行坐标变换，得到两相静止α-β坐标系下的定子电压矢量U_sαβ和定子电流矢量I_sαβ；

步骤2：计算双馈感应发电机的定子电流矢量I_sαβ的α、β轴指令；

步骤3：根据双馈感应发电机定子电流α、β轴指令与实际测量的反馈值，计算定子两相静止坐标系下的转子电压指令U′_rαβ；

步骤4：对转子电压指令U′_rαβ进行坐标变换，得到转子两相静止α-β坐标系下的转子电压指令U_rαβ；

步骤5：根据转子电压指令U_rαβ得到一组PWM信号，对双馈感应发电机的转子变流器进行控制。

所述步骤1采集的参数包括双馈感应发电机的三相定子电压矢量U_sabc、三相定子电流矢量I_sabc、转子旋转的电角速度ω_r以及转子位置角θ_r。

如图2所示为双馈感应发电机仿真结果图，其中图(a)为双馈感应发电机三相定子电流I_sabc仿真结果图，图(b)为双馈感应发电机三相转子电流仿真结果图，图(c)为双馈感应发电机的有功功率P_s(100％-50％-70％-50％-100％，负号表示输出)和无功功率Q_s(0％-20％-40％-20％-0％，负号表示输出)仿真结果图。

所述的步骤1根据下式对三相定子电压矢量U_sabc和三相定子电流矢量I_sabc进行坐标变换：

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，u_sa、u_sb和u_sc分别为三相定子电压矢量U_sabc的a轴、b轴和c轴分量，i_sa、i_sb和i_sc分别为三相定子电流矢量I_sabc的a轴、b轴和c轴分量。

所述的步骤2根据下式计算双馈感应发电机的定子电流I_sαβ的α轴和β轴指令i_sα.ref和i_sβ.ref：

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，P_s.ref和Q_s.ref分别为双馈感应发电机定子有功、无功功率指令。

所述的步骤3通过误差调节解耦补偿算法计算转子电压指令U′_rαβ，包括如下步骤：

步骤3-1：双馈感应发电机的定子电流I_sαβ的α轴和β轴指令i_sα.ref和i_sβ.ref分别减去实际测量的定子电流的α轴和β轴分量i_sα和i_sβ，得到双馈感应发电机定子电流的误差信号Δi_sα和Δi_sβ；

步骤3-2：根据双馈感应发电机定子电流的误差信号Δi_sα和Δi_sβ，计算定子两相静止坐标系下的电压调节矢量v'_rαβ；

步骤3-3：对电压调节矢量v'_rαβ进行电压解耦补偿，得到定子两相静止坐标系下的转子电压指令U′_rαβ。

如图2所示为双馈感应发电机仿真结果图，其中，图(d)为定子两相静止坐标系中定子α轴电流及其相应的误差仿真结果图，图(e)为定子两相静止坐标系中定子β电流及其相应的误差仿真结果图。

所述步骤3-2根据下式对定子电流误差信号Δi_sα和Δi_sβ进行比例-矢量积分调节：

v'_rα＝C_PVR(s)Δi_sα

v'_rβ＝C_PVR(s)Δi_sβ

其中：v'_rα和v'_rβ分别为电压调节矢量v'_rαβ的α轴分量和β轴分量，K_p为比例系数，K_i为积分系数，ω_c为截止角频率，ω₀为虚拟旋转角速度，s为拉普拉斯算子。

ω_c一般在10～20rad/s。

所述步骤3-3根据下式对电压调节矢量v'_rαβ进行解耦补偿：

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，e_rα和e_rβ分别为电压解耦矢量e_rαβ的α轴分量和β轴分量，ψ_sα和ψ_sβ分别为定子电压矢量ψ_sαβ的α轴分量和β轴分量，v'_rα和v'_rβ分别为电压调节矢量v'_rαβ的α轴分量和β轴分量，u'_rα和u'_rβ分别为转子电压指令U′_rαβ的α轴分量和β轴分量，L_r为双馈感应发电机的转子电感，L_m为双馈感应发电机的定转子互感，ω_r为双馈感应发电机转子旋转的电角速度。

所述的步骤4根据下式对双馈感应发电机转子电压指令U′_rαβ进行坐标变换：

其中：u'_rα和u'_rβ分别为定子两相静止坐标系中转子电压指令U′_rαβ的α轴分量和β轴分量，u_rα和u_rβ分别为转子两相静止坐标系中转子电压指令U_rαβ的α轴分量和β轴分量。

所述的步骤5根据转子电压指令U_rαβ通过SVPWM技术构造一组PWM信号。

本发明提供一种并网型双馈感应发电机定子电流控制装置，所述装置包括：采集模块，用于采集双馈感应发电机的参数；

Clarke变换模块6，用于对采集的参数进行Clarke变换，得到两相静止α-β坐标系下的定子电压矢量U_sαβ和定子电流矢量I_sαβ；

定子电流指令配置模块8，用于计算双馈感应发电机的定子电流矢量I_sαβ的α、β轴指令；

转子电压指令配置模块，用于计算定子两相静止坐标系下的转子电压指令U′_rαβ；

Parker反变换模块11，用于对定子两相静止坐标系下的转子电压指令U′_rαβ进行Parker反变换，得到转子两相静止α-β坐标系下的转子电压指令U_rαβ；

空间矢量调节模块12，用于根据所述转子电压指令U_rαβ生成一组PWM信号。

所述定子电流指令配置模块8、转子电压指令配置模块、Parker反变换模块11和空间矢量调节模块12依次连接。

所述转子电压指令配置模块包括定子电流闭环调节模块9和定子电流解耦补偿模块10。

所述定子电流闭环调节模块9，用于对双馈感应发电机定子电流的误差信号Δi_sd和Δi_sq进行复系数比例-积分调节，得到虚拟同步旋转坐标系下的电压调节矢量v'_rdq；

定子电流解耦补偿模块10，用于对电压调节矢量v'_rαβ进行解耦补偿；

所述空间矢量调节模块12和两电平电压源型三相变流器4连接，空间矢量调节模块12生成的一组PWM信号S_a、S_b和S_c用于对两电平电压源型三相变流器4进行控制；

所述装置包括光电编码器模块5用于测量转子旋转的电角速度ω_r，光电编码器模块5与用于生成转子位置角θ_r的增量式积分器7连接，所述增量式积分器7和Parker反变换模块11连接。

所述Clarke变换模块6分别与为电压传感器模块2和电流传感器模块3连接；

所述电压传感器模块2包括三个电压传感器，所述电流传感器模块3包括是三个电流传感器。

最后应当说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制,尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解：本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种并网型双馈感应发电机定子电流控制方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤1：对采集双馈感应发电机的参数进行坐标变换，得到两相静止α-β坐标系下的定子电压矢量U_sαβ和定子电流矢量I_sαβ；

步骤2：计算双馈感应发电机的定子电流矢量I_sαβ的α、β轴指令；

步骤3：根据双馈感应发电机定子电流α、β轴指令与实际测量的反馈值，计算定子两相静止坐标系下的转子电压指令U′_rαβ；

步骤4：对转子电压指令U′_rαβ进行坐标变换，得到转子两相静止α-β坐标系下的转子电压指令U_rαβ；

步骤5：根据转子电压指令U_rαβ得到一组PWM信号，对双馈感应发电机的转子变流器进行控制；

所述步骤3包括按误差调节解耦补偿算法计算转子电压指令U′_rαβ，步骤包括：

步骤3-1：计算双馈感应发电机定子电流的误差信号Δi_sα和Δi_sβ：为双馈感应发电机的定子电流矢量I_sαβ的α轴和β轴指令i_sα.ref和i_sβ.ref分别与实际测量的定子电流矢量的α轴和β轴分量i_sα和i_sβ的差；

步骤3-2：根据双馈感应发电机定子电流的误差信号Δi_sα和Δi_sβ，计算定子两相静止坐标系下的电压调节矢量v'_rαβ；

步骤3-3：对电压调节矢量v'_rαβ进行电压解耦补偿，得到定子两相静止坐标系下的转子电压指令U′_rαβ；

所述步骤2包括按下式计算双馈感应发电机的定子电流矢量I_sαβ的α轴和β轴指令i_sα.ref和i_sβ.ref：

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，P_s.ref和Q_s.ref分别为双馈感应发电机定子有功、无功功率指令；

所述的步骤4根据下式对双馈感应发电机转子电压指令U′_rαβ进行坐标变换：

其中：u'_rα和u'_rβ分别为定子两相静止坐标系中转子电压指令U′_rαβ的α轴分量和β轴分量，u_rα和u_rβ分别为转子两相静止坐标系中转子电压指令U_rαβ的α轴分量和β轴分量；θ_r为转子位置角。

2.根据权利要求1所述的定子电流控制方法，其特征在于，所述步骤1采集的参数包括双馈感应发电机的三相定子电压矢量U_sabc、三相定子电流矢量I_sabc、转子旋转的电角速度ω_r以及转子位置角θ_r。

3.根据权利要求2所述的定子电流控制方法，其特征在于，所述步骤1根据下式对三相定子电压矢量U_sabc和三相定子电流矢量I_sabc进行坐标变换：

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，u_sa、u_sb和u_sc分别为三相定子电压矢量U_sabc的a轴、b轴和c轴分量，i_sa、i_sb和i_sc分别为三相定子电流矢量I_sabc的a轴、b轴和c轴分量。

4.根据权利要求1所述的定子电流控制方法，其特征在于，所述步骤3-2电压调节矢量v'_rαβ在α轴的分量和β轴分量v'_rα和v'_rβ分别如下式所示：

v'_rα＝C_PVR(s)Δi_sα

v'_rβ＝C_PVR(s)Δi_sβ

其中：K_p为比例系数，K_i为积分系数，ω_c为截止角频率，ω₀为虚拟旋转角速度，s为拉普拉斯算子。

5.根据权利要求1所述的定子电流控制方法，其特征在于，所述步骤3-3按下式计算转子电压指令U′_rαβ：

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，e_rα和e_rβ分别为电压解耦矢量e_rαβ的α轴分量和β轴分量，ψ_sα和ψ_sβ分别为定子电压矢量ψ_sαβ的α轴分量和β轴分量，v'_rα和v'_rβ分别为电压调节矢量v'_rαβ的α轴分量和β轴分量，u'_rα和u'_rβ分别为转子电压指令U′_rαβ的α轴分量和β轴分量，L_r为双馈感应发电机的转子电感，L_m为双馈感应发电机的定转子互感，ω_r为双馈感应发电机转子旋转的电角速度。

6.根据权利要求1所述的定子电流控制方法，其特征在于，所述的步骤5根据转子电压指令U_rαβ通过SVPWM技术构造一组PWM信号。

7.如权利要求1的一种并网型双馈感应发电机定子电流控制方法用的装置，其特征在于，所述装置包括：采集模块，用于采集双馈感应发电机的参数；

第一坐标变换模块，用于对采集的参数进行坐标变换，得到两相静止α-β坐标系下的定子电压矢量U_sαβ和定子电流矢量I_sαβ；

定子电流指令配置模块，用于计算双馈感应发电机的定子电流矢量I_sαβ的α、β轴指令；

转子电压指令配置模块，用于计算定子两相静止坐标系下的转子电压指令U′_rαβ.ref；

第二坐标变换模块，用于对定子两相静止坐标系下的转子电压指令U′_rαβ进行坐标变换，得到转子两相静止α-β坐标系下的转子电压指令U_rαβ；

空间矢量调节模块，用于根据所述转子电压指令U_rαβ生成一组PWM信号；

所述定子电流指令配置模块、转子电压指令配置模块、第二坐标变换模块和空间矢量调节模块依次连接；

所述转子电压指令配置模块包括定子电流闭环调节模块和定子电流解耦补偿模块。

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