CN108039843B - 一种dfig-dc系统的定子频率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种DFIG‑DC系统的定子频率控制方法，该控制方法是在DFIG数学模型的基础上，通过控制定子磁链q轴分量为零实现定子磁链定向；而对于求解定子频率，避免采用磁链角度微分的方法，磁链角度微分得到的定子频率具有很高的参数依赖性。本发明中基于定子磁链锁相环的定子频率估测方法通过定子磁链q轴分量积分得到定子频率，避免了基于电机参数的计算，增加了系统的鲁棒性和降低系统对参数的敏感性。

Description

一种DFIG-DC系统的定子频率控制方法

技术领域

本发明属于新能源发电技术领域，具体涉及一种DFIG-DC系统的定子频率控制方法。

背景技术

目前，直流电网的使用越来越广泛，不管是直流输电还是直流微网，都展现了相对于交流电网的优势，比如并网简单，没有无功损耗，稳定性高等优点。但是，直流电网的使用给传统的交流电机的并网也带来了一定的问题。新能源的直流并网也取得了快速的发展，而基于双馈电机的风力发电在新能源中占有很高的比例，因此研究双馈电机直流并网具有重要的意义。

双馈电机通过定子侧不控整流到直流这种拓扑结构只需要一个转子侧逆变器，控制简单，成本低，这种拓扑结构具有很好的研究价值。假定认为直流电网是稳定的，母线电压不需要双馈电机控制，双馈电机运行在功率源这种状况下。所以此时的首要控制目标是双馈电机向直流电网侧输送稳定的功率，而一般在发电模式下可以认为转速是恒定的，所以第一个控制目标是控制一个平稳的转矩。

发明内容

针对DFIG-DC拓扑结构不同于传统的DFIG(Double-Fed Induction Generator，双馈异步风力发电机)交流并网结构，这种直流并网的拓扑结构定子侧没有交流电网，定子频率需要额外的控制，故本发明提供了一种DFIG-DC系统的定子频率控制方法，既可以实现定子磁链定向的矢量控制，也可以估测出定子频率进行控制，具有很好的动态性能和稳态性能。

一种DFIG-DC系统的定子频率控制方法，包括如下步骤：

(1)采集DFIG的三相定子电流I_sabc和三相转子电流I_rabc，同时利用码盘检测出DFIG的转速ω_r和转子位置角θ_r；

(2)利用上一时刻的定子磁链角对三相定子电流I_sabc进行坐标变换，得到同步旋转坐标系下定子电流的d轴分量I_sd和q轴分量I_sq；

(3)使上一时刻的定子磁链角减去转子位置角θ_r得到转差角θ_slip，进而利用转差角θ_slip对三相转子电流I_rabc进行坐标变换，得到同步旋转坐标系下转子电流的d轴分量I_rd和q轴分量I_rq；

(4)根据定子电流的q轴分量I_sq以及转子电流的q轴分量I_rq计算出定子磁链的q轴分量ψ_sq，进而对该q轴分量ψ_sq进行PI(比例-积分)控制得到定子频率ω_s，并对所述定子频率ω_s进行积分得到当前时刻的定子磁链角θ_s；

(5)将定子频率参考值ω_ref设定为定子的额定频率，进而使定子频率误差通过PI控制得到转子电流d轴参考值I_rdref；

(6)根据转子电流的d轴分量I_rd和q轴分量I_rq以及转子电流d轴参考值I_rdref，使转子电流dq轴误差分别通过PI控制得到转子电压的d轴平均分量U_{d_PI}和q轴平均分量U_{q_PI}；

(7)根据转子电流的d轴分量I_rd和q轴分量I_rq计算出转子电压的d轴补偿量ΔU_dr和q轴补偿量ΔU_qr；

(8)使U_{d_PI}+ΔU_dr得到转子电压d轴调制信号V_dr，使U_{q_PI}+ΔU_qr得到转子电压q轴调制信号V_qr，基于V_dr和V_qr通过SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation，空间矢量脉宽调制)技术构造得到一组PWM信号以对DFIG的转子变流器进行控制。

进一步地，所述步骤(4)中通过以下公式计算出定子磁链的q轴分量ψ_sq：

ψ_sq＝L_sI_sq+L_mI_rq

其中：L_s和L_m分别为DFIG的定子电感和定转子互感。

进一步地，所述步骤(5)中通过以下公式使定子频率误差通过PI控制得到转子电流d轴参考值I_rdref：

其中：K_pf和K_if分别为定子频率控制外环的比例系数和积分系数，s为拉普拉斯算子。

进一步地，所述步骤(6)中通过以下公式使转子电流dq轴误差分别通过PI控制得到转子电压的d轴平均分量U_{d_PI}和q轴平均分量U_{q_PI}：

其中：K_pi和K_ii分别为给定的比例系数和积分系数，s为拉普拉斯算子，I_rqref为给定的转子电流q轴参考值。

进一步地，所述步骤(7)中通过以下公式计算出转子电压的d轴补偿量ΔU_dr和q轴补偿量ΔU_qr：

ΔU_dr＝-ω_slipσL_rI_rq

ΔU_qr＝ω_slipσL_rI_rd

其中：ω_slip为转差速度且ω_slip＝ω_s-ω_r，σ为DFIG的漏磁系数，L_r为DFIG的转子电感。

本发明涉及的DFIG-DC系统主要包括DFIG、转子变流器、定子不控整流桥以及直流电网；转子侧变流器和定子不控整流桥同时连接到直流电网上，DFIG通过转子变流器提供励磁电流建立定子电压，定子电压使得定子侧不控整流桥工作在连续导通模式，定子侧不控整流桥实现直流输电中的风电场侧送端功能。

本发明中转子变流器和定子不控整流桥都采用简单的三相六桥臂结构，其中转子变流器作用是为DFIG转子提供励磁，同时实现DFIG的最大风能跟踪运行控制；定子不控整流桥将DFIG输出交流电转换为直流电。本发明中直流电网相当于电压稳定的无穷大直流源，可连接至直流负载，或者经过升压后通过高压直流输电将电能输送到远距离地区。

本发明在拓扑结构上的优势是只采用一个转差倍功率的逆变器就可以实现DFIG电能输送到直流电网，可以显著地降低拓扑结构的成本。本发明在控制方法上的优势是在DFIG数学模型的基础上，通过控制定子磁链q轴分量为零实现定子磁链定向；而对于求解定子频率，避免采用磁链角度微分的方法，磁链角度微分得到的定子频率具有很高的参数依赖性；本发明中基于定子磁链锁相环的定子频率估测方法通过定子磁链q轴分量积分得到定子频率，避免了基于电机参数的计算，增加了系统的鲁棒性和降低系统对参数的敏感性。

附图说明

图1为本发明DFIG-DC系统的拓扑结构示意图。

图2为本发明定子频率控制方法的控制框图。

图3为本发明磁链角度估测模块的控制框图。

图4为稳态时定子磁链锁相环的波形示意图。

图5(a)为功率变化情况下DFIG-DC系统的仿真波形示意图。

图5(b)为转速变化情况下DFIG-DC系统的仿真波形示意图。

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。

如图1所示，本发明基于DFIG的直流并网拓扑结构，包括DFIG和直流电网，DFIG转子侧通过转子变流器接到直流电网，DFIG定子侧通过不控整流桥接到直流电网；DFIG具有三相定子绕组和三相转子绕组，三相定子绕组和三相转子绕组均采用星型连接方式；其中：

转子变流器用于为DFIG转子提供励磁，建立稳定的定子电压，定子不控整流桥用于将交流电变成直流输出到直流电网。

控制器用于采集DFIG的三相定子电流I_sa～I_sc，三相转子电流I_ra～I_rc以及转速ω_r，并根据这些信号构造出一组PWM信号对转子变流器进行控制。

控制器由电流传感器、编码器、驱动电路和DSP组成；其中，电流传感器用于采集三相定子电流I_sa～I_sc和三相转子电流I_ra～I_rc；编码器用于通过检测DFIG的转子位置角得到DFIG的转速ω_r，电流传感器和编码器将采集到的信号经信号调理及模数转换后传送给DSP，由DSP根据这些信号通过相应的控制算法构造出两组PWM信号经驱动电路功率放大后对转子变流器中的IGBT进行开关控制。

如图2所示，本发明DFIG-DC系统的定子频率控制方法，包括以下步骤：

(1)利用电流霍尔传感器采集三相定子电流信号I_sabc和三相转子电流信号I_rabc，同时采用编码器检测DFIG的转子位置θ_r，再经过微分器计算转速ω_r；

(2)三相定子电流I_sabc通过定子磁链角θ_s进行坐标变换得到同步旋转坐标系中的定子d轴电流I_sd和q轴电流I_sd，具体变换表达式如下：

(3)采用定子磁链角θ_s减去转子位置角θ_r得到转差角θ_slip，三相转子电流I_rabc通过转差角θ_slip进行坐标变换得到同步旋转坐标系中的转子d轴电流I_rd和转子q轴电流I_rq，具体变换表达式如下：

(4)将采集得到的三相定子电流信号I_sabc和三相转子电流信号I_rabc通过磁链角度估测模块求出定子磁链q轴分量ψ_sq，如图3所示，进而通过PI控制器控制定子磁链q轴分量ψ_sq为零实现定子磁链定向，PI的输出加上参考基频可以得到定子频率ω_s，定子频率的积分得到定子磁链角θ_s，具体计算表达式如下：

其中：L_s为定子电感，L_m为定转子互感，K_ps和K_is分别为定子磁链锁相环中的比例和积分系数。

(5)定子频率参考值为定子额定频率，定子频率误差通过PI得到转子d轴电流参考值I_rdref，具体计算表达式如下：

其中：K_pf和K_if分别为定子频率控制外环的比例和积分系数，ω_ref为定子频率参考值。

(6)转子d轴电流为励磁电流，转子q轴电流为有功电流，转子dq轴电流误差通过PI调节器得到转子d轴电压平均分量U_{d_PI}和q轴电压平均分量U_{q_PI}，具体计算表达式如下：

其中：I_rdref为频率外环生成的转子d轴电流参考值，I_rqref为给定的转子q轴电流参考值，K_pi和K_ii分别为给定的比例系数和积分系数，s为拉普拉斯算子。

(7)根据转子dq轴电流和滑差角频率计算出转子d轴电压补偿量ΔU_dr和转子q轴电压补偿量ΔU_qr，具体计算表达式如下：

ΔU_dr＝-ω_slipσL_rI_rq

ΔU_qr＝ω_slipσL_rI_rd

其中：L_r为转子电感，σ为DFIG的漏磁系数，ω_slip＝ω_s-ω_r为转差速度。

(8)将转子d轴电压平均分量U_{d_PI}加上d轴电压补偿量ΔU_dr得到转子d轴电压调制信号V_dr，将转子q轴电压平均分量U_{q_PI}加上q轴电压补偿量ΔU_qr得到转子q轴电压调制信号V_qr；进而使转子电压调制信号通过V_dr和V_qr通过SVPWM技术构造得到一组PWM信号以对转子变流器进行控制。

如图4所示，在稳态时系统的定子频率很稳定地运行在额定频率处，定子磁链q轴分量为零，表示实现了定子磁链定向，可以取得很好的解耦控制。

如图5(a)所示，在定子功率指令变化的情况下，系统输出功率可以很快的跟踪指令，并且定子频率的控制不受功率变化的影响；如图5(b)所示，在转子转速变化的情况下，定子频率依然很稳定，系统具有很稳定的运行性能，表明了本发明控制方法对于功率变化和转速变化具有很高的鲁棒性，具有很好的动态和稳态性能。

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种DFIG-DC系统的定子频率控制方法，包括如下步骤：

(1)采集DFIG的三相定子电流I_sabc和三相转子电流I_rabc，同时利用码盘检测出DFIG的转速ω_r和转子位置角θ_r；

(2)利用上一时刻的定子磁链角对三相定子电流I_sabc进行坐标变换，得到同步旋转坐标系下定子电流的d轴分量I_sd和q轴分量I_sq；

(3)使上一时刻的定子磁链角减去转子位置角θ_r得到转差角θ_slip，进而利用转差角θ_slip对三相转子电流I_rabc进行坐标变换，得到同步旋转坐标系下转子电流的d轴分量I_rd和q轴分量I_rq；

(4)根据定子电流的q轴分量I_sq以及转子电流的q轴分量I_rq计算出定子磁链的q轴分量ψ_sq，进而对该q轴分量ψ_sq进行PI控制得到定子频率ω_s，并对所述定子频率ω_s进行积分得到当前时刻的定子磁链角θ_s；

(5)将定子频率参考值ω_ref设定为定子的额定频率，进而使定子频率误差通过PI控制得到转子电流d轴参考值I_rdref，计算表达式如下：

其中：K_pf和K_if分别为定子频率控制外环的比例系数和积分系数，s为拉普拉斯算子；

(6)根据转子电流的d轴分量I_rd和q轴分量I_rq以及转子电流d轴参考值I_rdref，使转子电流dq轴误差分别通过PI控制得到转子电压的d轴平均分量U_{d_PI}和q轴平均分量U_{q_PI}，计算表达式如下：

其中：K_pi和K_ii分别为给定的比例系数和积分系数，s为拉普拉斯算子，I_rqref为给定的转子电流q轴参考值；

(7)根据转子电流的d轴分量I_rd和q轴分量I_rq计算出转子电压的d轴补偿量ΔU_dr和q轴补偿量ΔU_qr，计算表达式如下：

ΔU_dr＝-ω_slipσL_rI_rq

ΔU_qr＝ω_slipσL_rI_rd

其中：ω_slip为转差速度且ω_slip＝ω_s-ω_r，σ为DFIG的漏磁系数，L_r为DFIG的转子电感；

(8)使U_{d_PI}+ΔU_dr得到转子电压d轴调制信号V_dr，使U_{q_PI}+ΔU_qr得到转子电压q轴调制信号V_qr，基于V_dr和V_qr通过SVPWM技术构造得到一组PWM信号以对DFIG的转子变流器进行控制。

2.根据权利要求1所述的定子频率控制方法，其特征在于：所述步骤(4)中通过以下公式计算出定子磁链的q轴分量ψ_sq：

ψ_sq＝L_sI_sq+L_mI_rq

其中：L_s和L_m分别为DFIG的定子电感和定转子互感。

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