CN109274130B - 一种双馈风力发电机空载并网相位校正控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双馈风力发电机空载并网相位校正控制方法，该方法为：根据双馈风力发电机的数学模型(转子采用电动机惯例，定子采用发电机惯例)，在双馈风力发电机空载并网控制过程中基于电网电压定向，利用电网电压vqg与定子电压vqs的误差关系进行相位误差校正，该方法动态响应快速，半个波长便可实现相位跟踪。

Description

一种双馈风力发电机空载并网相位校正控制方法
技术领域
本发明涉及一种双馈风力发电机空载并网相位校正控制方法
背景技术
双馈风力发电机高性能矢量控制(同频、同相)要求精确的转子位置和速度信息给控制器。对于速度的获得一般包括旋转编码器方式和无速度传感器估计器方式。后者算法复杂，在实际工程应用中，广泛使用旋转编码器直接采样方式。对于并网前相位控制，一般考虑转子励磁角速度ωe＝ωs-ωr。实际工程中，由于DFIG与转子相对的机械安装位置会产生一个转子位置误差角Δθr；对于离散控制，会因控制器的步长Ts产生延时相位误差角Δθd1；此外，用于励磁控制的换流器也等价为半个Ts的延时环节，这会导致通道相位误差角Δθd2。定义以上三种误差角的和为复合转子相位误差角Δθ＝Δθr+Δθd1+Δθd2。Δθ的存在会导致剧烈的并网冲击电流。对于并网电压相位控制，人们往往忽略了因双馈电机机械安装位置、控制算法以及通道延时引起的复合转子相位误差，导致大电流并网冲击。因此，大多数情况对于相位误差人们进行手动补偿，这种试凑的方法并没有具体分析和提供自动校正或者估计策略，不够智能与快速。因此，一种智能简单的双馈风力发电机相位校正控制方法更为符合实际应用场合。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提出一种双馈风力发电机空载并网相位校正控制方法，避免大电流并网冲击以及人工试凑方法的缺点。
本发明采取的技术方案为：一种双馈风力发电机空载并网相位校正控制方法，该方法为：根据双馈风力发电机的数学模型，对双馈风力发电机转子机械安装位置、离散控制算法以及励磁逆变器等效延时引起的复合转子相位误差，利用电网电压定向的q轴电压误差信号进行校正的控制方法，获得定子电压自动相位跟踪。
双馈风力发电机的数学模型包括转子采用电动机惯例和定子采用发电机惯例，具体模型如下：
Figure BDA0001871423190000021
Figure BDA0001871423190000022
Figure BDA0001871423190000023
Figure BDA0001871423190000024
式中，vds、vqs、ids和iqs分别为定子电压和电流的dq轴分量；vdr、vqr、idr和iqr分别为转子电压和电流的dq轴分量；λds、λqs、λds和λqs分别为定子和转子磁链的dq轴分量；Rs和Rr分别为定子和转子的电阻；Lss和Lrr分别为定子和转子的自感；Lm为互感；ωs和ωr分别为同步角速度和转子角速度。
对于定d轴的电网电压定向矢量控制，当定子电压相位与电网电压相位不同时，会出现如图2所示的情况，图2中，vdg，vqg分别为电网电压的dq轴分量，vds，vqs分别为定子电压的dq轴分量，对于一个稳定的平衡电网，电网电压矢量恒为Ug。实际工程中，定子电压矢量Us与电网电压矢量Ug之间会有一个复合转子相位误差角Δθ∈[-π,π]，如图2所示，定子电压dq轴分量并不等于电网电压dq轴分量，当定子电压相位超前电网电压相位Δθ∈(0,π]，需要进负补偿；当定子电压相位滞后电网电压相位Δθ∈(-π,0]，需要进正补偿，根据dq变换原理，定子电压的dq轴分量存在下列情况：
Figure BDA0001871423190000031
Figure BDA0001871423190000032
由式(5)和式(6)可知，定子电压d轴分量在超前或者滞后区间符号发生变化，而定子电压q轴分量在超前或者滞后区间符号一致，因此可以对定子电压q轴分量进行调节来校正相位。转子相位校正控制方法：θg，θr和θe分别为实时电网角度、转子旋转电角度和转子励磁电角度，控制器选择PI，控制参数为正，利用电网电压vqg与定子电压vqs的误差关系进行控制校正。定义u为相位校正量，ur为相位校正量真实值，当校正结束，Δθ＝-ur。
有益效果：与现有技术相比，本发明采用电网电压定向，利用电网电压与定子电压误差智能校正相位，避免大电流并网冲击以及人工试凑方法的缺点，算法简单有效的相位校正方法实现了柔性并网，响应快，半个波长便可实现相位跟踪。
附图说明
图1为转子相位校正框图；
图2为电网电压与定子电压矢量定向坐标图；
图3为双馈风力发电机空载并网相位校正控制框图；
图4为相位校正期间定子电压与电网电压的波形；
图5为并网电流波形。
具体实施方式
下面结合附图及具体的实验实施例对发明进行进一步介绍。
一种双馈风力发电机空载并网相位校正控制方法，该方法为：根据双馈风力发电机的数学模型，对双馈风力发电机转子机械安装位置、离散控制算法以及励磁逆变器等效延时引起的复合转子相位误差，利用电网电压定向的q轴电压误差信号进行校正的控制方法，获得定子电压自动相位跟踪。
双馈风力发电机的数学模型包括转子采用电动机惯例和定子采用发电机惯例，具体模型如下：
Figure BDA0001871423190000041
Figure BDA0001871423190000042
Figure BDA0001871423190000043
Figure BDA0001871423190000044
式中，vds、vqs、ids和iqs分别为定子电压和电流的dq轴分量；vdr、vqr、idr和iqr分别为转子电压和电流的dq轴分量；λds、λqs、λds和λqs分别为定子和转子磁链的dq轴分量；Rs和Rr分别为定子和转子的电阻；Lss和Lrr分别为定子和转子的自感；Lm为互感；ωs和ωr分别为同步角速度和转子角速度。
对于定d轴的电网电压定向矢量控制，当定子电压相位与电网电压相位不同时，会出现如图2所示的情况。图2中，vdg，vqg分别为电网电压的dq轴分量，vds，vqs s分别为定子电压的dq轴分量，对于一个稳定的平衡电网，电网电压矢量恒为Ug。实际工程中，定子电压矢量Us与电网电压矢量Ug之间会有一个复合转子相位误差角Δθ∈[-π,π]，如图2所示，定子电压dq轴分量并不等于电网电压dq轴分量，当定子电压相位超前电网电压相位Δθ∈(0,π]，需要进负补偿；当定子电压相位滞后电网电压相位Δθ∈(-π,0]，需要进正补偿，根据dq变换原理，定子电压的dq轴分量存在下列情况：
Figure BDA0001871423190000051
Figure BDA0001871423190000052
由式(5)和式(6)可知，定子电压d轴分量在超前或者滞后区间符号发生变化，而定子电压q轴分量在超前或者滞后区间符号一致，因此可以对定子电压q轴分量进行调节来校正相位。转子相位校正控制方法：θg，θr和θe分别为实时电网角度、转子旋转电角度和转子励磁电角度，控制器选择PI，控制参数为正，利用电网电压vqg与定子电压vqs的误差关系进行控制校正。定义u为相位校正量，ur为相位校正量真实值，当校正结束，Δθ＝-ur。
实施例1：实验用双馈风力发电机极对数＝3，并网电压＝100V(线电压)，并网功率＝300W。采用滤波型励磁结构,励磁直流电压＝50V，电网由IPM(智能功率控制模块)控制模拟，三相异步电动机机作为原动机，由旋转编码器获取转子矢量角，控制框图如图3所示。
图4为相位校正控制期间的电压波形和相位校正量的曲线。当校正控制时，定子电压相位约在10ms内就跟踪上电网电压相位。定子电压波形在校正暂态出现一定的抖动，相位校正量u的波形变化平滑，控制相应快速。由于实验用的DFIG定子电压相位超前于电网电压相位，相位校正量为负数，验证了理论推导。相位校正后，得到复合转子相位误差角Δθ＝-ur＝1.0968rad。
图5为基于相位校正得到的复合转子相位误差角Δθ进行并网的定子电流波形。并网冲击电流峰值0.62A，然后整体保持在0.4A周围。通过电能质量分析仪测得定子有功在0W-5W范围跳动，无功均在8VAr-13VAr范围内波动，数值都较小，实现了柔性并网，验证了相位校正方法的有效性。
实验结论：本发明提出的一种双馈风力发电机空载并网相位校正控制方法，利用q轴电压误差信号实施的相位误差校正控制策略动态响应快速，半个波长便可实现相位跟踪。实验结果表明，算法简单有效的相位校正策略实现了柔性并网。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种双馈风力发电机空载并网相位校正控制方法，其特征在于：该方法为：根据双馈风力发电机的数学模型，对双馈风力发电机转子机械安装位置、离散控制算法以及励磁逆变器等效延时引起的复合转子相位误差，利用电网电压定向的q轴电压误差信号进行校正的控制方法，获得定子电压自动相位跟踪；双馈风力发电机的数学模型包括转子采用电动机惯例和定子采用发电机惯例，具体模型如下：
Figure FDA0003500922690000011
Figure FDA0003500922690000012
Figure FDA0003500922690000013
Figure FDA0003500922690000014
式中，vds、vqs、ids和iqs分别为定子电压和电流的dq轴分量；vdr、vqr、idr和iqr分别为转子电压和电流的dq轴分量；λds、λqs、λdr和λqr分别为定子和转子磁链的dq轴分量；Rs和Rr分别为定子和转子的电阻；Lss和Lrr分别为定子和转子的自感；Lm为互感；ωs和ωr分别为同步角速度和转子角速度；
利用电网电压定向的q轴电压误差信号进行校正的控制方法为：根据dq变换原理，当利用电网电压d轴定向后，定子电压的dq轴分量存在下列情况：
Figure FDA0003500922690000021
Figure FDA0003500922690000022
由式(5)和式(6)，对定子电压q轴分量进行调节来校正相位，转子相位校正控制方法为：θg，θr和θe分别为实时电网角度、转子旋转电角度和转子励磁电角度，控制器选择PI，控制参数为正，利用电网电压vqg与定子电压vqs的误差关系进行控制校正，定义u为相位校正量，ur为相位校正量真实值，当校正结束，Δθ＝-ur，Δθ为复合转子相位误差角。
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