CN111092584B - 基于定子电流微分前馈控制的双馈风机低电压穿越方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于定子电流微分前馈控制的双馈风机低电压穿越方法，包括下列步骤：采用双PI矢量控制构成DFIG闭环反馈控制；构成定子电流微分前馈控制：利用所得到的定子电流微分，获得干扰量转子暂态感应电动势的精准测量值，再经过静态前馈控制器给出前馈控制信号，构成前馈控制，从而实现对干扰量的快速有效补偿；构成基于定子电流微分前馈控制的复合控制。

Description

基于定子电流微分前馈控制的双馈风机低电压穿越方法

技术领域

本发明涉及双馈风机的低电压穿越方案，特别涉及一种将定子电流微分引入前馈控制的低电压穿越复合控制方法。

背景技术

在电力系统中比例不断提高的双馈异步风力发电机(DFIG)对网侧电压扰动比较敏感，当电网发生故障时，其转子电流过冲，若不采取相应的保护措施，将导致DFIG故障期间脱网，因此需尽可能地维持转子电流不越限以实现DFIG的低电压穿越。目前应用中主流的低电压穿越措施包括转子侧快速短接(crowbar)保护装置、串联网侧变换器、直流侧并联储能系统等硬件保护措施，但均采用额外硬件措施，与DFIG低成本的优势相悖，故利用软件穿越措施来最大程度扩展DFIG可穿越故障范围成为当下研究热点。其中通过改善转子侧变流器(RSC，Rotor Side Converter)控制策略来提高DFIG的穿越性能是相关研究的重要切入点，现已提出了暂态磁链跟踪控制、基于定子电压定向灭磁、转子电流反向跟踪定子暂态电流、暂态灭磁、定子电流反馈控制等控制策略，但其大多是从内环转子电流参考值入手，经反馈控制环进行调节，实时性差、穿越性能欠佳。事实上，RSC控制的落脚点是RSC输出端电压，因此也可以直接改变端电压输出来改善DFIG的穿越性能，基于RSC输出端电压的控制策略目前主要有转子电压补偿反电动势的控制策略和基于定子磁链微分补偿转子电压的控制策略。

基于RSC输出端电压的两种控制策略都是以定子磁链为基础给出补偿电压，但实际所给出的补偿电压并不能精准表示导致转子过流的直接因素，即转子暂态感应电动势的大小及方向。而且都涉及到复杂的磁链观测和分离技术，实用性不强。

发明内容

本发明目的是提供一种基于定子电流微分前馈控制的DFIG低电压穿越复合控制方法，技术方案如下：

一种基于定子电流微分前馈控制的双馈风机低电压穿越方法，包括下列步骤：

第一步，采用双PI矢量控制构成DFIG闭环反馈控制：功率外环控制依据有功、无功功率参考值与实际值之间的差值经PI控制器给出内环转子电流d、q轴分量的参考值即

电流内环控制则根据给出的电流参考值与测量所得实际值间的差值通过PI控制器后最终给出转子侧SVPWM变流器的控制电压u_r*，进而转换为变流器中IGBT的控制信号，转子侧变流器以双闭环反馈控制实现DFIG的矢量控制。

第二步，构成定子电流微分前馈控制：利用所得到的定子电流微分，获得干扰量转子暂态感应电动势的精准测量值，再经过静态前馈控制器给出前馈控制信号，构成前馈控制，从而实现对干扰量的快速有效补偿。方法如下：

(1)根据定子电流微分与转子暂态感应电动势成正比，即定子电流微分矢量大小与转子暂态感应电动势矢量大小成比例，得到得到定子电流微分与转子暂态感应电动势的关系：

其中，E_{s1_n}为转子暂态感应电动势，di_s1/dt为定子电流微分，L_m为定、转子间互感，s为转差。

(2)构成定子电流微分前馈控制：从DFIG定子侧检测信号中获取定子电流i_s1，后经坐标转换得到定子电流的d、q轴分量i_sd、i_sq，定子电流的d、q轴分量i_sd、i_sq分别通过微分环节得到定子电流d、q轴分量的微分值即di_sd/dt、di_sq/dt，再乘上L_m(1-s)即获取转子感应电动势E_{s1_n}的方向与大小，干扰量得以精准测量满足了采取前馈控制的前提条件，因此将定子电流微分的d、q轴分量经由静态前馈控制器K_ff1和K_ff2后形成快速抵消干扰量——转子感应电动势的前馈控制信号引入RSC输出电压参考值端u_r*，如此构成了定子电流微分的前馈控制环节，前馈控制使得转子暂态感应电动势对于转子电流的影响得到快速抵消，达到快速抑制转子过电流的目的。

第三步，构成基于定子电流微分前馈控制的复合控制：在DFIG双PI闭环控制的基础上，将基于定子电流微分的前馈控制引入双闭环控制中的转子电流内环中，构成复合控制，将前馈控制器给出的前馈控制信号添加到转子电流参考值端，与转子电流闭环控制给出的反馈控制信号在转子电压参考值端合成，共同构成了复合控制的控制信号，即转子电压参考值u_r*，复合控制信号进一步经过转换，即可获得IGBT的控制信号，对转子变换器进行有效控制，进一步提高DFIG的低电压穿越能力。

本发明在理论分析定子电流微分与转子暂态感应电动势之间的关系的基础上，通过观测定子电流微分量获取引起DFIG转子电流冲击的转子暂态感应电动势这一关键的干扰量因素。利用前馈控制的跟踪精度及响应速度的优势，给出了基于定子电流微分前馈控制抑制DFIG转子暂态感应电动势的方案。也就是将定子电流微分量经前馈控制器直接引入到RSC的控制电压参考值端，结合RSC原有的反馈控制形成复合控制，达到快速抑制转子过电流的目的，实现了良好的低电压穿越效果。

附图说明

图1为基于定子电流微分前馈控制的RSC复合控制框图

图2为单机无穷大拓扑图

图3为定子电流微分与转子暂态感应电动势仿真图

图4为40％故障跌落时两种策略仿真结果对比

具体实施方式

本发明提供了一种基于定子电流微分前馈控制的DFIG低电压穿越复合控制策略。首先，转子暂态感应电动势是引起转子电流过冲的“罪魁祸首”，寻找一种观测简便、精准获取转子暂态感应电动势的方法，是实现控制RSC输出电压抵消转子暂态感应电动势，快速抑制转子过电流的关键。通过理论分析推导，得到了定子电流微分反映转子暂态感应电动势的矢量方向与大小的结论，即通过观测定子电流，对其进行微分运算后能准确获取导致DFIG转子过电流的直接干扰量。在此基础上，为了快速有效的抑制转子过电流，给出一种基于定子电流微分前馈控制的DFIG低电压穿越复合控制方案，提高了低电压穿越性能。

所述方案包括以下内容：

1、定子电流微分与转子暂态感应电动势的关系

推导过程如下：

(1)设电网发生故障时DFIG并网点电压跌落深度为1-h，故障后DFIG转子感应电动势的表达式为：

式中，E_s1为转子感应电动势，E_{s1_f}为转子稳态感应电动势，E_{s1_n}为转子暂态感应电动势，L_m为定、转子间互感，L_s为定子电感，s为转差率，h为跌落后电压标幺值，U_s为稳态定子电压的模值，ω_s为定子转速，τ_s＝L_s/R_s为定子时间常数。

(2)通过对故障后DFIG暂态过程的分析，得到故障后定子电流表达式为：

对公式(2)求取微分，可得：

对照公式(1)和(3)可以看出，定子电流微分得到的矢量与转子暂态感应电动势对应的矢量是同方向的；

(3)进一步由式(1)和(3)推导可得：

由此可知，定子电流微分与转子暂态感应电动势成正比，即定子电流微分矢量大小与转子暂态感应电动势矢量大小成比例。

因此，通过观测定子电流，进行微分运算后便能够准确获取导致DFIG转子过电流的直接干扰量，这可为进一步快速消除转子暂态感应电动势的前馈控制的实现提供了前提。

2、基于定子电流微分前馈控制的DFIG低电压穿越复合控制方案

本发明提出的基于定子电流微分前馈控制的DFIG低电压穿越复合控制方案将定子电流微分d、q分量通过静态前馈控制器直接加到转子电流控制环中的电压参考值上进行前馈补偿，使RSC输出与转子暂态感应电动势方向相反的控制电压，达到快速抑制转子过电流的作用。同时配合DFIG双PI控制器的闭环反馈控制，形成基于定子电流微分前馈控制的DFIG低电压穿越复合控制方案，在提高控制精度与响应速度的同时，尽可能扩大RSC的可穿越故障范围，提高低电压穿越能力。所设计的基于定子电流微分前馈控制的DFIG低电压穿越复合控制如图1所示。该控制方案如下：

(1)DFIG双PI闭环反馈控制

DFIG转子侧PWM变流器实行的双PI闭环反馈控制。功率外环控制以DFIG输出的有功无功功率为控制目标，经第一级PI调节器先将从DFIG的功率偏差信号

转换为内环转子电流d、q轴分量的参考值即

电流内环控制将DFIG转子电流的偏差信号

经过第二级PI调节器给出转子侧SVPWM变流器的反馈控制电压分量

通过变流器实现对DFIG功率输出控制的目的。

(2)定子电流微分前馈控制

利用能反应干扰量的定子电流微分形成前馈控制以尽快消除DFIG转子电流暂态冲击。将从DFIG定子侧获取的定子电流d、q轴分量i_sd、i_sq分别经过微分得到定子电流微分值di_sd/dt、di_sq/dt，再乘上L_m(1-s)可精准获取转子暂态感应电动势E_{s1_n}的方向与大小；再经由静态前馈控制器K_ff1和K_ff2得到转子侧SVPWM变流器的前馈控制电压分量

(3)基于定子电流微分前馈控制的复合控制

为了充分发挥前馈和反馈控制的优势，形成基于定子电流微分前馈控制的DFIG低电压穿越复合控制方案。将定子电流微分前馈控制给出的前馈控制电压分量

与闭环反馈控制中电流内环控制给出的反馈控制电压分量

进行叠加，得到转子侧SVPWM变流器的复合控制信号

相应输出的转子回路励磁电压能够达到快速抑制转子过电流，提高DFIG的低电压穿越能力的目的。

某含DFIG风电场的单机无穷大系统如图2所示。设定在0.05s时DFIG并网点发生三相短路故障，故障持续200ms，在0.25s时故障切除。为验证所提控制策略的有效性，对穿越期间电压跌落深度为40％下的传统矢量控制策略和本方案的基于定子电流微分前馈控制的DFIG低电压穿越复合控制进行了仿真对比。

首先对“定子电流微分可以完全反映转子暂态感应电动势”这一结论进行验证。定子电流微分的d、q轴分量与转子暂态感应电动势的d、q轴分量的仿真结果如图3所示，由图3可知故障期间定子电流微分的d、q轴分量与转子暂态感应电动势d、q轴分量基本一致。因此定子电流微分所得矢量可以很好地反映转子感应电动势矢量的变化规律。

图4给出了电压跌落深度40％下的传统矢量控制和本方案的DFIG低电压穿越特性的仿真结果。可以看出，当采用传统矢量控制策略时，转子电流超过了RSC安全阈值2pu，直流母线超过了安全阈值1400V。而本方案的控制策略能够有效地抑制转子过电流和直流母线过电压，转子电流峰值小于2pu，被限制在安全阈值以内，且直流母线电压小于1350V，满足了DFIG故障穿越期间的安全运行要求。因此，本方案控制策略能使转子电流冲击得到有效抑制，提高了低电压穿越能力，扩展了DFIG的可穿越故障范围。

与现有技术相比较，本方案通过增加定子电流微分前馈控制，建立了基于定子电流微分前馈控制的DFIG低电压穿越复合控制方案，实现电压跌落时的低电压穿越，达到以下有益效果：

(1)既有针对DFIG转子暂态感应电动势这一主要干扰量进行补偿的前馈控制，又存在对被控变量采用的以克服其他干扰因素的反馈控制。二者共同构成故障期间对RSC输出电压的控制，达到快速抑制转子电流冲击的目的，进一步提高DFIG的低电压穿越能力。

(2)定子电流微分前馈控制方式，在干扰量可观测的前提下将干扰量经控制环节直接引入执行机构，避免了干扰作用经反馈控制环而产生的控制滞后性，对干扰量产生影响的抑制更为及时有效。

(3)定子电流可从定子侧常规安装的测量装置中获取，无需再添加观测装置，也无需复杂的观测算法，具有较好的工程应用性。

Claims (1)

1.一种基于定子电流微分前馈控制的双馈风机低电压穿越方法，包括下列步骤：

第一步，采用双PI矢量控制构成DFIG闭环反馈控制：功率外环控制依据有功、无功功率参考值与实际值之间的差值经PI控制器给出内环转子电流d、q轴分量的参考值即

电流内环控制则根据给出的电流参考值与测量所得实际值间的差值通过PI控制器后最终给出转子侧SVPWM变流器的控制电压u_r*，进而转换为变流器中IGBT的控制信号，转子侧变流器以双闭环反馈控制实现DFIG的矢量控制；

第二步，构成定子电流微分前馈控制：利用所得到的定子电流微分，获得干扰量转子暂态感应电动势的精准测量值，再经过静态前馈控制器给出前馈控制信号，构成前馈控制，从而实现对干扰量的快速有效补偿，方法如下：

(1)根据定子电流微分与转子暂态感应电动势成正比，即定子电流微分矢量大小与转子暂态感应电动势矢量大小成比例，得到得到定子电流微分与转子暂态感应电动势的关系：

其中，E_{s1_n}为转子暂态感应电动势，di_s1/dt为定子电流微分，L_m为定、转子间互感，s为转差；

(2)构成定子电流微分前馈控制：从DFIG定子侧检测信号中获取定子电流i_s1，后经坐标转换得到定子电流的d、q轴分量i_sd、i_sq，定子电流的d、q轴分量i_sd、i_sq分别通过微分环节得到定子电流d、q轴分量的微分值即di_sd/dt、di_sq/dt，再乘上L_m(1-s)即获取转子感应电动势E_{s1_n}的方向与大小，干扰量得以精准测量满足了采取前馈控制的前提条件，因此将定子电流微分的d、q轴分量经由静态前馈控制器K_ff1和K_ff2后形成快速抵消干扰量——转子感应电动势的前馈控制信号引入RSC输出电压参考值端u_r*，如此构成了定子电流微分的前馈控制环节，前馈控制使得转子暂态感应电动势对于转子电流的影响得到快速抵消，达到快速抑制转子过电流的目的；

第三步，构成基于定子电流微分前馈控制的复合控制：在DFIG双PI闭环控制的基础上，将基于定子电流微分的前馈控制引入双闭环控制中的转子电流内环中，构成复合控制，将定子电流微分前馈控制给出的前馈控制电压分量

与闭环反馈控制中电流内环控制给出的反馈控制电压分量

进行叠加，得到转子侧SVPWM变流器的复合控制信号

与转子电流闭环控制给出的反馈控制信号在转子电压参考值端合成，共同构成复合控制的控制信号，即转子电压参考值u_r*，复合控制信号进一步经过转换，即可获得IGBT的控制信号，对转子变换器进行有效控制，进一步提高DFIG的低电压穿越能力。

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