CN112019118B - 一种直驱风电变流器无定子电压测量矢量控制方法 - Google Patents

Abstract

一种直驱风电变流器无定子电压测量矢量控制方法，包含定子电流计算环节、初始磁链计算环节、磁链锁相环节、参考电流计算环节、电流闭环控制环节五部分。定子电流计算环节采集三相定子电流I_sa、I_sb、I_sc，转化为αβ坐标系上的定子电流I_sα、I_sβ和DQ坐标上的定子电流I_sd、I_sq；初始磁链计算环节通过输出7个ΔT0时间的零矢量，分8个阶段确定允许起动时刻的发电机角频率ω₀和磁链角度初值θ_ψ0，输出机侧变流器允许起动标识ST_Per；磁链锁相环节在ST_Per＝1后在ω₀、θ_ψ0的基础上进行锁相，输出发电机角频率ω和磁链角度θ_ψd；参考电流计算环节输出DQ坐标系上的定子参考电流I_sdRef、I_sqRef；电流闭环控制环节采用PI调节器对DQ坐标系上的定子电流进行闭环控制，输出αβ坐标系上的定子控制电压U_sca、U_scβ和DQ坐标系上的定子控制电压U_scd、U_scq。

Description

一种直驱风电变流器无定子电压测量矢量控制方法

技术领域

本发明涉及一种直驱风电变流器无定子电压测量矢量控制方法。

背景技术

近年来随着绿色能源的大力推广与发展，我国风电事业得到了飞速的发展，累计装机总量和年新增装机总量均位居世界第一。随着陆上低风速风电场的开发和海上风电的快速发展，陆上及海上风电采用大兆瓦级风电机组已达成共识，功率等级基本从4MW起步，一般采用基于永磁同步发电机的直驱技术路线，变流器采用三相电压型交-直-交双向变流器。受制于产业链影响，目前大功率海上直驱风电机组电压等级大多还是沿用陆上风电的690V低压技术路线，存在电缆过多引起的系列问题，越来越多的整机厂尝试采用1.14kV或3.3kV中压技术路线，对应的变流器功率单元为二极管箝位三电平拓扑。

直驱风电变流器分为机侧变流器和网侧变流器两部分，其中机侧变流器一般采用磁链定向矢量控制方式，需要定子电压、直流母线电压和输出电流信息。直流母线电压测量用于保证直流电压的稳定，交流电流测量提供电流反馈信号，实现过流保护，两者一般不宜省去。由于机侧变流器直接或者通过小感值的du/dt电感间接连接到发电机定子，输出为基波频率不固定的高频脉宽波，定子电压无法通过常规PT进行测量，需要采用高成本的传感器隔离方案或低成本的电阻分压非隔离方案。690V低压技术路线中一般采用电阻分压非隔离方案，这种方案在电压等级越来越高时安全隐患逐渐凸显。为了降低变流器成本和规避中压技术路线相关的安全隐患，最好方法是采用无定子电压测量的变流器控制技术。

专利201510755713.3“一种无电压传感器的三相变流器模型预测控制方法”，公开了一种基于二次规划求解算法寻优的无电压传感器的变流器模型预测控制方法，可以减小计算量、减少参数整定的难度，但控制对象仅是频率固定的电网，同时未考虑控制方法的磁链初值问题；论文《无电网电压传感器三相PWM整流器虚拟电网磁链定向矢量控制研究》(赵仁德，贺益康等)提出一种基于电网虚拟磁链的无电网电压传感器三相PWM整流器矢量控制技术，在控制方法运行之前通过输出连续几个PWM周期的零矢量获取控制方法中的虚拟磁链初值，仅适用于频率固定的电网，且应用在大兆瓦海上直驱风电变流器时连续输出几个PWM周期的零矢量会引起严重的过电流问题。

发明内容

本发明克服现有技术的缺点，提出一种针对直驱风电变流器的无定子电压测量矢量控制方法。

直驱风电变流器分为网侧变流器和机侧变流器两部分，其中机侧变流器包含二极管钳位三电平拓扑组成的主电路和控制单元，所述的矢量控制方法在机侧变流器控制单元中实现。控制单元与上位机通讯得到有功功率给定值P_Given，采集主电路中的三相定子电流I_sa、I_sb、 I_sc和直流母线电压U_dc，输出12路PWM调制信号S_PWM到主电路中的电力电子器件。三相定子电流I_sa、I_sb、I_sc以从机侧变流器到发电机定子方向为正方向，忽略发电机定子电阻R_s，认为定子空载电动势角度超前发电机磁链角度

所述控制方法包含定子电流计算环节、初始磁链计算环节、磁链锁相环节、参考电流计算环节、电流闭环控制环节五部分。

所述的定子电流计算环节采集三相定子电流I_sa、I_sb、I_sc，将三相定子电流I_sa、I_sb、I_sc分别转化为α轴定子电流I_sα、β轴定子电流I_sβ、D轴定子电流I_sd和Q轴定子电流 I_sq。所述的初始磁链计算环节通过输出7个ΔT0时间的零矢量，分8个阶段确定机侧变流器允许起动时刻，确定允许起动时刻的发电机角频率ω₀和发电机磁链角度初值θ_ψ0，在允许起动时刻输出机侧变流器允许起动标识ST_Per；磁链锁相环节在收到机侧变流器允许起动标识ST_Per后，在允许起动时刻的发电机角频率ω₀和发电机磁链角度初值θ_ψ0的基础上进行锁相，输出发电机角频率ω和发电机磁链角度θ_ψ。所述的参考电流计算环节输出D 轴定子参考电流I_sdRef和Q轴定子参考电流I_sqRef。所述的电流闭环控制环节采用PI调节器对DQ坐标系上的定子电流进行闭环控制，输出α轴定子控制电压U_sca、β轴定子控制电压 U_scβ、D轴定子控制电压U_scd和Q轴定子控制电压U_scq。

定子电流计算环节采集发电机三相定子电流I_sa、I_sb、I_sc，输入磁链锁相环节输出的发电机磁链角度θ_ψ，输出α轴定子电流I_sα、β轴定子电流I_sβ、D轴定子电流I_sd、Q 轴定子电流I_sq。初始磁链计算环节输入机侧变流器起动命令CMD_ST，输入定子电流计算环节输出的α轴定子电流I_sα、β轴定子电流I_sβ，输出机侧变流器允许起动标识ST_Per、允许起动时刻的发电机角频率ω₀、发电机磁链角度初值θ_ψ0。磁链锁相环节输入电流闭环控制环节输出的D轴定子控制电压U_scd、Q轴定子控制电压U_scq，输入定子电流计算环节输出的D轴定子电流I_sd、Q轴定子电流I_sq，输入初始磁链计算环节输出的机侧变流器允许起动标识ST_Per、允许起动时刻的发电机角频率ω₀、发电机磁链角度初值θ_ψ0，输出发电机磁链角度θ_ψ、发电机角频率ω。参考电流计算环节输入有功功率给定值P_Given，输入磁链锁相环节输出发电机交频率ω，输入电流闭环控制环节输出的D轴定子控制电压U_scd、 Q轴定子控制电压U_scq，输出D轴定子参考电流I_dRef、Q轴定子参考电流I_qRef。电流闭环控制环节输入参考电流计算环节输出的D轴定子参考电流I_dRef、Q轴定子参考电流I_qRef，输入定子电流计算环节输出的D轴定子电流I_sd、Q轴定子电流I_sq，输入磁链锁相环节输出的发电机角频率ω、发电机磁链角度θ_ψ，输出D轴定子控制电压U_scd、Q轴定子控制电压 U_scq、α轴定子控制电压U_scα和β轴定子控制电压U_scβ。

电流闭环控制环节输出的D轴定子控制电压U_scd和Q轴定子控制电压U_scq用于下一个控制周期的磁链锁相和参考电流计算，电流闭环控制环节输出的α轴定子控制电压U_sca和β轴定子控制电压U_scβ经PWM调制策略后输出12路PWM调制信号S_PWM，用于控制主电路三相逆变桥中的电力电子器件开通与关断，实现本发明所述的矢量控制。

以下对各个环节的功能和实现方法进行详细说明。

(1)定子电流计算环节

在定子电流计算环节中，采集的三相定子电流I_sa、I_sb、I_sc经过3s/2s坐标变换得到αβ坐标系上的α轴定子电流I_sα和β轴定子电流I_sβ；α轴定子电流I_sα和β轴定子电流I_sβ经过基于发电机磁链角度θ_ψ的2s/2r坐标变换得到DQ坐标系上的D轴定子电流I_sd和Q轴定子电流I_sq；

(2)初始磁链计算环节

在初始磁链计算环节中，设定参数包含发电机磁链ψ_Set、零矢量作用时间ΔT0，变流器输出最高频率f_Max。采用短时间输出零矢量测量发电机定子电流的方式获取定子空载电动势角度，当采用零矢量将发电机定子短时短路时，发电机在αβ坐标系上的数学方程如公式 (1)所示。

公式(1)中，I_sα为α轴定子电流，I_sβ为β轴定子电流，E_sα为α轴定子空载电动势、 E_sβ为β轴定子空载电动势，L_d为发电机直轴电感，ΔT0为零矢量作用时间。

定子空载电动势角度计算公式为θ_e＝a tan 2(E_sβ,E_sα)，将公式(1)代入，可求得机侧变流器输出零矢量时刻的定子空载电动势角度θ_e，如公式(2)所示。

θ_e＝a tan 2(-I_sβ,-I_sα) (2)

当机侧变流器起动命令CMD_ST从0变为1时，按照8个阶段完成磁链初值计算流程，不同阶段用Flux_Step表示。

阶段1(Flux_Step＝0)：检测到机侧变流器起动命令CMD_ST从0变1时，第1次输出ΔT0时间的零矢量，调用定子电流计算环节输出α轴定子电流I_sα和β轴定子电流I_sβ，根据公式(2)计算第1次输出零矢量时刻的定子空载电动势角度θ_e1；同时根据公式(3) 计算第2、3、4次输出零矢量的时间间隔T_Set1，将定时器T_cnt清0，将Flux_Step设置为1；

公式(3)中，f_Max为变流器输出最高频率。

阶段2(Flux_Step＝1)：定时器计时到T_Set1后，第2次输出ΔT0时间的零矢量，调用定子电流计算环节输出α轴定子电流I_sα和β轴定子电流I_sβ，根据公式(2)计算第2次输出零矢量时刻的定子空载电动势角度θ_e2；同时将定时器T_cnt清0，将Flux_Step设置为2；

阶段3(Flux_Step＝2)：定时器计时到T_Set1后，第3次输出ΔT0时间的零矢量，调用定子电流计算环节输出α轴定子电流I_sα和β轴定子电流I_sβ，根据公式(2)计算第3次输出零矢量时刻的定子空载电动势角度θ_e3；同时将定时器T_cnt清0，将Flux_Step设置为3；

阶段4(Flux_Step＝3)：定时器计时到T_Set1后，第4次输出ΔT0时间的零矢量，调用定子电流计算环节输出α轴定子电流I_sα和β轴定子电流I_sβ，根据公式(2)计算第4 次输出零矢量时刻的定子空载电动势角度θ_e4。分别计算每个T_Set1间隔的定子空载电动势角度差值，如公式(4)所示。

对3次空载电动势角度差值求取平均值，根据平均值计算1～4阶段的发电机频率f₁，如公式(5)所示。

计算第5次输出零矢量的时间间隔T_Set2，同时将定时器T_cnt清0，Flux_Step设置为4。 T_Set2计算方法如公式(6)所示。

公式(6)中，f₁为初始磁链计算1～4阶段的发电机频率，θ_e4为第4次输出零矢量时对应的定子空载电动势角度。

阶段5(Flux_Step＝4)：定时器计时到T_Set2后，第5次输出ΔT0时间的零矢量，调用定子电流计算环节输出α轴定子电流I_sα和β轴定子电流I_sβ，根据公式(2)计算第5次输出零矢量时刻的定子空载电动势角度θ_e5；在发电机A相空载电动势最大值处确认空载电动势角度，定子空载电动势角度θ_e5角度应该在0附近，误差小于

认为角度估算正确；同时采用公式(7)计算第6次输出零矢量的时间间隔T_Set3，将定时器T_cnt清0，将Flux_Step 设置为5。

阶段6(Flux_Step＝5)：定时器计时到T_Set3后，第6次输出ΔT0时间的零矢量，调用定子电流计算环节输出α轴定子电流I_sα和β轴定子电流I_sβ，根据公式(2)计算第6次输出零矢量时刻的定子空载电动势角度θ_e6，间隔

确认空载电动势角度，f₁>0时定子空载电动势角度θ_e6角度应该在

附近，f₁<0时定子空载电动势角度θ_e6角度应该在

附近，误差小于

认为角度估算正确；同时定时器T_cnt清0，将Flux_Step设置为6；

阶段7(Flux_Step＝6)：定时器计时到T_Set3后，第7次输出ΔT0时间的零矢量，调用定子电流计算环节输出α轴定子电流I_sα和β轴定子电流I_sβ，根据公式(2)计算第7次输出零矢量时刻的定子空载电动势角度θ_e7，间隔

再次确认空载电动势角度，f₁>0时定子空载电动势角度θ_e7角度应该在

附近，f₁<0时定子空载电动势角度θ_e7角度应该在

附近，误差小于

认为角度估算正确；计算每个T_Set3间隔的定子空载电动势角度差值，如公式(8)所示。

对2次定子空载电动势角度差值求取平均值，根据平均值计算5～7阶段的发电机频率f₂，如公式(9)所示。

计算到机侧变流器起动允许标识有效的时间间隔T_Set4，同时定时器T_cnt清0，将Flux_Step设置为7。T_Set4计算方法如公式(10)所示。

公式(10)中，f₂为初始磁链计算5～7阶段的发电机频率，θ_e7为第7次输出零矢量时对应的定子空载电动势角度。

阶段8(Flux_Step＝7)：定时器计时到T_Set4后，机侧变流器允许起动标识ST_Per置1，Flux_Step设置为8。采用公式(11)计算允许起动时刻的发电机角频率ω₀，采用公式(12)计算发电机磁链角度初值θ_ψ0。

ω₀＝2πf₂ (11)

在公式(11)(12)中，f₂为初始磁链计算第5～7阶段的发电机频率。在定子空载电动势角度为0时的机侧变流器允许起动时刻，如果发电机正转(频率为正)，发电机磁链角度初值θ_ψ0为

如果发电机反转(频率为负)，发电机磁链角度初值θ_ψ0为

(3)磁链锁相环节

磁链锁相环节在机侧变流器允许起动标识ST_Per置1后开始工作。在磁链锁相环节中，设定参数包括发电机交轴电感L_q，发电机磁链ψ_Set，DQ轴定子电压耦合系数K_coff。

输入的Q轴定子参考电流I_sq乘以发电机角频率ω，再乘以发电机交轴电感L_q得到D轴电枢反应电压U_sdar，输入的D轴定子控制电压U_scd加上D轴电枢反应电压U_sdar得到D 轴定子空载电动势E_sd，对D轴定子空载电动势E_sd求取积分得到发电机D轴磁链ψ_sd，发电机D轴磁链ψ_sd的积分初值为发电机磁链ψ_Set；

输入的Q轴定子控制电压U_scq减去D轴定子控制电压U_scd、DQ轴定子电压耦合系数K_coff、发电机角频率ω三者的乘积得到Q轴定子空载电动势E_sq，Q轴定子空载电动势E_sq除以发电机D轴磁链ψ_sd得到发电机角频率ω，由于发电机角频率ω求解涉及到除法运算，在机侧变流器允许起动时刻无法得到Q轴定子空载电动势E_sq信息，为此将除法运算屏蔽，将输出的发电机角频率ω设置为初始磁链计算环节输出的允许起动时刻的发电机角频率ω₀；

对发电机角频率ω求取积分得到发电机磁链角度θ_ψ，发电机磁链角度θ_ψ的积分初值为初始磁链计算环节输出的发电机磁链角度初值θ_ψ0；

(4)参考电流计算环节

参考电流计算环节在机侧变流器允许起动标识ST_Per置1后开始工作，参考电流计算环节设定参数包括发电机磁链ψ_Set。

输入的发电机角频率ω乘以发电机磁链ψ_Set得到定子参考电压U_sRef；根据输入的D轴定子控制电压U_scd和Q轴定子控制电压U_scq求取定子电压有效值U_sRms，计算公式为

定子参考电压U_sRef和定子电压有效值U_sRms相减得到定子电压误差U_sErr，定子电压误差U_sErr经PI调节器输出D轴定子参考电流I_sdRef；根据输入的有功功率给定值P_Given、D 轴定子控制电压U_scd、Q轴定子控制电压U_scq和D轴定子参考电流I_sdRef计算Q轴定子参考电流I_qRef，计算公式为

(5)电流闭环控制环节

电流闭环控制环节在机侧变流器允许起动标识ST_Per置1后开始工作。电流闭环控制环节设定参数包含发电机直轴电感L_d、发电机交轴电感L_q、发电机磁链ψ_Set。

D轴定子参考电流I_sdRef减去D轴定子电流I_sd得到D轴定子电流误差I_sdErr，D轴定子电流误差I_sdErr经PI调节器输出D轴调节电压U_sdPI；Q轴定子参考电流I_sqRef减去Q 轴定子电流I_sq得到Q轴定子电流误差I_sqErr，Q轴定子电流误差I_sqErr经PI调节器输出Q 轴调节电压U_sqPI；

求取D轴定子控制电压U_scd和Q轴定子控制电压U_scq，计算方法如公式(13)所示。

D轴定子控制电压U_scd和Q轴定子控制电压U_scq经过基于发电机磁链角度θ_ψ的2r/2s坐标变换，得到α轴定子控制电压U_scα和β轴定子控制电压U_scβ。

本发明的优点在于，无定子电压测量实现发电机矢量控制，省去定子电压测量既可节约成本又可以有效避免高电压测量带来的安全隐患。在机侧变流器允许起动之前，通过输出7 个很短时间ΔT0的零矢量来判定发电机角频率和发电机磁链角度，可以在无定子电压测量的情况下实现基本无电流冲击起动，有效避免了机侧变流器起动暂态过程中的过电流。在初始磁链计算环节输出的零矢量作用时间ΔT0在几十us量级，保证发电机磁链角度初值获取准确的前提下可以将磁链测试电流控制在额定电流的10％以内，有效避免了发电机磁链角度初值获取输出零矢量过程中的过电流和对发电机运行的影响。

附图说明

图1直驱风电机组及其变流器电气原理图；

图2机侧变流器主电路和控制单元原理图；

图3无定子电压测量矢量控制方法及各环节信号传递框图；

图4初始磁链计算环节流程图；

图5磁链锁相环节原理图；

图6本发明机侧变流器典型电压电流波形。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，直驱风电机组包含永磁同步发电机(PMSG)、直驱风电变流器和电网三部分。

其中直驱风电变流器分为网侧变流器110和机侧变流器130两部分，网侧变流器110的交流侧连接电网100，机侧变流器130的交流侧连接到发电机140的定子，网侧变流器110 和机侧变流器130通过直流母线120连接在一起，实现发电机140和电网100的柔性连接。

风电变流器发出的电能并入电网100，需要满足电网并网导则和电网适应性要求，且电网频率固定，电压谐波含量较低，采用常规的PT即可对电网电压进行低成本测量。由于PT 的作用将电网的高电压和控制用的低电压进行电气隔离有效降低了安全隐患，网侧变流器 110的交流电压测量不能省略也没有省略的必要，本发明主要研究机侧变流器130相关的无定子电压测量的矢量控制方法。

图1所示的机侧变流器130电气原理如图2所示。机侧变流器130包含主电路200和控制单元210两部分。主电路200包含直流支撑电容C₁、C₂，如图中201，包含S₁₁、S₁₂、 S₁₃、S₁₄、S₂₁、S₂₂、S₂₃、S₂₄、S₃₁、S₃₂、S₃₃、S₃₄共12支IGBT和D₁₁、D₁₂、 D₂₁、D₂₂、D₃₁、D₃₂共6支二极管组成的二极管箝位三电平三相逆变桥；三相逆变桥输出连接到永磁同步发电机定子，如图2中202；主电路PN两端连接到直流母线，如图中206；本发明所述的矢量控制方法在控制单元210中实现，控制单元采集主电路中的直流母线电压 U_dc和三相定子电流I_sa、I_sb、I_sc，如3图中203、204；接收上位机发送的有功功率给定值P_Given和机侧变流器起动命令CMD_ST，如图2中220、221；输出12路PWM调制信号 S_PWM到主电路中三相逆变桥电力电子器件，如图2中205。

如图3所示，本发明所述的无定子电压测量矢量控制方法包含定子电流计算环节300、初始磁链计算环节310、磁链锁相环节320、参考电流计算环节330、电流闭环控制环节340 五部分。

定子电流计算环节300采集发电机三相定子电流I_sa、I_sb、I_sc，如图3中301、302、303，输入磁链锁相环节输出的发电机磁链角度θ_ψ，如图3中304，输出α轴定子电流I_sα、β轴定子电流I_sβ、D轴定子电流I_sd、Q轴定子电流I_sq，如图3中305、306、307、308；

初始磁链计算环节310输入机侧变流器起动命令CMD_ST，如图3中311，输入定子电流计算环节输出的α轴定子电流I_sα、β轴定子电流I_sβ，如图3中312、313，输出机侧变流器允许起动标识ST_Per、允许起动时刻的发电机角频率ω₀、发电机磁链角度初值θ_ψ0，如图3中314、315、316；

磁链锁相环节320输入电流闭环控制环节输出的D轴定子控制电压U_scd、Q轴定子控制电压U_scq，如图3中325、326，输入定子电流计算环节输出的Q轴定子电流I_sq，如图3中 324，输入初始磁链计算环节输出的机侧变流器允许起动标识ST_Per、允许起动时刻的发电机角频率ω₀、发电机磁链角度初值θ_ψ0，如图3中323、321、322，输出发电机磁链角度θ_ψ、发电机角频率ω，如图3中328、327；

参考电流计算环节330输入机侧变流器允许起动标识ST_Per，如图3中332，输入有功功率给定值P_Given，如图3中335，输入磁链锁相环节输出的发电机角频率ω，如图3 中331，输入电流闭环控制环节输出的D轴定子控制电压U_scd、Q轴定子控制电压U_scq，如图3中333、334，输出D轴定子参考电流I_dRef、Q轴定子参考电流I_qRef，如图3中336、 337；

电流闭环控制环节340输入参考电流计算环节输出的D轴定子参考电流I_dRef、Q轴定子参考电流I_qRef，如图3中336、337，输入定子电流计算环节输出的D轴定子电流I_sd、Q轴定子电流I_sq，如图3中341、342，输入磁链锁相环节输出的发电机角频率ω、发电机磁链角度θ_ψ，如图3中327、328；输出D轴定子控制电压U_scd、Q轴定子控制电压U_scq，如图3中345、346，输出α轴定子控制电压U_scα和β轴定子控制电压U_scβ，如图3中343、 344。

在图3所示的定子电流计算环节300中，采集三相定子电流I_sa、I_sb、I_sc，经过3s/2s坐标变换得到αβ坐标系上的α轴定子电流I_sα和β轴定子电流I_sβ；α轴定子电流I_sα和β轴定子电流I_sβ经过基于发电机磁链角度θ_ψ的2s/2r坐标变换得到DQ坐标系上的D轴定子电流I_sd和Q轴定子电流I_sq。

本发明所述的无定子电压测量矢量控制方法包含以下步骤：

步骤1：控制单元上电初始化，从存储器中读取运行需要的参数，包含：发电机磁链ψ_Set、发电机直轴电感L_d、发电机交轴电感L_q、变流器输出最高频率f_Max、DQ轴定子电压耦合系数K_coff、零矢量作用时间ΔT0。

步骤2：图3所示的初始磁链计算环节310检测到机侧变流器起动命令CMD_ST＝1时进行初始磁链计算，如图4中400、401，初始磁链计算分为8个阶段，用Flux_Step区分，如图4中402。

阶段1(Flux_Step＝0)：检测到机侧变流器起动命令CMD_ST从0变1时，第1次输出ΔT0时间的零矢量，调用定子电流计算环节300输出α轴定子电流I_sα和β轴定子电流 I_sβ，根据公式(2)计算第1次输出零矢量时刻的定子空载电动势角度θ_e1；同时根据公式 (3)计算第2、3、4次输出零矢量的时间间隔T_set1，将定时器T_cnt清0，如图4中410、411；将Flux_Step设置为1，切换到阶段2，如图4中412。

阶段2(Flux_Step＝1)：定时器计时到T_Set1后，第2次输出ΔT0时间的零矢量，调用定子电流计算环节300输出α轴定子电流I_sα和β轴定子电流I_sβ，根据公式(2)计算第2次输出零矢量时刻的定子空载电动势角度θ_e2；同时将定时器T_cnt清0，如图4中415、 416；将Flux_Step设置为2，切换到阶段3，如图4中417；

阶段3(Flux_Step＝2)：定时器计时到T_Set1后，第3次输出ΔT0时间的零矢量，调用定子电流计算环节300输出α轴定子电流I_sα和β轴定子电流I_sβ，根据公式(2)计算第 3次输出零矢量时刻的定子空载电动势角度θ_e3；同时将定时器T_cnt清0，如图4中420、421；将Flux_Step设置为3，切换到阶段4，如图4中422；

阶段4(Flux_Step＝3)：定时器计时到T_Set1后，第4次输出ΔT0时间的零矢量，调用定子电流计算环节300输出α轴定子电流I_sα和β轴定子电流I_sβ，采用公式(2)计算第4次输出零矢量时刻的定子空载电动势角度θ_e4，采用公式(4)分别计算每个T_Set1间隔的定子空载电动势角度差值Δθ_e1、Δθ_e2、Δθ_e3，采用公式(5)对3次空载电动势角度差值求取平均值，根据平均值计算1～4阶段的发电机频率f₁。采用公式(6)计算第5次输出零矢量的时间间隔T_Set2，同时将定时器T_cnt清0，如图4中425、426所示，将Flux_Step设置为4，切换到阶段5，如图4中427；

阶段5(Flux_Step＝4)：定时器计时到T_Set2后，第5次输出ΔT0时间的零矢量，调用定子电流计算环节300输出α轴定子电流I_sα和β轴定子电流I_sβ，根据公式(2)计算第 5次输出零矢量时刻的定子空载电动势角度θ_e5；在发电机A相空载电动势最大值处确认空载电动势角度，定子空载电动势角度θ_e5角度应该在0附近，误差小于

认为角度估算正确；同时采用公式(7)计算第6次输出零矢量的时间间隔T_Set3，将定时器T_cnt清0，如图4中430、 431；将Flux_Step设置为5，切换到阶段6，如图4中432；

阶段6(Flux_Step＝5)：定时器计时到T_Set3后，第6次输出ΔT0时间的零矢量，调用定子电流计算环节300输出α轴定子电流I_sα和β轴定子电流I_sβ，根据公式(2)计算第 6次输出零矢量时刻的定子空载电动势角度θ_e6，间隔

确认空载电动势角度，f₁>0时定子空载电动势角度θ_e6角度应该在

附近，f₁<0时定子空载电动势角度θ_e6角度应该在

附近，误差小于

认为角度估算正确；同时定时器T_cnt清0，如图4中435、436；将Flux_Step 设置为6，切换到阶段7，如图4中437；

阶段7(Flux_Step＝6)：定时器计时到T_Set3后，第7次输出ΔT0时间的零矢量，，调用定子电流计算环节300输出α轴定子电流I_sα和β轴定子电流I_sβ，采用公式(2)计算第 7次输出零矢量时刻的定子空载电动势角度θ_e7，间隔

再次确认空载电动势角度，f₁>0时定子空载电动势角度θ_e7角度应该在

附近，f₁<0时定子空载电动势角度θ_e7角度应该在

附近，误差小于

认为角度估算正确；采用公式(8)计算每个T_set3间隔的定子空载电动势角度差值。采用公式(9)对2次定子空载电动势角度差值求取平均值，根据平均值计算5～7阶段的发电机频率f₂；采用公式(10)计算到机侧变流器起动允许标识有效的时间间隔T_Set4，同时定时器T_cnt清0，如图4中440、441所示；将Flux_Step设置为7，切换到阶段8，如图4中442；

阶段8(Flux_Step＝7)：定时器计时到T_Set4后，机侧变流器允许起动标识ST_Per置1，采用公式(11)计算允许起动时刻的发电机角频率ω₀，采用公式(12)计算发电机磁链角度初值θ_ψ0，如图4中445、446所示；将Flux_Step设置为8，如图4中447。机侧变流器起动之前的初始磁链计算结束，准备机侧变流器起动。

步骤3：图3所示的磁链锁相环节320检测到机侧变流器允许起动标识ST_Per＝1时开始磁链锁相，具体流程如图5所示。

输入的Q轴定子参考电流I_sq乘以发电机角频率ω，再乘以发电机交轴电感L_q得到D轴电枢反应电压U_sdar，如图5中500、501、502，输入的D轴定子控制电压U_scd加上D轴电枢反应电压U_sdar得到D轴定子空载电动势E_sd，如图5中511，对D轴定子空载电动势E_sd求取积分得到发电机D轴磁链ψ_sd，如图5中512，发电机D轴磁链ψ_sd的积分初值为发电机磁链ψ_Set；

输入的Q轴定子控制电压U_scq减去D轴定子控制电压U_scd、DQ轴定子电压耦合系数K_coff、发电机角频率ω三者的乘积，得到Q轴定子空载电动势E_sq，如图5中520、521、 522；Q轴定子空载电动势E_sq除以发电机D轴磁链ψ_sd得到发电机角频率ω，由于发电机角频率ω求解涉及到除法运算，在机侧变流器允许起动时刻无法得到Q轴定子空载电动势 E_sq信息，此时将除法运算屏蔽，将输出的发电机角频率ω设置为初始磁链计算环节输出的允许起动时刻的发电机角频率ω₀，如图5中523；对发电机角频率ω求取积分得到发电机磁链角度θ_ψ，发电机磁链角度θ_ψ的积分初值为初始磁链计算环节输出的发电机磁链角度初值θ_ψ0，如图5中530；

步骤4：图3中所示的参考电流计算环节330在机侧变流器允许起动标识ST_Per置1后开始计算参考电流。在参考电流计算环节330中，输入的发电机角频率ω乘以发电机磁链ψ_Set得到定子参考电压U_sRef；根据输入的D轴定子控制电压U_scd和Q轴定子控制电压 U_scq求取定子电压有效值U_sRms，计算公式为

定子参考电压U_sRef和定子电压有效值U_sRms相减得到定子电压误差U_sErr，定子电压误差U_sErr经PI调节器输出D轴定子参考电流I_sdRef；根据输入的有功功率给定值P_Given、D 轴定子控制电压U_scd、Q轴定子控制电压U_scq和D轴定子参考电流I_sdRef计算Q轴定子参考电流I_qRef，计算公式为

步骤5：图3中所示的电流闭环控制环节340在机侧变流器允许起动标识ST_Per置1后开始对定子电流进行闭环控制。在电流闭环控制环节340中，D轴定子参考电流I_sdRef减去D轴定子电流I_sd得到D轴定子电流误差I_sdErr，D轴定子电流误差I_sdErr经PI调节器输出D轴调节电压U_sdPI；Q轴定子参考电流I_sqRef减去Q轴定子电流I_sq得到Q轴定子电流误差I_sqErr，Q轴定子电流误差I_sqErr经PI调节器输出Q轴调节电压U_sqPI；采用公式(13) 求取D轴定子控制电压U_scd和Q轴定子控制电压U_scq；

D轴定子控制电压U_scd和Q轴定子控制电压U_scq经过基于发电机磁链角度θ_ψ的2r/2s坐标变换后得到α轴定子控制电压U_scα和β轴定子控制电压U_scβ。

步骤6：电流闭环控制环节输出的α轴定子控制电压U_scα和β轴定子控制电压U_scβ经PWM调制策略后，输出12路PWM信号S_PWM到主电路三相逆变桥，控制主电路中IGBT开通与关断，实现所述的矢量控制功能。

采用本发明所述的无定子电压测量矢量控制方法研制的5MW/3.3kV变流器起动加载波形如图6所示，(a)为三相定子电压(kV)，(b)为三相定子电流(kA)，(c)为有功功率(MW)， (d)为三相电压放大图(kV)，(e)为三相电流放大图(kA)。在图6中，在0.15s处接收到机侧变流器起动命令CMD_ST，在t₁、t₂、t₃、t₄时刻间隔T_set1输出ΔT0＝50us的4个零矢量计算1～4阶段的发电机频率f₁，在t₅、t₆、t₇时刻间隔T_set3输出ΔT0＝50us的3个零矢量计算4～7阶段的发电机频率f₂，在t₈时刻输出机侧变流器允许起动标识ST_Per，机侧变流器开始起动。5MW/3.3kV变流器额定峰值电流1360A，输出零矢量时定子电流峰值最大50A，机侧变流器起动时定子电流峰值最大120A，小于额定电流的10％。

Claims (3)

1.一种直驱风电变流器无定子电压测量矢量控制方法，其特征在于，所述的矢量控制方法包含定子电流计算环节、初始磁链计算环节、磁链锁相环节、参考电流计算环节和电流闭环控制环节五部分；所述的定子电流计算环节采集三相定子电流I_sa、I_sb、I_sc，转化为α轴定子电流I_sα、β轴定子电流I_sβ、D轴定子电流I_sd和Q轴定子电流I_sq；所述的初始磁链计算环节通过输出7个△T0时间的零矢量，△T0为零矢量作用时间，分8个阶段确定机侧变流器允许起动时刻，确定允许起动时刻的发电机角频率ω₀和发电机磁链角度初值θ_ψ0，在允许起动时刻输出机侧变流器允许起动标识ST_Per；所述的磁链锁相环节在收到机侧变流器允许起动标识ST_Per后，在允许起动时刻的发电机角频率ω₀和发电机磁链角度初值θ_ψ0的基础上进行锁相，输出发电机角频率ω和发电机磁链角度θ_ψ；所述的参考电流计算环节输出D轴定子参考电流I_sdRef和Q轴定子参考电流I_sqRef；所述的电流闭环控制环节采用PI调节器对DQ坐标系上的定子电流进行闭环控制，输出α轴定子控制电压U_sca、β轴定子控制电压U_scβ、D轴定子控制电压U_scd和Q轴定子控制电压U_scq；所述的电流闭环控制环节输出的D轴定子控制电压U_scd和Q轴定子控制电压U_scq用于下一个控制周期的磁链锁相和参考电流计算，电流闭环控制环节输出的α轴定子控制电压U_sca和β轴定子控制电压U_scβ经PWM调制策略后输出12路PWM调制信号S_PWM，用于控制主电路三相逆变桥中的电力电子器件开通与关断，实现所述的矢量控制；

所述的磁链锁相环节在机侧变流器允许起动标识ST_Per＝1时开始磁链锁相，输入的Q轴定子电流I_sq乘以发电机角频率ω，再乘以发电机交轴电感L_q得到D轴电枢反应电压U_sdar，输入的D轴定子控制电压U_scd加上D轴电枢反应电压U_sdar得到D轴定子空载电动势E_sd；对D轴定子空载电动势E_sd求取积分得到发电机D轴磁链ψ_sd，发电机D轴磁链ψ_sd的积分初值为发电机磁链ψ_Set；输入的Q轴定子控制电压U_scq减去D轴定子控制电压U_scd、DQ轴定子电压耦合系数K_coff与发电机角频率ω三者的乘积，得到Q轴定子空载电动势E_sq；Q轴定子空载电动势E_sq除以发电机D轴磁链ψ_sd得到发电机角频率ω，由于发电机角频率ω求解涉及到除法运算，在机侧变流器允许起动时刻无法得到Q轴定子空载电动势E_sq信息，为此将除法运算屏蔽，将输出的发电机角频率ω设置为初始磁链计算环节输出的允许起动时刻的发电机角频率ω₀；对发电机角频率ω求取积分得到发电机磁链角度θ_ψ，发电机磁链角度θ_ψ的积分初值为初始磁链计算环节输出的发电机磁链角度初值θ_ψ0。

2.根据权利要求1所述的直驱风电变流器无定子电压测量矢量控制方法，其特征在于：所述的控制方法接收有功功率给定值P_Given，采集主电路中的三相定子电流I_sa、I_sb、I_sc和直流母线电压U_dc，采集信号不包含三相定子电压；所述矢量控制方法的定子电流计算环节采集发电机三相定子电流I_sa、I_sb、I_sc，输入磁链锁相环节输出的发电机磁链角度θ_ψ，输出α轴定子电流I_sα、β轴定子电流I_sβ、D轴定子电流I_sd、Q轴定子电流I_sq；初始磁链计算环节输入机侧变流器起动命令CMD_ST，输入定子电流计算环节输出的α轴定子电流I_sα、β轴定子电流I_sβ，输出机侧变流器允许起动标识ST_Per、允许起动时刻的发电机角频率ω₀、发电机磁链角度初值θ_ψ0；磁链锁相环节输入电流闭环控制环节输出的D轴定子控制电压U_scd和Q轴定子控制电压U_scq，输入定子电流计算环节输出的D轴定子电流I_sd和Q轴定子电流I_sq，输入初始磁链计算环节输出的机侧变流器允许起动标识ST_Per、允许起动时刻的发电机角频率ω₀、发电机磁链角度初值θ_ψ0，输出发电机磁链角度θ_ψ、发电机角频率ω；参考电流计算环节输入有功功率给定值P_Given，输入磁链锁相环节输出的发电机角频率ω，输入电流闭环控制环节输出的D轴定子控制电压U_scd和Q轴定子控制电压U_scq，输出D轴定子参考电流I_dRef、Q轴定子参考电流I_qRef；电流闭环控制环节输入参考电流计算环节输出的D轴定子参考电流I_dRef和Q轴定子参考电流I_qRef，输入定子电流计算环节输出的D轴定子电流I_sd和Q轴定子电流I_sq，输入磁链锁相环节输出的发电机角频率ω和发电机磁链角度θ_ψ，输出D轴定子控制电压U_scd、Q轴定子控制电压U_scq、α轴定子控制电压U_scα和β轴定子控制电压U_scβ。

3.根据权利要求1或2所述的直驱风电变流器无定子电压测量矢量控制方法，其特征在于：所述的初始磁链计算环节通过输出7个△T0时间的零矢量，分8个阶段确定机侧变流器允许起动的时刻，确定允许起动时刻的发电机角频率ω₀和发电机磁链初始角度θ_ψ0，在允许起动时刻输出机侧变流器允许起动标识ST_Per；

前4个阶段间隔T_Set1输出4个△T0时间的零矢量，测量4个零矢量时刻的定子电流采用公式(2)计算定子空载电动势角度；

θ_e＝a tan 2(-I_sβ,-I_sα) (2)

公式(2)中，I_sα为α轴定子电流，I_sβ为β轴定子电流，atan2为反正切运算符号，θ_e为定子空载电动势角度，1～4阶段零矢量作用时刻的空载电动势角度分别为θ_e1、θ_e2、θ_e3、θ_e4；

T_Set1计算方法如公式(3)所示，其中f_Max为设定的变流器输出最高频率；

根据1～4阶段零矢量作用时刻的空载电动势角度θ_e1、θ_e2、θ_e3、θ_e4，采用公式(4)计算T_Set1时间间隔的定子空载电动势角度差值△θ_e1、△θ_e2、△θ_e3，

采用公式(5)对3个空载电动势角度差值求取平均值，平均值除以时间间隔T_Set1，再除以2π得到1～4阶段的发电机频率f₁；

在第4阶段采用公式(6)计算到下一个定子空载电动势角度为0的时间间隔T_Set2；其中，f₁为初始磁链计算1～4阶段的发电机频率，θ_e4为第4次输出零矢量时对应的定子空载电动势角度；

在5、6、7阶段分别在0、

位置确认定子空载电动势角度，同时在第7阶段计算到下一个定子空载电动势角度为0的时间间隔T_Set4，T_Set4计算方法如公式(10)所示，其中，f₂为初始磁链计算5～7阶段的发电机频率，θ_e7为第7次输出零矢量时对应的定子空载电动势角度；

在第8阶段定子空载电动势角度为0的时刻输出机侧变流器允许起动标识ST_Per，同时输出允许起动时刻的发电机角频率ω₀和发电机磁链角度初值θ_ψ0到磁链锁相环节，计算方法如公式(11)、(12)所示；

ω₀＝2πf₂ (11)

公式(11)、(12)中，f₂为初始磁链计算第5～7阶段的发电机频率，在定子空载电动势角度为0时的机侧变流器允许起动时刻，如果发电机正转，频率为正，发电机磁链角度初值θ_ψ0为

如果发电机反转，频率为负，发电机磁链角度初值θ_ψ0为

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