CN113141024B - 一种采用附加补偿项的dfig转子侧变换器故障穿越控制方法 - Google Patents

一种采用附加补偿项的dfig转子侧变换器故障穿越控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种采用附加补偿项的DFIG转子侧变换器故障穿越控制方法，属于双馈风力发电机转子侧变换器控制技术领域；所要解决的技术问题为：提供一种采用附加补偿项的DFIG转子侧变换器故障穿越控制方法结构的改进；解决上述技术问题采用的技术方案为：建立DFIG转子侧变换器的功率外环数学模型；建立DFIG转子侧变换器的电流内环数学模型；选择DFIG的转子电流、转子电压为输入变量，附加补偿项作为输出变量，采用模糊控制实现对附加补偿项的控制，利用附加补偿项改变电流内环的结构，经过附加补偿改变后的转子电流内环控制结构输入SVPWM实现对转子侧变换器的控制。本发明应用于双馈风力发电机。

Description

一种采用附加补偿项的DFIG转子侧变换器故障穿越控制方法
技术领域
本发明一种采用附加补偿项的DFIG转子侧变换器故障穿越控制方法，属于采用附加补偿项的DFIG转子侧变换器故障穿越控制方法技术领域。
背景技术
随着现今DFIG在大电网装机容量占比的持续攀升，其对电网可靠性与电能质量的影响也日趋深远，在电网电压发生持续时间较短的跌落故障时，风电机组若考虑自身设备的安全性则会退出运行，对于电网来说影响可靠性也可能引发更大面积的脱网事故，若机组仍保持并网运行则会对机组本身的安全产生威胁，为解决这一问题，故障穿越能力已成为风电机组的必备要求。
电网发生故障跌落时，双馈电机系统的暂态过程较为短暂且剧烈，各电气量例如转子电流、电压均会发生较大的变化过程，若超出机组的安全规定值则会对机组器件产生永久性的损害。故障期间，常用的数学模型不再适用，若要采取控制策略必须建立双馈电机在故障期间的准确数学模型，这对于双馈电机这种高度耦合、非线性、多变量的系统来说很难用精确的数学公式来表达故障期间的变量，因此一般的双馈电机故障穿越方法均受此限制导致精确度低、方法固定、缺乏灵活性。
模糊控制不需要精确的数学模型，只需要把故障期间需要控制的变量采用由人的经验构成的模糊规则库进行模糊推理，即可实现对受控变量的控制过程，该方法简单便于实施，灵活性较高，尤其适用于双馈风电系统。综上所述，提出了一种采用附加补偿项的DFIG故障穿越方法简单有效、适应性好、准确度高。
发明内容
本发明为了克服现有技术中存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种采用附加补偿项的DFIG转子侧变换器故障穿越控制方法的改进。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种采用附加补偿项的DFIG转子侧变换器故障穿越控制方法，包括如下步骤：
步骤一：建立DFIG转子侧变换器的功率外环数学模型；
步骤二：建立DFIG转子侧变换器的电流内环数学模型；
步骤三：选择DFIG的转子电流、转子电压为输入变量，附加补偿项作为输出变量，采用模糊控制实现对附加补偿项的控制，利用附加补偿项改变电流内环的结构，根据故障期间转子电流、电压的大小，利用模糊控制器调节附加补偿项的大小，实现对电流内环的PI闭环控制；
步骤四：将步骤三中经过附加补偿改变后的转子电流内环控制结构输入SVPWM实现对转子侧变换器的控制。
所述步骤一中功率外环数学模型的建立具体采用滑模控制器实现对DFIG转子侧变换器的功率外环控制，具体步骤为：
步骤1.1：设定子端的功率误差为：
Figure BDA0003034044900000021
或
Figure BDA0003034044900000022
上式中：P1和
Figure BDA0003034044900000023
分别代表DFIG定子端输出有功功率的实际值与给定值，Q1和
Figure BDA0003034044900000024
分别代表DFIG定子端输出无功功率的实际值与给定值；
选取功率外环系统的滑模面方程为：
Figure BDA0003034044900000025
上式中：C为大于0的常数；
设定积分初值为：
Figure BDA0003034044900000026
当系统一开始t＝0时，S(0)＝0，此时系统就会进入滑动模态；
步骤1.2：采用指数趋近律的方法设置有功功率滑模控制器、无功功率滑模控制器：
Figure BDA0003034044900000027
上式中：W、K为大于0的控制参数，Sgn(s)为符号函数，Sgn(s)的计算公式如下：
Figure BDA0003034044900000028
选取满足如下滑动模态存在条件的控制参数：
Figure BDA0003034044900000029
得到有功功率滑模控制器、无功功率滑模控制器的表达式如下：
Figure BDA00030340449000000210
步骤1.3：根据转子电流和定子端功率的关系，可得内环转子电流与滑模控制器在两相同步旋转坐标系下的输出关系为：
Figure BDA0003034044900000031
上式中：L1为定子电感，Lm为互感，U1为电网电压幅值，ω1为同步角频率。
所述步骤二中建立DFIG转子侧变换器的电流内环数学模型的具体步骤为：
在两相同步旋转坐标系下建立DFIG转子侧变换器电流内环的数学模型，表达式如下：
Figure BDA0003034044900000032
上式中：u2d、u2q为DFIG转子电压，R2为转子电阻，L1为定子电感，L2为转子电感，Lm为互感，i2d、i2q为转子电流，σ＝1-Lm 2/L1L2为漏磁系数，U1为电网电压幅值，ω1为同步角频率，ωslip＝ω1-ω2为转差角频率。
所述步骤三采用模糊控制实现对附加补偿项控制的具体步骤为：
步骤3.1：设定输入变量从连续域中对应到离散域中的量化因子如下：
Figure BDA0003034044900000033
上式中：a表示输入变量在论域区间的最大值；b表示输入变量在论域区间的最小值；m表示在故障期间转子电流和转子电压在两相同步旋转dq坐标系下的最大值；n表示在故障期间转子电流和转子电压在两相同步旋转dq坐标系下的最小值；
设定输出变量从连续域中对应到离散域中的比例因子如下：
Figure BDA0003034044900000034
上式中：A表示输入变量在论域区间的最大值；B表示输入变量在论域区间的最小值；M表示附加补偿项的最大值；N表示附加补偿项的最小值；
步骤3.2：将连续域中的输入变量表示为离散域中的输入变量fin，fin的表达式如下：
Figure BDA0003034044900000041
上式中：i表示转子电流在离散域的值；u表示转子电压在离散域的值；x表示转子电流在连续域的任意值；y表示转子电压在连续域的任意值；
步骤3.3：模糊控制器将输入变量在模糊规则库中进行模糊推理，将输出的离散变量转化为连续域中的Δuout，将Δuout作为转子侧控制策略中的附加补偿项，Δuout的表达式为：
Figure BDA0003034044900000042
上式中：r表示模糊控制器输出的附加补偿项在离散域的值；
步骤3.4：利用附加补偿项改变转子电流内环的控制结构后，转子电流内环数学表达式如下：
Figure BDA0003034044900000043
上式中：Δu2d与Δu2q为增加的附加补偿项。
本发明相对于现有技术具备的有益效果为：本发明提供的采用附加补偿项的DFIG转子侧变换器故障穿越控制方法，无需增加硬件电路，因此降低了成本，可靠性更高，由于采用可模糊控制，可以在限制故障期间的转子过电流的同时也限制转子过电压，考虑较为全面，可以适应较大范围的电压跌落，控制方法较简单，便于工程实施；同时由于引入了滑模控制，对于DFIG这种非线性系统来说可以快速实现功率解耦控制。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步说明。
图1是本发明的转子侧变换器控制结构图。
图2是本发明中所提采用模糊控制器的附加补偿项的结构图。
图3是在电压对称跌落10％时，不采用限制策略的DFIG的转子A相电流实验波形。
图4是在电压对称跌落10％时，采用本发明的DFIG的转子A相电流实验波形。
图5是在电压对称跌落30％时，不采用限制策略的DFIG的转子A相电流实验波形。
图6是在电压对称跌落30％时，采用本发明的DFIG的转子A相电流实验波形。
图7是在电压对称跌落30％时，不采用限制策略的DFIG的转子电压实验波形。
图8是在电压对称跌落30％时，采用传统控制策略的DFIG的转子电压实验波形。
图9是在电压对称跌落30％时，采用本发明控制策略的DFIG的转子电压的实验波形。
具体实施方式
如图1至图9所示，本发明提供的采用附加补偿项的DFIG转子侧变换器故障穿越控制方法具体步骤如下：首先，在图1基础上，建立转子侧变换器功率外环的数学模型，如下：
设定子端功率误差为：
Figure BDA0003034044900000051
或
Figure BDA0003034044900000052
上式中，P1和
Figure BDA0003034044900000053
分别代表DFIG定子端输出有功功率的实际值与给定值，Q1和
Figure BDA0003034044900000054
分别代表DFIG定子端输出无功功率的实际值与给定值，由于有功功率和无功功率滑模控制器的设计思路完全一致，因此下面以有功功率为例。
选取功率外环系统的滑模面方程为：
Figure BDA0003034044900000055
式中，C为大于0的常数。
为了使系统一开始就进入滑模运动状态，必须设定适当的积分初值，可以表示为：
Figure BDA0003034044900000056
这样，当系统一开始t＝0时，S(0)＝0，此时系统就会进入滑动模态。
为保证系统的动态品质并消除滑模变结构的抖振带来的影响，采用指数趋近律的方法来设计控制器：
Figure BDA0003034044900000057
式中，W、K为大于0的控制参数，Sgn(s)为符号函数，可以表示如下：
Figure BDA0003034044900000058
控制参数的选取需满足以下滑动模态的存在条件：
Figure BDA0003034044900000059
满足上式时，系统中任意运动的点才会趋近于滑模面S来运动，滑模控制系统才能成立，外环的输出功率才能跟随上给定功率。
由上述公式可得：
Figure BDA0003034044900000061
根据转子电流和定子端功率的关系，可得内环转子电流与滑模控制器在两相同步旋转坐标系下的输出关系可以写为：
Figure BDA0003034044900000062
建立DFIG转子侧变换器的电流内环数学模型的具体步骤为：
建立DFIG转子侧变换器电流内环的数学模型，在同步旋转坐标系下，其表达式如下：
Figure BDA0003034044900000063
上式中：u2d、u2q为DFIG转子电压，R2为转子电阻，L1为定子电感，L2为转子电感，Lm为互感，i2d、i2q为转子电流，σ＝1-Lm 2/L1L2为漏磁系数，U1为电网电压幅值，ω1为同步角频率，ωslip＝ω1-ω2为转差角频率。
采用模糊控制实现对附加补偿项控制的具体步骤为：
给出输入变量从连续域中对应到离散域中的量化因子如下：
Figure BDA0003034044900000064
上式中，a表示输入变量在论域区间的最大值；b表示输入变量在论域区间的最小值；m表示在故障期间转子电流和转子电压在两相同步旋转dq坐标系下的最大值；n表示在故障期间转子电流和转子电压在两相同步旋转dq坐标系下的最小值；
给出输出变量从连续域中对应到离散域中的比例因子如下：
Figure BDA0003034044900000065
上式中，A表示输入变量在论域区间的最大值；B表示输入变量在论域区间的最小值；M表示附加补偿项的最大值；n表示附加补偿项的最小值；
任何连续域中的输入变量都可以表示为离散域中的fin，fin表示如下：
Figure BDA0003034044900000071
上式中，i表示转子电流在离散域的值；u表示转子电压在离散域的值；x表示转子电流在连续域的任意值；y表示转子电压在连续域的任意值；
模糊控制器将输入变量在模糊规则库中进行模糊推理，其输出值还需转化为连续域中的Δuout后才可作为转子侧控制策略中的附加补偿项，Δuout表示为如下：
Figure BDA0003034044900000072
上式中，r表示模糊控制器输出的附加补偿项在离散域的值。
利用附加补偿项改变转子电流内环的控制结构后，转子电流内环数学表达式如下：
Figure BDA0003034044900000073
上式中，Δu2d与Δu2q为增加的附加补偿项。
本发明采用附加补偿项的DFIG转子侧变换器故障穿越控制方法，通过设计的滑模控制器完成对功率外环的闭环控制，接着采用上述由模糊控制器控制的附加补偿项改变转子电流内环的控制结构后，完成电流内环的闭环控制，最后通过SVPWM实现对转子侧变换器的控制。
滑模控制模块包括用于转子侧变换器功率外环的滑模控制器；模糊控制模块包括用于转子侧变换器的电流内环控制器。
本发明的模糊控制器如图2所示。
下面结合具体实例对本发明的效果作详细描述。本实施例基于Matlab/Simulink仿真平台搭建，建立在电网电压对称跌落故障过程中DFIG转子侧变换器的模型，发电机额定功率为2200W，额定频率50Hz，极对数2，转子电阻2.9659Ω，转子电感0.0143H，定子电阻3.2Ω，定子电感0.0143H，定、转子绕组间互感0.2654H，IPM直流侧电压210V，开关频率10KHz。
图3为在电压跌落10％时不采用限制策略的DFIG的转子A相电流实验波形，相比于加入附加补偿项后的图4，可以从图4中看出此时转子电流的波动几乎可以被完全抑制。
图5给出了在电压跌落30％时不采用限制策略的DFIG的转子A相电流实验波形，图6为电压跌落30％时采用本发明的附加补偿项的DFIG的转子A相电流实验波形，虽然图6中转子电流的波动并未被完全抑制，但相比于不采用限制措施的图5，加入本发明所提的附加补偿项后可以从中看出，此时转子电流的波动峰值可以被限制在正常值的2倍左右，处于转子侧变换器的正常范围内。
图7、图8、图9给出了在电压跌落30％时几种控制策略的转子电压实验波形，图中对比可知，相对于不采取限制措施的图7，采用传统控制策略的图8和采用本发明所述的附加补偿项控制策略的图9均会使转子电压发生一定的升高，但是相对于传统控制策略来说，本发明所述的控制策略可以在一定程度上限制转子电压的升高，有利于保障转子侧变换器的安全运行。
本发明所提出的采用附加补偿项的DFIG转子侧变换器故障穿越控制技术对于提高DFIG在电压跌落期间的故障穿越能力具有良好的效果，故障期间的转子电流和转子电压均可以被限制在合理的范围内，从而保障了转子侧变换器的安全，因此本发明具有较好的实用性。
本发明通过模糊控制计算出故障期间的转子侧附加补偿项，因为在设计模糊控制器时已经将限制转子过电流与过电压考虑在内，因此输出的附加补偿项可以很好地抑制电气量的峰值，可以提高机组的故障穿越能力。而功率外环所用的滑模控制器本身就属于非线性控制领域，可以很好地适用于DFIG这种非线性系统，控制性能较优越。
关于本发明具体结构需要说明的是，本发明采用的各部件模块相互之间的连接关系是确定的、可实现的，除实施例中特殊说明的以外，其特定的连接关系可以带来相应的技术效果，并基于不依赖相应软件程序执行的前提下，解决本发明提出的技术问题，本发明中出现的部件、模块、具体元器件的型号、连接方式除具体说明的以外，均属于本领域技术人员在申请日前可以获取到的已公开专利、已公开的期刊论文、或公知常识等现有技术，无需赘述，使得本案提供的技术方案是清楚、完整、可实现的，并能根据该技术手段重现或获得相应的实体产品。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (3)

1.一种采用附加补偿项的DFIG转子侧变换器故障穿越控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：建立DFIG转子侧变换器的功率外环数学模型；
步骤二：建立DFIG转子侧变换器的电流内环数学模型；
步骤三：选择DFIG的转子电流、转子电压为输入变量，附加补偿项作为输出变量，采用模糊控制实现对附加补偿项的控制，利用附加补偿项改变电流内环的结构，根据故障期间转子电流、电压的大小，利用模糊控制器调节附加补偿项的大小，实现对电流内环的PI闭环控制；
步骤四：将步骤三中经过附加补偿改变后的转子电流内环控制结构输入SVPWM实现对转子侧变换器的控制；
所述步骤三采用模糊控制实现对附加补偿项控制的具体步骤为：
步骤3.1：设定输入变量从连续域中对应到离散域中的量化因子如下：
Figure FDA0003701288080000011
上式中：a表示输入变量在论域区间的最大值；b表示输入变量在论域区间的最小值；m表示在故障期间转子电流和转子电压在两相同步旋转dq坐标系下的最大值；n表示在故障期间转子电流和转子电压在两相同步旋转dq坐标系下的最小值；
设定输出变量从连续域中对应到离散域中的比例因子如下：
Figure FDA0003701288080000012
上式中：A表示输入变量在论域区间的最大值；B表示输入变量在论域区间的最小值；M表示附加补偿项的最大值；N表示附加补偿项的最小值；
步骤3.2：将连续域中的输入变量表示为离散域中的输入变量fin，fin的表达式如下：
Figure FDA0003701288080000013
上式中：i表示转子电流在离散域的值；u表示转子电压在离散域的值；x表示转子电流在连续域的任意值；y表示转子电压在连续域的任意值；
步骤3.3：模糊控制器将输入变量在模糊规则库中进行模糊推理，将输出的离散变量转化为连续域中的Δuout，将Δuout作为转子侧控制策略中的附加补偿项，Δuout的表达式为：
Figure FDA0003701288080000021
上式中：r表示模糊控制器输出的附加补偿项在离散域的值；
步骤3.4：利用附加补偿项改变转子电流内环的控制结构后，转子电流内环数学表达式如下：
Figure FDA0003701288080000022
上式中：Δu2d与Δu2q为增加的附加补偿项，u2d、u2q为DFIG转子电压，R2为转子电阻，L1为定子电感，L2为转子电感，Lm为互感，Ls为定子绕组的自感，i2d、i2q为转子电流，σ＝1-Lm 2/L1L2为漏磁系数，U1为电网电压幅值，ω1为同步角频率，ωslip＝ω1-ω2为转差角频率。
2.根据权利要求1所述的一种采用附加补偿项的DFIG转子侧变换器故障穿越控制方法，其特征在于：
所述步骤一中功率外环数学模型的建立具体采用滑模控制器实现对DFIG转子侧变换器的功率外环控制，具体步骤为：
步骤1.1：设定子端的功率误差为：
Figure FDA0003701288080000023
上式中：P1和P1 *分别代表DFIG定子端输出有功功率的实际值与给定值，Q1和
Figure FDA0003701288080000024
分别代表DFIG定子端输出无功功率的实际值与给定值；
选取功率外环系统的滑模面方程为：
Figure FDA0003701288080000025
上式中：C为大于0的常数；
设定积分初值为：
Figure FDA0003701288080000026
当系统一开始t＝0时，S(0)＝0，此时系统就会进入滑动模态；
步骤1.2：采用指数趋近律的方法设置有功功率滑模控制器、无功功率滑模控制器：
Figure FDA0003701288080000031
上式中：W、K为大于0的控制参数，Sgn(s)为符号函数，Sgn(s)的计算公式如下：
Figure FDA0003701288080000032
选取满足如下滑动模态存在条件的控制参数：
Figure FDA0003701288080000033
得到有功功率滑模控制器、无功功率滑模控制器的表达式如下：
Figure FDA0003701288080000034
步骤1.3：根据转子电流和定子端功率的关系，可得内环转子电流与滑模控制器在两相同步旋转坐标系下的输出关系为：
Figure FDA0003701288080000035
上式中：L1为定子电感，Lm为互感，U1为电网电压幅值，ω1为同步角频率。
3.根据权利要求1所述的一种采用附加补偿项的DFIG转子侧变换器故障穿越控制方法，其特征在于：
所述步骤二中建立DFIG转子侧变换器的电流内环数学模型的具体步骤为：
在两相同步旋转坐标系下建立DFIG转子侧变换器电流内环的数学模型，表达式如下：
Figure FDA0003701288080000036
上式中：u2d、u2q为DFIG转子电压，R2为转子电阻，L1为定子电感，L2为转子电感，Lm为互感，i2d、i2q为转子电流，σ＝1-Lm 2/L1L2为漏磁系数，U1为电网电压幅值，ω1为同步角频率，ωslip＝ω1-ω2为转差角频率。
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