CN113285638B - 一种风力发电机转子侧变换器的功率控制方法及系统 - Google Patents

一种风力发电机转子侧变换器的功率控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种风力发电机转子侧变换器的功率控制方法，涉及风力发电变流技术领域。所述方法主要包括：采用两个无加权因子的代价函数，引入代价函数约束参数的可调参数，给出定子有功功率的预测值和定子无功功率的预测值，判断满足两个代价函数约束条件的转子电压矢量参考值，进而通过优化模块得到最优的转子电压矢量参考值，基于最优的转子电压矢量参考值通过SVPWM模块得到风力发电机转子侧变换器开关管的驱动信号，实现风力发电机转子侧变换器的功率控制。本发明采用的功率控制技术，其两个代价函数不需要设计加权因子，并且简单易实现。

Description

一种风力发电机转子侧变换器的功率控制方法及系统
技术领域
本发明涉及风力发电变流技术领域，尤其涉及一种风力发电机转子侧变换器的功率控制方法。
背景技术
风力发电机的传统功率控制方法是基于滞环控制器和功率控制的开关表，以保持定子有功功率和无功功率尽可能接近它们的给定值。然而，滞环控制器会导致变换器的开关频率不固定，造成变换器输出滤波器设计困难。此外，使用滞环控制器和预先定义功率控制的开关表将不可避免地导致在最小化功率误差、功率纹波和电流谐波率方面选择非最优电压矢量。
预测功率控制方法是风力发电机功率控制领域重要的研究成果之一。传统的预测功率控制方法是基于功率的代价函数和转子电压矢量选择，来代替传统功率控制方法中的滞环控制器和功率控制的开关表。然而，传统的预测功率控制方法存在一个主要的缺点：代价函数需要设计加权因子。
发明内容
本发明的目的在于提供一种风力发电机转子侧变换器的功率控制方法以解决上述问题，该方法基于功率控制系统以实现，所述功率控制系统包括电信号采集装置及控制单元。
所述电信号采集装置用以采集风力发电机的定子、转子及转子侧变换器的电压和/或电流信号。
所述控制单元包括转子磁链和定子磁链计算模块、定子有功功率和定子无功功率计算模块、定子有功功率和定子无功功率预测模块、代价函数约束条件判断模块、优化模块、SVPWM模块。
该方法包括以下步骤：
步骤A：对所述功率控制系统设定离散采样周期为Ts及采样时刻k，并初始化k＝0；
步骤B：所述电信号采集装置采集第k时刻的定子电流矢量信号Is(k)和转子电流矢量信号Ir(k)，经所述转子磁链和定子磁链计算模块，得到第k时刻的转子磁链矢量信号Ψr(k)和第k时刻的定子磁链矢量信号Ψs(k)；
步骤C：基于所述第k时刻的转子磁链矢量信号Ψr(k)和所述第k时刻的定子磁链矢量信号Ψs(k)，经过所述定子有功功率和定子无功功率计算模块，得到风力发电机第k时刻的定子有功功率Ps(k)和第k时刻的定子无功功率Qs(k)；
步骤D：所述电信号采集装置采集所述变换器直流侧第k时刻的直流母线电压信号Udc(k)，所述定子有功功率和定子无功功率预测模块依据所述直流母线电压信号Udc(k)生成第k时刻的8个转子电压矢量参考值Ur s1s2s3(k)，
Ur s1s2s3(k)＝(2/3)(s1+s2a+s3a2)Udc(k)
其中：a＝ej2π/3，j为虚部单位；
s1＝1或0，s2＝1或0，s3＝1或0，s1s2s3代表所述变换器开关管8个不同的驱动信号状态；
基于所述第k时刻的8个转子电压矢量参考值Ur s1s2s3(k)、所述第k时刻的定子有功功率Ps(k)、所述第k时刻的定子无功功率Qs(k)、所述第k时刻的转子磁链矢量信号Ψr(k)和所述第k时刻的定子磁链矢量信号Ψs(k)，经过所述定子有功功率和定子无功功率预测模块，得到第k+1时刻的8个定子有功功率预测值Ps s1s2s3(k+1)和第k+1时刻的8个定子无功功率预测值Qs s1s2s3(k+1)；
步骤E：在功率控制系统中设定风力发电机的有功功率给定指令Ps，风力发电机的无功功率给定指令Qs，有功功率代价函数约束参数CP，无功功率代价函数约束参数CQ，给定代价函数约束参数的调整参数a1和a2；
步骤F：经所述代价函数约束条件判断模块，判断并筛选出符合约束条件的转子电压矢量参考值Ur s1s2s3(k)；
代价函数约束条件判断模块的约束判断条件为：
如果|Ps-Ps s1s2s3(k+1)|≤CP，且|Qs-Qs s1s2s3(k+1)|≤CQ，则所述风力发电机第k时刻的转子电压矢量参考值Ur s1s2s3(k)满足代价函数约束条件；
当8个电压矢量参考值Ur s1s2s3(k)均不满足约束条件时，执行步骤G；
当有1个及1个以上的电压矢量参考值Ur s1s2s3(k)满足约束条件时，执行步骤H；
步骤G：将CP+a1赋值给CP，将CQ+a2赋值给CQ，并返回步骤F执行；
步骤H：基于所述满足约束条件的转子电压矢量参考值Ur s1s2s3(k)，经所述优化模块，得到最优第k+1时刻的转子电压矢量参考值Vr(k)，所述优化模块的优化方法为：如果其中的一个转子电压矢量参考值Ur s1s2s3(k)，使得两个误差值“Ps与Ps s1s2s3(k+1)之间误差”以及“Qs与Qs s1s2s3(k+1)之间误差”之和最小，则该转子电压矢量参考值Ur s1s2s3(k)为最优第k+1时刻的转子电压矢量参考值Vr(k)；
步骤I：基于所述最优第k+1时刻的转子电压矢量参考值Vr(k)，经所述SVPWM模块,得到风力发电机转子侧变换器开关管第k时刻的驱动信号，进而驱动风力发电机转子侧变换器工作；
步骤J：将k+1赋值给k,等待下一采样周期,返回步骤B执行。
进一步地，在所述步骤B中，所述转子磁链和定子磁链计算模块的计算方式为：
Ψr(k)＝LrIr(k)+LmIs(k)
Ψs(k)＝LsIs(k)+LmIr(k)
其中：Lr为转子绕组自感；Lm为定转子互感，Ls为定子绕组自感。
进一步地，在所述步骤C中，所述定子有功功率和定子无功功率计算模块的计算方式为：
Ps(k)＝1.5ωsσLmIm{[Ψr(k)]*Ψs(k)}
Qs(k)＝1.5ωsσ[Lr|Ψs(k)|2-LmRe{[Ψr(k)]*Ψs(k)}]
其中：ωs为同步旋转角频率；σ为漏磁系数，且σ＝1/[LsLr-(Lm)2]；*为向量的共轭。
进一步地，在所述步骤D中，经过所述定子有功功率和定子无功功率预测模块，得到第k+1时刻的8个定子有功功率预测值Ps s1s2s3(k+1)和第k+1时刻的8个定子无功功率预测值Qs s1s2s3(k+1)的计算方式为：
Ps s1s2s3(k+1)＝Ps(k)+1.5TsωsσLm[Im{[Ur s1s2s3(k)]*Ψs(k)}+ωgRe{Ψs(k)[Ψr(k)]*}]，
Qs s1s2s3(k+1)＝Qs(k)-1.5TsωsσLm[Re{[Ur s1s2s3(k)]*Ψs(k)}-ωgRe{[Ψr(k)]*Ψs(k)}]，
其中，ωg为风力发电机角频率。
进一步地，在所述步骤H中，所述优化模块的优化方法为：如果其中的一个转子电压矢量参考值Ur s1s2s3(k)，使得|Ps-Ps s1s2s3(k+1)|+|Qs-Qs s1s2s3(k+1)|的值最小，则该转子电压矢量参考值Ur s1s2s3(k)为最优第k+1时刻的转子电压矢量参考值Vr(k)。
另一种优化方法为：所述优化模块的优化方法为：如果其中的一个转子电压矢量参考值Ur s1s2s3(k)，使得[Ps-Ps s1s2s3(k+1)]2+[Qs-Qs s1s2s3(k+1)]2的值最小，则该转子电压矢量参考值Ur s1s2s3(k)为最优第k+1时刻的转子电压矢量参考值Vr(k)。
进一步地，在步骤E中，所述风力发电机的有功功率给定指令Ps和风力发电机的无功功率给定指令Qs为阶跃式时变函数，用以测试所述方法的稳态和动态响应。
本发明还公开了一种风力发电机转子侧变换器的功率控制系统，所述功率控制系统基于上述功率控制方法以运行，所述功率控制系统包括电信号采集装置及控制单元：
所述电信号采集装置用以采集风力发电机的定子、转子及转子侧变换器的电压和/或电流信号；
所述控制单元包括依次连接的转子磁链和定子磁链计算模块、定子有功功率和定子无功功率计算模块、定子有功功率和定子无功功率预测模块、代价函数约束条件判断模块、优化模块、SVPWM模块。
进一步地，所述电信号采集装置包括，用于采集风力发电机定子电流量的定子电流传感器；用于采集风力发电机转子电流量的转子电流传感器；以及用于采集转子侧变换器电压量的直流母线电压传感器。
进一步地，所述定子电流传感器、转子电流传感器为霍尔电流传感器，所述直流母线电压传感器为霍尔电压传感器。采用非接触式的传感器可有效简化电路。
有益效果：本发明公开了一种风力发电机转子侧变换器的功率控制方法，使用了两个不带加权因子的代价函数，通过引入两个可调参数CP和CQ(有功功率约束和无功功率约束)，利用定子有功功率预测值和定子无功功率预测值，选择最优的转子电压矢量参考值。这种功率控制方法与传统的功率控制方法相比，能更简单地控制风力发电机的定子有功功率和无功功率，不需要设计加权因子，简单易实现。
附图说明
图1为本发明一种风力发电机转子侧变换器的功率控制方法的流程图；
图2为本发明所采用的一种风力发电机转子侧变换器的功率控制框图；
图3为仿真环境下的风速图；
图4为定子实时有功功率仿真结果示意图；
图5为定子实时无功功率仿真结果示意图。
其中：1-风力发电机；101-定子；102-转子；2-转子侧变换器；3-电网；4-定子电流传感器；5-转子电流传感器；6-转子磁链和定子磁链计算模块；7-定子有功功率和定子无功功率计算模块；8-直流母线电压传感器；9-定子有功功率和定子无功功率预测模块；10-代价函数约束条件判断模块；11-优化模块；12-SVPWM模块。
具体实施方式
本发明提出的一种风力发电机转子侧变换器的功率控制方法，该方法应用于风力发电机，通过本发明公开的功率控制方法，可以高效稳定的实现对风力发电机转子侧变换器的功率控制。
在本实施例中，无论是该功率控制方法还是功率控制系统都是基于风力发电机以实现的。但本发明阐述的重点为本功率控制方法的执行步骤以及实现该方法的功率控制系统的组成。由此在本实施例中，针对风力发电机的结构仅简略描述了和本发明有关的几个部分，而有关风力发电机结构的描述也不应作为对本发明保护范围的限制。
另外，本实施例中出现的“连接”一词，应做广义理解。在没有特定说明的情况下，应根据方案的实际情况，可以理解为有线连接，也可以作为无线连接；在涉及到数据交换时，还可理解为通信连接以达到模块间数据传输的目的。
首先，下文将结合附图对本实施例公开的一种风力发电机转子侧变换器的功率控制方法做详细描述。该功率控制方法基于功率控制系统以实现，功率控制系统包括电信号采集装置及控制单元，该系统的详细结构将在说明完本方法之后在做具体描述。
请结合图1、图2，图2中示出了控制框图，图中定子101、转子102、转子侧变换器2作为简化的风力发电机的构成，现有技术风力发电机上还包括风叶、齿轮箱等必要部件，因其并不参与到本发明公开的技术方案中，因此没有示出。转子侧变换器2为逆变器，其包含3组(共6个)开关管，开关管组成共有8种驱动状态，本发明的目的在于通过下文描述的方法得到最优的驱动状态，实现风力发电机转子侧变换器的功率控制。
本功率控制方法的具体步骤包括：
步骤A：对功率控制系统设定离散采样周期为Ts及采样时刻k，并初始化k＝0；
步骤B：电信号采集装置采集第k时刻的定子101电流矢量信号Is(k)和转子102电流矢量信号Ir(k)，经转子磁链和定子磁链计算模块6，得到第k时刻的转子磁链矢量信号Ψr(k)和第k时刻的定子磁链矢量信号Ψs(k)。
在本实施例中电信号采集装置可以为各种型号的电压传感器或电流传感器，可通过电性连接，亦或是其他非接触式测量的感应器，如：霍尔式传感器。
步骤C：基于第k时刻的转子磁链矢量信号Ψr(k)、第k时刻的定子磁链矢量信号Ψs(k)、经过定子有功功率和定子无功功率计算模块7，得到风力发电机第k时刻的定子有功功率Ps(k)和第k时刻的定子无功功率Qs(k)。
步骤D：电信号采集装置采集转子侧变换器2直流侧第k时刻的直流母线电压信号Udc(k)，定子有功功率和定子无功功率预测模块9依据直流母线电压信号Udc(k)生成第k时刻的8个转子电压矢量参考值Ur s1s2s3(k)，
Ur s1s2s3(k)＝(2/3)(s1+s2a+s3a2)Udc(k)
其中，
Figure GDA0003581920790000061
j为虚部单位。s1＝1或0，s2＝1或0，s3＝1或0，s1s2s3可以为“000；001；010；011；100；101；110；111”8个组合，代表转子侧变换器2开关管8个不同的驱动信号状态。由此，8个状态下的Ur s1s2s3(k)的值分别为：
U000 r(k)＝0；
U001 r(k)＝(2/3)ej4π/3Udc(k)；
U010 r(k)＝(2/3)ej2π/3Udc(k)；
U011 r(k)＝(2/3)ejπUdc(k)；
U100 r(k)＝2/3Udc(k)；
U101 r(k)＝(2/3)ej5π/3Udc(k)；
U110 r(k)＝(2/3)ejπ/3Udc(k)；
U111 r(k)＝0。
基于第k时刻的8个转子电压矢量参考值Ur s1s2s3(k)、第k时刻的定子有功功率Ps(k)、第k时刻的定子无功功率Qs(k)、第k时刻的转子磁链矢量信号Ψr(k)和第k时刻的定子磁链矢量信号Ψs(k)，经过定子有功功率和定子无功功率预测模块9，得到第k+1时刻的8个定子有功功率预测值Ps s1s2s3(k+1)和第k+1时刻的8个定子无功功率预测值Qs s1s2s3(k+1)。
步骤E：在功率控制系统中设定风力发电机的有功功率给定指令Ps，风力发电机的无功功率给定指令Qs，有功功率代价函数约束参数CP，无功功率代价函数约束参数CQ，给定代价函数约束参数的调整参数a1和a2。
步骤F：经代价函数约束条件判断模块10，判断并筛选出符合约束条件的转子电压矢量参考值Ur s1s2s3(k)，代价函数约束条件判断模块10的约束判断条件为：
如果|Ps-Ps s1s2s3(k+1)|≤CP，且|Qs-Qs s1s2s3(k+1)|≤CQ，则风力发电机第k时刻的转子电压矢量参考值Ur s1s2s3(k)满足代价函数约束条件，当8个电压矢量参考值Ur s1s2s3(k)均不满足约束条件时，执行步骤G；当有1个及1个以上的电压矢量参考值Ur s1s2s3(k)满足约束条件时，执行步骤H。
步骤G：将CP+a1赋值给CP，将CQ+a2赋值给CQ，并返回步骤F执行。
步骤H：基于满足约束条件的转子电压矢量参考值Ur s1s2s3(k)，经优化模块11，得到最优第k+1时刻的转子电压矢量参考值Vr(k)。即：在所有满足约束条件的转子电压矢量参考值Ur s1s2s3(k)中优化得出其中的最优值，并将最优值作为第k+1时刻的转子电压矢量参考值Vr(k)，优化模块的优化方法为：如果其中的一个转子电压矢量参考值Ur s1s2s3(k)，使得两个误差值“Ps与Ps s1s2s3(k+1)之间误差”以及“Qs与Qs s1s2s3(k+1)之间误差”之和最小，则该转子电压矢量参考值Ur s1s2s3(k)为最优第k+1时刻的转子电压矢量参考值Vr(k)。
步骤I：基于最优第k+1时刻的转子电压矢量参考值Vr(k)，经SVPWM模块12，得到风力发电机转子侧变换器开关管第k时刻的驱动信号，进而驱动风力发电机转子侧变换器2工作。本步骤的目的在于：Vr(k)作为一个矢量参考值，变换器2是无法直接识别Vr(k)并根据Vr(k)更改开关管驱动状态的。SVPWM模块12的作用就是将Vr(k)转化成变换器2的驱动信号。
步骤J：将k+1赋值给k,等待下一采样周期,返回步骤B执行。
进一步地，在步骤B中，转子磁链和定子磁链计算模块6的计算方式为：
Ψr(k)＝LrIr(k)+LmIs(k)，
Ψs(k)＝LsIs(k)+LmIr(k)，
其中：Lr为转子绕组自感；Lm为定转子互感，Ls为定子绕组自感。
进一步地，在步骤C中，定子有功功率和定子无功功率计算模块7的计算方式为：
Ps(k)＝1.5ωsσLmIm{[Ψr(k)]*Ψs(k)}
Qs(k)＝1.5ωsσ[Lr|Ψs(k)|2-LmRe{[Ψr(k)]*Ψs(k)}]
其中：ωs为同步旋转角频率；σ为漏磁系数，且σ＝1/[LsLr-(Lm)2]；*为向量的共轭。
进一步地，在步骤D中，经过所述定子有功功率和定子无功功率预测模块9，得到第k+1时刻的8个定子有功功率预测值Ps s1s2s3(k+1)和第k+1时刻的8个定子无功功率预测值Qs s1s2s3(k+1)。
Ps s1s2s3(k+1)的计算公式为：
Ps s1s2s3(k+1)＝Ps(k)+1.5TsωsσLm[Im{[Ur s1s2s3(k)]*Ψs(k)}+ωgRe{Ψs(k)[Ψr(k)]*}] (I)
由此，具体地8个驱动状态下的有功功率预测值为：
Ps 000(k+1)＝Ps(k)+1.5TsωsσLm[Im{[U000 r(k)]*Ψs(k)}+ωgRe{Ψs(k)[Ψr(k)]*}]，
Ps 001(k+1)＝Ps(k)+1.5TsωsσLm[Im{[U001 r(k)]*Ψs(k)}+ωgRe{Ψs(k)[Ψr(k)]*}]，
Ps 010(k+1)＝Ps(k)+1.5TsωsσLm[Im{[U010 r(k)]*Ψs(k)}+ωgRe{Ψs(k)[Ψr(k)]*}]，
Ps 011(k+1)＝Ps(k)+1.5TsωsσLm[Im{[U011 r(k)]*Ψs(k)}+ωgRe{Ψs(k)[Ψr(k)]*}]，
Ps 100(k+1)＝Ps(k)+1.5TsωsσLm[Im{[U100 r(k)]*Ψs(k)}+ωgRe{Ψs(k)[Ψr(k)]*}]，
Ps 101(k+1)＝Ps(k)+1.5TsωsσLm[Im{[U101 r(k)]*Ψs(k)}+ωgRe{Ψs(k)[Ψr(k)]*}]，
Ps 110(k+1)＝Ps(k)+1.5TsωsσLm[Im{[U110 r(k)]*Ψs(k)}+ωgRe{Ψs(k)[Ψr(k)]*}]，
Ps 111(k+1)＝Ps(k)+1.5TsωsσLm[Im{[U111 r(k)]*Ψs(k)}+ωgRe{Ψs(k)[Ψr(k)]*}]，
Qs s1s2s3(k+1)的计算公式为：
Qs s1s2s3(k+1)＝Qs(k)-1.5TsωsσLm[Re{[Ur s1s2s3(k)]*Ψs(k)}-ωgRe{[Ψr(k)]*Ψs(k)}] (II)
由此，具体地8个驱动状态下的有功功率预测值为：
Qs 000(k+1)＝Qs(k)-1.5TsωsσLm[Re{[U000 r(k)]*Ψs(k)}-ωgRe{[Ψr(k)]*Ψs(k)}]，
Qs 001(k+1)＝Qs(k)-1.5TsωsσLm[Re{[U001 r(k)]*Ψs(k)}-ωgRe{[Ψr(k)]*Ψs(k)}]，
Qs 010(k+1)＝Qs(k)-1.5TsωsσLm[Re{[U010 r(k)]*Ψs(k)}-ωgRe{[Ψr(k)]*Ψs(k)}]，
Qs 011(k+1)＝Qs(k)-1.5TsωsσLm[Re{[U011 r(k)]*Ψs(k)}-ωgRe{[Ψr(k)]*Ψs(k)}]，
Qs 100(k+1)＝Qs(k)-1.5TsωsσLm[Re{[U100 r(k)]*Ψs(k)}-ωgRe{[Ψr(k)]*Ψs(k)}]，
Qs 101(k+1)＝Qs(k)-1.5TsωsσLm[Re{[U101 r(k)]*Ψs(k)}-ωgRe{[Ψr(k)]*Ψs(k)}]，
Qs 110(k+1)＝Qs(k)-1.5TsωsσLm[Re{[U110 r(k)]*Ψs(k)}-ωgRe{[Ψr(k)]*Ψs(k)}]，
Qs 111(k+1)＝Qs(k)-1.5TsωsσLm[Re{[U111 r(k)]*Ψs(k)}-ωgRe{[Ψr(k)]*Ψs(k)}]；
在上述公式(I)和(II)中，ωg为风力发电机角频率。
进一步地，在步骤H中，优化模块11的优化方法为：如果其中的一个转子电压矢量参考值Ur s1s2s3(k)，使得|Ps-Ps s1s2s3(k+1)|+|Qs-Qs s1s2s3(k+1)|的值最小，则该转子电压矢量参考值Ur s1s2s3(k)为最优第k+1时刻的转子电压矢量参考值Vr(k)；
结合步骤E，该优化方法的含义为，在若干满足条件的驱动状态下，实时的有功功率Ps s1s2s3(k+1)与设定的有功功率Ps之间的误差为|Ps-Ps s1s2s3(k+1)|，实时的无功功率Qs s1s2s3(k+1)与设定的无功功率Qs之间的误差为|Qs-Qs s1s2s3(k+1)|，选取其中一个驱动状态使得这两个误差的总和是最小的，则该驱动状态即为最优的驱动状态。
显然，其采用绝对值的算法是为了将误差值取正数。由此还有其他若干的算法，另外的一种优化方法为：如果其中的一个转子电压矢量参考值Ur s1s2s3(k)，使得[Ps-Ps s1s2s3(k+1)]2+[Qs-Qs s1s2s3(k+1)]2的值最小，则该转子电压矢量参考值Ur s1s2s3(k)为最优第k+1时刻的转子电压矢量参考值Vr(k)。本算法采用误差值的平方以保证误差值为正数。诸如此类的方法还有很多，在此不做赘述。
本实施例提供了一组仿真数据以更清楚的展示本方法的效果，仿真的结果请参照图3、图4以及图5。
本实施例在仿真环境下设置的基本参数如下：
风力发电机1的额定功率Pn为1500kW，额定频率f为50Hz，电网3线电压为380V，极对数p为2，定子101电阻Rs为0.46Ω，转子102电阻Rr为0.18Ω，定子绕组自感Ls为0.006H，转子绕组自感Lr为0.212H，定转子互感Lm为0.033H。上述为风力发电机1相关的参数设置，符合实际情况即可。
本实施例公开的仿真实验的运行时间共2s，图3、图4、图5的横坐标均表示仿真实验的时间。
仿真环境下的风速如图3所示，风速在7.4m/s至15.4m/s之间变化，平均风速为11.3m/s。
步骤A中的离散采样周期Ts设定为0.00001s；
步骤E中的有功功率代价函数约束参数CP、无功功率代价函数约束参数CQ可自由设定为一个常量，本实施例中CP＝16.5kW；CQ＝16.5kVar。给定代价函数约束参数的调整参数a1和a2可自由设定，本实施例中a1＝0.5kW，a2＝0.5kVar。
另一组需要设定的数据为有功功率给定指令Ps和无功功率给定指令Qs，两个指令可以被设定为任意的常量。如:Ps＝-10×105W；Qs＝2.5×105Var。但是，为了观察风力发电机1的动态和稳态响应，优选地，风力发电机的有功功率给定指令Ps和风力发电机的无功功率给定指令Qs为阶跃式时变函数。
具体地，本实施例中，Ps和Qs的阶跃式时变函数是这样设定的：
风力发电机1的有功功率给定指令Ps开始被设定为0W；在时间为0.4s时，有功功率给定指令Ps从0W跳变到-5×105W；在时间为1s时，有功功率给定指令Ps从-5×105W跳变到-15×105W；在时间为1.6s时，有功功率给定指令Ps从-15×105W跳变到-5×105W。
风力发电机1的无功功率给定指令Qs开始被设定为-5×105Var；在时间为0.6s时，无功功率给定指令Qs从-5×105Var跳变到0Var；在时间为1s时，无功功率给定指令Qs从0Var跳变到2.5×105Var；在时间为1.6s时，无功功率给定指令Qs从2.5×105Var跳变到5×105Var。
图4、图5给出了本实施例中仿真实验的结果，可以看出，定子实时有功功率(图4)和定子实时无功功率(图5)虽在图形上有微小幅度的波动，但总体上是沿有功功率给定指令Ps和无功功率给定指令Qs设定的阶跃式时变函数而变化的。
综上，本功率控制方法可高效地实现对风力发电机转子侧变换器的功率控制，且具有较好的动态响应。
本实施例还公开了一种风力发电机转子侧变换器的功率控制系统，该功率控制系统用以实现上述功率控制方法。具体地，功率控制系统包括电信号采集装置及控制单元。
电信号采集装置分别与风力发电机的定子101、转子102及转子侧变换器2相连接，以采集定子101、转子102及转子侧变换器2的电压和/或电流信号。
控制单元包括依次连接的转子磁链和定子磁链计算模块6、定子有功功率和定子无功功率计算模块7、定子有功功率和定子无功功率预测模块9、代价函数约束条件判断模块10、优化模块11、SVPWM模块12。控制单元中各模块之间采用通信连接以传输数据。控制单元与电信号采集装置之间亦采用通信连接。
该系统详细的连接方式请参照图2，以下给以说明：电信号采集装置子电流矢量信号Is(k)和转子电流矢量信号Ir(k)并发送至转子磁链和定子磁链计算模块6，经计算得出转子磁链矢量信号Ψr(k)和定子磁链矢量信号Ψs(k)。
转子磁链和定子磁链计算模块6将Ψr(k)和Ψs(k)分别发送至定子有功功率和定子无功功率计算模块7和定子有功功率和定子无功功率预测模块9，定子有功功率和定子无功功率计算模块7根据Ψr(k)和Ψs(k)计算得到第k时刻的定子有功功率Ps(k)和第k时刻的定子无功功率Qs(k)并将Ps(k)、Qs(k)发送至定子有功功率和定子无功功率预测模块9。
电信号采集装置采集转子侧变换器2的电压Udc(k)并发送至定子有功功率和定子无功功率预测模块9，定子有功功率和定子无功功率预测模块9计算得出Ps s1s2s3(k+1)、Qs s1s2s3(k+1)，同时生成对应驱动状态下的转子电压矢量参考值Ur s1s2s3(k)。并将上述所得数据发送至代价函数约束条件判断模块10。
代价函数约束条件判断模块10；判断并筛选出符合约束条件的转子电压矢量参考值Ur s1s2s3(k)；并将满足条件的若干Ur s1s2s3(k)发送至优化模块11；优化模块11优化得出最优的Ur s1s2s3(k)作为第k+1时刻的转子电压矢量参考值Vr(k)，并将Vr(k)发送至SVPWM模块12，SVPWM模块12将Vr(k)转化成对应的转子侧变换器2的驱动信号。
上述为各模块件的信息传输关系，信息传输的过程以代表各模块之间的连接关系。
进一步地，电信号采集装置包括：用于采集风力发电机定子电流量的定子电流传感器4；用于采集风力发电机转子电流量的转子电流传感器5；以及用于采集转子侧变换器电压量的直流母线电压传感器8。
进一步地，定子电流传感器4、转子电流传感器5为霍尔电流传感器，直流母线电压传感器8为霍尔电压传感器，采用非接触式的传感器可有效简化电路连接。
本实施例仅为本发明一种较优的实施方式，尽管上述已较为详尽的给出了具体的技术方案，但不应构成对本发明保护范围的限制。尤其是仿真过程中设置的一些参数，不应理解为对本发明技术方案的限制。方法权利要求中的部分步骤，在可实现的基础上存在顺序变换的可能。本领域技术人员在可以实现的基础上，使用本发明的原理，但改变了部分步骤的顺序也应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种风力发电机转子侧变换器的功率控制方法，该方法基于功率控制系统以实现，所述功率控制系统包括电信号采集装置及控制单元；
所述电信号采集装置用以采集风力发电机的定子、转子及转子侧变换器的电压和/或电流信号；
所述控制单元包括转子磁链和定子磁链计算模块、定子有功功率和定子无功功率计算模块、定子有功功率和定子无功功率预测模块、代价函数约束条件判断模块、优化模块、SVPWM模块；
其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤A：对所述功率控制系统设定离散采样周期为Ts及采样时刻k，并初始化k＝0；
步骤B：所述电信号采集装置采集第k时刻的定子电流矢量信号Is(k)和转子电流矢量信号Ir(k)，经所述转子磁链和定子磁链计算模块，得到第k时刻的转子磁链矢量信号Ψr(k)和第k时刻的定子磁链矢量信号Ψs(k)；
步骤C：基于所述第k时刻的转子磁链矢量信号Ψr(k)和所述第k时刻的定子磁链矢量信号Ψs(k)，经过所述定子有功功率和定子无功功率计算模块，得到风力发电机第k时刻的定子有功功率Ps(k)和第k时刻的定子无功功率Qs(k)；
步骤D：所述电信号采集装置采集所述变换器直流侧第k时刻的直流母线电压信号Udc(k)，所述定子有功功率和定子无功功率预测模块依据所述直流母线电压信号Udc(k)生成第k时刻的8个转子电压矢量参考值Ur s1s2s3(k)，
Ur s1s2s3(k)＝(2/3)(s1+s2a+s3a2)Udc(k)
其中：a＝ej2π/3，j为虚部单位；
s1＝1或0，s2＝1或0，s3＝1或0，s1s2s3代表所述变换器开关管8个不同的驱动信号状态；
基于所述第k时刻的8个转子电压矢量参考值Ur s1s2s3(k)、所述第k时刻的定子有功功率Ps(k)、所述第k时刻的定子无功功率Qs(k)、所述第k时刻的转子磁链矢量信号Ψr(k)和所述第k时刻的定子磁链矢量信号Ψs(k)，经过所述定子有功功率和定子无功功率预测模块，得到第k+1时刻的8个定子有功功率预测值Ps s1s2s3(k+1)和第k+1时刻的8个定子无功功率预测值Qs s1s2s3(k+1)；
步骤E：在功率控制系统中设定风力发电机的有功功率给定指令Ps，风力发电机的无功功率给定指令Qs，有功功率代价函数约束参数CP，无功功率代价函数约束参数CQ，给定代价函数约束参数的调整参数a1和a2；
步骤F：经所述代价函数约束条件判断模块，判断并筛选出符合约束条件的转子电压矢量参考值Ur s1s2s3(k)；
代价函数约束条件判断模块的约束判断条件为：
如果|Ps-Ps s1s2s3(k+1)|≤CP，且|Qs-Qs s1s2s3(k+1)|≤CQ，则所述风力发电机第k时刻的转子电压矢量参考值Ur s1s2s3(k)满足代价函数约束条件；
当8个电压矢量参考值Ur s1s2s3(k)均不满足约束条件时，执行步骤G；
当有1个及1个以上的电压矢量参考值Ur s1s2s3(k)满足约束条件时，执行步骤H；
步骤G：将CP+a1赋值给CP，将CQ+a2赋值给CQ，并返回步骤F执行；
步骤H：基于所述满足约束条件的转子电压矢量参考值Ur s1s2s3(k)，经所述优化模块，得到最优第k+1时刻的转子电压矢量参考值Vr(k)，所述优化模块的优化方法为：如果其中的一个转子电压矢量参考值Ur s1s2s3(k)，使得两个误差值“Ps与Ps s1s2s3(k+1)之间误差”以及“Qs与Qs s1s2s3(k+1)之间误差”之和最小，则该转子电压矢量参考值Ur s1s2s3(k)为最优第k+1时刻的转子电压矢量参考值Vr(k)；
步骤I：基于所述最优第k+1时刻的转子电压矢量参考值Vr(k)，经所述SVPWM模块,得到风力发电机转子侧变换器开关管第k时刻的驱动信号，进而驱动风力发电机转子侧变换器工作；
步骤J：将k+1赋值给k,等待下一采样周期,返回步骤B执行。
2.根据权利要求1所述的一种风力发电机转子侧变换器的功率控制方法，其特征在于：在所述步骤B中，所述转子磁链和定子磁链计算模块的计算方式为：
Ψr(k)＝LrIr(k)+LmIs(k)
Ψs(k)＝LsIs(k)+LmIr(k)
其中：Lr为转子绕组自感；Lm为定转子互感，Ls为定子绕组自感。
3.根据权利要求2所述的一种风力发电机转子侧变换器的功率控制方法，其特征在于：在所述步骤C中，所述定子有功功率和定子无功功率计算模块的计算方式为：
Ps(k)＝1.5ωsσLmIm{[Ψr(k)]*Ψs(k)}
Qs(k)＝1.5ωsσ[Lr|Ψs(k)|2-LmRe{[Ψr(k)]*Ψs(k)}]
其中：ωs为同步旋转角频率；σ为漏磁系数，且σ＝1/[LsLr-(Lm)2]；*为向量的共轭。
4.根据权利要求3所述的一种风力发电机转子侧变换器的功率控制方法，其特征在于：在所述步骤D中，经过所述定子有功功率和定子无功功率预测模块，得到第k+1时刻的8个定子有功功率预测值Ps s1s2s3(k+1)和第k+1时刻的8个定子无功功率预测值Qs s1s2s3(k+1)的计算方式为：
Ps s1s2s3(k+1)＝Ps(k)+1.5TsωsσLm[Im{[Ur s1s2s3(k)]*Ψs(k)}+ωgRe{Ψs(k)[Ψr(k)]*}]，
Qs s1s2s3(k+1)＝Qs(k)-1.5TsωsσLm[Re{[Ur s1s2s3(k)]*Ψs(k)}-ωgRe{[Ψr(k)]*Ψs(k)}]，
其中，ωg为风力发电机角频率。
5.根据权利要求1所述的一种风力发电机转子侧变换器的功率控制方法，其特征在于：在所述步骤H中，所述优化模块的优化方法为：如果其中的一个转子电压矢量参考值Ur s1s2s3(k)，使得|Ps-Ps s1s2s3(k+1)|+|Qs-Qs s1s2s3(k+1)|的值最小，则该转子电压矢量参考值Ur s1s2s3(k)为最优第k+1时刻的转子电压矢量参考值Vr(k)。
6.根据权利要求1所述的一种风力发电机转子侧变换器的功率控制方法，其特征在于：在所述步骤H中，所述优化模块的优化方法为：如果其中的一个转子电压矢量参考值Ur s1s2s3(k)，使得[Ps-Ps s1s2s3(k+1)]2+[Qs-Qs s1s2s3(k+1)]2的值最小，则该转子电压矢量参考值Ur s1s2s3(k)为最优第k+1时刻的转子电压矢量参考值Vr(k)。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的一种风力发电机转子侧变换器的功率控制方法，其特征在于：在步骤E中，所述风力发电机的有功功率给定指令Ps和风力发电机的无功功率给定指令Qs为阶跃式时变函数，用以测试所述功率控制方法的稳态和动态响应。
8.一种风力发电机转子侧变换器的功率控制系统，所述功率控制系统基于如权利要求1-7中任一项所述的风力发电机转子侧变换器的功率控制方法以运行，其特征在于，所述功率控制系统包括电信号采集装置及控制单元：
所述电信号采集装置用以采集风力发电机的定子、转子及转子侧变换器的电压和/或电流信号；
所述控制单元包括依次连接的转子磁链和定子磁链计算模块、定子有功功率和定子无功功率计算模块、定子有功功率和定子无功功率预测模块、代价函数约束条件判断模块、优化模块、SVPWM模块。
9.根据权利要求8所述的一种风力发电机转子侧变换器的功率控制系统，其特征在于：所述电信号采集装置包括，
用于采集风力发电机定子电流量的定子电流传感器；
用于采集风力发电机转子电流量的转子电流传感器；
以及，用于采集转子侧变换器电压量的直流母线电压传感器。
10.根据权利要求9所述的一种风力发电机转子侧变换器的功率控制系统，其特征在于：所述定子电流传感器、转子电流传感器为霍尔电流传感器，所述直流母线电压传感器为霍尔电压传感器。
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