一种双馈感应发电机的无锁相环电流控制方法及装置与流程

本发明涉及双馈感应风力发电机控制领域，具体涉及一种双馈感应发电机的无锁相环电流控制方法及装置。

背景技术：

随着双馈风电机组在风电场的广泛装机与应用，双馈感应发电机作为整个机组发电部件的核心单元，其运行与控制技术得到了重点研究。目前，双馈感应发电机的控制方案主要有两种：矢量控制和直接功率控制。

矢量控制，一般实施于同步旋转坐标系中，以转子电流为被控对象构造相应的控制闭环，通过调节转子电流的励磁分量和转矩分量，从而间接实现对双馈感应发电机定子输出有功、无功电流的控制。其中，转子电流指令配置却表现出对发电机参数的强依赖性，但在实际运行中，双馈感应发电机参数处于非线性变化中，很难获取其准确参数，这将对双馈感应发电机输出有功、无功电流带来明显影响。

直接功率控制，最初根据有功、无功功率的误差采用滞环控制器和开关表查询方法产生转子电压指令，这种结构去除了电流控制环而使控制结构大为化简，但由于变换器开关频率不固定的弊病，导致电流谐波频带宽、滤波器设计难等负面效应。因此，zhi.dw和xu.l在标题为directpowercontrolofdfigwithconstantswitchingfrequencyandimprovedtransientperformance(ieeetransactionsonenergyconversion,2007,22(1):110-118.)的文献中提出了一种恒开关频率的直接功率控制，该方法的核心是根据锁相环获得的定子磁链或定子电压相位角对测量到的电压、电流进行坐标变换，由有功、无功功率误差经过pi调节器可获得相应的励磁电压指令。在ieee、iec和我国的电能质量相关标准中，都对并网电流提出了相应的定量指标，但直接功率控制由于缺少对于电流的闭环调节，难于控制输出电流质量。

此外，矢量控制、直接功率控制，一般多采用锁相环提取电网电压相位角，并作为控制系统的参考基准。然而，目前有研究证明，锁相环将会导致变流器输出负阻抗，并且与电网正阻抗相互耦合作用产生振荡现象，严重时甚至会出现失稳现象。

因此，需要一种双馈感应发电机的无锁相环电流控制方法及装置，来简化了控制系统设计和实施流程，增强控制系统对发电机参数变化的适应性。

技术实现要素：

本发明提供一种双馈感应发电机的无锁相环电流控制方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1：采集双馈感应发电机的参数，对所述参数进行坐标变换，得到静止α-β坐标系下的定子电压矢量usαβ和定子电流矢量isαβ；

步骤2：根据虚拟相位角θ0对定子电压矢量usαβ和定子电流矢量isαβ进行坐标变换，得到虚拟同步旋转坐标系下的定子电压矢量usdq和定子电流矢量isdq；

步骤3：计算双馈感应发电机的定子电流矢量isdq的d、q轴指令；

步骤4：根据双馈感应发电机定子电流d、q轴指令与实际测量的反馈值，计算虚拟同步旋转坐标系下的转子电压指令urdq；

步骤5：对转子电压指令urdq进行坐标反变换，得到转子两相静止α-β坐标系下的转子电压指令urαβ；

步骤6：根据所述转子电压指令urαβ，生成一组pwm信号对双馈感应发电机的转子变流器进行控制。

所述步骤1采集的参数包括双馈感应发电机的三相定子电压矢量usabc、三相定子电流矢量isabc、转子旋转的电角速度ωr以及转子位置角θr。

所述步骤1根据下式对所述三相定子电压矢量usabc和三相定子电流矢量isabc进行坐标变换：

其中：usα和usβ分别为定子电压矢量usαβ的α轴分量和β轴分量，isα和isβ分别为定子电流矢量isαβ的α轴分量和β轴分量，usa、usb和usc分别为三相定子电压矢量usabc的a轴、b轴和c轴分量，isa、isb和isc分别为三相定子电流矢量isabc的a轴、b轴和c轴分量。

所述步骤2按下式计算虚拟相位角θ0：

θ0＝∫2πf0dt

其中：f0＝50hz为固定旋转角频率，虚拟相位角θ0是周期为20毫秒、幅值为2π的锯齿波信号。

所述步骤2按下式对定子电压矢量usαβ和定子电流矢量isαβ进行坐标变换：

其中：usd和usq分别为定子电压矢量usdq的d轴分量和q轴分量，isd和isq分别为定子电流矢量isdq的d轴分量和q轴分量，usα和usβ分别为定子电压矢量usαβ的α轴分量和β轴分量，isα和isβ分别为定子电流矢量isαβ的α轴分量和β轴分量，θ0为虚拟相位角。

所述步骤3按下式计算双馈感应发电机的定子电流isdq的d轴和q轴指令isd.ref和isq.ref：

其中：usd和usq分别为定子电压矢量usdq的d轴分量和q轴分量，ps.ref和qs.ref为双馈感应发电机定子有功、无功功率指令。

所述步骤4用误差调节解耦补偿算法计算转子电压指令urdq，包括如下步骤：

步骤4-1：用双馈感应发电机定子电流的d轴和q轴的指令isd.ref和isq.ref分别减去实际测量的定子电流的d轴和q轴分量isd和isq，计算双馈感应发电机定子电流的误差信号δisd和δisq；

步骤4-2：根据双馈感应发电机定子电流的误差信号δisd和δisq，计算虚拟同步旋转坐标系下的电压调节矢量v'rdq；

步骤4-3：对电压调节矢量v'rdq进行电压解耦补偿，得到虚拟同步旋转坐标系下的转子电压指令urdq。

所述步骤4-2电压调节矢量v'rdq在d轴的分量和q轴的分量v'rd和v'rq如下式所示：

其中：kp为比例系数，ki为积分系数，ω0＝2πf0＝100π为虚拟旋转角速度，s为拉普拉斯算子。

所述步骤4-3根据下式所示的转子电压指令urdq对电压调节矢量v'rdq进行解耦补偿：

其中：usd和usq分别为定子电压矢量usdq的d轴分量和q轴分量，erd和erq分别为电压解耦矢量erdq的d轴分量和q轴分量，ψsd和ψsq分别为定子电压矢量ψsdq的d轴分量和q轴分量，v'rd和v'rq分别为电压调节矢量v'rdq的d轴分量和q轴分量，urd和urq分别为转子电压指令urdq的d轴分量和q轴分量，lr为双馈感应发电机的转子电感，lm为双馈感应发电机的定转子互感，ωr为双馈感应发电机转子旋转的电角速度。

所述的步骤5根据下式对双馈感应发电机转子电压指令urdq进行坐标变换：

其中：urd和urq分别为转子电压指令urdq的d轴分量和q轴分量，urα和urβ分别为转子电压指令urαβ的α轴分量和β轴分量。

本发明提供一种双馈感应发电机的无锁相环电流控制装置，所述装置包括：采集模块，用于采集双馈感应发电机的参数；

第一坐标变换模块，用于对采集的三相定子电压矢量usabc和三相定子电流矢量isabc进行坐标变换，得到两相静止α-β坐标系下的定子电压矢量usαβ和定子电流矢量isαβ；

第二坐标变换模块，用于对定子电压矢量usαβ和定子电流矢量isαβ进行坐标变换，得到虚拟同步旋转坐标系下的定子电压矢量usdq和定子电流矢量isdq；

定子电流指令配置模块，用于计算双馈感应发电机的定子电流isdq的d轴和q轴指令isd.ref和isq.ref；

转子电压指令配置模块，用于计算虚拟同步旋转坐标系下的转子电压指令urdq；

第三坐标变换模块，用于对双馈感应发电机转子电压指令urdq进行坐标变换，得到两相静止α-β坐标系下的转子电压指令urαβ；

空间矢量调节模块，用于根据所述转子电压指令urαβ生成一组pwm信号。

所述第一坐标变换模块与第二坐标变换模块连接；

所述定子电流指令配置模块、转子电压指令配置模块、第三坐标变换模块和空间矢量调节模块依次连接。

所述转子电压指令配置模块包括定子电流闭环调节模块和定子电流解耦补偿模块。

与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

本发明提供的技术方案，可去除以建立电网电压同步信号角、提取正序基频电压幅值为工作目标的锁相环环节，简化了控制系统设计和实施流程，同时电流闭环控制环路中与发电机参数无关，增强了控制系统对发电机参数变化的适应性。

附图说明

图1为本发明双馈感应发电机的无锁相环电流控制装置框图；

其中，1：双馈感应发电机，2：电压传感器模块，3：电流传感器模块，4：两电平电压源型三相变流器模块，5：光电编码器，6：clarke变换模块，7：parker变换模块，8：增量式积分器，9：定子电流指令配置模块，10：定子电流闭环调节模块，11：定子电流解耦补偿模块，12：parker反变换模块，13：空间矢量调节模块，14：虚拟相位角配置模块；

图2为双馈感应发电机仿真结果图；

其中，(a)双馈感应发电机三相定子电流仿真结果图，(b)为双馈感应发电机三相转子电流仿真结果图，(c)为双馈感应发电机的有功功率和无功功率仿真结果图，(d)为虚拟同步旋转坐标系中定子电流d轴分量及其相应的误差仿真结果图，(e)为虚拟同步旋转坐标系中定子电流q轴分量及其相应的误差仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明：

本发明一种双馈感应发电机的无锁相环电流控制方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1：采集双馈感应发电机的参数，对所述参数进行坐标变换，得到两相静止α-β坐标系下的定子电压矢量usαβ和定子电流矢量isαβ；

步骤2：对定子电压矢量usαβ和定子电流矢量isαβ进行坐标变换，得到虚拟同步旋转坐标系下的定子电压矢量usdq和定子电流矢量isdq；

步骤3：根据定子电压矢量usdq、双馈感应发电机有功功率ps和输出无功功率qs，计算双馈感应发电机的定子电流矢量isdq的d、q轴指令；

步骤4：根据双馈感应发电机定子电流d、q轴指令与实际测量的反馈值，计算虚拟同步旋转坐标系下的转子电压指令urdq；

步骤5：根据转子位置角θr和虚拟相位角θ0对转子电压指令urdq进行坐标变换，得到两相静止α-β坐标系下的转子电压指令urαβ；

步骤6：根据所述转子电压指令urαβ，通过svpwm技术构造得到一组pwm信号对双馈感应发电机的转子变流器进行控制。

所述步骤1采集的参数包括双馈感应发电机的三相定子电压矢量usabc、三相定子电流矢量isabc、转子旋转的电角速度ωr以及转子位置角θr。

如图2所示为双馈感应发电机仿真结果图，其中图(a)为双馈感应发电机三相定子电流isabc仿真结果图，图(b)为双馈感应发电机三相转子电流仿真结果图，图(c)为双馈感应发电机的有功功率ps(100％-50％-70％-50％-100％，负号表示输出)和无功功率qs(0％-20％-40％-20％-0％，负号表示输出)仿真结果图。

所述步骤1根据下式对所述三相定子电压矢量usabc和三相定子电流矢量isabc进行clarke变换：

其中：usα和usβ分别为定子电压矢量usαβ的α轴分量和β轴分量，isα和isβ分别为定子电流矢量isαβ的α轴分量和β轴分量，usa、usb和usc分别为三相定子电压矢量usabc的a轴、b轴和c轴分量，isa、isb和isc分别为三相定子电流矢量isabc的a轴、b轴和c轴分量。

所述步骤2通过固定的50hz频率积分获取的数值相对2π取余得到虚拟相位角θ0，虚拟相位角θ0是周期为20毫秒、幅值为2π的锯齿波信号，如下式所示：

θ0＝∫2πf0dt

其中：f0＝50hz为固定旋转角频率。

所述步骤2根据下式对定子电压矢量usαβ和定子电流矢量isαβ进行park变换：

其中：usd和usq分别为定子电压矢量usdq的d轴分量和q轴分量，isd和isq分别为定子电流矢量isdq的d轴分量和q轴分量，usα和usβ分别为定子电压矢量usαβ的α轴分量和β轴分量，isα和isβ分别为定子电流矢量isαβ的α轴分量和β轴分量，θ0为虚拟相位角。

所述步骤3根据下式计算双馈感应发电机的定子电流isdq的d轴和q轴指令isd.ref和isq.ref：

其中：usd和usq分别为定子电压矢量usdq的d轴分量和q轴分量，ps.ref和qs.ref为双馈感应发电机定子有功、无功功率指令。

所述步骤4通过误差调节解耦补偿算法计算转子电压指令urdq，步骤如下：

步骤4-1：双馈感应发电机定子电流的d轴和q轴指令isd.ref和isq.ref分别减去实际测量的定子电流矢量isdq的d轴和q轴分量isd和isq，得到双馈感应发电机定子电流的误差信号δisd和δisq；

步骤4-2：根据双馈感应发电机定子电流的误差信号δisd和δisq，计算虚拟同步旋转坐标系下的电压调节矢量v'rdq；

步骤4-3：对电压调节矢量v'rdq进行电压解耦补偿，得到虚拟同步旋转坐标系下的转子电压指令urdq。

如图2所示为双馈感应发电机仿真结果图，其中，图(d)为虚拟同步旋转坐标系中定子电流d轴分量及其相应的误差仿真结果图，图(e)为虚拟同步旋转坐标系中定子电流q轴分量及其相应的误差仿真结果图。

所述步骤4-2根据下式对定子电流误差信号δisd和δisq进行复系数比例-积分调节：

其中：v'rd和v'rq分别为电压调节矢量v'rdq的d轴分量和q轴分量，kp为比例系数，ki为积分系数，ω0＝2πf0＝100π为虚拟旋转角速度，s为拉普拉斯算子。

所述步骤4-3根据下式对电压调节矢量v'rdq进行解耦补偿：

其中：usd和usq分别为定子电压矢量usdq的d轴分量和q轴分量，erd和erq分别为电压解耦矢量erdq的d轴分量和q轴分量，ψsd和ψsq分别为定子电压矢量ψsdq的d轴分量和q轴分量，v'rd和v'rq分别为电压调节矢量v'rdq的d轴分量和q轴分量，urd和urq分别为转子电压指令urdq的d轴分量和q轴分量，lr为双馈感应发电机的转子电感，lm为双馈感应发电机的定转子互感，ωr为双馈感应发电机转子旋转的电角速度。

所述的步骤5根据下式对双馈感应发电机转子电压指令urdq进行park反变换：

其中：urd和urq分别为转子电压指令urdq的d轴分量和q轴分量，urα和urβ分别为转子电压指令urαβ的α轴分量和β轴分量。

本发明提供一种双馈感应发电机的无锁相环电流控制装置，如图1所示，所述装置包括：采集模块，用于采集双馈感应发电机的参数；

clarke变换模块6，用于对采集的参数进行clarke变换，得到两相静止α-β坐标系下的定子电压矢量usαβ和定子电流矢量isαβ；

parker变换模块7，用于对定子电压矢量usαβ和定子电流矢量isαβ进行park变换，得到虚拟同步旋转坐标系下的定子电压矢量usdq和定子电流矢量isdq；

定子电流指令配置模块9，用于计算双馈感应发电机的定子电流isdq的d轴和q轴指令isd.ref和isq.ref；

转子电压指令配置模块，用于计算虚拟同步旋转坐标系下的转子电压指令urdq；

parker反变换模块12，用于对双馈感应发电机转子电压指令urdq进行park反变换，得到两相静止α-β坐标系下的转子电压指令urαβ；

空间矢量调节模块13，用于根据所述转子电压指令urαβ生成一组pwm信号。

所述clarke变换模块6与parker变换模块7连接；

所述定子电流指令配置模块9、转子电压指令配置模块、parker反变换模块12和空间矢量调节模块13依次连接。

所述转子电压指令配置模块包括定子电流闭环调节模块10和定子电流解耦补偿模块11。

定子电流闭环调节模块10，用于对双馈感应发电机定子电流的误差信号δisd和δisq进行复系数比例-积分调节，得到虚拟同步旋转坐标系下的电压调节矢量v'rdq；

定子电流解耦补偿模块11，用于对电压调节矢量v'rdq进行解耦补偿；

所述空间矢量调节模块13和两电平电压源型三相变流器4连接，空间矢量调节模块13生成的一组pwm信号sa、sb和sc用于对两电平电压源型三相变流器4进行控制；

所述parker变换模块7与虚拟相位角配置模块14连接，所述虚拟相位角配置模块14用于计算虚拟相位角θ0；

所述装置包括光电编码器模块5用于测量转子旋转的电角速度ωr，光电编码器模块5与用于生成转子位置角θr的增量式积分器8连接，所述增量式积分器8和parker反变换模块12连接。

所述clarke变换模块6分别与为电压传感器模块2和电流传感器模块3连接；

所述电压传感器模块2包括三个电压传感器，所述电流传感器模块3包括是三个电流传感器。

最后应当说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制,尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解：本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。