双馈风力发电机转子磁链无差拍故障运行方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于双馈风力发电机运行控制技术领域，具体涉及电网稳态时的功率预测 控制和电网骤降时转子磁链无差拍控制方法，提高正常运行时的稳定性以及故障状态下双 馈风力发电机故障运行能力。
【背景技术】
[0002] 近几年来，电力行业在我国发展迅速，受人瞩目。随着风电场规模的不断扩大以及 风电机组的单机容量的不断增加，风电在电网中的渗透率逐步提高。过快的发展虽然带来 了可观的经济效益，但是也给电力系统的稳定性造成了一定的破坏。由电网故障而导致风 电机组大规模脱网，会给电网安全造成很大的影响，考虑电力系统的稳定性，必须先提高风 电机组本身的可靠性。双馈风力发电机的定、转子直接并网，不能有效隔离与电网之间的联 系，风电机组对电网故障非常敏感，并且在故障情况下，小容量励磁变换器对双馈风力发电 机的控制能力也受到限制，导致双馈风力发电机的电网故障运行能力较弱。
[0003] 在电网电压稳态运行的情况下，双馈风力发电机转子侧变换器的矢量控制系统 一般采用功率控制环为外环、电流控制环为内环的双闭环结构，通过外环功率调节器获得 转子电流参考值，通过内环电流调节器获得转子电压参考值，两调节器均采用PI线性控制 器。但由于PWM变换器是一种开关型非线性系统，采用线性控制器实现非线性系统控制，将 会造成一定的控制误差和动态响应时延，此外整个控制系统结构复杂、动态性能欠佳、对PI 控制器和发电机参数依赖较大。因此提出了功率预测控制，使定子侧有功功率和无功功率 波动较小，具有实施简单、解耦性较好、动态响应快、鲁棒性强的优点。
[0004] 在电网电压骤降的情况下，目前实现故障运行能力的控制主要有三种方法。第一 是通过改进励磁控制策略来实现故障运行能力，这种方法适合轻度故障，在电网电压跌落 很深的情况下，这种励磁控制算法很难实现发电系统的故障运行控制。第二种是串联网侧 变换器，这种方法可实现任意情况下的故障运行，但其连接方式复杂，成本昂贵，在实际应 用中采用的很少。第三种是采用转子增加撬棒保护实现故障运行。当电网电压发生单相跌 落90%或者三相对称跌落70%故障时，目前大多数控制方法对故障期间转子电流值很难控 制在其额定电流的2倍以内，电磁转矩波动比较大，对机组的冲击力很大。控制系统的响应 速度和控制器的控制精度直接影响故障电流的抑制效果。在本发明中提出了转子磁链无差 拍预测控制方法，它具有动态响应速度快，精度高，控制过程中无过冲等特点，在电网严重 故障等大扰动下不会造成控制器饱和，不但能够控制转子故障电流在1. 5-1. 6倍额定电流 以内，而且故障期间电磁转矩脉动较小，可有效提高双馈风力发电机在电网电压故障下的 不脱网运行能力。
【发明内容】
[0005] 针对电网电压稳定状态下和故障状态下控制策略的不足之处，本发明提供了一种 双馈风力发电机转子磁链无差拍故障运行方法，电网电压稳定状态下的功率预测控制，实 现定子侧有功功率和无功功率波动较小，具有实施简单、解耦性较好、动态响应快、鲁棒性 强的优点，在电网故障状态下提出了转子磁链无差拍控制方法，可以控制转子故障电流在 1. 5-1. 6倍额定电流以内，故障期间电磁转矩脉动较小，动态响应速度快，控制精度高。
[0006] 本发明为实现上述目的采用如下技术方案，双馈风力发电机转子磁链无差拍故障 运行方法，其特征在于具体步骤为： (1) 、当电网电压稳定运行时，采集定子三相电压和定子三相电流Tsaie经过坐标转 换得到两相静止坐标系下的两相定子电压和两相定子电流/sm，采集转子三相电压 和转子三相电流石^经过坐标转换得到两相转子坐标系下的两相转子电压和两 相转子电流TrM; (2) 、计算出定子磁链空间位置角Mf测得的转子角速度义进行积分计算得到匕； (3)、基于定子磁场定向的两相同步旋转坐标系，计算定子磁链与转子〇轴夹角 〃「匕，然后对定子两相电压、定子两相电流Zs 4、转子两相电压G4和转子两相电 流^ 4进行坐标转换得到定转子电流的t/、<7轴分量； (4) 、将两相同步旋转坐标系下的定子电流isrf、，转子电流iq，定子自感Zs，转子 自感4和定转子间互感4进行定子磁链和转子磁链计算得到定子磁链0<7轴分量$m、 W转子磁链么清自分量W^ (5)、双馈风力发电机在两相同步旋转坐标系下的电压方程和磁链方程
系，下标s和r分别表不定子变量和转子变量，i(分别表不定子电压和转子电压，疋、忍 分别表示定子电阻和转子电阻，/3、；分别表示定子电流和转子电流，叫、义分别表示同步 角速度和转子角速度，叫 3、^^分别表示定子磁链和转子磁链，分别表示定子自感、 转子自感以及定转子之间的互感；
(9)、模型预测控制目的是使定子有功功率和无功功率跟随其给定值，在k时刻，定子
到在一个采样周期内有功功率和无功功率变化量为：
别为转子电压在两相同步旋转坐标系下的分量，将步骤（9)中一个周期内有功功率和无功 功率变化量代入转子电压公式可得：
^^(1〇，将《d(k)、《q(k)经过坐标反变换得到两相转子参考坐标系下的转子电压，然后进行PWM调制； (11)、当电网电压跌落时，进行双馈风力发电机转子磁链无差拍预测控制，设置控 制系统的控制频率提高1倍，由步骤（10)中双馈风力发电机转子电压离散公式经过变
差拍预测控制的目标是使转子磁链在k+1时刻达到给定值，式中Wd(k+l)、Wq(k+l)分别 为转子磁链A▽轴在k+1时刻的给定值WJ(k+1)、'/(k+l);
//为定子电流额定值，W/为定子磁链实际值，上标r表示以转子转速义旋转的两相坐标 系，下标s表示定子侧的变量。在故障期间以随W/变换自适应改变，实现对转子磁链 的实时最优控制，将得到的以转子转速&旋转的两相转子坐标系下的转子磁链给定值，经 过坐标转换，得到两相同步旋转坐标系下的转子磁链给定值； (13)、将步骤（11)中《M(k)、《q(k)经过坐标反变换得到两相转子参考坐标系下的转子 电压，然后进行PWM调制。
[0007] 当电网电压发生单相跌落90%或者三相对称跌落70%故障时，目前大多数控制方 法对故障期间转子电流值很难控制在其额定电流的2倍以内，电磁转矩波动比较大，对机 组的冲击力很大。本发明所提控制方法在故障期间以电网故障自适应改变，实现故障 期间转子磁链的实时最优控制；另外，通过预测控制磁链，比线性控制器响应速度快，能够 对电网故障进行快速响应，且不存在大扰动下的控制器饱和问题。有效缓解的故障危害，本 发明在故障状态下可以有效地控制转子电流在1.5-1. 6倍额定电流以内，而且故障期间电 磁转矩脉动较小。
【附图说明】
[0008] 图1为两相定子f静止坐标系、两相转子速义旋转坐标系、两相同步 速叫旋转Or 7坐标系； 图2为两相同步旋转坐标系中DFIG矢量形式等效电路； 图3为电网电压正常时控制方法的结构框图； 图4为电网电压故障时控制方法的结构框图； 图5为电网电压稳态情况下和电网电压三相对称跌落70%时采用不同控制方法的运行 结果； 图6为电网电压稳态情况下和电网电压单相跌落90%时采用不同控制方法的运行结 果。
[0009] 具体实施方法 下面结合附图对本发明做进一步说明。图1为两相定子〃 静止坐标系、两相转子 速义旋转坐标系、两相同步速叫旋转V7坐标系。本发明的控制方法基于两相同 步旋转坐标系，将采集到的定子电流和转子电流，经过坐标转换，得到两相同步旋转坐标系 下的变量。
[0010] 图2为两相同步旋转坐标系中DFIG矢量形式等效电路。由此可以得出双馈风力 发电机定子电压和转子电压公式如下：
式中：上标s表示所有变量均在同步旋转坐标系，下标s和r分别表示定子变量和转子 变量，G、G分别表示定子电压和转子电压，式、見分别表示定子电阻和转子电阻，/s、Tr分别 表示定子电流和转子电流，叫、％分别表示同步角速度和转子角速度，W3、^^分别表示定 子磁链和转子磁链。
[0011] 双馈风力发电机定转子磁链在两相同步旋转坐标系下的方程为：
式中：ZS、4、Zs分别表示定子自感、转子自感以及定转子之间的互感。
[0012] 由式（3)和（4)可得：
[0013] 忽略定子电阻的影响，由式（1)可以得到定子磁链幅值为：
当电网电压稳定运行时，定子磁链幅值是恒定的。
[0014] 联立式（1)和式（5)，定子有功功率和无功功率为：
d轴上的分量，定子有功功率和无功功率用d、q轴坐标系下的分量表不即为：
式中兑分别为定子有功功率和无功功率，Ws,、分别为定子磁链d、q轴分量， 分别为转子磁链d、q轴分量。
[0016] 在k时刻，定子有功功率和无功功率的误差可以表示为：
为了满足式（13)和式（14)的条件，k时刻定子有功功率和无功功率的变化量为：
在电网电压稳态情况下，得到％,(k)、《q(k)，然后经过坐标反转换，最后经过PWM调制。
[0018] 当电网电压跌落时，进行双馈风力发电机转子磁链无差拍预测控制，设置控制系 统的控