双馈风力发电机不脱网的模型预测控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明具体涉及一种电网正常运行时的双馈风力发电机转子侧变换器模型预测 控制以及电网电压跌落时转子磁链预测控制方法，属于双馈风力发电机运行控制技术领 域。
【背景技术】
[0002] 风力发电就是将风能转化为机械能、进而转化为电能的过程，其中风力机及其控 制系统的作用是将风能转换为机械能，而发电机及其控制系统则是将机械能转换为电能。 双馈风力发电机作为风力发电的主流机型，对其控制性能的研宄至关重要，双馈风力发电 机的主要运行目标有两个，首先是变速恒频前提下实现最大风能追踪，关键是转速或者有 功功率的控制，其次是双馈风力发电机输出无功功率的控制，以保证所并电网的运行稳定 性。
[0003] 当电网正常运行时，双馈风力发电机矢量控制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，此种控制方法需要复杂的坐标 变换，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 本发明采用模型预测控制，不需要PI控制器，避免了电网故障大扰动下线性控制器饱和问 题。根据价值函数选出最优的电压矢量作用于变换器，采样频率高，控制结构简单，精度高， 对有功功率和无功功率进行了控制。当电网电压跌落时，双馈风力发电机采用转子磁链预 测控制方法，通过预测转子磁链选择出最优的电压矢量作用于转子侧变换器，实现转子磁 链与定子磁链的同步控制，减弱定子磁链对转子磁链的故障冲击，从而降低转子故障过电 流，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。本发 明控制方法可以控制故障电流在1. 5-1. 6倍额定电流以内，电磁转矩波动较小，提高了双 馈风力发电机在故障过程中不脱网能力。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供了一种双馈风力发电机不脱网的模型预测控制方法，当电网 电压正常时，不需要PI控制器，避免了电网故障大扰动下线性控制器饱和问题，根据价值 函数选出最优的电压矢量作用于变换器，采样频率高，控制结构简单，精度高，对有功功率 和无功功率进行了控制。当电网电压跌落时，对双馈风力发电机定子磁链和转子磁链进行 同步控制，实现对转子磁链的控制，达到转子磁链跟随其给定值的目标，该方法可以控制 故障电流在1. 5-1. 6倍额定电流以内，电磁转矩波动较小，提高了双馈风力发电机故障运 行能力。
[0005] 本发明是通过以下技术方案实现的，当电网正常运行时，采用模型预测控制，当电 网电压跌落时，采用转子磁链预测控制。与正常运行采用的模型预测控制相比，此控制方法 从定转子磁链弱磁角度进行不定频控制，控制系统的控制频率提高1倍，对故障响应速度 更快，故障状态下可以控制转子电流在1. 5-1. 6倍额定电流以内，电磁转矩波动较小。其具 体步骤为： (1) 、当电网电压正常运行时，采集三相定子电压wS3、wsA、Wse，三相定子电流iS3、isA、ise， 三相转子电流检测转子角速度义进行积分运算得到I; (2) 、将三相定子电压wS3、wsA、Wse，三相定子电流iS3、isA、ise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is(7、is/；，由此计算出定子磁链空间位置 角度P1，将两相定子电压两相定子电流is(7、iSje，三相转子电流43、4、4经过坐 标转换得到两相同步旋转坐标系下的定子电压《S17，定子电流isrf、iSl7，转子电流 (3) 、将两相同步旋转坐标系下的定子电流isrf、isg，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^
换器电压分别由八个电压矢量表示，其中六个^-K6为有效矢量，二个^和K7S零矢量，将 八个电压矢量以及k时刻的变量代入离散公式中，得到k+1时刻不同电压矢量预测下的电 流；
ir/u+i)、ir/u+i)分别为k+i时刻A清由电流的给定值，ir,u+i)、irgu+i)分别为k+i时 刻A7轴电流的预测值，选择出使价值函数最小的电压矢量作用于变换器； (8)、当电网电压跌落时，设置控制系统的控制频率提高：倍，转子侧变换器采 用转子磁链预测控制，双馈风力发电机在同步旋转坐标系下的转子电压公式分别为：
为定子电流额定值，为定子磁链实际值，上标r表示以转子速度％旋转的两相坐标系， 下标s表示定子侧的变量，故障期间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；
'/U+1)、'/U+1)分别为k+1时刻A轴转子磁链的给定值，屮mU+1)、'#+1)分 别为k+1时刻A轴转子磁链的预测值，选择出使价值函数最小的电压矢量作用于变换器。
[0006] 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。本发明通过对转子磁链的实时最优控制，实现对转子电流的抑制；同时， 当电网发生故障时，控制系统的控制频率较正常运行时提高1倍，对故障响应速度更快，且 有效避免了电网故障大扰动下控制器饱和问题。故障状态下可以控制转子电流在1. 5-1. 6 倍额定电流以内，电磁转矩波动较小。
【附图说明】
[0007] 图1两相同步速旋转A坐标系中双馈风力发电机等效电路； 图2为电网电压正常时控制结构图； 图3为电网电压跌落时控制结构图； 图4为电网电压三相对称跌落70%故障时本发明控制方法的运行结果； 图5为电网电压发生单相跌落90%故障时本发明控制方法的运行结果。
[0008] 具体实施方法 下面结合附图对本发明做进一步说明。图1为两相同步速旋转坐标系中双馈风力 发电机等效电路， 两相同步速旋转A7坐标系中矢量形式的双馈风力发电机电压方程和磁链方程，即
式中：Gs、G分别表不定子电压矢量和转子电压矢量；疋、《分别表不定子电阻和 转子电阻；T、IT分别表示定子电流矢量；￥7、￥7分别表示定子磁链矢量和转子磁链 矢量；％表示同步角速度；^e-义表示转差角速度，义表示转子角速度；4、4和A1 分别表示定子电感、转子电感和定转子之间的互感。
[0009] 根据双馈风力发电机定子磁链矢量的定义：
在电网电压恒定的情况下，定子磁链矢量审J恒定，即=O。所以式（8 )和式 (9)可以写为：
当同步速旋转坐标系的遠由定向与定子磁链矢量Mjli时，有：
式中：分别表示定子磁链在两相同步速旋转坐标系下A^轴下的分量。
[0011] 转子磁链在两相同步速旋转坐标系下的分量用定子磁链和转子电流可以表示 为：
式中：分别表示转子磁链在两相同步速旋转坐标系下A7轴下的分量， 分别表示两相同步速旋转坐标系下的定子电流轴分量；AjP 分别表示两相同步 速旋转坐标系下的转子电流t/、<7轴分量。
[0012] 由式（14)、式（15)，将双馈风力发电机转子电压写成A轴分量形式为：
式中^分别为转子电压在两相同步旋转坐标系下A轴分量。
[0013] 假定采样周期为7；，将式（16)、式（17)进行离散可得：
(19) 转子侧变换器电压可分别由八个电压矢量表不，其中六个为有效矢量（^-^)，二个为 零矢量K7)。将八个电压矢量以及k时刻的变量代入离散公式中，得到k+1时刻不同电 压矢量预测下的电流。
[0014] 评估转子电流的价值函数如下：
式中：4/(飪1)、4/(飪1)分别为1^+1时刻么^7轴电流的给定值；4,(奸1)、4(奸1)分 别为k+1时刻A轴电流的预测值；选择出使价值函数最小的电压矢量作用于变换器。
[0015] 当电网电压跌落时，双馈风力发电机转子侧变换器采用转子磁链预测控制，转子 电压在两相同步速旋转坐标系下的方程为：
将八个电压矢量以及k时刻的变量代入离散公式中，得到k+1时刻不同电压矢量预测 下的转子磁链。
[0016] 两相转子转速义旋转的坐标系下，定子和转子磁链方程可以表示为： (25) ^：=LtI：+LJ：(26) ;和石分别表示定子电流和转子电流，屯3和^^表示定子磁链和转子磁链，上标r表 示以转子转