电网故障下双馈风力发电机定转子磁链同步弱磁控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于双馈风力发电机控制技术领域，具体涉及一种电网电压跌落故障下双 馈风力发电机定转子磁链同步弱磁控制方法，保证故障期间不脱网运行。
【背景技术】
[0002] 风能作为大自然中取之不尽、用之不竭并且无污染的可再生能源，对其有效的利 用是解决能源危机最好的方法之一。在风力发电技术中，双馈风力发电机能够变速恒频运 行，实现了机组和电网的柔性连接，在一定程度上缓解了机组轴系的机械应力。双馈风力发 电机定子绕组接入电网，转子绕组由频率、幅值、相位均可调的背靠背的双脉宽调制变换器 供给三相励磁电流，在转子上形成一个旋转磁场。它具有良好的调速性能、有功功率和无功 功率均可独立调节、改善电网功率因数、提高系统的稳定性以及较小的励磁容量等优点。
[0003] 在电网发生故障时，目前主要采用转子短路保护来维持双馈风力发电系统的不间 断运行，通过转子旁路保护电阻释放能量以减小转子过流，此种方法增加了硬件成本，故障 时电机作感应电机运行，从电网吸收大量的无功功率，影响电网的稳定性，对电网的暂态电 磁冲击和风力机的机械冲击均很严重。目前已经有部分文献报道了电网故障条件下双馈风 力发电机励磁变频器的建模与控制研宄，其主要建模方法大都基于瞬时功率理论，控制方 法多为正、负序双V#量控制，该方法可以在不对称故障穿越中实现多种可选控制目标， 但双PI闭环控制很大程度上影响了控制系统动态性能，正、负序电量分离与控制使系统的 控制结构更加复杂，更为严重的是相序分离所需时延降低了对电网故障的反应速度，存在 故障发生瞬间的高电压、大电流破坏的危险，很小的定子电压不平衡将引起很大的定子电 流不平衡和电磁转矩、有功功率以及无功功率波动，从而使双馈风力发电机运行性能恶化， 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。因此有必要提出一种本质上减小故障期间转子电流的控制方法，从定转子磁链之 间的相互作用对转子绕组的影响分析，提出一种减小转子磁链的方法。定转子磁链与定转 子电流存在直接关系，从定转子磁链角度进行控制，能够快速准确地对转子电流进行控制。 与从电压、功率角度进行控制相比，从定转子磁链角度出发，对故障响应速度更快，提高了 双馈风力发电机故障期间不脱网运行的能力。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。本发明控制方法在故障期间保证对转子磁链进行实时最优给 定和最优控制，从而使故障期间的转子电流可以有效地控制在其额定电流1.5倍左右，并 且电磁转矩、定子侧有功功率以及无功功率波动较小，其控制结构简单，更容易实现。
【发明内容】
[0004] 本发明目的在于提出一种电网故障下双馈风力发电机定转子磁链同步弱磁控制 方法，该控制方法主要针对转子侧变换器的控制，使转子绕组中的过电流控制在其额定值 的1. 5-1. 6倍以内，使故障期间电磁转矩波动较小，减小对机组的冲击，同时保证对输出有 功功率和无功功率的控制。
[0005]本发明是通过以下技术方案实现的，电网故障下双馈风力发电机定转子磁链同步 弱磁控制方法，当电网稳态运行时，双馈风力发电机转子侧变换器采用基于定子磁链定向 的矢量控制，当电网电压发生故障时，双馈风力发电机转子侧变换器采用定转子磁链同步 弱磁控制方法，同时设置定转子磁链同步弱磁控制的控制频率是基于定子磁链定向的矢量 控制的2倍，提高了对故障响应的速度，对故障瞬间的转子电流进行了有效地控制，其具体 步骤为： (1) 、将检测到的定子三相电压UP定子三相电流/saAe经过坐标转换得到两相静止 坐标系下定子两相电压和定子两相电流/sm，将检测到的转子三相电流Trafc经过坐 标转换得到两相转子坐标系下转子两相电流Tr (2) 、将测得的转子角速度义进行积分计算得到匕； (3 )、基于定子磁链定向，计算出定子磁链空间位置角〃i和定子磁链在转子坐标系下 的位置角〃i-l，然后对定子两相电流/sm和转子两相电流TrM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、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^
为定子电流额定值，为定子磁链实际值，上标r表示以转子角速度义旋转的两相坐标 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，将得到的以转子角速度&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； (6)、将转子磁链给定值与计算得到的转子磁链A清自分量作差得到转子磁链偏差，通 过双谐振PR控制器对转子磁链偏差进行调节，不需要补偿项，双谐振PR控制器的谐振频率 分别设为^e-义和2we-wr; (7 )、双谐振PR控制器输出为两相同步旋转坐标系下的转子电压经过坐标反变 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。
[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，现有控制方法对故 障期间转子电流值很难控制在其额定电流的2倍以内，且电磁转矩波动较大，对机组的冲 击力很大。转子绕组中出现过电流的根本原因是定子磁链中出现直流分量和负序分量，这 些磁链分量作用于转子绕组，使转子绕组中出现额定电流3-5倍过电流，因此根据定子磁 链的变化对转子磁链进行同步弱磁控制，在故障期间通过对转子磁链的参考值进行实时最 优给定，并通过控制系统倍频条件下的双谐振PR控制器对磁链分量进行快速准确控制，可 以避免电机暂态过程中定转子磁链之间的相互作用对转子绕组的影响。本发明方法能够在 电网电压发生单相跌落90%或者三相对称跌落70%故障时，控制转子故障电流为额定电流 的1. 5-1. 6倍，明显小于现有控制方法中的故障电流(约2倍额定电流)。而且故障期间电 磁转矩脉动较小，定子侧有功功率和无功功率波动较小，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。
【附图说明】
[0007] 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we旋转(6/ ^坐标系； 图2为控制结构框图； 图3为电网电压三相对称跌落70%故障时基于定子磁场定向矢量控制的运行结果图； 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； 图5为电网电压单相跌落90%故障时基于定子磁场定向矢量控制的运行结果图； 图6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图。
[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为两相定子〃静止坐标系、两相转子速 义旋转。，,坐标系、两相同步速％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，定子侧和转子侧变量，经过坐标转换，得到两相同步旋转(6/ <7坐标系下的变量。
[0009] 当定子侧和转子侧取电动机惯例时，双馈发电机在两相同步旋转坐标系下的基本 电压方程为：
式中Wsg分别表不定子电压遠由和<7轴分量；?^分别表不转子电压遠由和 <7轴分量；isg分别表不定子电流遠由和<7轴分量；ArffPAg分别表不转子电流遠由和 <7轴分量；W 卩Wsg分别表不定子磁链遠自和<7轴分量；W 卩W!^分别表不转子磁链Or 轴和^轴分量；％为发电机同步角速度；义为发电机转子角速度；疋为定子电阻；《为转 子电阻。
[0010] 两相转子速&旋转的坐标系下，定子和转子磁链方程可以表示为：wsr+4，rr (5) ^；=LtI：+LJ： (6) 其中Zs，4和Zta分别表示定子自感、转子自感以及定转子之间的互感，A和石分别表 示定子电流和转子电流，*3和表示定子磁链和转子磁链，上标r表示以转子转速义旋 转两相坐标系，下标s和r分别表示定子侧的变量和转子侧变量。
[0011] 由式（5)和式（6)可以得到定子电流：
屯/=^3代入可得：
//为定子电流的额定值，W/为定子磁链的实际值。通过定转子磁链与定转子电流的 关系，以及转子磁链弱磁控制方法，得到4直大小，故障瞬间W/的值最大，此时廊I最大 值，由式（8)可以看出，屬_大，转子故障电流值越小。在故障期间i/可以随W/变换自适 应改变，实现对转子磁链的实时最优控制。双馈风力发电机定子侧直接与电网相连，定子侧 电流的畸变对电网危害很大，因此故障期间//取额定值，以实现故障期间对定子电流的调 节，控制定子电流在其允许的最大电流以内。最后将得到的以转子角速度&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。
[0013] 双馈风力发电机定子侧输出的有功功率和无功功率可以表示为： Ps=-L5{usdisd+usqis)(10) Qs=-