电网电压跌落时双馈风力发电机转子磁链无差拍控制方法
【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，具体涉及一种电网电压跌落时双 馈风力发电机转子磁链无差拍控制方法，用于有效保障故障期间发电机不脱网运行。
【背景技术】
[0002] 随着世界各国对风电产业的重视，风电在电力生产中所占比重越来越大，大容量 的风电机组与电网系统之间的相互作用、相互适应、有效整合成为一个很重要、很突出的问 题，形成了风力发电技术中重要的研发内容。随着双馈风力发电机的装机容量在电力系统 中所占比重快速增大，它们与局部电网之间的相互影响也越来越大，由于双馈风力发电机 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穿越能力较弱。但为了保证电网运行安全，要求双馈风力发电机具 备一定的电网故障耐受能力。
[0003] 在电网发生故障时，目前部分文献将直接转矩控制技术应用于双馈风力发电机 中，该策略直接控制电机的转矩，降低了矢量控制的复杂性，减少了电机参数的应用。但是 直接转矩控制也存在一定的问题：功率变换器的开关频率随滞环比较器的环宽变化而变 化，而且会产生电流畸变，低速时转矩脉动较大，从而影响输出电能的质量。还有一部分文 献提出电机的直接功率控制，该控制策略同样使用了滞环比较器，使得转子变换器开关频 率随着有功功率和无功功率变化，该变化的开关频率需要复杂和昂贵的功率变流器和交流 谐波滤波器。另外还有部分文献将空间矢量技术引入到直接功率控制方法，但是该方法需 要较为复杂的坐标转换，控制精度不高。当电网电压发生单相跌落60%或者三相对称跌落 60%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。因此需要提出一种解决上述问题的控制方法，即转子磁链 无差拍控制方法。转子磁链无差拍控制具有故障动态响应速度快，控制精度高，以及控制过 程中无过冲的等特点，可有效避免电网故障大扰动下控制器的饱和问题。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不脱网运行能力。
【发明内容】
[0004] 本发明针对现有技术的不足提供了一种电网电压跌落时双馈风力发电机转子磁 链无差拍控制方法，该控制方法具有动态响应速度快，控制精度高，故障过程中无过冲等特 点，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，减小对发电机组的冲击，可有效提高双馈风力发电机在电网电压故障下不脱网运行 能力。
[0005] 本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，电网电压跌落时双馈风力发电机 转子磁链无差拍控制方法，其特征在于：电网电压稳态运行时，双馈风力发电机转子侧变换 器进行基于定子磁场定向的矢量控制，电网电压发生跌落故障时，双馈风力发电机进行转 子磁链无差拍控制方法，该转子磁链无差拍控制方法的具体步骤为： (1) 、电网发生故障时，提高控制系统控制频率为正常运行时的2倍； (2) 、将检测到的定子三相电压和定子三相电流isaAe经过坐标转换得到两相静止 坐标系下定子两相电压4和定子两相电流is (3) 、计算出定子磁链空间位置角检测到的转子三相电流经过坐标转换得 到两相转子坐标系下转子两相电流4m; (4) 、将测得的转子转速义进行积分计算得到 (5) 、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 I，然后对定子两相电流isw和转子两相电流Am进行坐标转换得到定转子电流的 A <7轴分量； (6) 、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表示以转子转速义旋转的两相坐标系， 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义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； (8)、双馈风力发电机转子电压在两相同步旋转坐标系下的公式为：
，转子磁链预测无差拍控制目标使转子磁链在k+1时刻达到给定值，即式中，Wjk+1)、 ^rg(k+l)分别为转子磁链A忒由在k+1时亥Ij的给定值屮r/(k+l)、'/(k+l); (10)由步骤（9)中双馈风力发电机转子电压离散公式经过变形可得：
到~(k)、^(k)，将~(k)、&(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， 然后进彳T PWM调制。
[0006] 当电网电压发生单相跌落60%或者三相对称跌落60%故障时，目前大多数控制方 法对故障期间转子电流值一般控制在其额定电流的2倍左右，电磁转矩波动比较大，对机 组的冲击力很大。电网发生故障时，本发明参数以自适应改变，并通过预测无差拍控 制器实现对转子磁链的实时预测和最优控制，避免了电网故障极端扰动下控制器的饱和问 题。此过程中控制器提高控制频率为正常时的2倍，缩短了对故障的响应时间，在故障瞬间 可以快速有效地控制转子电流在1. 5-1. 6倍额定电流以内，电磁转矩波动也较小。
【附图说明】
[0007] 图1为两相定子参考静止坐标系、两相转子转速义旋转^坐标系、两 相同步速％旋转Or <7坐标系； 图2为控制结构框图； 图3为电网电压发生三相对称跌落60%故障时转子磁链无差拍控制的运行结果图； 图4为电网电压发生单相跌落60%故障时转子磁链无差拍控制的运行结果图。
[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 转速义旋转坐标系、两相同步速％旋转V 7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。
[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Urg分别表不转子电压遠由和<7轴分量；ArffR 4分别表不转子电流遠由和 <7轴分量；W 卩W sg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；A为转子电阻。
[0010] 两相同步旋转坐标系下，转子磁链方程可以表示为： ^Sd=LsIsd+LmIrd(5) wsv=LJs+LJrV (6) ^d=LJsd+LJtd (7)rq=LJsq+LJtq (8) 式中：Ws廊分别表示定子磁链4由和清由分量；ijP心分别表示定子电流4由 和^轴分量；4和4分别表示定子自感、转子自感以及定转子之间的互感。
[0011] 对式（3)、（4)进行离散化，可得：
式中为采样周期。预测无差拍转子磁链控制目标使转子磁链在k+1时刻达到给定 值，即式中，l,(k+l)、Uk+l)分别为转子磁链A清由在k+1时刻的给定值屮J(k+1)、 (k+1)。所以可以得到下式：
式（11)、（12)即为双馈风力发电机转子磁链无差拍控制模型。
[0012] 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： ws r+4，rr (13) ^；=LtI：+LJ：(14) 其中/3和Tr分别表示定子电流和转子电流，W 3和表示定子磁链和转子磁链，上标 r表示以转子转速&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。<