双馈风力发电机快速弱磁控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于双馈风力发电机运行控制领域，涉及稳态时时的功率预测控制和电网 骤降时快速弱磁控制方法，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，随着风电机组的单机容量的不断增加，风电在电网中所占比重越来越 大。风能发电的利用虽然带来了巨大的经济效益，但是也给电力系统的稳定性造成了一定 的破坏。由电网骤降或者骤升故障而导致风电机组大规模脱网，会给电网正常运行造成很 大的影响，为了保证电力系统的稳定性，必须先提高风电机组故障运行能力。双馈风力发电 机的定、转子直接并网，与电网之间的联系密切，，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采用矢量控制， 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。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，造成整个控制结构复杂、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有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。另外还有采用转子增加撬棒保护实现故障运 行，此种方法需要硬件结构，成本较高，比较复杂。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。在本发明中提出了快速弱磁的控制方法，所有 变量基于两相静止坐标系，无需复杂的坐标变换，此种控制方法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，本发明提出了电网 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快速弱磁的控制 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，控制精度高等优点。
[0006] 检测双馈风力发电机并网点的三相电压，在正常情况下采用功率预测控制，当故 障发生时采用快速弱磁控制。同时设置快速弱磁控制的控制频率为功率预测控制的2倍具 体步骤如下： (1) 、当电网电压正常运行时，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测得的转子转速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G 4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、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 ^ (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为：
示定子变量和转子变量，^分别表示定子电压和转子电压，疋、A分别表示定子电阻和 转子电阻，/,、石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转速， I、'分别表示定子磁链和转子磁链，4、Z,、Z ta分别表示定子自感、转子自感以及定转子 之间的互感；
(9)、功率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
，式中分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快速弱磁控制，双馈风力发电机转
忍为转子电阻，和分别表不转子电流°"、f轴分量，和W!?/；分别表不转子磁 链a、0轴分量； (12) 、假定采样周期为7；，将双馈风力发电机的的转子电压公式离散可
制目标使转子磁链在k+1时刻达到给定值，即式中，(k+1)、(k+1)分别为转子磁链 ?、/?轴在k+1时刻的给定值W :(k+l)、R/(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，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 转换得到两相静止坐标系下的转子磁链给定值； (14)、由步骤（12)中双馈风力发电机转子电压离散公式经过变形可
心(k)、^(k)，将^(k)、^(k)经过坐标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。
[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，同时所有变量基于两相静止坐标系，无需复杂的坐标 变换，通过预测控制转子磁链，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V 7坐标系。在稳态情况下，定子侧变量和 转子侧变量均基于两相同步旋转坐标系；当电网电压跌落时，定子侧变量和转子侧变量均 基于两相静止坐标系，根据图1可以实现变量的坐标系转换。
[0010] 两相同步旋转坐标系下，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，^、^(分别表示定子电压和转子电压，疋、A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，W 3、^^分别表示定 子磁链和转子磁链。
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，W s,、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：
假定采样周期为rs，将双馈风力发电机在两相同步旋转坐标系下转子电压公式离散可 得：
式中^^分别为转子电压在两相同步旋转坐标系下的分量。
[0017] 将式（17)、式（18)分别代入式（19)、式（20)可得：
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快速弱磁控制，快速弱磁控制的控制频 率为功率预测控制的2倍。双馈发电机在定子参考两相静止坐标系下的基本电压方程为：
式中和Urj6分别表不转子电压0轴和0轴分量；Y1^和分别表不转子电流 〇轴和0轴分量；W 1^和W d分别表不转子磁链〇轴和0轴分量；为发电机转子角 速度；A为转子电阻。
[0019] 定子参考两相静止坐标系下，转子磁链方程可以表示为： ^r〇=4is〇+44〇 (25) wTP=LaIsP+Lrirp (26) 式中：is(7和is/;分别表不定子电流轴和f轴分量；Z s，4和4分别表不定子自感、 转子自感以及定转子之间的互感。
[0020] 对式（23)、（24)进行离散化，可得：
式中：7；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，Wp(k+1)、W^(k+1)分别为转子磁链a、0轴在k+1时刻的给定值 '/(k+l)、'/(k+l)。所以可以得到下式：
式（29)、（30)即为双馈风力发电机转子磁链无差拍控制模型。
[0021] 两相转子转速％旋转的坐标系下，定子和转子磁链方程可以表示为： W：=LSI：+LJ：(31) ^：=LtI：+LJ：(32) 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。
[0022] 由式（31)和式（32)可以得到：
由式（31)和式（32)可以得到转子电流，计算过程中Zs/