一种不平衡电网电压下基于矩阵变换器励磁的dfig控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于风力发电控制技术领域，具体涉及一种不平衡电网电压下基于矩阵变 换器励磁的DFIG控制方法。
【背景技术】
[0002] 随着化石能源使用数量的增大，能源对人类经济、社会发展的制约和对资源环境 的影响也越来越显著，因此人类越来越重视可再生能源的利用，风能作为可再生能源中 最廉价、最具潜力的"绿色能源"，得到了大力的开发和发展。目前，双馈异步风力发电机 (DFIG)由于其变流器容量小、功率独立解耦控制、成本较低等优势，成为国内外广泛应用的 风力发电机型。其系统构成的关键部分为励磁变换器，但现在常用电压源型双PWM变换器 存在体积大、重量重，而且不易维护等问题，矩阵变换器是一种绿色的新型变换器，因此以 矩阵变换器作为励磁变换器的DFIG控制策略研究具有很好的研究价值。
[0003] 当前大多数DFIG风电机组控制策略主要是针对电网电压幅值和频率恒定、相位 连续的理想电网条件设计，但实际电网往往并非理想，电网故障经常存在，尤其是实际电力 系统中的不对称故障会造成定、转子电流高度的不平衡，定、转子绕组产生不平衡发热，电 磁转矩产生脉动，输向电网的功率发生振荡。因此，对于在电网电压不平衡情况下的交流励 磁控制策略成为近年来国内外研究热点，但目前的研究成果主要是基于双PWM变频器励磁 系统下的控制策略，由于矩阵变换器没有中间储能环节，电网电压的不平衡、大扰动等非正 常工况都会直接影响到励磁电流，加剧了控制难度，因此需要研究不平衡电网电压条件下 基于矩阵变换器励磁的DFIG控制策略。
[0004] 李辉在《基于矩阵变换器励磁的双馈型风力发电机并网运行控制策略研究，中南 大学博士论文，2011》中根据不对称分量法的基本原理，提出了一种电压不平衡条件下矩阵 变换器励磁控制策略，该策略采用双同步旋转坐标系分别控制转子电流和矩阵变换器输入 电流，其中：转子电流的正序矢量用于实现功率解耦控制，而转子电流的负序矢量则用于 实现消除定子负序电流、减少有功功率或无功功率脉动等控制目标，矩阵变换器的输入电 流负序矢量用以减少输入电压的不平衡度，从而减少矩阵变换器输出电流的谐波。然而，该 控制方法的控制环中需对转子电流等电磁量进行正序、负序分离，这个分离过程会引入时 延以及相角和幅值的误差，影响了电流环的动态性能，从最后仿真结果进行分析，该控制策 略对于不平衡电网电压对DFIG机组的影响有改善作用，但控制性能并不是十分理想。同 时，该控制方法需要对平衡条件下设计的传统矢量控制系统结构进行很大的改动，限制了 该控制方法的工业应用前景。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种不平衡电网电压下基于 矩阵变换器励磁的DFIG控制方法，其控制环中没有正负序分离环节，能够实现快速、精确 地控制，同时电流控制器的比例积分系数可以直接采用传统平衡条件下PI调节器的设计 参数，具有较强的适应性。
[0006] 一种不平衡电网电压下基于矩阵变换器励磁的DFIG控制方法，包括如下步骤：
[0007] (1)首先采集DFIG的三相定子电压Usabc、三相定子电流Isabc、三相转子电流IMbc、 转速以及转子位置角9 ^然后对三相定子电流Isab。和三相转子电流IMb。分别进行Park变换，对应得到d_q旋转坐标系下的定子电流矢量Isdq和转子电流矢量I 进而对三相定
[0009] (3)使所述的转子电流给定矢量减去转子电流矢量I_，得到转子电流误差矢 量A 然后对所述的转子电流误差矢量AI_进行PIR(比例-积分-谐振）调节和解 親补偿，得到DFIG的转子电压给定矢量14:，进而对转子电压给定矢量"进行Park反变 换，得到三相转子电压给定信号UmJ;
[0010] ⑷对定子电压矢量以'rfq的正序矢量进行Park反变换，得到三相定子正 序电压彳目号Ka/_?c+;
[0011] (5)使所述的三相转子电压给定信号U作为矩阵变换器的输出线电压参考，使 所述的三相定子正序电压信号作为矩阵变换器的输入相电流参考，进而利用间接 的SVPffM(空间矢量脉宽调制）调制法进行调制，得到一组PffM信号用以对DFIG矩阵变换 器中的功率开关器件进行控制。
[0012] 所述的步骤（1)中陷波器的传递函数F(S)的表达式如下：
[0014] 其中：w。= 2JT*100rad/s，G为衰减系数，s为拉普拉斯算子。
[0015] 所述的步骤（2)中，若控制目标为定子有功功率恒定，则通过以下公式计算转子 电流的正序给定矢量^；^/和负序给定矢量/一二：
[0017] 若控制目标为转子电流正弦无谐波，则通过以下公式计算转子电流的正序给定矢
[0019] 若控制目标为定子电流平衡，则通过以下公式计算转子电流的正序给定矢量
[0021] 若控制目标为电磁转矩平稳，则通过以下公式计算转子电流的正序给定矢量
分量和q轴分量，LsSDFIG的定子漏感，L"为DFIG的定转子互感，《为三相定子电压Usabc 的角频率，和{?〗分别为定子有功功率给定值和定子无功功率给定值。
[0024] 所述的步骤（2)中通过以下公式计算转子电流给定矢量
[0026] 其中：j为虚数单位，0为三相定子电压Usab。的相位。
[0027] 所述的步骤（3)中通过以下公式对转子电流误差矢量A进行PIR调节和解耦 补偿：
[0029] 其中：Gpir(s)为PIR调节的传递函数，LdPLs分别为DFIG的转子漏感和定子漏 感，Lni为DFIG的定转子互感，〇为DFIG的漏磁系数，itsdq为DFIG的定子磁链矢量且也sdq =LJ_+LsIsdq;I^和1^分别为DFIG的转子电阻和定子电阻，j为虚数单位，《 311|5为DFIG 的滑差角频率且《slip= ^ ?为三相定子电压Usab。的角频率。
[0030] 所述PIR调节的传递函数Gpir (S)的表达式如下：
[0032] 其中：KP、KJPK汾别为给定的比例系数、积分系数和谐振系数，《。= 2JT*100rad/s，为给定的截止频率，s为拉普拉斯算子。
[0033] 本发明DFIG控制方法可以有效地实现定子电流平衡、转子电流平衡、定子功率 稳定和DFIG电磁转矩稳定四个控制目标，而在控制环中没有正负序分离环节，减少了正、 负序分离过程所带来的时延、相角和幅值的检测误差等问题，计算简便，具有良好的动态特 性，能够实现快速、精确地控制。同时本发明进一步验证了矩阵变换器运用在双馈风力发电 技术中的可行性和科学性，使得基于矩阵变换器励磁的DFIG系统在理想电网和不平衡电 网电压中均可实现良好的运行效果，具有很好的研究价值和实用价值。
【附图说明】
[0034] 图1为本发明DFIG控制方法的原理流程示意图。
[0035] 图2为电网电压不平衡度S =7%时采用本发明控制方法在不同控制目标切换下 DFIG的稳态仿真波形示意图。
[0036] 图3为采用本发明控制方法后当电网瞬时不平衡故障发生时DFIG的仿真波形示 意图。
【具体实施方式】
[0037] 为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及【具体实施方式】对本发明的技术方案 进行详细说明。
[0038] 本实施方式以一台容量为3MW、额定电压为690V的商用DFIG为例。如图1所示， 本发明不平衡电网电压条件下基于矩阵变换器励磁的DFIG的比例积分谐振控制方法，具 体步骤如下：
[0039] (1)使用两组电流霍尔传感器2分别采集DFIG的三相定子电流Isab。和三相转子电 流IMb。，同时使用电压霍尔传感器3采集DFIG的三相定子电压Usabe;使用增强型锁相环模 块7检测出三相定子电压正序分量的角频率Co1和相位0 1;使用位置传感器5检测出DFIG 的转速以及转子位置角9P由此可得正转滑差角频率《slip= ?；
[0040] 在此定义正转同步速CO1旋转dq+坐标系以角速度W1逆时针旋转，而反转同步 速-…旋转扣坐标系以角速度《i顺时针旋转，下标" + "和表示为正、负序分量，上 标" + 分别表示为正、反转同步速旋转坐标系。
[0041] 使用Clark变换模块6和定子Park变换模块10根据相位0 = 0i对三相定子电 流Isab。进行坐标变换，得到三相定子电流的dq轴分量I+sdq，使用Clark变换模块6和转子 Park变换模块8根据相位0 =S1-0 三相转子电流I。进行坐标变换，得到三相转子 电流的dq轴分量1_。
[0048]使用Clark变换模块6根据相位0冰三相定子电压Usab。进行坐标变换得到UsaJi， 在Park变换模块10中根据相位Q1和相位-0J^Usa 分别进行正、反转同步速旋转坐标 变换，再经过陷波器11分别滤除2倍频分量，提取正、负序分量，即U+Sdq+、Usdq。
[0049] 陷波器的连续域表达式如下式：
[0051] 其中，w。= 2?丨=200JTrad/s，G为衰减系数，实际系统中，考虑到滤波效果和 控制系统稳定性，取G= 〇. 707。
[0052] (2)利用转子电流给定值产生模块12,根据不同的控制目标，求出相应目标对应 的转子电流给定值，转子电流给定值产生模块12计算原理如下：
[0053] 电网电压不平衡条件下的DFIG定子有功功率可表示如下式：
[0055] 其中：PsQ，Pssin2和Psras2分别为定子输出有功功率的直流（平均）分量、二倍频