感应风力发电机矢量及直接转矩控制综合方法

专利名称：感应风力发电机矢量及直接转矩控制综合方法
技术领域：
本发明涉及一种感应风力发电机矢量及直接转矩控制综合方法，它属于一 种感应风力发电机在稳定运行状态下使用矢量控制以及在风力发电暂态过程 中采用直接转矩控制的综合方法。
背景技术：
众所周知，风力发电是可再生能源中最廉价、最有前途而又取之不尽的绿 色能源。目前国内外将变速恒频感应风力发电机组作为风力发电机组的一种主
流机型(感应风力发电机包括鼠笼式感应风力发电才几和转子绕组式感应风力 发电机)。在感应风力发电机组处于稳态运行时，传统的矢量控制方法对感应 风力发电机组有较理想的控制能力，但当风力发生突然变化时，由于这种传统 的控制方法需实时进行将定子交流a、 b、 c系统向与转子相对静止的直流d、 q系统进行繁瑣的坐标系变换，控制时间长，也就是当感应风力发电机组处于 暂态波动时，这种传统的矢量控制方法在时间响应速度上达不到风力发电系统 的控制要求。

发明内容
本发明的目的是解决现有的风力发电机组存在的上述技术难点，并提供一 种将传统矢量控制与直接转矩控制相结合的感应风力发电机矢量及直接转矩 控制综合方法。
本发明为解决上述技术难点而采用的技术方案是感应风力发电机矢量及 直接转矩控制综合方法，其步骤是感应风力发电机侧控制器通过转速测定器 实时检测感应风力发电机转子及轮浆风机的转速，若转速测定器测得感应风力 发电机为稳定运行状态时，采用矢量控制方法控制感应风力发电机运行，若转 速测定器测得感应风力发电机为暂态运行状态时，采用直接转矩控制方法控制 感应风力发电机运行。
7本发明所述矢量控制方法的步骤为
轮浆风机在稳定运行状态下建立感应风力发电机矢量控制数学模型，即实 时采集感应风力发电机定子三相a、 b、 c交流电流及电压并将电流电压转换成 控制感应风力发电机定子的d、 q轴电流电压分量；用脉冲宽度调制(PWM)技 术通过对d、 q轴分量电压电流的控制，调节变换器中的相关绝缘栅双极三极 管(IGBT)开关的才册极去控制感应风力发电机的交流励》兹电流频率，其可通过 下列公式完成<formula>formula see original document page 8</formula>
式(l)中"^为感应风力发电机定子d轴的电压，可实时釆集计算求 出；WG为感应风力发电机定子电阻；z'^为感应风力发电机定子d轴的电流， 可实时采集计算求出；丄^为感应风力发电机定子d轴的等效电感，可由电机 实验得出；《s为感应风力发电机同步角频率，可由感应风力发电机直接转矩 控制(WGDTC)方法实时求出；丄^为感应风力发电机定子q轴的等效电感，可 由电机实验得出；为感应风力发电机定子q轴的电流，可实时采集计算求
出；"c^为感应风力发电机定子(i轴的电压，可实时采集计算求出；z'^是实
时釆集的转子电流有效值，并已折换到定子侧；，《是转子 电路的总可变电阻，A,是转子电路的外接可变电阻，及，是转子电路的自身 电阻，i^和i^均已折算到定子侧，当外接可变电阻/^ = 0时，感应风力
发电机由转子绕组式感应风力发电机转化为鼠笼式绕组感应风力发电机；^;c
是转差角频率，必^是感应风力发电机转子的角频率； 丄"是感应风力发电机定子和转子之间的互感，并已折算到定子侧，可由电机实验得出；
实时釆集计算感应风力发电机定子端的电流、电压值，并将实时采集计算 的电流、电压值与前一时间段的电流、电压值进行比较，其差值为控制绝缘栅 双极三极管(IGBT)栅极的电压控制量进而对感应风力发电机进行实时控制； 其差分控制方程为
(2)
";),柳+《)
式(2)中"L(,)为感应风力发电机某一时间段控制绝缘栅双极三极管 (IGBT)栅极的定子电压d轴控制量；^4(,)为感应风力发电机某一时间段控 制绝缘栅双极三极管(IGBT )栅极的定子电压q轴控制量；其它所有具有时间 下标的电流电压量均为某一时间段实时采集计算的相应的电流电压时间变量； 通过调节定子电压d、 q轴控制量，对感应风力发电机侧有功功率4和无 功功率ec进行解耦控制，其控制方程为
户G-箭Vw ， 。)
通过电网侧d、 q轴电压和电流的采集计算，对电网侧有功功率&和无功 功率&进行解耦控制，其控制方程为
尸S = "Wsrf + = "5^z、 + "s"w (4)
式(4)中"^为电网侧的d轴电压，"&为电网侧的q轴电压，^为电 网侧的d轴电流，"为电网侧的q轴电流；
在d、 q同步旋转坐标系下，通过控制直流电压&和变频器与电网交换的 无功功率2s ，实现电网侧有功功率^和无功功率^的单独解耦控制；"s。-0时，电网侧变频器控制电压的方程为:
(5)
式(5)中"Lu)为电网S侧d轴电压实时采集计算的控制量，！^为电 网S侧的等效电感，^^为实时采集计算的电网侧电流d轴的电流分量，& 为电网S侧的等效电阻，6^为电网S侧电流、电压角频率，"(,)为实时采集 计算的电网侧电流q轴的电流分量，"^(,)为前一时间段实时釆集计算的电网 侧电压d轴的电压分量，w;(,)为电网S侧q轴电压实时采集计算的控制量；上 述控制量经过脉冲宽度调制(P丽)被送去作为调节相应的绝缘栅双极三极管 (IGBT)开关栅极的控制信息。
本发明所述直接转矩控制方法的步骤是
当轮浆风机为暂态运行状态时，采用直接转矩控制(WGDTC)的方法控制 感应风力发电机即根据动态的脉冲宽度调制(PWM)调节一个由直流电压^ 控制的六脉冲变换器，使直流电压&通过电力电子开关绝缘栅双极三极管 (IGBT)栅极的控制而产生定子同步合成旋转磁场^^ ,该定子同步合成旋转
磁场l总是在控制变量 in《A《^nax 、『匪《7_和约束变量 6>min S《《0皿的条件下使感应风力发电机定子的同步合成旋转磁场％s的速
功率，所述a、 ？;、《是实时采集计算的感应风力发电机定子的同步合成旋转 磁场p& 、转子的电磁转矩rw以及感应风力发电机定子线电压￡Gi与电力电网
电压五^的相位角6^的时间变量，即在实时采集计算的时间段，a=p& 、
r,=7;、《=6^，可通过下列公式求得-.(6)
sm<9
^ = sin-
尸一
义7
(7)
式(6)和(7)中^是感应风力发电机G线电压^^与电网S线电压五^
之间的相位角，A是常数，A是用于感应风力发电机系统连接两侧变换器的
直流链上的直流电源，c^是转子角速度，《是感应风力发电机转子上从风力
轮浆上获得的每相功率，Aw是定子等效电压，A是定子电流，《是两者间的
夹角， 是感应风力发电机的同步速度，《是感应风力发电机向电网输出的 三相有功电磁功率/^3x(尸广尸p,尸,是转子上每相消耗的有功功率，￡^是
感应风力发电机定子线电压，五M是电力电网线电压，义;是感应风力发电机
定子线电压EGi与电力电网线电压五^之间的等效电抗；
所述感应风力发电机直接转矩控制(WGDTC)的所有控制变量及约束控制
变量均是矢量，并且这些矢量在某一特定的时间^敬都是在一定的范围内变化
的，故将所有矢量替换为模糊集合，即通过对感应风力发电机直接转矩控制
(WGDTC)控制六脉冲变换器中相应的绝缘栅双极三极管(IGBT)开关的栅极
完成对所有模糊集合的分析控制，使其能更准确的控制感应风力发电机定子
的同步合成旋转磁场P&，完成对感应风力发电机直接转矩控制，即策略控
制模糊集合W(+) = //w(+)(;c)与同步合成旋转磁场模糊集合&, = /Ve,")不断 进行比较，寻找其模糊集合差，并使其逼近空模糊集合，最终通过策略控制
模糊集合w(+) = /v+) (x)完成对感应风力发电机的直接转矩控制；w(+)是A(+) = //A(+)(x)和B(-)-^卜)(;0的交集合，则
A(
w(+) = /v = //A(+>。B(—> 0) = min
> 0),//B(—>o)
=A(+)nB(-)， A(+) = // o)是矢
量Xw的数学模糊集合，B(-f/^-,("是矢量5h的数学模糊集合，其中变量元
素X是变量集合，即X二(XpX2，X3，……，X } ，&=^^， X2=rw, & =^7,......，分别代表某一时间段实时采集计算的感应风力发电机定子的同
步合成旋转磁场^ ，感应风力发电机的电磁转矩r,，功率极限角《的变化范围。
由于本发明采用了上述^t术方案，使本发明既可适用于在风力发电的稳态 运行中，此时由传统的矢量控制方法起主导作用，又适用于当电网由于风力变 化而呈现急剧不稳定运行的暂态过程中，此时感应风力发电机直接转矩控制方
法(WGDTC)便可迅速调入起主导作用，并迅速对暂态过程中的感应风力发电机 加以控制。与背景t支术相比，本发明方法的优点是不用精确控制感应风力发 电机的变浆技术而直接通过脉冲宽度调制(PWM)的逆变技术去完成感应风力 发电机暂态过程中的快速控制。由于本发明方法的提出，使感应风力发电机的 控制技术更为简洁、快速、易行。


图l是本发明的控制原理框图2是本发明感应风力发电机系统电机侧变换器控制框图3是本发明双变换器与感应发电机及电网连接框图4是本发明感应风力发电机系统电网侧变换器控制框图5是本发明双控制器感应风力发电机工作原理图6是本发明感应风力发电机电压电流运行等值电路图7是本发明感应风力发电机电压电流运行向量图；图8是本发明感应风力发电机向电网输出有功功率示意图； 图9是本发明感应风力发电机直接转矩控制六脉冲变换器示意图； 图IO是本发明感应风力发电机六角形磁场示意图； 图11是本发明感应风力发电机同步合成旋转磁场运行轨迹控制图； 图12是本发明感应风力发电机定子的同步合成旋转磁场任意时刻运行控 制策略图13是本发明感应风力发电机转子与同步合成旋转磁场位置示意具体实施例方式
下面结合实施例对本发明〗故进一步的详细说明。
本实施例中的感应风力发电机矢量及直接转矩控制综合方法，其步骤是 感应风力发电机侧控制器通过转速测定器实时检测感应风力发电机转子及轮 浆风机的转速，若转速测定器测得感应风力发电机为稳定运行状态时，采用矢 量控制方法控制感应风力发电机运行，若转速测定器测得感应风力发电机为暂 态运行状态时，采用直接转矩控制方法控制感应风力发电机运行。
本发明所述矢量控制方法的步骤为
轮浆风机在稳定运行状态下建立感应风力发电机矢量控制数学模型，即实 时釆集感应风力发电才几定子三相a、 b、 c交流电流及电压并将电流电压转换成 控制感应风力发电机定子的d、 q轴电流电压分量；用脉冲宽度调制(PWM)技 术通过对d、 q轴分量电压电流的控制，调节变换器中的相关绝缘栅双极三极 管(IGBT)开关的栅-极去控制感应风力发电机的交流励/磁电流频率，其可通过 下列公式完成
<formula>formula see original document page 13</formula>式(l)中"w为感应风力发电机定子d轴的电压，可实时采集计算求 出；为感应风力发电机定子电阻；为感应风力发电才几定子d轴的电流， 可实时釆集计算求出；丄^为感应风力发电机定子d轴的等效电感，可由电机 实验得出；为感应风力发电机同步角频率，可由感应风力发电机直接转矩 控制(WGDTC)方法实时求出；丄^为感应风力发电机定子q轴的等效电感，可 由电机实验得出；为感应风力发电机定子q轴的电流，可实时采集计算求
出；"^为感应风力发电机定子q轴的电压，可实时采集计算求出；是实
时釆集的转子电流有效值，并已折换到定子侧；A: = i x + i r ,《是转子 电路的总可变电阻，及，是转子电路的外接可变电阻，i^是转子电路的自身 电阻，i^和(均已折算到定子侧，当外接可变电阻i^ = 0时，感应风力 发电机由转子绕组式感应风力发电机转化为鼠笼式绕组感应风力发电机； 是转差角频率，= ws — w
g, ' "g/"是感应风力发电机转子的角步贞率；
丄Gw是感应风力发电机定子和转子之间的互感，并已折算到定子侧，可由电
机实验得出；
实时采集计算感应风力发电机定子端的电流、电压值，并将实时采集计算 的电流、电压值与前一时间段的电流、电压值进行比较，其差值为控制绝缘栅
双极三极管(IGBT)棚-极的电压控制量进而对感应风力发电机进行实时控制； 其差分控制方程为
'"Grf(,) = (AW) + --A丄Grf"(,)) — "Grf(,) + W) (A + "/gm )
m
、";)=W,+ ,+化、W-",+W)(《+《)
式(2)中^4(,)为感应风力发电机某一时间段控制绝缘栅双极三极管 (IGBT)栅极的定子电压d轴控制量；"i(,)为感应风力发电机某一时间段控 制绝缘栅双极三极管(IGBT)栅极的定子电压q轴控制量；其它所有具有时间 下标的电流电压量均为某一时间段实时釆集计算的相应的电流电压时间变量；通过调节定子电压d、 q轴控制量，对感应风力发电机侧有功功率^和无 功功率0cp进行解耦控制，其控制方程为
& =奮^^ ， 垂W^ (3)
通过电网侧d、 q轴电压和电流的采集计算，对电网侧有功功率^和无功 功率&进行解耦控制，其控制方程为
尸S = W Srf Z.Srf + " S《 2 S = " Sd z、 + M s ( 4 )
式(4)中"w为电网侧的d轴电压，"&为电网側的q轴电压，(^为电 网侧的d轴电流，&为电网侧的q轴电流；
在d、 q同步旋转坐标系下，通过控制直流电压&和变频器与电网交换的 无功功率& ，实现电网側有功功率&和无功功率&的单独解耦控制；
= 0时，电网侧变频器控制电压的方程为
(5)
式(5)中"L(,)为电网S侧d轴电压实时釆集计算的控制量，丄5为电 网S側的等效电感，z^(,)为实时采集计算的电网側电流d轴的电流分量，& 为电网S侧的等效电阻，c^为电网S侧电流、电压角频率，、(,)为实时采集 计算的电网侧电流q轴的电流分量，"SrfW为前一时间,爻实时采集计算的电网 侧电压d轴的电压分量，""(,)为电网S侧q轴电压实时采集计算的控制量；上 述控制量经过脉冲宽度调制(PWM)被送去作为调节相应的绝缘栅双极三极管(IGBT)开关栅极的控制信息。
本发明所述直接转矩控制方法的步骤是
当轮浆风机为暂态运行状态时，釆用直接转矩控制(WGDTC)的方法控制 感应风力发电机即根据动态的脉冲宽度调制(PWM)调节一个由直流电压^ 控制的六脉冲变换器，使直流电压￡rf通过电力电子开关绝缘栅双极三极管 (IGBT)栅极的控制而产生定子同步合成旋转磁场^j,，该定子同步合成旋转
磁场总是在控制变量^ni"a《^nax 、 4 ^,《7_和约束变量
6>min S 6>,《0max的条件下使感应风力发电机定子的同步合成旋转磁场p&的速
功率，所述a、 7;、《是实时采集计算的感应风力发电机定子的同步合成旋转 磁场、转子的电磁转矩乙以及感应风力发电机定子线电压与电力电网 电压五M的相位角&的时间变量，即在实时采集计算的时间段，a = pg,、
7>7;、可通过下列公式求得
1= j，, ——^x3
(6)
Pe = fr si《
X
(9GS = sirT
r
(7)
式(6)和(7)中6^是感应风力发电机G线电压五a与电网S线电压^i 之间的相位角，a是常数，五rf是用于感应风力发电机系统连接两侧变换器的 直流链上的直流电源，6^是转子角速度，^是感应风力发电机转子上从风力 轮浆上获得的每相功率，五2w是定子等效电压，A是定子电流，《是两者间的 夹角，a是感应风力发电机的同步速度，《是感应风力发电机向电网输出的
三相有功电磁功率尸e:3x(尸广/p，尸，是转子上每相消耗的有功功率，￡^是感应风力发电机定子线电压，五m是电力电网线电压，x;是感应风力发电机定子线电压五&与电力电网线电压ESi之间的等效电抗；所述感应风力发电机直接转矩控制(WGDTC)的所有控制变量及约束控制 变量均是矢量，并且这些矢量在某一特定的时间段都是在一定的范围内变化 的，故将所有矢量替换为模糊集合，即通过对感应风力发电机直接转矩控制 (WGDTC)控制六脉冲变换器中相应的绝缘栅双极三极管(IGBT)开关的栅极完成对所有模糊集合的分析控制，使其能更准确的控制感应风力发电机定子 的同步合成旋转磁场^;,，完成对感应风力发电机直接转矩控制，即策略控制模糊集合w(+) = /v+) w与同步合成旋转磁场模糊集合&,= 。,00不断进行比较，寻找其模糊集合差，并使其逼近空模糊集合，最终通过策略控制模糊集合w(+) = //w(+) (x)完成对感应风力发电机的直接转矩控制；w(+)是A(+) =//A(+) (X)和B(—)=仏(-)(X)的交集合，则Ww = //w(+)(x) = //A(+> B(—)(x) = min )(x)，//B(—=A(+)nB(—)， A(+) = 〃a(+)(X)是矢量X(+)的数学模糊集合，B(-f/^)W是矢量豆(—)的数学模糊集合，其中变量元 素X是变量集合，即X二(XpX2,X3，……，X } , X2=7;，x3 =......，分别代表某一时间段实时采集计算的感应风力发电机定子的同步合成旋转磁场^,感应风力发电机的电》兹转矩7;,功率极限角《的变化范 围。一个由直流电压A控制的六脉沖变换器，使直流电压A通过电力电子开关绝缘栅双极三极管(IGBT)栅极的控制而产生同步合成旋转磁场^^的七个不同大小和方向；根据控制变量t:^^《^ax、 7;"7^7_和约束变量应风力发电机定子同步合成旋转磁场pGs的大小及方向而实现感应风力发电机的直接转矩控制；感应风力发电机在 任意时刻的感应风力发电机定子的同步合成旋转磁场是由动态脉冲宽度 调制(PWM)变换控制绝缘栅双极三极管(IGBT )开关的栅极去控制直流电压A , 经逆变后产生三相a、 b、 c的交流电压及电流，以及在绕组中所产生的同步合 成旋转磁场。通过绕组与&的不同连接方式可产生六个方向的磁场矢量，X(+)、 X(—)、 S(+)、百(-,、5(+)、 5(-)。假设感应风力发电机的定子磁场被限制在虚线圓 圏之内，那么每个方向的》兹场就是六角形磁场运行轨迹图的中心指向一个确定 的方向。要想完成磁场旋转一周至少需要变换六次磁场的方向。在某一瞬时， 磁场运行的速度是零，造成这一结果的直接原因是在某一时刻将直流电源& 连接的三相交流绕组线圈短接。一个由直流电压&控制的六脉冲变换器，通过无规则动态脉冲宽度调制 (PWM)将直流电压^转化成感应风力发电机三相a、 b、 c交流电压，从而实 现对感应风力发电机定子的同步合成旋转磁场^j,的控制；任何时刻都可以通 过控制动态脉沖宽度调制(PWM)去控制感应风力发电机侧的变换器的相应绝 缘栅双极三极管(IGBT)开关，进而去控制同步合成旋转磁场p&的大小及方向。并使^G,运行的范围实时满足控制变量U^《^薩、rmm《r隨和约束变量^i。^《《^^的要求。感应风力发电机直接转矩控制(WGDTC)的关 键是通过用不规则的动态脉沖宽度调制(PWM)控制方法去操作相应的绝缘栅 双极三极管(IGBT)开关进而控制感应风力发电机定子的同步合成旋转磁场功率A 。本发明方法中感应风力发电机直接转矩控制(WGDTC)所有控制变量及约 束控制变量均是矢量，并且这些矢量在某一特定的时间段都是在一定的范围内 变化的，故釆用模糊数学的策略控制方式，将所有矢量替换为模糊集合，这样 的数学处理过程使本发明方法更接近工程实际，即通过对感应风力发电机直接 转矩控制(WGDTC)控制装置中相应的绝缘栅双极三极管(IGBT)开关的控制完成对所有模糊集合的分析控制，使其能更准确的控制感应风力发电机定子的 同步合成旋转磁场^G,,完成对感应风力发电机直接转矩控制的功能。本发明用模糊数学的方法对转子及感应风力发电机定子的同步合成旋转磁场矢量在某一特定位置及相关的矢量X(+)和5(_)进行模糊数学集合替换， 即设A(+)= > (" 乂 B(-) = /7b(—)0)、其中变量元素X是变量集合，即X二(XpX2，X3，……，X }， ^二p&，X2 =乙，A = ^G,......，分别代表某一时间段实时采集计算的感应风力发电机定子的同步合成旋转磁场A ，感应风力发电机的电磁转矩& ，功率极限 角《的变化范围。用以上方法得有A(-)， B(+)， C(+)，C(-)的模糊数学定义。^""-"-w^ /"""-^设同步合成旋转磁场的模糊集合=(x)的瞬间位置为/■w ^nin S圮Se隨，则本方法的策略控制模糊集合WW为磁场模糊集合A(+) = //a(+> (x)和磁场模糊集合5(—) = //b(-,(;c)的模糊数学交集合，因为对于交集合，由于<formula>formula see original document page 20</formula>所以i殳W(+)是A(+^// (X)和B(-) = //8(_)(>)的交集合，则<formula>formula see original document page 20</formula>通过上式所得到的模糊集合W(+F/V+)(x)与同步合成旋转磁场模糊集合= /"^")不断进行比较，寻找其模糊集合差，并使其逼近空模糊集合，即为最终的策略控制模糊集合w(+) = //ww (x)。此处值得提起的是当不在气in ^《^ S脆范围内，则需根据约束控制变量T^ ^ K《T匪，In ^ A《P腿的要求不断实时调整W(+) = //WM(;c)与各种矢量的组合，并使模糊集合W(+)=(x)与同步合成旋转磁场模糊集合&, = y"^ ("不断进行比较，寻 找其模糊集合差，并使其逼近空模糊集合，即为最终的策略控制模糊集合w(+) = //w(+) 0)。结合附图对本发明做进一步的详细说明。如图1所示，图1中的轮浆风机直接驱动感应风力发电机G，图1中S为 电网。因为感应风力发电机侧和电网侧的框图功能有相同之处，所以在此只对 感应风力发电机侧处进行主要叙述。感应风力发电机侧由感应风力发电机侧变 换器、感应风力发电机侧控制器、转速测定器、转子阻抗变换器及前级处理电子及风力轮浆的速度，依此判别风力是运行在稳定状态还是运行在突然变化的 暂态，进而迅速决定是采用矢量控制方法还是感应风力发电机的直接转矩控制 方法。在稳态运行时，感应风力发电机侧控制器可调入矢量控制方法对感应风 力发电机进行控制，因为这种方法通过大量的坐标系变换丰支费时间，但由于稳 定运行，所有坐标参量在每个采集时间段并未有明显变化，所以有足够的时间 进行矢量的坐标变换。而当风力发生突然变化的急剧暂态过程中，矢量方法失
去时间效率，故感应风力发电机直接转矩控制方法(WGDTC)被调入执行控制 感应风力发电机运行。同时，感应风力发电机侧控制器实时采集计算感应风力 发电机侧定子电压、电流，经过前级处理电路，这些信息被送入控制器，经过 感应风力发电机的控制算法的处理，得到有关控制信息，这些控制信息成为电 机控制器向隔离脉冲驱动检测电路发出控制信号的依据，也即用脉沖宽度调制 (PWM)技术去驱动相关的绝缘栅双极三极管(IGBT)开关。同时感应风力发 电机控制器还实时测量直流链电容C上的电压^做为分析系统运行的依据。 另外感应风力发电机侧控制器还和电网側控制器实时通讯，以期达到对整个系 统的最优控制。电网侧控制框图和感应风力发电机侧控制框图基本一致，只是 缺少测速装置和转子电阻变换器，因为电网侧所有元件是静止的。
如图2所示，设d，q轴坐标系以同步旋转速度旋转，在忽略感应风力发电 机G定子绕组电阻的情况下，感应风力发电机G的定子合成旋转磁场pGs与定 子端电压矢量的相位正好相差90° 。采用感应风力发电机G定子电压定向于d 轴方向，且忽略定子绕组压降，即可得到感应风力发电机G的磁链或磁场方程 和电压方程为
<formula>formula see original document page 21</formula>"W = + - "G《+ G, + 0乂Gm )
"Q = ^G』+ + + G+ ^丄G附)
将式(1)的i兹链方程代入式(2)电压方程中，则有:
《
=凡"+丄G《
(9)
(1)
式(8)、式(9)和式(1)中^w，p^为感应风力发电机定子d、 q轴
的f兹链或f兹场，可由(WGDTC)方法实时求出；/
G rf
为感应风力发电机定子
d、 q轴的电流，可在图2中实时采集计算求出；A^,丄^为感应风力发电机定 子d、 q轴的等效电感，可由电机实验得出。/^为感应风力发电机定子电阻； "Grf，"^为感应风力发电机定子d，q轴的电压可在图2中实时采集计算求出； 必，为感应风力发电机同步角速度，可由(WGDTC)方法实时求出；/^是实时 釆集的转子电流有效值，并已折换到定子侧；W: = + ,《是转子电 路的总可变电阻，W,是转子电路的外接可变电阻，^^是转子电路的自身电 阻，及，和/^均已折算到定子侧，当外接可变电阻i^ = 0时，感应风力发
行；6^是转差角频率，6^==0s-^Gr, "&是感应风力发电机转子的角 频率。丄Gw是感应风力发电机定子和转子之间的互感，并已折算到定子侧， 可由电机实验得出。
如前述，采用感应风力发电机G定子电压定向于d轴方向，且忽略定子绕 组压降，即可得感应风力发电机组有功功率/^和无功功率2c解耦方程为& = f ^ =—垂( 4 )
为了对感应风力发电机进行实时控制，需实时采集计算感应风力发电机定 子端的电流、电压值，并将这些值与前一时间段的信息进行比较，其差值即为 控制绝缘栅双极三极管(IGBT)栅极的电压控制量。其具体差分控制方程为
" (2)
式(2)中"(,)、"；(,)为感应风力发电机某一时间段控制绝缘栅 双极三极管(IGBT )栅极的定子电压d、 q轴控制量。
由图2可知，由感应风力发电机定子侧采集电流电压通过d、 q轴转换计 算获得同步合成旋转磁场的角度及位置0 (0可从(WGDTC)方法中求得)，同 时测得转子角度^ ，两者的差值A被用来做坐标系转换计算。图2中转子三 相电压电流测量值利用^进行d、 q转换，获得定子电流、电压的d、 q轴实 时测量信息，这些实时测量的信息用来和前一数据采集时间^敬所获得的定子电 压d、 q参考值进行比较，同时实时采集的转子电流有效值^(,)在转子等效阻 抗(《+ )产生的压P争也被送到定子电压d、 q参考值进行比较，得到
差值即为图2中所示 的与脉沖宽度调制(PWM)技术相关的绝缘栅双极三极管 (IGBT)开关栅极的控制量。
图2中实时采集的转子位置角0,与经过磁场计算的角度0进行比较得到 差值^。图2中实时采集计算的电流^。(,)、 zC6(,)、 z&(,)经过角度A由三相 交流向两相相对静止的a、 -转换，然后再由静止的两相向旋转的两相d、 q轴转换获得实时采集计算的当前时间段的d、 q轴定子电流分量/^(,)、"(,)， 这两个量被用来与前一时间段存储的/^(M) 、 "(H)进行比较。比较的结果
4/(,) 、 送到两比例微分器PD。两比例微分器PD的输出分别为、 并被送入中间加法环节。图2中还实时釆集计算电压^。(。、 "^(,>、 "&(,)经 过角度^由三相交流向两相相对静止的a 、 转换，然后再由静止的两相向 旋转的两相d、 q轴转换获得实时釆集计算的当前时间^敬的d、 q轴定子电压分 量"Grf(,)、 "Q(,)，这两个量加上由krf(,) 、 ^(,)在定子电抗"乂上产生的压降， 其输出结果用来与前一时间段由/^(,—D 、 "(M)而产生的加法环节电压分量 "^(,)进行比较，同时实时采集的转子电流有效值/&(,)在转子等效阻抗 (《+ c^丄G附)产生的压降也被送到这一加法环节进行比较。比较的结果即
为"Lw、 "；(,)。 "L(,)、"；(,)又经过旋转-静止-旋转变换最终得到绝缘栅双 极三极管(IGBT)开关4册极的交流系统定子三相a、 b、 c电压差值控制量"",)、
在感应风力发电系统中，维持直流系统电压相对稳定是保证感应风力发电 机发出的有功功率流入电网的基本条件。本发明以控制直流系统电压稳定，实 现有功功率传输为主要目的。同时控制系统发出的无功功率。
如图3所示，图中感应风力发电机G侧变换器和电网S侧变换器均是四象 限变换器，可工作在整流状态和逆变状态。图3中感应风力发电机G定子侧变 换器要保证有功功率尸G向电网S的可靠传输，同时还要保证在暂态状况下对 感应风力发电机交流励/磁的有效调节。图3中电网S侧变换器应解决感应风力 发电机G转速变化时有功功率的流动问题，保持直流母线电压的恒定，并且满 足电网侧无功功率的要求。
感应风力发电机发出的有功功率为尸c ，电网S获得的有功功率为尸s :
尸G =五rf、 尸S =五rfG ( I0 )
要保证感应风力发电机发出的有功功率在两个变换器中的流动协调一致， 应有A =尸g ，图3中直流侧电压五j为常值，z、， /2为图(3)中电容C上端节点的两侧电流。而电网s侧变换器从感应风力发电机获得的有功功率尸s
和无功功率&为
尸s = Ww + w" & = "w、 + (4)
式(4)中, "&为电网侧的d、 q轴电压，Grf ，、为电网侧的d、 q轴电力乾。
取电网侧电压空间矢量为d轴，沿电压矢量旋转方向逆时针超前90。为q轴，此时"^ =0，于是由式(4)得
尸s = & =""《 (11)
即实现了有功和无功的解耦，^受z'w控制，&受、控制。
本发明在d， q同步旋转坐标系下，以直流电压五^和变频器与电网交换的无功功率&为控制目标，实现电网侧有功功率^和无功功率&的单独解耦控制。
如图4所示，取电网侧电压空间矢量为d轴，沿电压矢量旋转方向逆时针超前90。为q轴，此时"^ =0，则有电网侧变频器控制电压方程为
(5)
《
式(5)中Zs为电网S侧总等效电感，此电感包括系统侧戴维南等效电感及加装滤波器的等效电感。i^也为电网S侧的总等效电阻，即此电阻包括系统侧戴维南等效电阻及加装滤波器的等效电阻。份,i为电网S侧电流、电压角频率，、(,)为图4中实时采集计算的电网侧电流d、 q轴的电流分量，"w(,)为图4中实时采集计算的电网侧电压d轴的电压分量，"L(,)、";(,)为图4中电网S侧d、 q轴电压实时釆集计算的控制量，这些控制量经过脉冲宽度调制(PWM)技术被送去作为调节相关的绝缘栅双极三极管(IGBT)开关栅极的控制信息。
图4中，因为本发明在d，q同步旋转坐标系下，以直流电压五^和变频器与电网交换的无功功率&为控制目标，实现电网侧有功功率A和无功功率^的单独解耦控制。由式(11)可知，= "w、即&是由、来控制的。故图(4)中的输入变量为直流链上的电压A(卜D和电网q轴的电流、(H)。此处A(,一)为电网在变换器控制下实时采集计算的与直流电压相适应的前一时间段直流电压，"(卜1)为电网在变换器控制下实时采集计算的与电网无功功率&相适应的电网侧q轴电流前一时间段采集量。
图4中电网S侧三相交流电流/&(,) ， /測,)，/&(,)被采集后经过坐标变换由静止的
、 z'5v (o^寻到与寿争子同步S走寿争的d、 q库由分量z'_sy(,) ， 众匕实时采集计算的被送去与前一时间段采集计算的^(,-d进行比较，其差值被送入比例微分调节器PD， PD的输出为q轴电压分量 (,)，这一分量与d轴电流
在互感阻抗分量fi^丄，上的压降进一步叠加而得到q轴电网S电压的控制量w;(,)。
图4中d轴电网S电压的控制量《(,)来源于两个闭环分支， 一支来源于
三相电网s交流电压Ww,)， w幼(,)，这些电压#:采集后经过坐标变换
由静止的""(,)、进一步变换得到与转子同步旋转的d、 q轴分量
， 与q轴电流、(,)在互感阻抗分量上的压降进一步叠加而
得到d轴电压w^(,)的中间量，这一中间量被送入加法环节。图4中d轴电网S电压的控制量z4(,)另一支来源于对变换器直流侧电压^^)实时采集计算量，五^)被送入加法环节与直流电压前一时间段实时采集计算的直流量A(卜D进行比较，其结果被送入比例积分调节器PI，比例积分器PI的输出与d轴电流&(,)进一步进行比较，其结果为4(,)， 4(,)被送入比例微分器PD，比例微分器PD的输出是d轴电压的中间量"^,),这一中间量也被送入上述的加法环节，这一
加法环节的输出即为d轴电压的最终控制量。
上述获得的电网侧S变换器的电压控制变量ML(,),";(,)，通过旋转轴向
静止轴的变换得到"L(,)，"〗外)，中间变量"L(,)， "^(,)经过进一步由静止向旋转变换最终得到电网侧三相交流电压的最终控制量《(,)，"")，"；(,)，这些控制量经过脉沖宽度调制(PWM)技术被送去作为调节相关的绝缘栅双极三极管(IGBT)开关栅极的控制信息。通过绝缘4册双极三极管(IGBT)开关栅极的调节，使之达到通过控制电流"(,)控制电网S侧的无功功率&,通过控制^(,)控制直流侧电压恒定的目的。
图4中所有与《，"有关的电流电压值均为用来完成坐标系变换的中间值。
如图5所示，图中的感应风力发电机G侧感应风力发电机测速装置测出感应风力发电机G的旋转角频率0& 。根据公式
l = J ( 6a )
计算％,， ^j,是由定子和转子共同产生的合成同步合成旋转磁场；式(6a)中A是常数，&是图5中电容C两端的电压，0&是转子的同步角频率。
图5的主要设备为两组六个绝缘栅双极三极管(IGBT)开关变换器的相关控制器及辅助设备，感应风力发电机G侧的变换器用与其相对应的感应风力发电机G侧控制器控制，此控制器通过感应风力发电机测速装置获得感应风力发电机G的转速，并实时采集计算感应风力发电机G的定子电压电流及直流系统信息，这些信息4艮据电网S和感应风力发电机G运行状况进行算法处理，得到有关控制信息，并利用控制信息去控制与脉冲宽度调制(PWM)相关的绝缘栅双极三极管(IGBT)开关。在感应风力发电机G侧连接一转子电阻变换器，这一变换器的作用为通过控制外接转子电阻数值实现控制转子的电流，进而控制同步合成旋转磁场的转速，以期达到当风速变化时调节感应风力发电机转子速
度的目的。同时这一感应风力发电机G側控制器还与电网S侧控制器实时通讯，了解电网S侧运行状况，选出综合的最佳控制方案。电网S侧控制器实时采集计算电网S侧电压电流及直流系统信息，并根据感应风力发电机G和电网S运行情况做出最优控制决策，这些控制决策信息被用来作为调节与电网S侧脉冲宽度调制(PWM)相关的绝缘栅双极三极管(IGBT)开关的依据。
图5中A是连接在电容C上的直流电压，这一电压值变化情况被两侧变换器的控制器采集处理，增强了控制方法的优化决策功能。
图5中T是升压变压器，使直流电压^经过逆变后的交流电压升压至电网S侧的电压值。
图6为感应风力发电机电压电流运行等值电路图，该图被用来计算感应风力发电机G转子上的功率《及感应风力发电机G的电磁转矩7;的幅值和同步合成旋转磁场^,大小和方向，与期望的转矩和期望的^f兹场比较得出差值即为图5中绝缘栅双极三极管(IGBT)开关的脉冲宽度调制(PWM)调节控制量，该控制量控制图5中绝缘4册双极三极管(IGBT)开关的4册极，从而完成感应风力发电机直接转矩控制(WGDTC)限定的区间调节，弥补矢量控制在非恒定转矩或非线性运行区域内的反应滞后性。
图6中，感应风力发电机定子电阻i^ 、定子电抗A、转子电路总的可变电阻< =& + &， i ,是转子电路的外接可变电阻，^是转子电路的自身电阻，i ,和&均已折算到定子侧，当外接可变电阻及，=0时，感应风力发电机由转子绕组式感应风力发电机转化为鼠笼式绕组感应风力发电机，故本发明方法适用于转子绕组式感应风力发电机和鼠笼式感应风力发电机的控制运
行；";c是转差角频率，^^=^^-0(^， 为感应风力发电才几同步角频率，可由感应风力发电机直接转矩控制(WGDTC)方法实时求出；c^,是感应风力发电机转子的角频率、转子电抗A (已折算到定子侧)，励磁绕组电抗^ (已
折算到定子侧)。定子漏〃磁场^，定子和转子间的互感》兹场^ ,转子漏》兹场^ 。电阻一 (它表示转子系统上吸收了从感应风力发电机G轮浆上传输过来的
有功功率，其中s是转差率，可由s = ^ ，求得)。
由于电才几运行在感应风力发电机状态，化<0&，则s<0。由电机学可知，当感应风力发电机G运行在稳定状态时，感应风力发电机定子的同步合成旋转磁场与转子的相对速度为常数，即同步合成旋转磁场与转子之间相对切割的磁场为常数，也就是^,为常数。另外我们知道感应风力发电机G定子的电压为
￡G = 4.44,fc (12 )
式(12)中f为电网S或感应风力发电机G定子频率，N为定子绕组每相匝数；当磁场^,为常数时五(j"f 。
^为感应风力发电机G角频率或同步角速度，％ =27Tf ，"，为感应
风力发电机G的同步速度，",=^，这里p是感应风力发电机G的极对数，
于是有f a fi^oc 。所以感应风力发电机G定子电压在稳定运行时有￡G oc f oc份s oc 。
如图7所示，由电机学可知，图7中的^j,为定子同步合成旋转磁场的f兹场，等于图6中A和p的矢量和。即是
I 1 + P (13)
感应风力发电机G的单相功率和三相所表示的总的转矩可由式(6b)和式(6c)表示
尸,五2w^cos^ (6b)<formula>formula see original document page 30</formula>式(6b)中^是转子从风力轮浆获得的每相功率。
从图6中五^是由(^,感应的电压，/,是定子电流，《是感应风力发电 机G的功率因数角，在忽略定子电阻的情况下与^相同，6^是在忽略定子电 阻的情况下实时采集计算图6中感应风力发电机G定子电压&及定子电流A 获得。
电压Aw是不能够直接测量的，但是它的数值是容易计算的，通过在定子 端测量Ee然后加上上的电压降而得到。
图7中磁场^,是和电压五^成正比并落后其90。，图7向量图标注了定子 电流电压和/^c之间的关系。可以实时采集计算定子电流/,和电压五c而决定 功率因数cos《(此处忽略/^G)，进而得到《，磁场^j,的大小可从式(6a) 中得到，而外;,位置总是落后五2w 90°,从而磁场^,的大小和方向即可确定。 因而可得到式(6b)及式(6c)，也即在感应风力发电机直接转矩控制方法中
的重要参数 ；得到了解决。
式(6b)中Aw是由^,感应的电压；A是定子电流；《是感应风力发电 机G的功率因数角，可通过实时采集计算定子电压五G及电流A获得；电压￡2^ 通过在定子端测量￡w或五(j然后加上上的电压降而得到；
式(6c)中^是感应风力发电机G的同步转速，在稳定运行时可根据^ 求出；
如前所述，",是转子的每分钟的同步转速，在稳定运行时可根据A求出。 而^是同步合成旋转磁场的角速度，在稳定运行时，根据^与电压&成比 例的关系求得。
式(6b)中功率《是在图6中点④和N之间吸收的有功功率，即转子 上吸收的有功功率，这一功率是和流入点②和N之间的有功功率一致的。因为 无功原件、、^不消耗有功功率，因此可得式(6b)。图8是感应风力发电机向电网输出有功功率示意图，由图可知五(^是感 应风力发电机G的定子线电压，五a是与变压器T相连的电网S的线电压；T 是升压变压器；BBC是背对背双变换器，^是从感应风力发电机G到电网S 之间的等效电抗，它包括感应风力发电机G定子电抗和转子电抗(已折算到定 子侧)、变换器等效电抗及变压器的电抗，《是感应风力发电机G向电网S输 出的有功电磁功率。
尸=尸 一尸.
(14)
式(14)中；是感应风力发电机G转子上有功铜耗，C=s《(s为转 差率，如前述)。
若假设图5中的变换器由理想开关组成(无有功损耗)，同时忽略变压器 中的有功损耗，则在图8中感应风力发电机G向电网S输出的有功功率为
(7a)
式(7a)中6^是感应风力发电机G线电压5&与电网S线电压五a之间 的相位角。
(9gs 二 sin
—i
(7b)
从图7中知，由于^g,是向量，而由式(6a)求得的^g,值是标量，为便 于在感应风力发电机直接转矩控制方法中实时追踪《^的方向，可在图7的向量图中将任意时刻的方向求出如前述。
本发明感应风力发电机直接转矩控制(WGDTC)方法是根据著名的六角形 磁场运行轨迹图而建立的数学模型，如图10示。
图9所示， 一个由直流电压&通过无规则脉冲宽度调制(PWM)方法将直流 电压五a转化成感应风力发电机G三相a、 b、 c交流电压。在任何时刻都可以 通过控制脉冲宽度调制(PWM)去控制绝缘栅双极三极管(IGBT)开关ai、 a2、 b!、 b2、 Cl、 C2的位置，从而产生不断变化的磁场^^和转矩7;。此处开关ai、 a2、 b,、 b2、 c,、 C2是与图5中感应风力发电机侧G的变换器的绝缘栅双极三极 管(IGBT)开关相适应的。
图9中磁场％,可以被控制在％<^^<^的区间内。转矩7;可以被控制 在；〈7;〈:^的区间内。图10中^,是着重强调感应风力发电机定子的同步合 成旋转/f兹场^j,为矢量，既有大小又有方向。此方法也适用于X(+)、 X(—)、 5W、 B(-) 、 C(+) 、 C(-)。
根据图9中的六脉冲变换器，通过不同的开关组合可以得到不同的磁场方 向。例如对于图10中X(+,矢量的》兹场方向的获得，是通过将绕组a连接到 直流电源^/的正极端。而将b、 c绕组连接到^的负极端。同理，其他依此 类推。
如图IO所示，感应风力发电机在任意时刻的感应风力发电机定子的同步 合成旋转磁场^,是和图9所示的用脉冲宽度调制(PWM)变换控制绝缘栅双极 三极管(IGBT)开关控制直流电压&、逆变后产生的三相交流a、 b、 c电压、 电流以及绕组所产生的同步合成旋转磁场。通过绕组与五rf的不同连接方式可 产生六个方向的^兹场，X(+)、 X(-)、 1(+)、豆(-)、5(+)、 5(_)。假设感应风力发电 机G的定子磁场被限制在虚线圆圏之内，那么每个方向的磁场就是从图形中心 指向一个确定的方向。要想完成磁场旋转一周至少需要变换六次磁场的方向。
假设在磁场的起始方向是由向量0-1即X(+)。通过应用在1点上叠加5(+)矢 量的这个组合，磁场^,将从1点向2点行进。也就是磁场^&从1点移到2 点。在到达2点后，再继续用X(—)矢量的叠加组合，然后磁场^G,将继续向3点行进。到达3点后，继续应用5(+)矢量磁场组合，将磁场^,移到点4，同理， 依此类推。
如图11所示，5&所示位置为从参考横轴起^角度，6>'角度是在5&任意 时刻的初始角。又4叚设磁场^,以逆时针方向旋转，设置一个磁场控制区间来 控制磁场^&的调节范围。此图中磁场的调节范围是1. 0 - 1. lp. u,图中的黑体 点表明磁场在某一时刻空中被冻结或成为零点，也就是在那一瞬时，磁场运行 的速度是零。造成这一结果的直接原因是在某一时刻将直流电源&连接的三 相交流绕组线圈短接。很显然，在磁场运行的一个周期内，冻结点越多，磁场 速度越慢，反之则越快。
如图12所示，在此图中设置了磁场控制区域A、 ^及转矩控制区域7^、 rs。假设磁场5&在某一时刻运行在图中所示位置。显然^,比最小磁场&要 小。为使^&进入磁场控制区域，必须对直流电源五^与交流绕组的连接方式进 行控制。如前所述，有七种方式去控制磁场的运行轨迹，即X(+)、 X(-)、 B(+)、 5h、 5(+)、 5(-)及特殊点-零点。这样，选择X(+)矢量将产生一个指向水平右侧 的磁场，而选择5(+)矢量又会产生一个与水平方向成120。的磁场，而瞬时将三 相定子绕组与直流电源五^短路会产生一个零点，依此类推。下面重要的是如 何决定磁场运行的轨迹以达到同时控制磁场和转矩的目的。显然，在图中所示 的位置中，S(-)、 5(+)和零点不是合适的选择，因为它们会使磁场5&保持不变， 或者变得更小。进一步分析，很容易注意到，&+)、 5(—)、 5(+)、 5(-)是可能的
选择。但如何确定最佳的选择，这就取决于这个瞬间转矩7;的位置。如果 7;<rs,就选择5(-)矢量，这样如图io中由于同步合成旋转磁场和转子之间
的夹角"或^s的增大可以增加感应风力发电机G输出的电磁转矩。矢量X(+)也
是可能的选择，因为它可以使同步合成旋转磁场尽快的进入调节范围的区 间并同时产生 一个使感应风力发电机电磁转矩增加的输出量。但到底是选择矢
量5h、 X(+)或它们之间的逻辑和，则取决于模糊数学的逻辑结构来决定，进
而调节相应的绝缘4册双极三极管(IGBT)开关。
如果7; 〉L,这说明转子和同步合成旋转磁场之间的夹角"或e^有增大的趋势，这样控制矢量或或和模糊数学的逻辑和都是可能的选 择。但到底是选择矢量5(+)、 或它们之间的逻辑和，则取决于模糊数学的 逻辑结构来决定，进而调节相应的绝缘栅双极三极管(IGBT )开关。如果7; >7^
的绝对值超出限定范围，那么选择5(+)比较合适(但此时限定条件是,兹场5&的 位置决不可超前转子)。否则选择5(-)，或5(-)和5(+)模糊数学的逻辑和。
筒言之，感应风力发电机直接转矩控制方法(WGDTC)核心是根据动态的 脉冲宽度调制(PWM)调节使同步合成旋转磁场^^总是在约束和控制变量
^i^《《e,， r隨^7;《r隨，U^^ ax的条件下使感应风力发电机
定子的同步合成旋转磁场5&的速度落后于转子的速度而使感应风力发电机G 输出与轮浆风力相适应的有功电磁功率。
如图12中所示，r, 、 a是7; 、 5&的实时测量值，而7^、 rs、 ％、 ％
为控制方法的期望值。其两者的允许误差值即为图5及图9中相应绝缘栅双极 三极管(IGBT)开关的控制量。
从电力系统稳定运行的理论可知，式(7a)、式(7b)中的e"角应小于或 等于30° ，精确的角度应根据感应风力发电机G及电网S具体的运行情况来 决定。又根据图13所示此处设转子和同步合成旋转磁场以逆时针同步速旋转， 感应风力发电机G转子与同步合成旋转磁场^o,之间的机械角"与感应风力 发电机G线电压五a和电网S线电压五a之间的夹角6^之间的关系根据图14 为
1 =子 (15)
式(15)中户是感应风力发电机G的极对数。 这样，本发明的约束控制变量为^ min ^ & ^ Pmax max
(16)
式(16)中《、r,、 A是本发明中实时采集计算的电压五^及五a的相
位角《s，转子的电磁转矩7;以及感应风力发电机定子的同步合成旋转磁场
^&时间变量；式(16)中l、 rmm、 ^u是本发明中相应变量的下限最小值； 式(16)中^_、 rmax、 ^Vc是本发明中相应变量的上限最大值。
本发明中实际上是实时计算同步合成旋转磁场矢量的大小及方向， 7;的大小并在控制区间加以判别，进而通过用不规则的脉冲宽度调制(PWM)方 法去控制绝缘栅极三极管(IGBT)开关的栅极来实现感应风力发电机的直接转 矩控制(WGDTC)方法，简言之，通过对绝缘栅极三极管(IGBT)开关栅极的控 制使同步合成旋转磁场^"g,总是落后转子的角度满足6min《《^ ^ 狄， Pmin ^ P隨，在每个时间段的控制内还应满足 ;"7^7_的约束条件。
下面用模糊数学的方法对图12中的所有矢量进行模糊数学集合替换，即
设
:a(+) = //a<

j B(-)""(" (17)
、伊G， = /V,("
其中变量元素X是变量集合，即1 = {^,;￡:2,13,……，x }， &=^^,
a =乙，a = ......，分别代表某一时间段实时采集计算的感应风力发电
机定子的同步合成旋转磁场A ，感应风力发电机的电磁转矩r,，功率极限角《
的变化范围。用以上方法得有A(-), B(+)， C(+)，C(—)的模糊数学定义。
同步合成旋转磁场的模糊集合^,=/^&")的瞬间位置如图12所示，但
^^角的运行区间为^in^《^0皿，则本发明的策略控制模糊集合w(+)为图12
中磁场模糊集合B(-) = /V-)(;c)和磁场模糊集合Aw =0c)的模糊数学交集
合，因为对于交集合，由于
<formula>formula see original document page 36</formula>
所以设w(+)是a(+F^a(+)(x)和b(-) = //b(—)("的交集合，则
<formula>formula see original document page 36</formula>(18)
通过式(21)所得到的模糊集合ww = //ww W与同步合成旋转磁场模糊集
合&, = /^&,")不断进行比较，寻找其模糊集合差，使其逼近空模糊集合，即
为最终的策略控制才莫糊集合ww = //w(+) (x)
式(17 )和式(18 )中磁场模糊集合b(-) = /v) 00和磁场模糊集合a(+) =以及策略控制模糊集合W(+F/V+,(;c)是通过如前所述的对原理图1中相应绝缘
;断双极三;fel管(IGBT)开关的控制来实现的。
如果《> 6>max ，则如前所述同步合成旋转磁场需加速进入e^角的调节 范围。另外此时还需选择在L与^収区间内的基准矢量^"， ^"一般选择在
(&ax—^nin)区间内的中点，并将其替换为模糊集合^^ 。
1 = W
则策略控制模糊集合W(+):可能是B(-)或C(+)或Bh (lew;具体大小及方 向取决于|^_-，此处可用模糊数学的方法并根据电磁转矩的判别条件
r加^r^r腿来确定策略控制模糊集合Ww具体大小及方向，模糊集合
W(+) =//w(+> (jc)需与同步合成旋转磁场模糊集合^," = ;"^。")不断进行比
较，寻找其模糊集合差，使其逼近空模糊集合，即为最终的策略控制模糊集合 W(+) =(;c)。磁场模糊集合B(-) = //B(-> (;c)和磁场模糊集合C(+) = //cw W以及策
略控制模糊集合W(+F/Zw(+)(;c)是通过如前所述的对图1中相应绝缘栅双极三

极管(IGBT)开关的控制来实现的。
如果《<0min ，则如前所述同步合成旋转磁场需减速进入^s角的调节
范围。另外此时还需选择在^n与e,区间内的基准矢量^^,如前所述^ ,"仍 选择在(^nax —^nin )区间内的中点，并将其替换为模糊集合。则策略控制模糊集合W(+):可能是A(+)或C(—)或A(+) Dc(-);具体大小及方
向取决于|&in -《I ，此处可用模糊数学的方法并根据电磁转矩的判别条件
rminsr^rm 来确定策略控制模糊集合w(+)具体大小及方向，模糊集合
WW = //w(+)(x)需与同步合成旋转磁场模糊集合^," = ("不断进行比较，
寻找其模糊集合差，使其逼近空模糊集合，即为最终的控制模糊集合
w(+) = aww W 。磁场模糊集合Aw = /iA(+> 00和磁场模糊集合C(-) = W以及策略
控制模糊集合w(+F/^+,w是通过如前所述的对图5中相应绝缘栅双极三极管 (IGBT)开关的控制来实现的。
权利要求
1、一种感应风力发电机矢量及直接转矩控制综合方法，其特征是感应风力发电机侧控制器通过转速测定器实时检测感应风力发电机转子及轮浆风机的转速，若转速测定器测得感应风力发电机为稳定运行状态时，采用矢量控制方法控制感应风力发电机运行，若转速测定器测得感应风力发电机为暂态运行状态时，采用直接转矩控制方法控制感应风力发电机运行。
2、 根据权利要求1所述的感应风力发电机矢量及直接转矩控制综合方法， 其特征是所述矢量控制方法的步骤为轮浆风机在稳定运行状态下建立感应风力发电机矢量控制数学模型，即实 时采集感应风力发电机定子三相a、 b、 c交流电流及电压并将电流电压转换成 控制感应风力发电机定子的d、 q轴电流电压分量；用脉沖宽度调制(PWM)技 术通过对d、 q轴分量电压电流的控制，调节变换器中的相关绝缘栅双极三极 管(IGBT)开关的栅极去控制感应风力发电机的交流励^磁电流频率，其可通过 下列公式完成(1)"G《=+丄G《i+ ",Grf/Grf + +式(l)中"Grf为感应风力发电机定子d轴的电压，可实时采集计算求出；Wc为感应风力发电机定子电阻；为感应风力发电机定子d轴的电流， 可实时采集计算求出；丄^为感应风力发电机定子d轴的等效电感，可由电机 实验得出；w,为感应风力发电机同步角频率，可由感应风力发电机直接转矩 控制(WGDTC)方法实时求出；4^为感应风力发电机定子q轴的等效电感，可 由电机实验得出；/G。为感应风力发电机定子q轴的电流，可实时采集计算求出；"Gq为感应风力发电机定子q轴的电压，可实时采集计算求出；k,是实时采集的转子电流有效值，并已折换到定子侧；W二 = + ,《是转子 电路的总可变电阻，是转子电路的外接可变电阻，五，是转子电路的自身 电阻，/^和及r均已折算到定子侧，当外接可变电阻及，=0时，感应风力是转差角频率，^;c-w,-"Gr，份G,是感应风力发电机转子的角频率； Z"是感应风力发电机定子和转子之间的互感，并已折算到定子侧，可由电 机实验得出；实时采集计算感应风力发电机定子端的电流、电压值，并将实时釆集计算 的电流、电压值与前一时间段的电流、电压值进行比较，其差值为控制绝缘栅 双极三极管(IGBT)栅极的电压控制量进而对感应风力发电机进行实时控制； 其差分控制方程为(2)式(2)中"L(,)为感应风力发电机某一时间段控制绝缘栅双极三极管 (IGBT)栅极的定子电压d轴控制量；"^(,)为感应风力发电机某一时间段控 制绝缘栅双极三极管(IGBT )栅极的定子电压q轴控制量；其它所有具有时间 下标的电流电压量均为某一时间段实时采集计算的相应的电流电压时间变量； 通过调节定子电压d、 q轴控制量，对感应风力发电机侧有功功率^和无 功功率2e进行解耦控制，其控制方程为通过电网侧d、 q轴电压和电流的釆集计算，对电网侧有功功率^和无功 功率2S进行解耦控制，其控制方程为<formula>formula see original document page 4</formula>(4)式(4)中"w为电网側的d轴电压，"&为电网侧的q轴电压，^为电 网侧的d轴电流，为电网侧的q轴电流；在d、 q同步旋转坐标系下，通过控制直流电压&和变频器与电网交换的 无功功率& ,实现电网侧有功功率&和无功功率&的单独解耦控制；= 0时，电网侧变频器控制电压的方程为<formula>formula see original document page 4</formula>(5)式(5)中"L(,)为电网S侧d轴电压实时釆集计算的控制量，^为电 网S侧的等效电感， (,)为实时采集计算的电网侧电流d轴的电流分量， 为电网S侧的等效电阻，6^为电网S侧电流、电压角频率，、(,)为实时采集 计算的电网侧电流q轴的电流分量，为前一时间段实时采集计算的电网 侧电压d轴的电压分量，";(,)为电网S側q轴电压实时采集计算的控制量；上 述控制量经过脉沖宽度调制(PWM)被送去作为调节相应的绝缘栅双极三极管 (IGBT)开关棚-极的控制信息。
3、根据权利要求1所述的感应风力发电机矢量及直接转矩控制综合方法， 其特征是所述直接转矩控制方法的步骤是当轮浆风机为暂态运行状态时，采用直接转矩控制(WGDTC)的方法控制 感应风力发电机即根据动态的脉冲宽度调制(PWM)调节一个由直流电压^ 控制的六脉冲变换器，使直流电压A通过电力电子开关绝缘栅双极三极管(IGBT)栅极的控制而产生定子同步合成旋转磁场^j,,该定子同步合成旋转磁场总是在控制变量^ in ^ a s^>max 、 rmin《r,rmax和约束变量emin s《《emax的条件下使感应风力发电机定子的同步合成旋转磁场p&的速功率，所述％、 t;、《是实时采集计算的感应风力发电机定子的同步合成旋转 磁场、转子的电》兹转矩7;以及感应风力发电机定子线电压五^与电力电网电压五见的相位角&的时间变量，即在实时采集计算的时间段，A=PGs、7; =7;、《=&s，可通过下列公式求得<formula>formula see original document page 5</formula>式(6)和(7)中6^是感应风力发电机G线电压^^与电网S线电压五^ 之间的相位角，A是常数，^是用于感应风力发电机系统连接两侧变换器的 直流链上的直流电源，0&是转子角速度，^是感应风力发电机转子上从风力 轮浆上获得的每相功率，五2W是定子等效电压，A是定子电流，《是两者间的 夹角， 是感应风力发电机的同步速度，g是感应风力发电机向电网输出的三相有功电磁功率尸e:3x(户广尸P，；是转子上每相消耗的有功功率，^丄是感应风力发电机定子线电压，五^是电力电网线电压，x;是感应风力发电机定子线电压与电力电网线电压￡a之间的等效电抗；所述感应风力发电机直接转矩控制(WGDTC)的所有控制变量及约束控制 变量均是矢量，并且这些矢量在某一特定的时间段都是在一定的范围内变化的，故将所有矢量替换为模糊集合，即通过对感应风力发电机直接转矩控制(WGDTC)控制六脉冲变换器中相应的绝缘栅双极三极管(IGBT)开关的栅极 完成对所有模糊集合的分析控制，使其能更准确的控制感应风力发电机定子 的同步合成旋转磁场伊& ，完成对感应风力发电机直接转矩控制，即策略控制模糊集合w(+)-人(+,Oc)与同步合成旋转磁场模糊集合&,= 。,00不断进行比较，寻找其模糊集合差，并使其逼近空模糊集合，最终通过策略控制 模糊集合ww = //w(+) (x)完成对感应风力发电机的直接转矩控制；w(+)是A(+) =//A(+> (X)和B(-) = //B(—)O)的交集合，贝'JW(+) = 〃w(+)(x)=)(x) = min;"a(+)(X),;"b(一)0)量X(+)的数学模糊集合，B(-F/Z (X)是矢量Sh的数学模糊集合，其中变量元素x是变量集合，即Hw2，x3，……, ^=^， x2=rw,A = p&......,分别代表某一时间段实时釆集计算的感应风力发电机定子的同步合成旋转磁场^ ，感应风力发电机的电磁转矩r,,功率极限角《的变化范
全文摘要
本发明涉及一种感应风力发电机矢量及直接转矩控制综合方法，它属于一种感应风力发电机在稳定运行状态下使用矢量控制以及在风力发电暂态过程中采用直接转矩控制的综合方法。本发明主要是解决现有风力发电机组存在的由于风力变化而呈现急剧不稳定运行的暂态过程中难以控制的技术难点。本发明的技术方案是感应风力发电机矢量及直接转矩控制综合方法，其步骤是感应风力发电机侧控制器通过转速测定器实时检测感应风力发电机转子及轮桨风机的转速，若转速测定器测得感应风力发电机为稳定运行状态时，采用矢量控制方法控制感应风力发电机运行，若转速测定器测得感应风力发电机为暂态运行状态时，采用直接转矩控制方法控制感应风力发电机运行。
文档编号H02P9/00GK101645687SQ20091007537
公开日2010年2月10日 申请日期2009年9月11日 优先权日2009年9月11日
发明者张晓巍, 李刚菊, 杨文元, 王世杰, 范莉平, 赵春生, 郑德化 申请人:山西合创电力科技有限公司