双馈风力发电机组的多目标模型预测控制方法与流程

本发明围绕新能源发电技术领域，研究双馈风力发电机组控制方法，涉及一种不平衡电网电压下双馈风电机组的控制策略，特别是涉及多目标的模型预测控制方法。

背景技术：

随着风力发电技术的不断发展，风能已经成为最具规模化应用前景的可再生能源之一。其中，基于双馈感应发电机的风力发电系统具有变速恒频和四象限运行能力、有功无功独立调节、变流器容量小等优点，在风力发电领域得到广泛应用。但是由于双馈风力发电机组定子直接与电网相连，容易受到电网电压的影响，当电网电压不平衡时，双馈风力发电机组会出现功率波动、转矩波动、电流谐波等现象，严重时甚至会导致风电机组从电网中脱出。但是从电网安全运行角度来说，要求风电机组能承受一定程度的负序电流而不脱网，风电场接入电力系统技术规定中明确规定当风电场并网点的负序电压不平衡度达2％、短时达4％条件下，风电机组应能正常不脱网运行。因此，双馈风力发电机组在电网电压不平衡条件下的控制技术对于提高风电机组运行的可靠性有重要意义。

目前，不平衡电网电压下的双馈风力发电机组控制技术主要基于矢量控制(vectorcontrol,vc)和直接功率控制(directpowercontrol,dpc)，其控制的关键都在于采用的控制器对参考量无静差的跟踪能力。已经公开的相关文献如题为“电网电压不对称骤升下双馈风力发电机改进控制策略”(谢震,张兴,杨淑英,.中国电机工程学报,2013,33(15))的文章，提出了一种双馈风力发电机组在不平衡电网电压下运行的控制方法，通过在在正、反转同步坐标系上分别对正、负序分量进行控制，利用比例积分调节器实现无静差控制，具有良好的稳态性能。同时，该文章提出的控制方案中仍存在以下不足：

1)所设计的控制策略需要对不平衡电压电流进行正负序分解和坐标变换，运算量较大且对精度要求高；

2)在同步旋转坐标系下电流环的比例积分调节器进行闭环控制只能实现一个控制目标。

另外，题为“电网电压不平衡时基于谐振闭环调节的双馈异步发电机转矩波动抑制策略”(程鹏,年珩.中国电机工程学报,2015,35(7).)的文章，采用了比例谐振控制器代替传统的矢量控制中的比例积分(pi)控制器，可以在αβ轴上实现对双馈风力发电机组转子电流的统一控制，无需正、负序分解，同时也省去了复杂的坐标变换，而且利用比例谐振控制器的控制方案还可以通过给定不同的转子电流指令值实现不同的控制目标，同时该文章提出的技术方案仍存在以下问题：

1)闭环控制的参考指令中，每种电流指令值只能对应唯一的控制目标，灵活性较差；

2)抑制策略中的指令值计算规则复杂，在实际运行控制中受到限制。

技术实现要素：

本发明为克服现有技术存在的不足之处，提出一种双馈风力发电机组的多目标模型预测控制方法，以期能增强双馈风力发电机组不平衡故障下稳定运行的能力，同时避免复杂的坐标变换和转子电流指令值计算，实现双馈风力发电机组转子电流的统一控制。

本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：

本发明一种双馈风力发电机组的多目标模型预测控制方法的特点是按照以下步骤进行：

步骤1，实时采样双馈风力发电机组的定子电压三相交流信号usabc、转子线圈电流三相交流信号irabc和直流侧电压信号udc，通过光电编码器提取所述双馈风力发电机组的转子旋转角速度ωr，根据所述转子旋转角速度ωr和双馈风力发电机组的极对数p，利用转子角度计算方程得到双馈风力发电机组的转子角度θr；

步骤2，离散化和坐标变换：

步骤2.1，定义离散采样周期为ts，当前采样时刻为k，并初始化k＝0；

步骤2.2，对所述定子电压三相交流信号usabc、转子线圈电流三相交流信号irabc、直流侧电压信号udc进行dsp数字化离散处理，得到k时刻的定子电压三相交流信号usabc(k)、转子k时刻的线圈电流三相交流信号irabc(k)、k时刻的直流侧电压信号udc(k)；

步骤2.3，对所述k时刻的定子电压三相交流信号usabc(k)、转子k时刻的线圈电流三相交流信号irabc(k)、k时刻的直流侧电压信号udc(k)进行abc三相静止坐标系到αβ两相静止坐标系的坐标变换，得到双馈风力发电机组k时刻的定子电压αβ分量usαβ(k)、k时刻的定子输出电流αβ分量isαβ(k)和k时刻的转子线圈电流αβ分量irαβ(k)；

步骤3，转子电流指令计算：

步骤3.1，利用式(1)计算k时刻的转子电压urαβ(k)：

式(1)中，sa(k)、sb(k)和sc(k)表示k时刻的逆变器三相桥臂的开关矢量；当k＝0时，开关矢量为所设定的初值；

步骤3.2，利用双二阶广义积分器对所述k时刻的定子电压αβ分量usαβ(k)进行正负序分解，得到k时刻的定子电压αβ正序分量usαβ+(k)和k时刻的定子电压αβ负序分量usαβ-(k)；

步骤3.3，在αβ两相静止坐标系下，利用式(2)得到k+1时刻的αβ相转子电流指令的两个分量和

式(2)中，和表示dq两相同步旋转坐标系下k时刻的转子有功电流正负序分量的参考指令；和表示dq两相同步旋转坐标系下k时刻的转子无功电流正负序分量的参考指令；θslip(k)表示k时刻的转差角度，当k＝0时，θslip(k)为给定的初值；

步骤4，k+1时刻转子电流和定子电压预测：

步骤4.1，利用线性差分方法对所述k时刻的定子电压αβ分量usαβ(k)进行延时补偿，获得到k+1时刻的定子电压αβ分量usαβ(k+1)；

步骤4.2，利用式(3)对所述k时刻的转子线圈电流αβ分量irαβ(k)进行延时补偿控制，得到k+1时刻的转子线圈电流αβ分量irαβ(k+1)：

式(3)中，s为双馈风力发电机组转差率，且s＝(ω1-ωr)/ω1，ω1表示同步旋转角速度；ls为定子绕组全自感；lr为转子绕组全自感，lm为定转子互感；σ为电机漏感系数，且

步骤4.3，利用双二阶广义积分器对所述k+1时刻的定子电压αβ分量usαβ(k+1)进行正负序分解，得到k+1时刻的定子电压αβ正序分量usαβ+(k+1)和k+1时刻的定子电压αβ负序分量usαβ-(k+1)；

步骤4.4，利用双二阶广义积分器的锁相环对所述k+1时刻的定子电压αβ分量usαβ(k+1)进行处理，得到k+1时刻的电网电压同步旋转角度θs(k+1)以及转差角度θslip(k+1)；

步骤5，k+2时刻定子电压αβ正负序分量预测：

步骤5.1，利用线性差分方法对所述k+1时刻的定子电压αβ正序分量usαβ+(k+1)进行延时补偿，获得到k+2时刻的定子电压αβ正序分量usαβ+(k+2)；

步骤5.2，利用线性差分方法对所述k+1时刻的定子电压αβ负序分量usαβ-(k+1)进行延时补偿，获得到k+2时刻的定子电压αβ负序分量usαβ-(k+2)；

步骤6，利用式(4)预测k+1时刻的转子电压urαβ(k+1)：

式(4)中，sa′(k+1)、sb′(k+1)和sc′(k+1)为k+1时刻用于控制逆变器三相桥臂的备用矢量；当k＝0时，备用矢量为设定的初值；

步骤7，k+2时刻转子电流预测：

步骤7.1，利用式(3)对所述k+1时刻的转子线圈电流αβ分量irαβ(k+1)进行延时补偿控制，得到k+2时刻的转子线圈电流αβ分量irαβ(k+2)；

步骤7.2，令赋值给

步骤7.3，利用式(5)得到k+2时刻的有功功率的给定值

式(5)中，usα+(k+2)为定子电压k+2时刻的α轴的正序分量；usβ+(k+2)为定子电压k+2时刻的β轴的正序分量；为k+2时刻转子电流α轴指令；为k+2时刻转子电流β轴指令；

步骤7.4，利用式(6)得到k+2时刻的有功功率预测值ps(k+2)：

式(6)中，usα(k+2)为定子电压k+2时刻的α轴的分量；usβ(k+2)为定子电压k+2时刻的β轴的分量；irα(k+2)为k+2时刻转子电流α轴分量；irβ(k+2)为k+2时刻转子电流β轴分量；usα-(k+2)为定子电压k+2时刻的α轴的负序分量；usβ-(k+2)为定子电压k+2时刻的β轴的负序分量；

步骤7.5，利用式(7)得到k+2时刻的无功功率的给定值

步骤7.6，利用(8)得到k+2时刻的无功功率预测值qs(k+2)：

步骤7.7，利用式(9)得到k+2时刻的磁转矩的给定值

步骤7.8，利用式(10)得到k+2时刻的电磁转矩预测值ts(k+2)：

步骤8，利用式(11)得到k+2时刻的误差函数j(k+2)：

式(11)中，λp为有功功率误差的权重系数；λq为无功功率误差的权重系数；λte为电磁转矩误差的权重系数；

步骤9，根据误差函数j(k+2)的计算结果选取k+1时刻的逆变器三相桥臂的开关矢量sa(k+1)、sb(k+1)和sc(k+1)；

步骤10，当k+1时刻的逆变器三相桥臂的开关矢量sa(k+1)、sb(k+1)和sc(k+1)为零矢量时，将k+1时刻用于控制逆变器三相桥臂的备用矢量sa′(k+1)、sb′(k+1)和sc′(k+1)切换到任意非零矢量；

当k+1时刻的逆变器三相桥臂的开关矢量sa(k+1)、sb(k+1)和sc(k+1)为非零矢量时，将k+1时刻用于控制逆变器三相桥臂的备用矢量sa′(k+1)、sb′(k+1)和sc′(k+1)切换到相邻矢量；

步骤11，将k+1赋值给k，返回步骤2.2执行。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明通过对αβ坐标系下双馈风力发电机组模型的分析，得出了有功功率、无功功率和电磁转矩的预测方程，避免了复杂的坐标变换，无需计算不同控制目标对应的转子电流参考值即可满足控制需求，降低了控制系统的计算量和复杂度，有助于提升动态响应能力。

2、本发明考虑到不平电网电压下双馈风电机组运行中存在的多个脉动变量，建立了包含有功功率、无功功率、电磁转矩等变量的误差函数方程，并加入了权重系数，可以灵活调节各个变量在误差函数方程中所占的权重，大幅提高了控制系统的灵活性和多目标控制能力，增强了在不平衡故障中的稳定运行能力。

3、本发明在逆变器三相桥臂的备选矢量选择方法上采用优化的电压矢量选择方法，降低了备选矢量的数量和计算量，限制了逆变器三相桥臂开关管的动作次数，进一步降低了开关损耗。

附图说明

图1为本发明所采用模型预测多目标控制策略控制框图；

图2为本发明所采用优化的电压矢量选择方法图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例中，不平衡电网电压下双馈风电机组多目标模型控制结构，恰中所包含的控制对象：图1中的转子侧变流器、转子绕组电流霍尔元件、光电测速编码器、定子端电压霍尔元件、延时补偿环节、dsogi正负序分解、dsogi-pll、矢量选择优化、预测控制、误差函数j。

本发明实施时的基本参数设置如下：

双馈风力发电机组的额定功率ps为11kw，额定频率f为50hz，电网电压uabc为190v,直流母线电压udc为300v，电机极对数p为3，定子电阻rs为0.7ω，转子电阻rr为0.59ω，定转子互感lm为0.1089h，定子绕组全自感ls为0.0021h，转子绕组全自感lr为0.0041h。在本实施例中，定子端电网电压调压器构造不平衡电网，a相电压升高到1.2pu，电网电压不平衡度约为6％。

本实施例中，一种双馈风力发电机组的多目标模型预测控制方法，是以抑制电网电压不平衡故障下双馈风力发电机组输出有功功率脉动、无功功率脉动和转矩脉动为目标，提出一种双馈风力发电机组多目标控制策略，能在低开关频率下实现多目标的同时控制，从而提升双馈风电机组的稳定运行能力。具体的说，该控制方法是按照以下步骤进行：

步骤1，实时采样双馈风力发电机组的定子电压三相交流信号usabc、转子线圈电流三相交流信号irabc和直流侧电压信号udc，通过光电编码器提取双馈风力发电机组的转子旋转角速度ωr，根据转子旋转角速度ωr和双馈风力发电机组的极对数p，利用转子角度计算方程得到双馈风力发电机组的转子角度θr；

步骤2，离散化和坐标变换：

步骤2.1，定义离散采样周期为ts，本实施例中，令ts＝0.00001s，当前采样时刻为k，并初始化k＝0；

步骤2.2，对定子电压三相交流信号usabc、转子线圈电流三相交流信号irabc、直流侧电压信号udc进行dsp数字化离散处理，得到k时刻的定子电压三相交流信号usabc(k)、转子k时刻的线圈电流三相交流信号irabc(k)、k时刻的直流侧电压信号udc(k)；

步骤2.3，对k时刻的定子电压三相交流信号usabc(k)、转子k时刻的线圈电流三相交流信号irabc(k)、k时刻的直流侧电压信号udc(k)进行abc三相静止坐标系到αβ两相静止坐标系的坐标变换，得到双馈风力发电机组k时刻的定子电压αβ分量usαβ(k)、k时刻的定子输出电流αβ分量isαβ(k)和k时刻的转子线圈电流αβ分量irαβ(k)；

步骤3，转子电流指令计算：

步骤3.1，利用式(1)计算k时刻的转子电压urαβ(k)：

式(1)中，sa(k)、sb(k)和sc(k)表示k时刻的逆变器三相桥臂的开关矢量；当k＝0时，开关矢量设定初值，本实施例中，sa(k)＝0、sb(k)＝0和sc(k)＝1；

步骤3.2，利用双二阶广义积分器对k时刻的定子电压αβ分量usαβ(k)进行正负序分解，得到k时刻的定子电压αβ正序分量usαβ+(k)和k时刻的定子电压αβ负序分量usαβ-(k)；

步骤3.3，在αβ两相静止坐标系下，利用式(2)得到k+1时刻的αβ相转子电流指令的两个分量和

式(2)中，和表示dq两相同步旋转坐标系下k时刻的转子有功电流正负序分量的参考指令；和表示dq两相同步旋转坐标系下k时刻的转子无功电流正负序分量的参考指令；θslip(k)表示k时刻的转差角度；

在本实施例中，当k＝0时，θslip(k)＝0；

步骤4，k+1时刻转子电流和定子电压预测：

步骤4.1，利用线性差分方法对k时刻的定子电压αβ分量usαβ(k)进行延时补偿，获得到k+1时刻的定子电压αβ分量usαβ(k+1)；

步骤4.2，利用式(3)对k时刻的转子线圈电流αβ分量irαβ(k)进行延时补偿控制，得到k+1时刻的转子线圈电流αβ分量irαβ(k+1)：

式(3)中，s为双馈风力发电机组转差率，且s＝(ω1-ωr)/ω1，ω1表示同步旋转角速度；ls为定子绕组全自感；lr为转子绕组全自感；lm为定转子互感；σ为电机漏感系数，且

本实施例中，同步旋转角速度ω1＝314.159rad/s

步骤4.3，利用双二阶广义积分器对k+1时刻的定子电压αβ分量usαβ(k+1)进行正负序分解，得到k+1时刻的定子电压αβ正序分量usαβ+(k+1)和k+1时刻的定子电压αβ负序分量usαβ-(k+1)；

步骤4.4，利用双二阶广义积分器的锁相环对k+1时刻的定子电压αβ分量usαβ(k+1)进行处理，得到k+1时刻的电网电压同步旋转角度θs(k+1)以及转差角度θslip(k+1)；

步骤5，k+2时刻定子电压αβ正负序分量预测：

步骤5.1，利用线性差分方法对k+1时刻的定子电压αβ正序分量usαβ+(k+1)进行延时补偿，获得到k+2时刻的定子电压αβ正序分量usαβ+(k+2)；

步骤5.2，利用线性差分方法对k+1时刻的定子电压αβ负序分量usαβ-(k+1)进行延时补偿，获得到k+2时刻的定子电压αβ负序分量usαβ-(k+2)；

步骤6，利用式(4)预测k+1时刻的转子电压urαβ(k+1)：

式(4)中，s′a(k+1)、s′b(k+1)和s′c(k+1)为k+1时刻用于控制逆变器三相桥臂的备用矢量；当k＝0时，备用矢量sa′(k+1)＝0、sb′(k+1)＝0、sc′(k+1)＝1；

步骤7，k+2时刻转子电流预测：

步骤7.1，利用式(3)对k+1时刻的转子线圈电流αβ分量irαβ(k+1)进行延时补偿控制，得到k+2时刻的转子线圈电流αβ分量irαβ(k+2)；

步骤7.2，令赋值给

步骤7.3，利用式(5)得到k+2时刻的有功功率的给定值

式(5)中，usα+(k+2)为定子电压k+2时刻的α轴的正序分量；usβ+(k+2)为定子电压k+2时刻的β轴的正序分量；为k+2时刻转子电流α轴指令；为k+2时刻转子电流β轴指令；

步骤7.4，利用式(6)得到k+2时刻的有功功率预测值ps(k+2)：

式(6)中，usα(k+2)为定子电压k+2时刻的α轴的分量；usβ(k+2)为定子电压k+2时刻的β轴的分量；irα(k+2)为k+2时刻转子电流α轴分量；irβ(k+2)为k+2时刻转子电流β轴分量；usα-(k+2)为定子电压k+2时刻的α轴的负序分量；usβ-(k+2)为定子电压k+2时刻的β轴的负序分量；

步骤7.5，利用式(7)得到k+2时刻的无功功率的给定值

步骤7.6，利用(8)得到k+2时刻的无功功率预测值qs(k+2)：

步骤7.7，利用式(9)得到k+2时刻的磁转矩的给定值

步骤7.8，利用式(10)得到k+2时刻的电磁转矩预测值ts(k+2)：

步骤8，利用式(11)得到k+2时刻的误差函数j(k+2)：

式(11)中，λp为有功功率误差的权重系数；λq为无功功率误差的权重系数；λte为电磁转矩误差的权重系数；

误差函数的权重系数(λp，λq，λte)取值变化直接决定了控制效果。本实施例的研究表明，权重系数(λp，λq，λte)取值(0.001,0.01,0)时比取值为(0.002,0.02,0)时，对有功功率脉动和无功功率脉动的抑制效果减弱60％，表明，权重系数越大，对相应目标的控制效果越强，但是权重系数过大将影响电流指令的控制效果。

步骤9，根据误差函数j(k+2)的计算结果选取k+1时刻的逆变器三相桥臂的开关矢量sa(k+1)、sb(k+1)和sc(k+1)；

步骤10，如图2所示，优化的电压矢量选择备用矢量的的原则为：

当k+1时刻的逆变器三相桥臂的开关矢量sa(k+1)、sb(k+1)和sc(k+1)为零矢量时，将k+1时刻用于控制逆变器三相桥臂的备用矢量s′a(k+1)、s′b(k+1)和s′c(k+1)切换到任意非零矢量；

当k+1时刻的逆变器三相桥臂的开关矢量sa(k+1)、sb(k+1)和sc(k+1)为非零矢量时，将k+1时刻用于控制逆变器三相桥臂的备用矢量s′a(k+1)、s′b(k+1)和s′c(k+1)切换到相邻矢量；

将选择的备用矢量用于步骤6；

步骤11，将k+1赋值给k，返回步骤2.2执行。