一种基于MPC的双馈风力发电机暂态磁链与无功补偿的LVRT控制方法

本发明涉及新能源发电，尤其涉及一种基于mpc的双馈风力发电机暂态磁链与无功补偿的lvrt控制方法。

背景技术：

1、全球经济快速发展加剧传统化石能源的枯竭与环境恶化程度，新能源技术的持续开发显得尤为必要。作为替代能源的风力发电装机容量已超733gw，其中，基于双馈感应发电机的风能转换系统，因风能捕获效率高、风力发电控制技术成熟、变流器容量小等优势，在风力发电领域得到广泛应用，装机容量不断增加。

2、然而，由于双馈风力发电机的定子绕组直接和电网相连，结构上导致基于双馈风力发电机的风能转换系统对电网扰动非常敏感。在电网发生故障时，因定子磁链不随定子电压突变，导致转子回路产生较大的感应电动势，从而造成转子瞬态过电压和过电流。尤其在电网不对称故障下，定子电压产生负序分量，加剧了转子侧过电压和过电流的振荡。

3、现有文献中对电网低电压穿越解决方法主要分为硬件干预与软件控制两大类。其中硬件方面包括增加撬棒保护电路、增加储能电路、转子回路串电阻和外加动态电压恢复器协调控制等。但是外加的硬件保护模块存在着高成本和检测开关动作延时等问题。在软件技术方面，主要有转子端串联虚拟阻抗、退磁控制方法、磁链跟踪方法等。改变控制方案所需成本低，且在低电压穿越期间可为电网提供无功支持等优势。但在传统矢量控制策略中，pi控制器虽然在一定程度上提高双馈风机的低电压穿越能力，但仍然无法适应多变的电网条件，可能存在控制滞后的问题。

4、模型预测控制(mpc)是一种基于预测模型和实际输出信息的有限时域滚动优化控制方法，根据系统的模型对未来时刻的行为进行预测。与传统控制方式相比，mpc能够同时解决多个目标的优化问题，并可以明确处理输入与输出约束。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种基于mpc的双馈风力发电机暂态磁链与无功补偿的lvrt控制方法，针对定转子损耗问题，提出定转子无功功率分配策略；针对电网非对称故障导致双馈发电机转子端过电流和过电压的问题，在转子侧通过注入定子磁链前馈补偿和转子负序与暂态直流磁链产生的转子补偿电流；设计三矢量模型预测控制(mpc)算法，考虑暂态直流磁链与暂态直流磁链补偿电流角度θ关系来进一步优化转子端电压，使其达到最低。

2、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

3、一种基于mpc的双馈风力发电机暂态磁链与无功补偿的lvrt控制方法，具体步骤如下：

4、步骤1、设计双馈风力发电机转子侧与电网侧无功分配系数，使转子侧和电网侧变流器共同为双馈感应发电机(dfig)提供励磁功率，从而减小转子回路电流和减小(dfig)的绕组总损耗，其次是在电网故障期间为电网提供无功功率支持，加快电网电压恢复速度；

5、步骤2、在电网电压故障跌落期间，考虑定子暂态磁链变化对转子端过电压和过电流的影响，尤其是定子磁链负序分量和定子直流暂态磁链在低电压穿越故障发生和恢复时产生的电压电流震荡问题；在转子侧通过注入定子磁链前馈补偿和转子负序与暂态直流磁链产生的转子暂态补偿电流，来抑制转子端过电压和过电流的幅值，加快定子暂态磁链的衰减速度；

6、步骤3、考虑转子暂态补偿电流与定子暂态直流磁链角度问题，结合三矢量模型预测控制mpc算法，设计以转子回路电流为目标函数；其次，考虑转子暂态补偿电流的角度θ取值，进一步约束电网电压故障时转子端过电压与过电流问题。

7、优选地，所述步骤1具体为：

8、根据双馈风力发电机参数计算出所需的无功磁化功率qmc，传统控制策略中，无功磁化功率全部由转子侧变流器提供。这里本发明考虑转子侧变流器与定子侧变流器共同向电网提供无功磁化功率，其无功分配系数为τ，从而减小转子回路电流和减小dfig的绕组总损耗。

9、优选地，所述步骤2具体为：

10、步骤2.1、考虑电网对称故障发生和恢复期间定子磁链由于电网电压突变而产生定子暂态直流磁链。对于定子暂态直流磁链震荡问题，本发明在转子侧变流器控制中引入定子磁链前馈补偿策略，加快定子磁链衰减速度；

11、步骤2.2、当电网电压发生不对称故障时，定子磁链由于电网电压突变不仅产生定子暂态直流磁链还产生定子负序磁链。为此本发明在转子侧变流器中注入转子负序与暂态直流磁链产生的转子暂态补偿电流，来抑制转子端过电压和过电流的幅值和加快定子暂态磁链的衰减速度。

12、优选地，所述步骤3具体为：

13、在双馈风力发电控制策略中引入三矢量mpc算法，在电网电压故障期间，对风力发电系统未来控制量nc个时刻的行为进行预测，以转子回路电流为目标函数；考虑转子暂态补偿电流的角度θ取值，选择两个最优有效矢量和一个零矢量组成一个开关周期ts的最优控制量；计算三个矢量的作用时间ti、tj、tz，对作用时间再分配，采用七段法零矢量分布的svpwm实现方法产生脉冲输出信号控制dfig运行。

14、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

15、1、本发明通过电网侧与转子侧变流器共同向双馈感应发电机提供磁化无功功率，并且给出无功分配系数τ，进而减小转子侧电流，从而减小双馈发电机绕组总损耗。其次在电网故障低电压穿越期间，通过电网侧向双馈发电机定子提供无功功率，且向电网恢复提供无功功率，协助电网完成电压恢复的过程。

16、2、本发明在电网故障低电压穿越期间，通过向转子侧注入定子磁链前馈补偿和转子负序与暂态直流磁链产生的转子暂态补偿电流，来抑制转子端过电压和过电流的幅值，加快定子暂态磁链的衰减速度。

17、3、本发明使用三矢量mpc算法，考虑暂态直流磁链与暂态直流磁链补偿电流角度θ取值，来进一步优化转子端电压，最大限度抑制转子过电流，提高双馈感应发电机低电压穿越性能。

技术特征：

1.一种基于mpc的双馈风力发电机暂态磁链与无功补偿的lvrt控制方法，其特征在于，具体步骤如下：

2.根据权利要求1所述的一种基于mpc的双馈风力发电机暂态磁链与无功补偿的lvrt控制方法，其特征在于，所述步骤1具体为：

3.根据权利要求1所述的一种基于mpc的双馈风力发电机暂态磁链与无功补偿的lvrt控制方法，其特征在于，所述步骤2具体为：

4.根据权利要求1所述的一种基于mpc的双馈风力发电机暂态磁链与无功补偿的lvrt控制方法，其特征在于，所述步骤3具体为：

技术总结
本发明涉及新能源发电技术领域，尤其涉及一种基于MPC的双馈风力发电机暂态磁链与无功补偿的LVRT控制方法，包括：首先为减小双馈风力发电机工作时绕组损耗，在双馈风力发电机转子侧与电网侧采用无功功率分配控制方法。其次，为解决转子低电压穿越期间定子暂态磁链变化，导致转子侧过电压与转子回路过电流问题，在转子侧注入定子磁链前馈补偿，以及转子负序与暂态直流磁链产生的转子补偿电流。在此基础上，结合三矢量MPC算法，以转子回路电流设计目标函数，通过暂态补偿电流相角度取值，进一步约束电网电压故障时转子端过电压与过电流问题。本发明与传统矢量控制策略相比，控制策略能有效降低转子电流，限制转子电压。

技术研发人员：朱建红,张鹏坤,檀立昆,李汉,张峻
受保护的技术使用者：南通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16