專利名稱：不平衡電網(wǎng)電壓下雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器控制方法，特別是一種能夠針對(duì)因電網(wǎng)電壓不平衡所引起的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)進(jìn)行有效抑制，同時(shí)又不會(huì)加劇定子電流高度的不平衡的雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器控制方法，屬于風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著后續(xù)能源需求的增長(zhǎng)，大型風(fēng)電場(chǎng)已在世界各地規(guī)劃和建設(shè)，風(fēng)力機(jī)的單機(jī)容量也在迅速增大。目前，兆瓦級(jí)變速恒頻雙饋異步發(fā)電系統(tǒng)在風(fēng)力發(fā)電中得到了廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)成為世界各國(guó)風(fēng)電發(fā)電場(chǎng)的主流。變速恒頻雙饋異步發(fā)電系統(tǒng)所采用的雙饋異步發(fā)電機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)是可從發(fā)電機(jī)側(cè)實(shí)現(xiàn)速度控制、降低閃變的影響，并可通過(guò)交流勵(lì)磁變頻裝置中轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制實(shí)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩和無(wú)功功率的獨(dú)立調(diào)節(jié)和雙向流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)同步速上、下的發(fā)電運(yùn)行。此外，勵(lì)磁變頻器容量小，當(dāng)轉(zhuǎn)速(標(biāo)幺值)范圍在0.75～1.25時(shí)，其典型容量?jī)H為25％～35％的發(fā)電機(jī)額定容量。這些鮮明的特點(diǎn)推動(dòng)了雙饋異步發(fā)電機(jī)在變速恒頻風(fēng)力發(fā)電中的廣泛應(yīng)用。
近年來(lái)，國(guó)際風(fēng)電技術(shù)界的主要?jiǎng)酉蚴请p饋異步風(fēng)電機(jī)組的研究已經(jīng)從正常運(yùn)行轉(zhuǎn)向電網(wǎng)故障下的運(yùn)行，當(dāng)然，目前這些研究還大多針對(duì)對(duì)稱故障，即無(wú)論是穩(wěn)態(tài)還是暫態(tài)均認(rèn)為電網(wǎng)電壓平衡。其主要研究的著眼點(diǎn)是在小電壓跌落時(shí)，雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的控制，大電網(wǎng)電壓跌落時(shí)對(duì)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的保護(hù)以及如何實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)對(duì)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的不間斷運(yùn)行等方面，以及如何選擇故障電流計(jì)算和故障電路參數(shù)計(jì)算方面。
實(shí)際運(yùn)行中，電網(wǎng)電壓總是存在一定的不對(duì)稱的，即電網(wǎng)電壓中不僅存在正序分量，還存在一個(gè)負(fù)序分量。由于傳統(tǒng)的控制策略一般只是控制基頻分量，諧波電流可以在雙饋電機(jī)定子繞組中自由流通，雙饋電機(jī)沒(méi)有諧波頻率的反電勢(shì)存在。這樣，輕微的電壓不平衡會(huì)造成很大的負(fù)序電流，從而引起電機(jī)定子電流的嚴(yán)重不平衡，進(jìn)而造成定子繞組發(fā)熱，溫度的上升會(huì)造成定子繞組絕緣水平下降，從而影響繞組的壽命。
因此，有必要設(shè)計(jì)一種針對(duì)不平衡電網(wǎng)電壓下雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的控制策略，在不加劇定子電流不平衡度的情況下有效的消除負(fù)序電壓引起的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，等問(wèn)題。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的發(fā)明目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，提供一種不平衡電網(wǎng)電壓下雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器控制方法，以抑制雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)因電網(wǎng)電壓不平衡所引起的定子電流高度的不平衡以及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)等問(wèn)題。
本發(fā)明的發(fā)明目的是通過(guò)下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的 不平衡電網(wǎng)電壓下雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器控制方法，其特征在于包括如下步驟 不平衡電網(wǎng)電壓下雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器控制方法，其特征在于包括如下步驟 (1)檢測(cè)三相定子電壓usa、usb、usc、三相定子電流isa、isb、isc、三相轉(zhuǎn)子電流ira、irb、irc以及轉(zhuǎn)子位置角θr； (2)將步驟(1)檢測(cè)到的三相定子電壓usa、usb、usc經(jīng)過(guò)3/2變換得到兩相靜止坐標(biāo)系下的電網(wǎng)電壓uα、uβ；檢測(cè)到的三相定子電流isa、isb、isc經(jīng)過(guò)3/2變換得到兩相靜止坐標(biāo)系下的整流電流isα、isβ；檢測(cè)到的三相轉(zhuǎn)子電流ira、irb、irc經(jīng)過(guò)3/2變換得到兩相靜止坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子電流irα、irβ；檢測(cè)到的轉(zhuǎn)子位置角θr經(jīng)過(guò)微分得到轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度ωr； (3)根據(jù)步驟(2)計(jì)算得到的定子兩相靜止坐標(biāo)系下的定子電壓usα、usβ與定子電流isα、isβ進(jìn)行磁鏈計(jì)算，得到定子磁鏈ψs以及定子磁鏈位置角θs；將所得到的定子磁鏈位置角θs微分后得到同步旋轉(zhuǎn)角速度ωs；定子電壓usα、usβ與定子電流isα、isβ以該定子磁鏈位置角θs為變換角進(jìn)行Park變換，得到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的定子電壓usd、usq與定子電流isd、isq； (4)將步驟(2)中計(jì)算得到的兩相靜止坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子電流irα、irβ，以步驟(3)中所計(jì)算得到的定子磁鏈位置角θs與步驟(1)中所檢測(cè)到的轉(zhuǎn)子位置角θr的差θs-θr為變換角進(jìn)行Park變換，得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的轉(zhuǎn)子電流ird、irq；用步驟(2)中計(jì)算得到的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度ωr，以及步驟(3)中計(jì)算得到的同步旋轉(zhuǎn)角速度ωs和定子磁鏈ψs，與所述旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子電流ird、irq共同輸入耦合項(xiàng)計(jì)算模塊，以計(jì)算交叉耦合項(xiàng)urdc、urqc； (5)所述步驟(3)計(jì)算得到的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的定子電壓usd、usq和定子電流isd、isq，以及所述步驟(4)計(jì)算得到的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的轉(zhuǎn)子電流ird、irq共同輸入轉(zhuǎn)矩功率計(jì)算模塊；經(jīng)過(guò)該轉(zhuǎn)矩功率計(jì)算模塊計(jì)算得到定子無(wú)功功率的實(shí)際值Qs和電磁轉(zhuǎn)矩的實(shí)際值Te； (6)將人工設(shè)定的定子無(wú)功功率的給定值
與根據(jù)步驟(5)計(jì)算得到的定子無(wú)功功率的實(shí)際值Qs的差經(jīng)過(guò)PIR調(diào)節(jié)器后，計(jì)算得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子d軸電流的給定值irdref；將人工設(shè)定的電磁轉(zhuǎn)矩的給定值
與根據(jù)步驟(5)計(jì)算得到的電磁轉(zhuǎn)矩的實(shí)際值Te的差經(jīng)過(guò)PIR調(diào)節(jié)器后，計(jì)算得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子q軸電流的給定值irqref； (7)將將廣義勵(lì)磁電流ims依次與步驟(6)中計(jì)算得到的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子d軸電流的給定值irdref和步驟(4)所計(jì)算得到的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的d軸轉(zhuǎn)子電流ird相減，然后經(jīng)過(guò)PIR調(diào)節(jié)器計(jì)算得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子d軸電壓的參考值urdref；將步驟(6)中計(jì)算得到的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子q軸電流的給定值irdref減去步驟(4)所計(jì)算得到的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的q軸轉(zhuǎn)子電流irq，然后經(jīng)過(guò)PIR調(diào)節(jié)器計(jì)算得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子q軸電壓的參考值urqref； (8)步驟(7)計(jì)算得到的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子電壓參考值urdref、urdref分別加上步驟(4)中計(jì)算得到的各自的交叉耦合項(xiàng)urdc、urqc后，以步驟(3)中計(jì)算得到的定子磁鏈位置角θs與步驟(1)中檢測(cè)到的轉(zhuǎn)子位置角θr的差θs-θr為變換角進(jìn)行反Park變換，得到轉(zhuǎn)子兩相靜止坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子電壓urα、urβ；再對(duì)該兩相靜止坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子電壓urα、urβ進(jìn)行2/3變換，得到轉(zhuǎn)子三相靜止坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子電壓ura、urb、urc；將其作為PWM變換器的輸入，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)逆變器。
所述PIR調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 所述PIR調(diào)節(jié)器中的設(shè)定頻率ωc設(shè)定為二倍同步旋轉(zhuǎn)角速度ωs。
本發(fā)明的有益效果是 1、本發(fā)明的控制方法通過(guò)將傳統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)器改為PIR調(diào)節(jié)器，并設(shè)置合適的設(shè)定頻率，能夠無(wú)靜差的跟蹤前向通道輸入中頻率為零的正序分量和二倍頻的負(fù)序分量，同時(shí)，又能夠完全抑制擾動(dòng)分量中的直流分量和二倍頻分量，因此能夠避免不平衡電壓加劇定子電流的不平衡，引起定子繞組產(chǎn)生嚴(yán)重的不平衡發(fā)熱以及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，導(dǎo)致輸向電網(wǎng)的功率發(fā)生振蕩的情況。
2、本發(fā)明僅僅是通過(guò)調(diào)節(jié)器的替換即實(shí)現(xiàn)了對(duì)不平衡電網(wǎng)電壓條件下發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器的控制，其改動(dòng)簡(jiǎn)單，效果明顯，易于實(shí)現(xiàn)。
圖1為不平衡電網(wǎng)電壓下雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的控制框圖； 圖2為風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器控制原理圖； 圖3為轉(zhuǎn)子電流的閉環(huán)控制框圖； 圖4為定子電磁轉(zhuǎn)矩的閉環(huán)控制框圖； 圖5為定子無(wú)功功率的閉環(huán)控制框圖； 圖6為PIR調(diào)節(jié)器的原理圖。
具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
根據(jù)平衡理論，電網(wǎng)的三相不平衡變量可以分解為他們的正序、負(fù)序和零序分量的和。而，一個(gè)三相對(duì)稱、中點(diǎn)隔離的雙饋異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，可以認(rèn)為不存在零序分量。因此，在平衡電網(wǎng)電壓的條件下，僅考慮系統(tǒng)電流、電壓以及磁鏈中的正、負(fù)序分量。選擇合適的坐標(biāo)系，使正序分量的初始相位為0，則兩相靜止坐標(biāo)系下有
式中F廣義地代表電壓、電流或磁鏈；
為負(fù)序分量的初始相位，ωs為同步旋轉(zhuǎn)角速度下標(biāo)+、—分別對(duì)應(yīng)正負(fù)序分量。
可見，對(duì)于平衡電網(wǎng)電壓條件下，各個(gè)電量?jī)H由其正序分量構(gòu)成。即|Fαβ-(t)|＝0，因此，發(fā)電機(jī)的控制策略也僅需考慮對(duì)其正序分量進(jìn)行控制即可。
然而，在不平衡的電網(wǎng)電壓條件下，各電量將不僅由正序分量構(gòu)成，也包含負(fù)序分量，即|Fαβ-(t)|≠0，則將上述式中的Fαβ(t)轉(zhuǎn)換到正向的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，其轉(zhuǎn)換關(guān)系為
由上式可見，不平衡電網(wǎng)電壓下各電量在正向的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中表現(xiàn)為直流量和二倍頻交流量之和。
因此，在發(fā)電機(jī)控制過(guò)程中，對(duì)于不平衡電網(wǎng)電壓所引起的諧波干擾，其關(guān)鍵在于對(duì)其二倍頻交流分量進(jìn)行抑制。只要能夠有效地抑制二倍頻交流量，就能夠降低因電網(wǎng)電壓不平衡而引起的諧波所造成的影響。本發(fā)明即是根據(jù)這一理論基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的不平衡電網(wǎng)電壓下雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器控制方法，用以抑制因電網(wǎng)電壓不平衡所引起的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)同時(shí)又不至于加劇定子電流的不平衡。
圖1為不平衡電網(wǎng)電壓下雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的控制框圖，圖2為風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器控制原理圖。該不平衡電網(wǎng)電壓下雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器控制方法具體包括如下步驟 (1)檢測(cè)三相定子電壓usa、usb、usc、三相定子電流isa、isb、isc、三相轉(zhuǎn)子電流ira、irb、irc以及轉(zhuǎn)子位置角θr； (2)將步驟(1)檢測(cè)到的三相定子電壓usa、usb、usc經(jīng)過(guò)3/2變換得到兩相靜止坐標(biāo)系下的電網(wǎng)電壓uα、uβ；檢測(cè)到的三相定子電流isa、isb、isc經(jīng)過(guò)3/2變換得到兩相靜止坐標(biāo)系下的整流電流isα、isβ；檢測(cè)到的三相轉(zhuǎn)子電流ira、irb、irc經(jīng)過(guò)3/2變換得到兩相靜止坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子電流irα、irβ；檢測(cè)到的轉(zhuǎn)子位置角θr經(jīng)過(guò)微分得到轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度ωr； (3)根據(jù)步驟(2)計(jì)算得到的定子兩相靜止坐標(biāo)系下的定子電壓usα、usβ與定子電流isα、isβ進(jìn)行磁鏈計(jì)算模塊，得到定子磁鏈ψs以及定子磁鏈位置角θs；所得到的定子磁鏈位置角θs微分后得到同步旋轉(zhuǎn)角速度ωs；定子電壓usα、usβ與定子電流isα、isβ以定子磁鏈位置角θs為變換角進(jìn)行Park變換，得到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的定子電壓usd、usq與定子電流isd、isq； 所述磁鏈計(jì)算模塊為現(xiàn)有技術(shù)，是一種利用電壓和電流計(jì)算其相應(yīng)磁鏈和磁鏈位置角的計(jì)算模塊。
(4)步驟(2)中計(jì)算得到的兩相靜止坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子電流irα、irβ以步驟(3)中計(jì)算得到的定子磁鏈位置角θs與步驟(1)中檢測(cè)到的轉(zhuǎn)子位置角θr的差θs-θr為變換角進(jìn)行Park變換，得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的轉(zhuǎn)子電流ird、irq；用步驟(2)中計(jì)算得到的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度ωr，以及步驟(3)中計(jì)算得到的同步旋轉(zhuǎn)角速度ωs和定子磁鏈ψs，與所述旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子電流ird、irq共同輸入耦合項(xiàng)計(jì)算模塊，以計(jì)算交叉耦合項(xiàng)urdc、urqc； 其中耦合項(xiàng)計(jì)算模塊表示的計(jì)算過(guò)程如下 urdc＝-(ωs-ωr)σLrirq 其中Ls，Lr是定轉(zhuǎn)子自感；Lm是互感；ωs，ωr為同步角速度和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度；ims為廣義勵(lì)磁電流；為漏磁系數(shù)。
(5)所述步驟(3)計(jì)算得到的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的定子電壓usd、usq和定子電流isd、isq，以及所述步驟(4)計(jì)算得到的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的轉(zhuǎn)子電流ird、irq共同輸入轉(zhuǎn)矩功率計(jì)算模塊；經(jīng)過(guò)該轉(zhuǎn)矩功率計(jì)算模塊計(jì)算得到定子無(wú)功功率的實(shí)際值Qs和電磁轉(zhuǎn)矩的實(shí)際值Te， 其中，該轉(zhuǎn)矩功率計(jì)算模塊為現(xiàn)有技術(shù)，其具體的計(jì)算過(guò)程如下 Qs＝usqisd-usdisq Te＝npLm(irdisq-irqisd) 其中np為雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的極對(duì)數(shù)，Lm為互感，均為電機(jī)的固有參數(shù)。
(6)將人工設(shè)定的定子無(wú)功功率的給定值
與根據(jù)步驟(5)計(jì)算得到的定子無(wú)功功率的實(shí)際值Qs的差經(jīng)過(guò)PIR調(diào)節(jié)器后，計(jì)算得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子d軸電流的給定值irdref；將人工設(shè)定的電磁轉(zhuǎn)矩的給定值
與根據(jù)步驟(5)計(jì)算得到的電磁轉(zhuǎn)矩的實(shí)際值Te的差經(jīng)過(guò)PIR調(diào)節(jié)器后，計(jì)算得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子q軸電流的給定值irqref； (7)將廣義勵(lì)磁電流ims依次與步驟(6)中計(jì)算得到的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子d軸電流的給定值irdref和步驟(4)所計(jì)算得到的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的d軸轉(zhuǎn)子電流ird相減，然后經(jīng)過(guò)PIR調(diào)節(jié)器計(jì)算得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子d軸電壓的參考值urdref；將步驟(6)中計(jì)算得到的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子q軸電流的給定值irdref減去步驟(4)所計(jì)算得到的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的q軸轉(zhuǎn)子電流irq，然后經(jīng)過(guò)PIR調(diào)節(jié)器計(jì)算得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子q軸電壓的參考值urqref； 其中，所述廣義勵(lì)磁電流ims為電機(jī)控制中的常用參數(shù)，ims＝ψsd/Lm。
(8)步驟(7)計(jì)算得到的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子電壓參考值urdref、urdref分別加上步驟(4)中計(jì)算得到的各自的交叉耦合項(xiàng)urdc、urqc后，以步驟(3)中計(jì)算得到的定子磁鏈位置角θs與步驟(1)中檢測(cè)到的轉(zhuǎn)子位置角θr的差θs-θr為變換角進(jìn)行反Park變換，得到轉(zhuǎn)子兩相靜止坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子電壓urα、urβ；再對(duì)該兩相靜止坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子電壓urα、urβ進(jìn)行2/3變換，得到轉(zhuǎn)子三相靜止坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子電壓ura、urb、urc；將其作為PWM變換器的輸入，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)逆變器。
本發(fā)明的設(shè)計(jì)要點(diǎn)即是在上述風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器控制方法中，將步驟(5)、(6)中傳統(tǒng)所使用的PI調(diào)節(jié)器改用PIR調(diào)節(jié)器。PIR調(diào)節(jié)器是一種在傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上增加了諧振調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)組成的能夠?qū)υO(shè)定諧振頻率信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)器。通過(guò)PIR調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)能夠完全抑制擾動(dòng)信號(hào)中的二倍頻分量，因此能夠很好的抑制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，同時(shí)，該P(yáng)IR調(diào)節(jié)器可以無(wú)靜差的跟蹤前向通道中頻率為零的正序分量和二倍頻的負(fù)序分量，因此又能避免加劇定子電流的不平衡度，引起定子繞組嚴(yán)重的不平衡發(fā)熱。
在雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的控制策略中采用該P(yáng)IR調(diào)節(jié)器的具體控制原理分析如下 由式(1)，不平衡電網(wǎng)電壓條件下定、轉(zhuǎn)子電壓、電流和磁鏈在正轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下可以表示為 為了和傳統(tǒng)的控制策略很好的銜接，下面采用定子電壓定向的矢量控制方法，對(duì)雙饋發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和無(wú)功功率進(jìn)行閉環(huán)控制分析。
定子電壓定向的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的雙饋電機(jī)的數(shù)學(xué)模型如下 電壓方程 磁鏈方程 電磁轉(zhuǎn)矩方程 其中 Te0+＝npLm(isq+ird+-isd+irq+) Te0-＝npLm(isq-ird--isd-irq-) Tecos＝npLm(isq-ird+-isd-irq++isq+ird--isd+irq-)cos(2ωst)Tesin＝npLm(-isd-ird+-isq-irq++isd+ird-+isq+irq-)sin(2ωst) 無(wú)功功率方程 其中 Qs0+＝usq+isd+-usd+isq+ Qs0-＝usq-isd--usd-isq- Qscos＝(usq-isd+-usd-isq++usq+isd--usd+isq-)cos(2ωst) Qssin＝(-usd-isd+-usq-isq++usd+isd-+usq+isq-)sin(2ωst) 其中，帶有“^”的為對(duì)應(yīng)量的共軛。
由于雙饋電機(jī)的定子繞組直接與電網(wǎng)相連，定子電阻壓降的影響忽略不計(jì)，穩(wěn)態(tài)時(shí)定子磁鏈的正序分量ψs+相位落后定子電壓正序分量us+90°，在定子電壓正序分量定向的坐標(biāo)系下，對(duì)應(yīng)ψsq+＝0，此時(shí)，可以對(duì)定子磁鏈，可以對(duì)定子磁鏈、電磁轉(zhuǎn)矩，無(wú)功功率中正序分量部分進(jìn)行簡(jiǎn)化 ψsd+≈Lmims+＝ψs+＝Us+/ωs (18) isq+＝-Lmirq+/Ls (19) Qs＝usd+Lm(ims+-ird)/Ls+Qsr (21) 其中負(fù)序分量對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩控制前向通道的擾動(dòng) Ter＝-npLm(irqψsd--irdψsq-)cos(2ωst)/Ls-npLm(irqψsq-+irdψsd-)sin(2ωst)/Ls(22) 負(fù)序分量對(duì)無(wú)功功率控制前向通道的擾動(dòng) 由式(22)可知，在定子磁鏈正序分量ψs+恒定的情況下，雙饋電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可以表示為一個(gè)和轉(zhuǎn)子電流q軸分量成線性關(guān)系的量和一個(gè)包含二倍頻擾動(dòng)分量的和。
因此，忽略轉(zhuǎn)子電流的暫態(tài)過(guò)程，即認(rèn)為轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器電流內(nèi)環(huán)的控制帶寬無(wú)窮大，即同時(shí)，假定控制過(guò)程中定子磁鏈恒定，則正序分量ψsdq+，負(fù)序分量的幅值ψsdq-均恒定，則在定子電壓正序分量定向的坐標(biāo)系下，認(rèn)為ψsq+＝0，ψsd+＝ψs+，則電磁轉(zhuǎn)矩外環(huán)閉環(huán)控制框圖如下圖4所示。
對(duì)于擾動(dòng)Ter，其傳遞函數(shù) 無(wú)功功率外環(huán)閉環(huán)控制框圖如圖5所示 對(duì)于擾動(dòng)Qsr，其傳遞函數(shù) 同時(shí)，由式(12)～(15)以及式(8)～(9)得到 因?yàn)樵诳刂七^(guò)程中，認(rèn)為定子磁鏈恒定，則由定子磁鏈分量ψsd、ψsq引起的擾動(dòng)為穩(wěn)定的擾動(dòng)。定義不平衡電網(wǎng)電壓下由定子磁鏈引起的擾動(dòng)和由反電動(dòng)勢(shì)引起的交叉耦合項(xiàng)共同構(gòu)成的擾動(dòng)項(xiàng)urdc、urqc如下 (28) 從式(28)、(29)可以看出，轉(zhuǎn)子電流內(nèi)環(huán)的擾動(dòng)量也由頻率為0的直流分量和頻率為2ωs的二倍頻分量組成。
由式(26)～(29)得到電流內(nèi)環(huán)閉環(huán)控制框圖如下圖3所示 其開環(huán)傳遞函數(shù) 對(duì)于擾動(dòng)urc，其傳遞函數(shù)均為 在閉環(huán)控制系統(tǒng)中采用PIR調(diào)節(jié)器取代傳統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)器。圖6為該P(yáng)IR調(diào)節(jié)器的原理圖。該P(yáng)IR調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 其中，ωc為設(shè)定頻率，Kp、Ki和Kr分別為比例、積分和諧振系數(shù)。
將該P(yáng)IR調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)F(s)代入式(30)、(31)中，得到轉(zhuǎn)子電流開環(huán)傳遞函數(shù)和閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)于外部擾動(dòng)Irc的傳遞函數(shù)分別為 其頻率特性分別為 可以看出，當(dāng)ω為0或者ωc時(shí)，|GIR(jω)|均為無(wú)窮大，|GURC(jω)|均為0。該P(yáng)IR調(diào)節(jié)器對(duì)前向通道上頻率為零和ωc的輸入，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)靜差的跟蹤，同時(shí)，對(duì)于頻率為零和ωc的干擾，可以實(shí)現(xiàn)完全衰減。經(jīng)前述分析，對(duì)于不平衡電網(wǎng)電壓所引起的諧波干擾，其關(guān)鍵在于對(duì)其二倍頻交流分量進(jìn)行抑制。只要能夠有效地抑制二倍頻交流量，就能夠降低因電網(wǎng)電壓不平衡而引起的諧波所造成的影響。因此，在本發(fā)明的控制方法中，設(shè)定PIR調(diào)節(jié)器設(shè)定頻率ωc為2ωs，以消除轉(zhuǎn)子電流閉環(huán)控制擾動(dòng)中的二倍頻分量。
忽略轉(zhuǎn)子電流的暫態(tài)過(guò)程，即認(rèn)為轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器電流內(nèi)環(huán)的控制帶寬無(wú)窮大，即同時(shí)，假定控制過(guò)程中定子磁鏈ψs恒定，由式(20)～(21)可知，忽略定子電阻壓降的影響的情況下，雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Te和定子無(wú)功功率Qs分別與同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子電流q軸分量irq、d軸分量ird成線性關(guān)系的量和擾動(dòng)量的和。
于是得出電磁轉(zhuǎn)矩、定子無(wú)功功率的閉環(huán)控制系統(tǒng)分別如圖4、5所示。
將該P(yáng)IR調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)代入式(24)、(25)的電磁轉(zhuǎn)矩、定子無(wú)功功率的閉環(huán)控制系統(tǒng)中，得到對(duì)于外部擾動(dòng)Ter、Qsr，其傳遞函數(shù)分別為 它們的頻率特性 可以看出，當(dāng)ω為0或者ωc時(shí)，|GTER(jω)|、|GQSR(jω)|均為0；可見，該P(yáng)IR調(diào)節(jié)器對(duì)于頻率為零和ωc的干擾，可以實(shí)現(xiàn)完全衰減。同理，設(shè)定PIR調(diào)節(jié)器設(shè)定頻率ωc為2ωs，可以消除電磁轉(zhuǎn)矩和定子無(wú)功功率外環(huán)閉環(huán)控制擾動(dòng)中的二倍頻分量。因此可以抑制雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和定子無(wú)功功率的脈動(dòng)。
綜上所述，本發(fā)明通過(guò)將傳統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)器改為PIR調(diào)節(jié)器，并將PIR調(diào)節(jié)器中的設(shè)定頻率ωc設(shè)定為二倍頻ωc＝2ωs，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)于頻率為零和二倍頻的零靜差跟蹤，以及對(duì)于頻率為零和二倍頻的干擾的完全衰減。結(jié)合前述分析，對(duì)于不平衡電網(wǎng)電壓所引起的諧波干擾，其關(guān)鍵在于對(duì)其二倍頻交流分量進(jìn)行抑制。只要能夠有效地抑制二倍頻交流量，就能夠降低因電網(wǎng)電壓不平衡而引起的諧波所造成的影響。由此可見，本發(fā)明僅僅是通過(guò)調(diào)節(jié)器的替換即實(shí)現(xiàn)了對(duì)不平衡電網(wǎng)電壓條件下發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器的控制，其改動(dòng)簡(jiǎn)單，效果明顯，并且不涉及復(fù)雜器件的設(shè)計(jì)，易于實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1、不平衡電網(wǎng)電壓下雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器控制方法，其特征在于包括如下步驟
(1)檢測(cè)三相定子電壓usa、usb、usc、三相定子電流isa、isb、isc、三相轉(zhuǎn)子電流ira、irb、irc以及轉(zhuǎn)子位置角θr；
(2)將步驟(1)檢測(cè)到的三相定子電壓usa、usb、usc經(jīng)過(guò)3/2變換得到兩相靜止坐標(biāo)系下的電網(wǎng)電壓uα、uβ；檢測(cè)到的三相定子電流isa、isb、isc經(jīng)過(guò)3/2變換得到兩相靜止坐標(biāo)系下的整流電流isα、isβ；檢測(cè)到的三相轉(zhuǎn)子電流ira、irb、irc經(jīng)過(guò)3/2變換得到兩相靜止坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子電流irα、irβ；檢測(cè)到的轉(zhuǎn)子位置角θr經(jīng)過(guò)微分得到轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度ωr；
(3)根據(jù)步驟(2)計(jì)算得到的定子兩相靜止坐標(biāo)系下的定子電壓usα、usβ與定子電流isα、isβ進(jìn)行磁鏈計(jì)算，得到定子磁鏈ψs以及定子磁鏈位置角θs；將所得到的定子磁鏈位置角θs微分后得到同步旋轉(zhuǎn)角速度ωs；定子電壓usα、usβ與定子電流isα、isβ以該定子磁鏈位置角θs為變換角進(jìn)行Park變換，得到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的定子電壓usd、usq與定子電流isd、isq；
(4)將步驟(2)中計(jì)算得到的兩相靜止坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子電流irα、irβ，以步驟(3)中所計(jì)算得到的定子磁鏈位置角θs與步驟(1)中所檢測(cè)到的轉(zhuǎn)子位置角θr的差θs-θr為變換角進(jìn)行Park變換，得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的轉(zhuǎn)子電流ird、irq；用步驟(2)中計(jì)算得到的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度ωr，以及步驟(3)中計(jì)算得到的同步旋轉(zhuǎn)角速度ωs和定子磁鏈ψs，與所述旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子電流ird、irq共同輸入耦合項(xiàng)計(jì)算模塊，以計(jì)算交叉耦合項(xiàng)urdc、urqc；
(5)所述步驟(3)計(jì)算得到的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的定子電壓usd、usq和定子電流isd、isq，以及所述步驟(4)計(jì)算得到的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的轉(zhuǎn)子電流ird、irq共同輸入轉(zhuǎn)矩功率計(jì)算模塊；經(jīng)過(guò)該轉(zhuǎn)矩功率計(jì)算模塊計(jì)算得到定子無(wú)功功率的實(shí)際值Qs和電磁轉(zhuǎn)矩的實(shí)際值Te；
(6)將人工設(shè)定的定子無(wú)功功率的給定值
與根據(jù)步驟(5)計(jì)算得到的定子無(wú)功功率的實(shí)際值Qs的差經(jīng)過(guò)PIR調(diào)節(jié)器后，計(jì)算得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子d軸電流的給定值irdref；將人工設(shè)定的電磁轉(zhuǎn)矩的給定值
與根據(jù)步驟(5)計(jì)算得到的電磁轉(zhuǎn)矩的實(shí)際值Te的差經(jīng)過(guò)PIR調(diào)節(jié)器后，計(jì)算得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子q軸電流的給定值irqref；
(7)將將廣義勵(lì)磁電流ims依次與步驟(6)中計(jì)算得到的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子d軸電流的給定值irdref和步驟(4)所計(jì)算得到的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的d軸轉(zhuǎn)子電流ird相減，然后經(jīng)過(guò)PIR調(diào)節(jié)器計(jì)算得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子d軸電壓的參考值urdref；將步驟(6)中計(jì)算得到的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子q軸電流的給定值irdref減去步驟(4)所計(jì)算得到的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的q軸轉(zhuǎn)子電流irq，然后經(jīng)過(guò)PIR調(diào)節(jié)器計(jì)算得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子q軸電壓的參考值urqref；
(8)步驟(7)計(jì)算得到的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子電壓參考值urdref、urdref分別加上步驟(4)中計(jì)算得到的各自的交叉耦合項(xiàng)urdc、urqc后，以步驟(3)中計(jì)算得到的定子磁鏈位置角θs與步驟(1)中檢測(cè)到的轉(zhuǎn)子位置角θr的差θs-θr為變換角進(jìn)行反Park變換，得到轉(zhuǎn)子兩相靜止坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子電壓urα、urβ；再對(duì)該兩相靜止坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子電壓urα、urβ進(jìn)行2/3變換，得到轉(zhuǎn)子三相靜止坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子電壓ura、urb、urc；將其作為PWM變換器的輸入，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)逆變器。
2、如權(quán)利要求1所述的控制方法，其特征在于所述PIR調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為
3、如權(quán)利要求2所述的控制方法，其特征在于所述PIR調(diào)節(jié)器中的設(shè)定頻率ωc設(shè)定為二倍同步旋轉(zhuǎn)角速度ωs。
全文摘要
本發(fā)明所設(shè)計(jì)的雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器控制方法通過(guò)將傳統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)器改為PIR調(diào)節(jié)器，并將PIR調(diào)節(jié)器中的設(shè)定頻率ωc設(shè)定為二倍同步旋轉(zhuǎn)角速度ωs，即可對(duì)擾動(dòng)量中的二倍頻的負(fù)序分量進(jìn)行完全的抑制，因此可以避免不平衡電網(wǎng)電壓引起的發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)，導(dǎo)致輸向電網(wǎng)的功率發(fā)生振蕩的情況。同時(shí)，該P(yáng)IR調(diào)節(jié)器能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)靜差的跟蹤前向通道輸入中頻率為零的正序分量和二倍頻的負(fù)序分量，因此能夠避免不平衡電壓加劇定子電流不平衡，引起定子繞組產(chǎn)生嚴(yán)重的不平衡發(fā)熱。而且，本發(fā)明僅僅是通過(guò)調(diào)節(jié)器的替換即實(shí)現(xiàn)了對(duì)不平衡電網(wǎng)電壓條件下發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器的控制，其改動(dòng)簡(jiǎn)單，效果明顯，并且不涉及復(fù)雜器件的設(shè)計(jì)，易于實(shí)現(xiàn)。
文檔編號(hào)H02P21/00GK101478283SQ20091007756
公開日2009年7月8日 申請(qǐng)日期2009年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月22日
發(fā)明者苑國(guó)鋒, 鄭艷文, 龔細(xì)秀 申請(qǐng)人:北京清能華福風(fēng)電技術(shù)有限公司