專利名稱：不平衡電網(wǎng)電壓下雙饋風力發(fā)電機控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種不平衡電網(wǎng)電壓下雙饋風力發(fā)電機(DFIG)轉子側逆變器的控制 方法，屬于風力發(fā)電機控制領域。
背景技術：
基于雙饋感應發(fā)電機(DFIG)的變速風電機組由于具有能量轉換效率高，有功和 無功功率獨立調(diào)節(jié)等優(yōu)點，成為世界風電市場上的主流機型。DFIG定子側直接和電網(wǎng)相連， 對電網(wǎng)故障非常敏感。很小的不平衡電壓會造成有功和無功功率劇烈振蕩，發(fā)電機轉矩脈 動，定子電流不平衡等問題。另外，由于轉子與定子之間的強耦合，不平衡的定子電流會導 致轉子電流波動，影響到雙饋電機的運行狀態(tài)。當電網(wǎng)電壓不平衡達到一定程度時，風電機 組將不得不從電網(wǎng)中解列。大規(guī)模風電機組從電網(wǎng)解列，將進一步惡化電網(wǎng)，對電網(wǎng)的穩(wěn)定 運行造成嚴重影響。國外許多電網(wǎng)運營商要求風電機組能承受電網(wǎng)故障引起的穩(wěn)態(tài)最大達 2%的不平衡電壓而不脫網(wǎng)。通過對轉子側的控制在一定程度上能夠彌補電網(wǎng)電壓不平衡對雙饋電機運行所 造成的影響。目前國內(nèi)、外對電網(wǎng)不平衡下DFIG轉子側的控制方法分為單同步旋轉坐標系 控制和雙同步旋轉坐標系控制兩種。傳統(tǒng)雙同步旋轉坐標系控制方法采用結構完全對稱 的正、負序dq坐標下雙電流控制，以實現(xiàn)對正、負序電流的獨立控制，控制系統(tǒng)設計較為容 易。但是，該方案不但要進行正、負序定向，而且需設計適當?shù)臑V波器來獲取正、負序分量， 使系統(tǒng)整體比較復雜。系統(tǒng)需要根據(jù)不同的控制目標計算正、負序參考電流值，設計不夠靈 活，不能同時消除系統(tǒng)的有功、無功功率脈動。有學者提出通過設計比例-諧振控制器有效 的解決了電流控制中需要正負序分解問題，但其參考電流值的確定還是需要進行正、負序 分解。而且該方法同樣不能同時消除系統(tǒng)的有功、無功功率脈動。單同步旋轉坐標系控制 方法通過觀測轉矩的脈動值作為滯后控制器的輸入，直接對轉子電壓進行補償來抑制電磁 轉矩和無功功率脈動，得到了很好的效果。但和雙同步旋轉坐標系控制方法相比，其控制目 標單一，不能轉換控制目標。因此，有必要設計一種不平衡電網(wǎng)電壓下DFIG轉子電流的控制方法。在控制系統(tǒng) 運行時，既不需要正負序分解又可以針對不同的控制目標對DFIG進行靈活的控制，有效消 除負序電流弓丨起的發(fā)電機各個變量的脈動。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術中存在的問題，提供一種不平衡電網(wǎng)電壓下DFIG 轉子電流切換控制方法，該方法不需要正負序分解，且能夠按不同目標更為靈活的對雙饋 風力發(fā)電機進行控制，提高了 DFIG在不平衡電網(wǎng)電壓下的運行性能。為了實現(xiàn)上述目的， 本發(fā)明采取以下技術方案來實現(xiàn)一種不平衡電網(wǎng)電壓下雙饋風力發(fā)電機控制方法，包括以下步驟(1)檢測三相定子電壓，三相定子電流，三相轉子電流和轉子位置角并計算旋轉角速度；(2)將檢測到的三相定子電壓、三相定子電流和三相轉子電流經(jīng)3/2變換模塊得 到兩相靜止坐標系下的定子電壓、定子電流和轉子電流；(3)根據(jù)定子兩相靜止坐標系下的定子電壓與定子電流進行磁鏈計算，得到定子 磁鏈以及定子磁鏈位置角，并將定子電壓與定子電流以定子磁鏈位置角進行Park變換，得 到同步旋轉坐標下d、q軸定子電壓與定子電流；根據(jù)步驟(1)得到的轉子位置角計算滑差 角度，對滑差角度微分得到滑差角速度；根據(jù)步驟O)中計算得到的兩相靜止坐標系下的 轉子電流以滑差角度進行Park變換，得到旋轉坐標下d、q軸轉子電流；(4)根據(jù)兩相旋轉坐標下的定子電壓、定子電流和轉子電流計算定子有功功率、無 功功率和電磁轉矩；根據(jù)定子磁鏈、滑差角速度及旋轉坐標下的轉子電流計算轉子解耦補 償電壓；根據(jù)不平衡電網(wǎng)下DFIG的控制目標，將相應的控制變量先通過歸化計算，再經(jīng)過 帶通濾波器和超前滯后環(huán)節(jié)后得到控制量的二次脈動實際值，將此實際值與二次脈動給定 值做差并通過PI控制器，計算得到二倍頻補償項；(5)將定子無功功率的給定值與步驟(4)得到的定子無功功率的實際值的差經(jīng)過 PI控制器后，計算得到旋轉坐標系下轉子d軸電流的給定值；將轉速給定值與步驟(1)計 算得到的旋轉角速度實際值的差經(jīng)過PI控制器后，計算得到旋轉坐標系下轉子q軸電流的 給定值；(6)將步驟(5)中計算得到的旋轉坐標系下d、q軸轉子電流的兩個給定值分別與 步驟C3)所計算得到的旋轉坐標系下的d、q軸轉子電流相減，然后經(jīng)過PI控制器計算得到 旋轉坐標系下d、q軸轉子電壓的參考值；(7)將旋轉坐標系下d、q軸轉子電壓參考值分別與各自的轉子解耦補償電壓和二 倍頻補償項相加，以滑差角度為變換角進行反Park變換，得到轉子兩相靜止坐標系下的轉 子電壓；該轉子電壓信號經(jīng)過空間矢量脈寬調(diào)制后，產(chǎn)生控制功率器件的開關信號。作為進一步的實施方式，步驟中所述的控制目標是或保持定子電流平衡，或 保持轉子電流平衡，或同時保持DFIG定子輸出有功、無功功率恒定，或同時保持DFIG電磁 轉矩和無功功率恒定；所述歸化計算根據(jù)各個控制目標中所需抑制二倍頻分量之間的關 系，將不同控制變量歸化到統(tǒng)一等級，實現(xiàn)各控制目標的平穩(wěn)切換。本發(fā)明的控制方法在不改動硬件結構的情況下，僅通過在傳統(tǒng)有功、無功功率解 耦的矢量控制的兩個電壓內(nèi)環(huán)中分別加入電壓補償控制環(huán)節(jié)，利用DFIG中各個變量二倍 頻分量的關系將控制量歸化到統(tǒng)一等級，實現(xiàn)了不平衡電網(wǎng)電壓下DFIG的穩(wěn)定控制，且不 同控制目標之間可以靈活切換。本發(fā)明不需要對轉子電流進行正、負序分解，能夠根據(jù)不同 的控制目標更加靈活的補償電網(wǎng)不平衡所帶來的二次脈動問題。不但可以分別消除定子電 流的二次諧波、轉子電流的二次諧波、電磁轉矩脈動、有功功率脈動、無功功率脈動，而且能 夠同時消除系統(tǒng)有功、無功功率的二次脈動。


圖1為正、反轉同步旋轉坐標系矢量圖。圖2為不平衡電網(wǎng)電壓下雙饋風力發(fā)電機轉子電流多目標切換控制原理圖。圖3為電網(wǎng)電壓不平衡條件下采用傳統(tǒng)矢量控制方法的效果圖，圖中(a)為定子三相電流U。(KA) ； (b)為轉子三相電流Irabc(KA) ； (c)為轉子d軸電流Ird(KA) ； (d)為轉 子q軸電流Irq (KA) ； (e)為定子有功功率Ps (MW) ； (f)為定子無功功率Qs (MVar) ； (g)為電 磁轉矩Te (KN · m)。圖4為電網(wǎng)電壓不平衡條件下采用本發(fā)明控制方法的效果圖，圖中(a)為定子三 相電流Isabc(KA) ； (b)為轉子三相電流Irabc(KA) ； (c)為轉子d軸電流Ird(KA) ； (d)為轉子q 軸電流(KA) ； (e)為定子有功功率Ps(MW) ； (f)為定子無功功率Gls(MVar) ； (g)為電磁轉 矩 Te (KN · m)。圖5為電網(wǎng)電壓不平衡條件下基于正負序分解的雙閉環(huán)控制方法抑制有功、無功 功率二次脈動控制效果圖，圖中(a)為轉子三相電流Irabe(KA) ； (b)為定子有功功率&(麗)； (c)為定子無功功率Qs(MVar)。圖6為電網(wǎng)電壓不平衡條件下本發(fā)明方法抑制有功、無功功率二次脈動控制效果 圖，圖中(a)為轉子三相電流IMb。(KA) ； (b)為定子有功功率Ps(MW) ； (c)為定子無功功率 Qs (MVar)。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。在電網(wǎng)電壓不平衡的情況下，一個三相對稱、中點隔離的DFIG系統(tǒng)可以認為不存 在零序分量。三相電壓、電流和磁鏈可以在靜止α β坐標系中分解為正、負序分量
權利要求
1.一種不平衡電網(wǎng)電壓下雙饋風力發(fā)電機控制方法，其特征在于包括以下步驟(1)檢測三相定子電壓，三相定子電流，三相轉子電流和轉子位置角并計算旋轉角速度；(2)將檢測到的三相定子電壓、三相定子電流和三相轉子電流經(jīng)3/2變換模塊得到兩 相靜止坐標系下的定子電壓、定子電流和轉子電流；(3)根據(jù)定子兩相靜止坐標系下的定子電壓與定子電流進行磁鏈計算，得到定子磁鏈 以及定子磁鏈位置角，并將定子電壓與定子電流以定子磁鏈位置角進行Park變換，得到同 步旋轉坐標下d、q軸定子電壓與定子電流；根據(jù)步驟(1)得到的轉子位置角計算滑差角度， 對滑差角度微分得到滑差角速度；根據(jù)步驟O)中計算得到的兩相靜止坐標系下的轉子電 流以滑差角度進行Park變換，得到旋轉坐標下d、q軸轉子電流；(4)根據(jù)兩相旋轉坐標下的定子電壓、定子電流和轉子電流計算定子有功功率、無功功 率和電磁轉矩；根據(jù)定子磁鏈、滑差角速度及旋轉坐標下的轉子電流計算轉子解耦補償電 壓；根據(jù)不平衡電網(wǎng)下DFIG的控制目標，將相應的控制變量先通過歸化計算，再經(jīng)過帶通 濾波器和超前滯后環(huán)節(jié)后得到控制量的二次脈動實際值，將此實際值與二次脈動給定值做 差并通過PI控制器，計算得到二倍頻補償項；(5)將定子無功功率的給定值與步驟(4)得到的定子無功功率的實際值的差經(jīng)過PI控 制器后，計算得到旋轉坐標系下轉子d軸電流的給定值；將轉速給定值與步驟(1)計算得 到的旋轉角速度實際值的差經(jīng)過PI控制器后，計算得到旋轉坐標系下轉子q軸電流的給定 值；(6)將步驟(5)中計算得到的旋轉坐標系下d、q軸轉子電流的兩個給定值分別與步驟 (3)所計算得到的旋轉坐標系下的d、q軸轉子電流相減，然后經(jīng)過PI控制器計算得到旋轉 坐標系下d、q軸轉子電壓的參考值；(7)將旋轉坐標系下d、q軸轉子電壓參考值分別與各自的轉子解耦補償電壓和二倍頻 補償項相加，以滑差角度為變換角進行反Park變換，得到轉子兩相靜止坐標系下的轉子電 壓；該轉子電壓信號經(jīng)過空間矢量脈寬調(diào)制后，產(chǎn)生控制功率器件的開關信號。
2.根據(jù)權利要求1所述的不平衡電網(wǎng)電壓下雙饋風力發(fā)電機控制方法，其特征在于步 驟(4)中所述的控制目標是或保持定子電流平衡，或保持轉子電流平衡，或同時保持DFIG 定子輸出有功、無功功率恒定，或同時保持DFIG電磁轉矩和無功功率恒定。
3.根據(jù)權利要求1所述的不平衡電網(wǎng)電壓下雙饋風力發(fā)電機控制方法，其特征在于步 驟中所述歸化計算根據(jù)各個控制目標中所需抑制二倍頻分量之間的關系，將不同控制 變量歸化到統(tǒng)一等級，實現(xiàn)各控制目標的平穩(wěn)切換。
全文摘要
本發(fā)明屬于風力發(fā)電機功率變換裝置控制領域，涉及一種本發(fā)明公開了一種不平衡電網(wǎng)電壓下雙饋風力發(fā)電機轉子電流切換控制方法計算兩相靜止坐標系下的定子電壓、定子電流和轉子電流；計算磁鏈及同步旋轉坐標下d、q軸定子電壓與定子電流；計算滑差角度和滑差角速度；計算旋轉坐標下d、q軸轉子電流；計算定子有功功率、無功功率和電磁轉矩；計算轉子解耦補償電壓；將相應的控制變量先通過歸化計算，再經(jīng)過帶通濾波器和超前滯后環(huán)節(jié)后得到控制量的二次脈動實際值，將此實際值與二次脈動給定值做差并通過PI控制器，計算得到二倍頻補償項；計算旋轉坐標系下轉子d軸電流的給定值；將轉速給定值旋轉角速度實際值的差經(jīng)過PI控制器后，計算得到旋轉坐標系下轉子q軸電流的給定值；計算得到旋轉坐標系下d、q軸轉子電壓的參考值；計算轉子兩相靜止坐標系下的轉子電壓，并生成控制功率器件的開關信號。本發(fā)明不但可以分別消除定子電流的二次諧波、轉子電流的二次諧波、電磁轉矩脈動、有功功率脈動、無功功率脈動，而且能夠同時消除系統(tǒng)有功、無功功率的二次脈動。
文檔編號H02P21/14GK102082543SQ20101052397
公開日2011年6月1日 申請日期2010年10月28日 優(yōu)先權日2010年10月28日
發(fā)明者史婷娜, 夏長亮, 李洪鳳, 王萌 申請人:天津大學