感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)矢量及直接轉(zhuǎn)矩控制綜合方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)矢量及直接轉(zhuǎn)矩控制綜合方法，它屬于一種感應(yīng) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)在穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下使用矢量控制以及在風(fēng)力發(fā)電暫態(tài)過(guò)程中采用直接轉(zhuǎn)矩控 制的綜合方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 眾所周知，風(fēng)力發(fā)電是可再生能源中最廉價(jià)、最有前途而又取之不盡的綠色能源。 目前國(guó)內(nèi)外將變速恒頻感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的一種主流機(jī)型（感應(yīng)風(fēng)力 發(fā)電機(jī)包括：鼠籠式感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)和轉(zhuǎn)子繞組式感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)）。在感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī) 組處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，傳統(tǒng)的矢量控制方法對(duì)感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有較理想的控制能力，但當(dāng) 風(fēng)力發(fā)生突然變化時(shí)，由于這種傳統(tǒng)的控制方法需實(shí)時(shí)進(jìn)行將定子交流a、b、c系統(tǒng)向與轉(zhuǎn) 子相對(duì)靜止的直流d、q系統(tǒng)進(jìn)行繁瑣的坐標(biāo)系變換，控制時(shí)間長(zhǎng)，也就是當(dāng)感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電 機(jī)組處于暫態(tài)波動(dòng)時(shí)，這種傳統(tǒng)的矢量控制方法在時(shí)間響應(yīng)速度上達(dá)不到風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的 控制要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組存在的上述技術(shù)難點(diǎn)，并提供一種將傳 統(tǒng)矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制相結(jié)合的感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)矢量及直接轉(zhuǎn)矩控制綜合方法。
[0004] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)難點(diǎn)而采用的技術(shù)方案是：感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)矢量及直接轉(zhuǎn) 矩控制綜合方法，其步驟是：感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)側(cè)控制器通過(guò)轉(zhuǎn)速測(cè)定器實(shí)時(shí)檢測(cè)感應(yīng)風(fēng)力 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子及輪漿風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，若轉(zhuǎn)速測(cè)定器測(cè)得感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)為穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，采 用矢量控制方法控制感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行，若轉(zhuǎn)速測(cè)定器測(cè)得感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)為暫態(tài)運(yùn)行 狀態(tài)時(shí)，采用直接轉(zhuǎn)矩控制方法控制感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行。
[0005] 本發(fā)明所述矢量控制方法的步驟為：
[0006] 輪漿風(fēng)機(jī)在穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下建立感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)矢量控制數(shù)學(xué)模型，即實(shí)時(shí)采集 感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子三相a、b、c交流電流及電壓并將電流電壓轉(zhuǎn)換成控制感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電 機(jī)定子的d，q軸電流電壓分量；用脈沖寬度調(diào)制（PWM)技術(shù)通過(guò)對(duì)d、q軸分量電壓電流的 控制，調(diào)節(jié)變換器中的相關(guān)絕緣柵雙極三極管（IGBT)開(kāi)關(guān)的柵極去控制感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī) 的交流勵(lì)磁電流頻率，其可通過(guò)下列公式完成：
[0007]
[0008] 式⑴中：Ued為感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子d軸的電壓，可實(shí)時(shí)采集計(jì)算求出；Re為感應(yīng) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子電阻；ied為感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子d軸的電流，可實(shí)時(shí)采集計(jì)算求出；Led為 感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子d軸的等效電感，可由電機(jī)實(shí)驗(yàn)得出；c〇s為感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)同步角頻 率，可由感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制（WGDTC)方法實(shí)時(shí)求出；Leq為感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子 q軸的等效電感，可由電機(jī)實(shí)驗(yàn)得出；感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子q軸的電流，可實(shí)時(shí)采集計(jì) 算求出；ueq為感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子q軸的電壓，可實(shí)時(shí)采集計(jì)算求出；1<^是實(shí)時(shí)采集的轉(zhuǎn) 子電流有效值，并已折換到定子側(cè)；R'x =Rx+R,，R'x是轉(zhuǎn)子電路的總可變電阻，Rx是轉(zhuǎn) 子電路的外接可變電阻，R,是轉(zhuǎn)子電路的自身電阻，&和&均已折算到定子側(cè)，當(dāng)外接可變 電阻Rx = 0時(shí)，感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)由轉(zhuǎn)子繞組式感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為鼠籠式繞組感應(yīng)風(fēng)力 發(fā)電機(jī)；wx是轉(zhuǎn)差角頻率，wx= ?是感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的角頻率；Lem是感 應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子之間的互感，并已折算到定子側(cè)，可由電機(jī)實(shí)驗(yàn)得出；
[0009] 實(shí)時(shí)采集計(jì)算感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子端的電流、電壓值，并將實(shí)時(shí)采集計(jì)算的電流、 電壓值與前一時(shí)間段的電流、電壓值進(jìn)行比較，其差值為控制絕緣柵雙極三極管（IGBT)柵 極的電壓控制量進(jìn)而對(duì)感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制；其差分控制方程為：
[0010]
[0011] 式（2)中：為感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)某一時(shí)間段控制絕緣柵雙極三極管（IGBT) 柵極的定子電壓d軸控制量；為感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)某一時(shí)間段控制絕緣柵雙極三極管 (IGBT)柵極的定子電壓q軸控制量；其它所有具有時(shí)間下標(biāo)的電流電壓量均為某一時(shí)間段 實(shí)時(shí)采集計(jì)算的相應(yīng)的電流電壓時(shí)間變量；
[0012] 通過(guò)調(diào)節(jié)定子電壓d、q軸控制量，對(duì)感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)側(cè)有功功率和無(wú)功功率Qe 進(jìn)行解耦控制，其控制方程為：
[0013]
(3)
[0014] 通過(guò)電網(wǎng)側(cè)d、q軸電壓和電流的采集計(jì)算，對(duì)電網(wǎng)側(cè)有功功率Ps和無(wú)功功率％進(jìn) 行解耦控制，其控制方程為：
[0015]Ps =usdisd+usqisqQs =usdisq+usqisd (4)
[0016] 式⑷中：usd為電網(wǎng)側(cè)的d軸電壓，uSq為電網(wǎng)側(cè)的q軸電壓，isd為電網(wǎng)側(cè)的d軸 電流，iSq為電網(wǎng)側(cè)的q軸電流；
[0017] 在d、q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，通過(guò)控制直流電壓Ed和變頻器與電網(wǎng)交換的無(wú)功功率 Qs，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)側(cè)有功功率Ps和無(wú)功功率Qs的單獨(dú)解耦控制；
[0018] uSq=0時(shí)，電網(wǎng)偵搜頻器控制電壓的方程為：
[0019]
[0021] 式（5)中：為電網(wǎng)S側(cè)d軸電壓實(shí)時(shí)采集計(jì)算的控制量，Ls為電網(wǎng)S側(cè)的等 效電感，isdW為實(shí)時(shí)采集計(jì)算的電網(wǎng)側(cè)電流d軸的電流分量，Rs為電網(wǎng)S側(cè)的等效電阻，《sl 為電網(wǎng)S側(cè)電流、電壓角頻率，iSqW為實(shí)時(shí)采集計(jì)算的電網(wǎng)側(cè)電流q軸的電流分量，usdW為 前一時(shí)間段實(shí)時(shí)采集計(jì)算的電網(wǎng)側(cè)電壓d軸的電壓分量，為電網(wǎng)S側(cè)q軸電壓實(shí)時(shí)采 集計(jì)算的控制量；上述控制量經(jīng)過(guò)脈沖寬度調(diào)制（PWM)被送去作為調(diào)節(jié)相應(yīng)的絕緣柵雙極 三極管（IGBT)開(kāi)關(guān)柵極的控制信息。
[0022] 本發(fā)明所述直接轉(zhuǎn)矩控制方法的步驟是：
[0023] 當(dāng)輪漿風(fēng)機(jī)為暫態(tài)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，采用直接轉(zhuǎn)矩控制（WGDTC)的方法控制感應(yīng)風(fēng) 力發(fā)電機(jī)：即根據(jù)動(dòng)態(tài)的脈沖寬度調(diào)制（PWM)調(diào)節(jié)一個(gè)由直流電壓Ed控制的六脈沖變換 器，使直流電壓Ed通過(guò)電力電子開(kāi)關(guān)絕緣柵雙極三極管（IGBT)柵極的控制而產(chǎn)生定子同 步合成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)供該定子同步合成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)供&總是在控制變量供min<灼<^nax、 Tmin <Tt <Tmax和約束變量0min < 0t < 0 max的條件下使感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子的同步合 成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)供Gs的速度落后于轉(zhuǎn)子的速度而使感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出與輪漿風(fēng)力相適應(yīng)的有 功電磁功率，所述仍、Tt、0 t是實(shí)時(shí)采集計(jì)算的感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子的同步合成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 、轉(zhuǎn)子的電磁轉(zhuǎn)矩Tm以及感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子線電壓Ea與電力電網(wǎng)電壓的相位角 的時(shí)間變量，即在實(shí)時(shí)采集計(jì)算的時(shí)間段，奶=供0t= 0es，可通過(guò)下列 公式求得：
[0026]式（6)和（7)中：0es是感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)G線電壓Ea與電網(wǎng)S線電壓Ea之間的 相位角，k是常數(shù)，Ed是用于感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)連接兩側(cè)變換器的直流鏈上的直流電源， 是轉(zhuǎn)子角速度，匕是感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上從風(fēng)力輪漿上獲得的每相功率，E2N是定子 等效電壓，I:是定子電流，es是兩者間的夾角，ns是感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的同步速度，是感應(yīng) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)輸出的三相有功電磁功率匕=3X(P廣P#)，P#是轉(zhuǎn)子上每相消耗的有 功功率，Ea是感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子線電壓，是電力電網(wǎng)線電壓，X't是感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī) 定子線電壓與電力電網(wǎng)線電壓Ea之間的等效電抗；
[0027] 所述感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制（WGDTC)的所有控制變量及約束控制變量均 是矢量，并且這些矢量在某一特定的時(shí)間段都是在一定的范圍內(nèi)變化的，故將所有矢量替 換為模糊集合，即通過(guò)對(duì)感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制（WGDTC)控制六脈沖變換器中相 應(yīng)的絕緣柵雙極三極管（IGBT)開(kāi)關(guān)的柵極完成對(duì)所有模糊集合的分析控制，使其能更準(zhǔn) 確的控制感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子的同步合成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)供Gs|完成對(duì)感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)直接轉(zhuǎn) 矩控制，即策略控制模糊集合％(+) = //^>&)與同步合成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)模糊集合= 不斷進(jìn)行比較，尋找其模糊集合差，并使其逼近空模糊集合，最終通過(guò)策略控制模糊 集合完成對(duì)感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制；是A(+：) = //和 ?
'…u )受集合，則
[0028]
是矢量的數(shù)學(xué)模糊集合，= (X)是矢量的數(shù)學(xué)模糊集合，其中變量元素x是 變量集合，即X={xpx2,x3,......,xn},xx=(pGstx2 =Tm,x3 =0Gs......，分別代表 某一時(shí)間段實(shí)時(shí)采集計(jì)算的感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子的同步合成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)奶，感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī) 的電磁轉(zhuǎn)矩Tt，功率極限角0t的變化范圍。
[0029] 由于本發(fā)明采用了上述技術(shù)方案，使本發(fā)明既可適用于在風(fēng)力發(fā)電的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行 中，此時(shí)由傳統(tǒng)的矢量控制方法起主導(dǎo)作用，又適用于當(dāng)電網(wǎng)由于風(fēng)力變化而呈現(xiàn)急劇不 穩(wěn)定運(yùn)行的暫態(tài)過(guò)程中，此時(shí)感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制方法（WGDTC)便可迅速調(diào)入起 主導(dǎo)作用，并迅速對(duì)暫態(tài)過(guò)程中的感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)加以控制。與【背景技術(shù)】相比，本發(fā)明方法 的優(yōu)點(diǎn)是：不用精確控制感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變漿技術(shù)而直接通過(guò)脈沖寬度調(diào)制（PWM)的逆 變技術(shù)去完成感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)暫態(tài)過(guò)程中的快速控制。由于本發(fā)明方法的提出，使感應(yīng)風(fēng) 力發(fā)電機(jī)的控制技術(shù)更為簡(jiǎn)潔、快速、易行。
【附圖說(shuō)明】
[0030] 圖1是本發(fā)明的控制原理框圖；
[0031] 圖2是本發(fā)明感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)電機(jī)側(cè)變換器控制框圖；
[0032] 圖3是本發(fā)明雙變換器與感應(yīng)發(fā)電機(jī)及電網(wǎng)連接框圖；
[0033] 圖4是本發(fā)明感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)電網(wǎng)側(cè)變換器控制框圖；
[0034] 圖5是本發(fā)明雙控制器感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作原理圖；
[0035] 圖6是本發(fā)明感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)電壓電流運(yùn)行等值電路圖；
[0036] 圖7是本發(fā)明感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)電壓電流運(yùn)行向量圖；
[0037] 圖8是本發(fā)明感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)輸出有功功率示意圖；
[0038] 圖9是本發(fā)明感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制六脈沖變換器示意圖；
[0039] 圖10是本發(fā)明感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)六角形磁場(chǎng)示意圖；
[0040] 圖11是本發(fā)明感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)同步合成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)運(yùn)行軌跡控制圖；
[0041] 圖12是本發(fā)明感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子的同步合成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)任意時(shí)刻運(yùn)行控制策略 圖；
[0042] 圖13是本發(fā)明感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子與同步合成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)位置示意圖；
[0043] 圖14是本發(fā)明感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)電壓夾角與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)夾角的關(guān)系。
【具體實(shí)施方式】
[0044] 下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0045] 本實(shí)施例中的感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)矢量及直接轉(zhuǎn)矩控制綜合方法，其步驟是：感應(yīng)風(fēng) 力發(fā)電機(jī)側(cè)控制器通過(guò)轉(zhuǎn)速測(cè)定器實(shí)時(shí)檢測(cè)感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子及輪漿風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，若轉(zhuǎn) 速測(cè)定器測(cè)得感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)為穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，采用矢量控制方法控制感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī) 運(yùn)行，若轉(zhuǎn)速測(cè)定器測(cè)得感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)為暫態(tài)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，采用直接轉(zhuǎn)矩控制方法控制 感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行。
[0046] 本發(fā)明所述矢量控制方法的步驟為：
[0047] 輪漿風(fēng)機(jī)在穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下建立感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)矢量控制數(shù)學(xué)模型，即實(shí)時(shí)采集 感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子三相a、b、c交流電流及電壓并將電流電壓轉(zhuǎn)換成控制感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電 機(jī)定子的d，q軸電流電壓分量；用脈沖寬度調(diào)制（PWM)技術(shù)通過(guò)對(duì)d、q軸分量電壓電流的 控制，調(diào)節(jié)變換器中的相關(guān)絕緣柵雙極三極管（IGBT)開(kāi)關(guān)的柵極去控制感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī) 的交流勵(lì)磁電流頻率，其可通過(guò)下列公式完成：
[0048]
[0049] 式⑴中：Ued為感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子d軸的電壓，可實(shí)時(shí)采集計(jì)算求出；Re為感應(yīng) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子電阻；ied為感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子d軸的電流，可實(shí)時(shí)采集計(jì)算求出；Led為 感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子d軸的等效電感，可由電機(jī)實(shí)驗(yàn)得出；c〇s為感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)同步角頻 率，可由感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制（WGDTC)方法實(shí)時(shí)求出；Leq為感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子 q軸的等效電感，可由電機(jī)實(shí)驗(yàn)得出；感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子q軸的電流，可實(shí)時(shí)采集計(jì) 算求出；ueq為感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子q