專利名稱:不平衡電網(wǎng)電壓下雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種不平衡電網(wǎng)電壓下雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)(DFIG)轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器的控制 方法,屬于風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制領(lǐng)域。
背景技術(shù):
基于雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(DFIG)的變速風(fēng)電機(jī)組由于具有能量轉(zhuǎn)換效率高,有功和 無功功率獨(dú)立調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn),成為世界風(fēng)電市場上的主流機(jī)型。DFIG定子側(cè)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(jī)轉(zhuǎn)矩脈 動,定子電流不平衡等問題。另外,由于轉(zhuǎn)子與定子之間的強(qiáng)耦合,不平衡的定子電流會導(dǎo) 致轉(zhuǎn)子電流波動,影響到雙饋電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)電網(wǎng)電壓不平衡達(dá)到一定程度時,風(fēng)電機(jī) 組將不得不從電網(wǎng)中解列。大規(guī)模風(fēng)電機(jī)組從電網(wǎng)解列,將進(jìn)一步惡化電網(wǎng),對電網(wǎng)的穩(wěn)定 運(yùn)行造成嚴(yán)重影響。國外許多電網(wǎng)運(yùn)營商要求風(fēng)電機(jī)組能承受電網(wǎng)故障引起的穩(wěn)態(tài)最大達(dá) 2%的不平衡電壓而不脫網(wǎng)。通過對轉(zhuǎn)子側(cè)的控制在一定程度上能夠彌補(bǔ)電網(wǎng)電壓不平衡對雙饋電機(jī)運(yùn)行所 造成的影響。目前國內(nèi)、外對電網(wǎng)不平衡下DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)的控制方法分為單同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 控制和雙同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系控制兩種。傳統(tǒng)雙同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系控制方法采用結(jié)構(gòu)完全對稱 的正、負(fù)序dq坐標(biāo)下雙電流控制,以實(shí)現(xiàn)對正、負(fù)序電流的獨(dú)立控制,控制系統(tǒng)設(shè)計較為容 易。但是,該方案不但要進(jìn)行正、負(fù)序定向,而且需設(shè)計適當(dāng)?shù)臑V波器來獲取正、負(fù)序分量, 使系統(tǒng)整體比較復(fù)雜。系統(tǒng)需要根據(jù)不同的控制目標(biāo)計算正、負(fù)序參考電流值,設(shè)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(xué)者提出通過設(shè)計比例-諧振控制器有效 的解決了電流控制中需要正負(fù)序分解問題,但其參考電流值的確定還是需要進(jìn)行正、負(fù)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(zhuǎn)坐標(biāo)系控制 方法通過觀測轉(zhuǎn)矩的脈動值作為滯后控制器的輸入,直接對轉(zhuǎn)子電壓進(jìn)行補(bǔ)償來抑制電磁 轉(zhuǎn)矩和無功功率脈動,得到了很好的效果。但和雙同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系控制方法相比,其控制目 標(biāo)單一,不能轉(zhuǎn)換控制目標(biāo)。因此,有必要設(shè)計一種不平衡電網(wǎng)電壓下DFIG轉(zhuǎn)子電流的控制方法。在控制系統(tǒng) 運(yùn)行時,既不需要正負(fù)序分解又可以針對不同的控制目標(biāo)對DFIG進(jìn)行靈活的控制,有效消 除負(fù)序電流弓丨起的發(fā)電機(jī)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(shù)中存在的問題,提供一種不平衡電網(wǎng)電壓下DFIG 轉(zhuǎn)子電流切換控制方法,該方法不需要正負(fù)序分解,且能夠按不同目標(biāo)更為靈活的對雙饋 風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行控制,提高了 DFIG在不平衡電網(wǎng)電壓下的運(yùn)行性能。為了實(shí)現(xiàn)上述目的, 本發(fā)明采取以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)一種不平衡電網(wǎng)電壓下雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(zhuǎn)子電流和轉(zhuǎn)子位置角并計算旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子電流經(jīng)3/2變換模塊得 到兩相靜止坐標(biāo)系下的定子電壓、定子電流和轉(zhuǎn)子電流;(3)根據(jù)定子兩相靜止坐標(biāo)系下的定子電壓與定子電流進(jìn)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(jìn)行Park變換,得 到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下d、q軸定子電壓與定子電流;根據(jù)步驟(1)得到的轉(zhuǎn)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(biāo)系下的 轉(zhuǎn)子電流以滑差角度進(jìn)行Park變換,得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下d、q軸轉(zhuǎn)子電流;(4)根據(jù)兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的定子電壓、定子電流和轉(zhuǎn)子電流計算定子有功功率、無 功功率和電磁轉(zhuǎn)矩;根據(jù)定子磁鏈、滑差角速度及旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的轉(zhuǎn)子電流計算轉(zhuǎn)子解耦補(bǔ) 償電壓;根據(jù)不平衡電網(wǎng)下DFIG的控制目標(biāo),將相應(yīng)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(shí)際值,將此實(shí)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(bǔ)償項(xiàng);(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(shí)際值的差經(jīng)過 PI控制器后,計算得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子d軸電流的給定值;將轉(zhuǎn)速給定值與步驟(1)計 算得到的旋轉(zhuǎn)角速度實(shí)際值的差經(jīng)過PI控制器后,計算得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子q軸電流的 給定值;(6)將步驟(5)中計算得到的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下d、q軸轉(zhuǎn)子電流的兩個給定值分別與 步驟C3)所計算得到的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的d、q軸轉(zhuǎn)子電流相減,然后經(jīng)過PI控制器計算得到 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下d、q軸轉(zhuǎn)子電壓的參考值;(7)將旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下d、q軸轉(zhuǎn)子電壓參考值分別與各自的轉(zhuǎn)子解耦補(bǔ)償電壓和二 倍頻補(bǔ)償項(xiàng)相加,以滑差角度為變換角進(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;該轉(zhuǎn)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(guān)信號。作為進(jìn)一步的實(shí)施方式,步驟中所述的控制目標(biāo)是或保持定子電流平衡,或 保持轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩和無功功率恒定;所述歸化計算根據(jù)各個控制目標(biāo)中所需抑制二倍頻分量之間的關(guān) 系,將不同控制變量歸化到統(tǒng)一等級,實(shí)現(xiàn)各控制目標(biāo)的平穩(wěn)切換。本發(fā)明的控制方法在不改動硬件結(jié)構(gòu)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(bǔ)償控制環(huán)節(jié),利用DFIG中各個變量二倍 頻分量的關(guān)系將控制量歸化到統(tǒng)一等級,實(shí)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(biāo)之間可以靈活切換。本發(fā)明不需要對轉(zhuǎn)子電流進(jìn)行正、負(fù)序分解,能夠根據(jù)不同 的控制目標(biāo)更加靈活的補(bǔ)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(zhuǎn)子電流的二次諧波、電磁轉(zhuǎn)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(zhuǎn)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系矢量圖。圖2為不平衡電網(wǎng)電壓下雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流多目標(biāo)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(zhuǎn)子三相電流Irabc(KA) ; (c)為轉(zhuǎn)子d軸電流Ird(KA) ; (d)為轉(zhuǎn) 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(zhuǎn)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(zhuǎn)子三相電流Irabc(KA) ; (c)為轉(zhuǎn)子d軸電流Ird(KA) ; (d)為轉(zhuǎn)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(zhuǎn) 矩 Te (KN · m)。圖5為電網(wǎng)電壓不平衡條件下基于正負(fù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)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(diǎn)隔離的DFIG系統(tǒng)可以認(rèn)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(biāo)系中分解為正、負(fù)序分量
權(quán)利要求
1.一種不平衡電網(wǎng)電壓下雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(zhuǎn)子電流和轉(zhuǎn)子位置角并計算旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子電流經(jīng)3/2變換模塊得到兩 相靜止坐標(biāo)系下的定子電壓、定子電流和轉(zhuǎn)子電流;(3)根據(jù)定子兩相靜止坐標(biāo)系下的定子電壓與定子電流進(jìn)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(jìn)行Park變換,得到同 步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下d、q軸定子電壓與定子電流;根據(jù)步驟(1)得到的轉(zhuǎn)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(biāo)系下的轉(zhuǎn)子電 流以滑差角度進(jìn)行Park變換,得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下d、q軸轉(zhuǎn)子電流;(4)根據(jù)兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的定子電壓、定子電流和轉(zhuǎn)子電流計算定子有功功率、無功功 率和電磁轉(zhuǎn)矩;根據(jù)定子磁鏈、滑差角速度及旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的轉(zhuǎn)子電流計算轉(zhuǎn)子解耦補(bǔ)償電 壓;根據(jù)不平衡電網(wǎng)下DFIG的控制目標(biāo),將相應(yīng)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(shí)際值,將此實(shí)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(bǔ)償項(xiàng);(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(shí)際值的差經(jīng)過PI控 制器后,計算得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子d軸電流的給定值;將轉(zhuǎn)速給定值與步驟(1)計算得 到的旋轉(zhuǎn)角速度實(shí)際值的差經(jīng)過PI控制器后,計算得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子q軸電流的給定 值;(6)將步驟(5)中計算得到的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下d、q軸轉(zhuǎn)子電流的兩個給定值分別與步驟 (3)所計算得到的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的d、q軸轉(zhuǎn)子電流相減,然后經(jīng)過PI控制器計算得到旋轉(zhuǎn) 坐標(biāo)系下d、q軸轉(zhuǎn)子電壓的參考值;(7)將旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下d、q軸轉(zhuǎn)子電壓參考值分別與各自的轉(zhuǎn)子解耦補(bǔ)償電壓和二倍頻 補(bǔ)償項(xiàng)相加,以滑差角度為變換角進(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;該轉(zhuǎn)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(guān)信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的不平衡電網(wǎng)電壓下雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制方法,其特征在于步 驟(4)中所述的控制目標(biāo)是或保持定子電流平衡,或保持轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩和無功功率恒定。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的不平衡電網(wǎng)電壓下雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(biāo)中所需抑制二倍頻分量之間的關(guān)系,將不同控制 變量歸化到統(tǒng)一等級,實(shí)現(xiàn)各控制目標(biāo)的平穩(wěn)切換。
全文摘要
本發(fā)明屬于風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率變換裝置控制領(lǐng)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(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流切換控制方法計算兩相靜止坐標(biāo)系下的定子電壓、定子電流和轉(zhuǎn)子電流;計算磁鏈及同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)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(zhuǎn)坐標(biāo)下d、q軸轉(zhuǎn)子電流;計算定子有功功率、無功功率和電磁轉(zhuǎn)矩;計算轉(zhuǎn)子解耦補(bǔ)償電壓;將相應(yīng)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(shí)際值,將此實(shí)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(bǔ)償項(xiàng);計算旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子d軸電流的給定值;將轉(zhuǎn)速給定值旋轉(zhuǎn)角速度實(shí)際值的差經(jīng)過PI控制器后,計算得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子q軸電流的給定值;計算得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下d、q軸轉(zhuǎn)子電壓的參考值;計算轉(zhuǎn)子兩相靜止坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子電壓,并生成控制功率器件的開關(guān)信號。本發(fā)明不但可以分別消除定子電流的二次諧波、轉(zhuǎn)子電流的二次諧波、電磁轉(zhuǎn)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(quán)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(xué)