電網(wǎng)故障下雙饋風力發(fā)電機轉子磁鏈預測控制方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于雙饋風力發(fā)電機運行控制技術領域，具體涉及一種在電網(wǎng)電壓驟降故 障時雙饋風力發(fā)電機轉子磁鏈預測控制方法。
【背景技術】
[0002] 我國風能資源豐富，風能理論儲量在40億kW以上，理論技術可開發(fā)量約為6 億-10億kw，無論是從保障能源安全、優(yōu)化能源結構，還是從節(jié)能減排、應對氣候變化的環(huán) 保來考慮，我國都離不開以風力發(fā)電為主的可再生能源的補充和發(fā)展。作為主流機型的雙 饋風力發(fā)電機，定子直接掛接電網(wǎng)，轉子通過三相交一直一交變換器實現(xiàn)交流勵磁，電功率 可以通過定子、轉子雙通道與電網(wǎng)實現(xiàn)交換。
[0003] 由于雙饋風力發(fā)電機的勵磁變換器容量小，對整個DFIG的控制能力弱，使得雙饋 風力發(fā)電機的變換器的控制策略顯得十分重要，特別是當電網(wǎng)電壓發(fā)生故障時的運行控制 尤為關鍵，值得深入研宄。在電網(wǎng)發(fā)生故障時，目前部分文獻研宄了基于撬棒保護控制策 略，為了抑制電網(wǎng)電壓跌落引起的雙饋風力發(fā)電機轉子側過電流，撬棒電路被用來將雙饋 電機轉子側繞組短路，該短接回路為轉子沖擊電流提供一條通路，適當選擇電阻值可以限 制轉子回路的最大電流，撬棒動作時雙饋電機自動從系統(tǒng)中脫離。此種方法增加了硬件成 本，故障時從電網(wǎng)吸收大量的無功功率，影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性，對電網(wǎng)的暫態(tài)電磁沖擊和風力 機的機械沖擊均很嚴重。另外還有部分文獻報道了電網(wǎng)故障條件下雙饋風力發(fā)電機直接功 率預測控制與svpwm控制相結合，此種控制方法將功率的參考值與測得的功率實際值作比 較，然后將功率誤差經(jīng)過PI調節(jié)器控制，輸出兩相同步旋轉坐標系下的轉子電壓，再經(jīng)過 坐標轉換，得到定子參考兩相靜止坐標系下的轉子電壓，最后經(jīng)過svpwm控制模塊，進行定 頻控制。此種方法電壓矢量的選擇是根據(jù)一個預先定義的開關表，在一個周期內按照一定 規(guī)律進行開關動作，因此在每一個時刻選擇的電壓矢量未必是最優(yōu)的電壓矢量，當然開關 的控制也未必是最優(yōu)的。因此有必要一種保證開關的控制在每一時刻達到最優(yōu)的控制方 法，并且當故障發(fā)生時，有更高的采樣頻率和更快的響應速度。轉子磁鏈預測控制是一種 非線性控制技術，不包含線性控制器和調制器，有比較快的響應速度，算法采用多種求解尋 優(yōu)，直接輸出開關控制量，根據(jù)數(shù)學模型對控制對象下一時刻的運行狀態(tài)進行預測。通過定 義價值函數(shù)，對7個不同電壓矢量作用下的預測的轉子磁鏈進行實時評估，并選擇出最優(yōu) 的電壓矢量作為控制器輸出。算法能夠在每個采樣周期預測到最優(yōu)的開關狀態(tài)作為控制器 的輸出，系統(tǒng)有較高的采樣頻率和更快的故障響應速度，故障狀態(tài)下可以控制轉子電流在 1. 5-1. 6倍額定電流以內，電磁轉矩波動較小。
【發(fā)明內容】
[0004] 本發(fā)明的目的在于提供了一種電網(wǎng)故障下雙饋風力發(fā)電機轉子磁鏈預測控制方 法，該控制方法主要針對轉子側變換器的不定頻控制，與電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運行時相比有更高的采 樣頻率和更快的響應速度，并且控制精度也相應提高。通過當前時刻的轉子磁鏈對下一時 刻的轉子磁鏈進行預測，直接選取使價值函數(shù)最優(yōu)的電壓矢量所對應的開關量，在故障狀 態(tài)下，使轉子電流控制在1. 5-1. 6倍額定值以內，使電磁轉矩波動較小，減小對機組的沖 擊，同時保證對輸出有功功率和無功功率的控制。
[0005] 本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的采用如下技術方案，電網(wǎng)故障下雙饋風力發(fā)電機轉子磁鏈 預測控制方法，其特征在于包括以下步驟： (1) 、當電網(wǎng)發(fā)生故障時，控制系統(tǒng)從定頻控制轉為高頻下的不定頻控制，系統(tǒng)控制頻 率提高為原矢量控制的10倍，采集定子三相電流iS3、isA、i:，經(jīng)過坐標轉換得到定子參考兩 相靜止坐標系下的定子兩相電流is(?、is/;;采集轉子三相電流i"、irt、，經(jīng)過坐標轉換得 到定子參考兩相靜止坐標系下的轉子兩相電流i。、id; (2) 、將檢測到的轉子角速度義進行離散積分運算得到 (3) 、將定子參考兩相靜止坐標系下的定子兩相電流is(7、is/;，轉子兩相電流ip、4#， 定子自感A3，轉子自感4?和定轉子間互感4進行定子磁鏈和轉子磁鏈計算得到定子磁鏈 a、/?軸分量ws(7、Wsj6和轉子磁鏈a、/?軸分量Wp、
，為轉子磁鏈a、0軸的給定值，WM/;為定子磁鏈a、0軸的實際值，為定子 參考兩相靜止坐標系下的轉子電流額定值，在故障期間W/變換自適應改變，實現(xiàn)對轉 子磁鏈的實時最優(yōu)控制； (5) 、雙饋風力發(fā)電機轉子側變換器電壓在兩相定子參考靜止坐標系下的電壓公式表
(6) 、對雙饋風力發(fā)電機轉子側變換器的電壓公式進行離散化得到轉子磁鏈預測模型：
(7) 、評估雙饋風力發(fā)電機轉子磁鏈的價值函數(shù)如下式所示： ]2+[Wr/(k)_Wr/；i(k)]2,式中，Wr/(k)、Wr/(k)分別為a、軸轉子磁鏈的給定值， 屮w(k)、Ww(k)為不同電壓矢量作用下預測到的磁鏈值，下標i=l，2,…，7; (8)、通過轉子磁鏈預測模型對k+1時刻不同電壓矢量作用下的轉子磁鏈動態(tài)行為進 行預測，將預測的結果通過價值函數(shù)進行評估和優(yōu)化，并選擇最優(yōu)的開關狀態(tài)作為下一時 刻開關的控制信號。
[0006] 目前的控制方法中，當電網(wǎng)電壓發(fā)生單相跌落或者三相對稱跌落60%以及更嚴重 的故障時，轉子電流一般控制在2倍額定電流左右。本發(fā)明采用轉子磁鏈自適應控制實現(xiàn) 轉子磁鏈弱磁最優(yōu)控制；同時采用轉子磁鏈快速預測方法，在提高控制系統(tǒng)響應速度的同 時，避免了大擾動下控制器的飽和問題；在故障期間通過采用提高10倍控制頻率的高頻不 定頻控制方法，進一步縮短了對故障的響應時間，同時所有變量基于定子參考兩相靜止坐 標系，不需要復雜的坐標變換，在故障瞬間可以快速有效地控制轉子電流在1. 5-1. 6倍額 定電流以內。
【附圖說明】
[0007] 圖1為兩相定子f靜止坐標系、兩相轉子速義旋轉^坐標系、兩相同步 速％旋轉(6/ 7坐標系； 圖2為控制結構框圖； 圖3為電網(wǎng)電壓發(fā)生三相對稱跌落60%故障時轉子磁鏈預測控制的運行結果圖； 圖4為電網(wǎng)電壓發(fā)生單相跌落60%故障時轉子磁鏈預測控制的運行結果圖； 具體實施方法 下面結合附圖對本發(fā)明做進一步說明。圖1為兩相定子〃 靜止坐標系、兩相轉子 速義旋轉坐標系、兩相同步速％旋轉J坐標系。本發(fā)明的控制方法基于定子參 考兩相靜止坐標系，定子側和轉子側變量，經(jīng)過坐標轉換，得到兩相定子靜止〃P坐標系 下的變量。
[0008] 雙饋風力發(fā)電機網(wǎng)側變換器在定子參考兩相靜止坐標系下的磁鏈方程如下所示： ^S〇=44,+44a⑴ 句s P=LJse+LJre(2) 式中：ws(7、Wsj6分別定子參考兩相靜止坐標系下的定子磁鏈；zs、4分別表示定子自 感以及定轉子之間的互感；is(?、is/；分別表示定子參考兩相靜止坐標系下的定子電流；ip 、id分別表示定子參考兩相靜止坐標系下的轉子電流。
[0009] 雙饋風力發(fā)電機轉子側變換器在定子參考兩相靜止坐標系下的磁鏈方程和電壓 方程如下所示： ^TP=LmIsP+LJrP(4)
式中：Wp、分別表示定子參考兩相靜止坐標系下的轉子磁鏈；4表示轉子自感； 分別表示定子參考兩相靜止坐標系下的轉子電壓；A表示轉子電阻；義表示發(fā)電 機轉子角速度。
[0010]對式（5)、（6)進行離散化，可得：
式中：rs表示采樣周期；Wp(k+i)、Wu(k+i)分別表示k+i時刻在定子參考兩相靜止 坐標系下的轉子磁鏈。
[0011] 定義評估雙饋風力發(fā)電機轉子磁鏈的價