雙饋風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁鏈無差拍故障運行方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于雙饋風(fēng)力發(fā)電機運行控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)時的功率預(yù)測 控制和電網(wǎng)驟降時轉(zhuǎn)子磁鏈無差拍控制方法，提高正常運行時的穩(wěn)定性以及故障狀態(tài)下雙 饋風(fēng)力發(fā)電機故障運行能力。
【背景技術(shù)】
[0002] 近幾年來，電力行業(yè)在我國發(fā)展迅速，受人矚目。隨著風(fēng)電場規(guī)模的不斷擴大以及 風(fēng)電機組的單機容量的不斷增加，風(fēng)電在電網(wǎng)中的滲透率逐步提高。過快的發(fā)展雖然帶來 了可觀的經(jīng)濟效益，但是也給電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成了一定的破壞。由電網(wǎng)故障而導(dǎo)致風(fēng) 電機組大規(guī)模脫網(wǎng)，會給電網(wǎng)安全造成很大的影響，考慮電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，必須先提高風(fēng) 電機組本身的可靠性。雙饋風(fēng)力發(fā)電機的定、轉(zhuǎn)子直接并網(wǎng)，不能有效隔離與電網(wǎng)之間的聯(lián) 系，風(fēng)電機組對電網(wǎng)故障非常敏感，并且在故障情況下，小容量勵磁變換器對雙饋風(fēng)力發(fā)電 機的控制能力也受到限制，導(dǎo)致雙饋風(fēng)力發(fā)電機的電網(wǎng)故障運行能力較弱。
[0003] 在電網(wǎng)電壓穩(wěn)態(tài)運行的情況下，雙饋風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的矢量控制系統(tǒng) 一般采用功率控制環(huán)為外環(huán)、電流控制環(huán)為內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，通過外環(huán)功率調(diào)節(jié)器獲得 轉(zhuǎn)子電流參考值，通過內(nèi)環(huán)電流調(diào)節(jié)器獲得轉(zhuǎn)子電壓參考值，兩調(diào)節(jié)器均采用PI線性控制 器。但由于PWM變換器是一種開關(guān)型非線性系統(tǒng)，采用線性控制器實現(xiàn)非線性系統(tǒng)控制，將 會造成一定的控制誤差和動態(tài)響應(yīng)時延，此外整個控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、動態(tài)性能欠佳、對PI 控制器和發(fā)電機參數(shù)依賴較大。因此提出了功率預(yù)測控制，使定子側(cè)有功功率和無功功率 波動較小，具有實施簡單、解耦性較好、動態(tài)響應(yīng)快、魯棒性強的優(yōu)點。
[0004] 在電網(wǎng)電壓驟降的情況下，目前實現(xiàn)故障運行能力的控制主要有三種方法。第一 是通過改進勵磁控制策略來實現(xiàn)故障運行能力，這種方法適合輕度故障，在電網(wǎng)電壓跌落 很深的情況下，這種勵磁控制算法很難實現(xiàn)發(fā)電系統(tǒng)的故障運行控制。第二種是串聯(lián)網(wǎng)側(cè) 變換器，這種方法可實現(xiàn)任意情況下的故障運行，但其連接方式復(fù)雜，成本昂貴，在實際應(yīng) 用中采用的很少。第三種是采用轉(zhuǎn)子增加撬棒保護實現(xiàn)故障運行。當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生單相跌 落90%或者三相對稱跌落70%故障時，目前大多數(shù)控制方法對故障期間轉(zhuǎn)子電流值很難控 制在其額定電流的2倍以內(nèi)，電磁轉(zhuǎn)矩波動比較大，對機組的沖擊力很大?？刂葡到y(tǒng)的響應(yīng) 速度和控制器的控制精度直接影響故障電流的抑制效果。在本發(fā)明中提出了轉(zhuǎn)子磁鏈無差 拍預(yù)測控制方法，它具有動態(tài)響應(yīng)速度快，精度高，控制過程中無過沖等特點，在電網(wǎng)嚴(yán)重 故障等大擾動下不會造成控制器飽和，不但能夠控制轉(zhuǎn)子故障電流在1. 5-1. 6倍額定電流 以內(nèi)，而且故障期間電磁轉(zhuǎn)矩脈動較小，可有效提高雙饋風(fēng)力發(fā)電機在電網(wǎng)電壓故障下的 不脫網(wǎng)運行能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對電網(wǎng)電壓穩(wěn)定狀態(tài)下和故障狀態(tài)下控制策略的不足之處，本發(fā)明提供了一種 雙饋風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁鏈無差拍故障運行方法，電網(wǎng)電壓穩(wěn)定狀態(tài)下的功率預(yù)測控制，實 現(xiàn)定子側(cè)有功功率和無功功率波動較小，具有實施簡單、解耦性較好、動態(tài)響應(yīng)快、魯棒性 強的優(yōu)點，在電網(wǎng)故障狀態(tài)下提出了轉(zhuǎn)子磁鏈無差拍控制方法，可以控制轉(zhuǎn)子故障電流在 1. 5-1. 6倍額定電流以內(nèi)，故障期間電磁轉(zhuǎn)矩脈動較小，動態(tài)響應(yīng)速度快，控制精度高。
[0006] 本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的采用如下技術(shù)方案，雙饋風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁鏈無差拍故障 運行方法，其特征在于具體步驟為： (1) 、當(dāng)電網(wǎng)電壓穩(wěn)定運行時，采集定子三相電壓和定子三相電流Tsaie經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn) 換得到兩相靜止坐標(biāo)系下的兩相定子電壓和兩相定子電流/sm，采集轉(zhuǎn)子三相電壓 和轉(zhuǎn)子三相電流石^經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到兩相轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系下的兩相轉(zhuǎn)子電壓和兩 相轉(zhuǎn)子電流TrM; (2) 、計算出定子磁鏈空間位置角Mf測得的轉(zhuǎn)子角速度義進行積分計算得到匕； (3)、基于定子磁場定向的兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，計算定子磁鏈與轉(zhuǎn)子〇軸夾角 〃「匕，然后對定子兩相電壓、定子兩相電流Zs 4、轉(zhuǎn)子兩相電壓G4和轉(zhuǎn)子兩相電 流^ 4進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到定轉(zhuǎn)子電流的t/、<7軸分量； (4) 、將兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的定子電流isrf、，轉(zhuǎn)子電流iq，定子自感Zs，轉(zhuǎn)子 自感4和定轉(zhuǎn)子間互感4進行定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈計算得到定子磁鏈0<7軸分量$m、 W轉(zhuǎn)子磁鏈么清自分量W^ (5)、雙饋風(fēng)力發(fā)電機在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓方程和磁鏈方程
系，下標(biāo)s和r分別表不定子變量和轉(zhuǎn)子變量，i(分別表不定子電壓和轉(zhuǎn)子電壓，疋、忍 分別表示定子電阻和轉(zhuǎn)子電阻，/3、；分別表示定子電流和轉(zhuǎn)子電流，叫、義分別表示同步 角速度和轉(zhuǎn)子角速度，叫 3、^^分別表示定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈，分別表示定子自感、 轉(zhuǎn)子自感以及定轉(zhuǎn)子之間的互感；

(9)、模型預(yù)測控制目的是使定子有功功率和無功功率跟隨其給定值，在k時刻，定子
到在一個采樣周期內(nèi)有功功率和無功功率變化量為：
別為轉(zhuǎn)子電壓在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的分量，將步驟（9)中一個周期內(nèi)有功功率和無功 功率變化量代入轉(zhuǎn)子電壓公式可得：
^^(1〇，將《d(k)、《q(k)經(jīng)過坐標(biāo)反變換得到兩相轉(zhuǎn)子參考坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子電壓，然后進行PWM調(diào)制； (11)、當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時，進行雙饋風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁鏈無差拍預(yù)測控制，設(shè)置控 制系統(tǒng)的控制頻率提高1倍，由步驟（10)中雙饋風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)子電壓離散公式經(jīng)過變
差拍預(yù)測控制的目標(biāo)是使轉(zhuǎn)子磁鏈在k+1時刻達到給定值，式中Wd(k+l)、Wq(k+l)分別 為轉(zhuǎn)子磁鏈A▽軸在k+1時刻的給定值WJ(k+1)、'/(k+l);
//為定子電流額定值，W/為定子磁鏈實際值，上標(biāo)r表示以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速義旋轉(zhuǎn)的兩相坐標(biāo) 系，下標(biāo)s表示定子側(cè)的變量。在故障期間以隨W/變換自適應(yīng)改變，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子磁鏈 的實時最優(yōu)控制，將得到的以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速&旋轉(zhuǎn)的兩相轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子磁鏈給定值，經(jīng) 過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，得到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子磁鏈給定值； (13)、將步驟（11)中《M(k)、《q(k)經(jīng)過坐標(biāo)反變換得到兩相轉(zhuǎn)子參考坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子 電壓，然后進行PWM調(diào)制。
[0007] 當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生單相跌落90%或者三相對稱跌落70%故障時，目前大多數(shù)控制方 法對故障期間轉(zhuǎn)子電流值很難控制在其額定電流的2倍以內(nèi)，電磁轉(zhuǎn)矩波動比較大，對機 組的沖擊力很大。本發(fā)明所提控制方法在故障期間以電網(wǎng)故障自適應(yīng)改變，實現(xiàn)故障 期間轉(zhuǎn)子磁鏈的實時最優(yōu)控制；另外，通過預(yù)測控制磁鏈，比線性控制器響應(yīng)速度快，能夠 對電網(wǎng)故障進行快速響應(yīng)，且不存在大擾動下的控制器飽和問題。有效緩解的故障危害，本 發(fā)明在故障狀態(tài)下可以有效地控制轉(zhuǎn)子電流在1.5-1. 6倍額定電流以內(nèi)，而且故障期間電 磁轉(zhuǎn)矩脈動較小。
【附圖說明】
[0008] 圖1為兩相定子f靜止坐標(biāo)系、兩相轉(zhuǎn)子速義旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系、兩相同步 速叫旋轉(zhuǎn)Or 7坐標(biāo)系； 圖2為兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中DFIG矢量形式等效電路； 圖3為電網(wǎng)電壓正常時控制方法的結(jié)構(gòu)框圖； 圖4為電網(wǎng)電壓故障時控制方法的結(jié)構(gòu)框圖； 圖5為電網(wǎng)電壓穩(wěn)態(tài)情況下和電網(wǎng)電壓三相對稱跌落70%時采用不同控制方法的運行 結(jié)果； 圖6為電網(wǎng)電壓穩(wěn)態(tài)情況下和電網(wǎng)電壓單相跌落90%時采用不同控制方法的運行結(jié) 果。
[0009] 具體實施方法 下面結(jié)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(biāo)系、兩相轉(zhuǎn)子 速義旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系、兩相同步速叫旋轉(zhuǎn)V7坐標(biāo)系。本發(fā)明的控制方法基于兩相同 步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，將采集到的定子電流和轉(zhuǎn)子電流，經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，得到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 下的變量。
[0010] 圖2為兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中DFIG矢量形式等效電路。由此可以得出雙饋風(fēng)力 發(fā)電機定子電壓和轉(zhuǎn)子電壓公式如下：
式中：上標(biāo)s表示所有變量均在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，下標(biāo)s和r分別表示定子變量和轉(zhuǎn)子 變量，G、G分別表示定子電壓和轉(zhuǎn)子電壓，式、見分別表示定子電阻和轉(zhuǎn)子電阻，/s、Tr分別 表示定子電流和轉(zhuǎn)子電流，叫、％分別表示同步角速度和轉(zhuǎn)子角速度，W3、^^分別表示定 子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈。
[0011] 雙饋風(fēng)力發(fā)電機定轉(zhuǎn)子磁鏈在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的方程為：
式中：ZS、4、Zs分別表示定子自感、轉(zhuǎn)子自感以及定轉(zhuǎn)子之間的互感。
[0012] 由式（3)和（4)可得：
[0013] 忽略定子電阻的影響，由式（1)可以得到定子磁鏈幅值為：
當(dāng)電網(wǎng)電壓穩(wěn)定運行時，定子磁鏈幅值是恒定的。
[0014] 聯(lián)立式（1)和式（5)，定子有功功率和無功功率為：
d軸上的分量，定子有功功率和無功功率用d、q軸坐標(biāo)系下的分量表不即為：
式中兌分別為定子有功功率和無功功率，Ws,、分別為定子磁鏈d、q軸分量， 分別為轉(zhuǎn)子磁鏈d、q軸分量。
[0016] 在k時刻，定子有功功率和無功功率的誤差可以表示為：
為了滿足式（13)和式（14)的條件，k時刻定子有功功率和無功功率的變化量為：
在電網(wǎng)電壓穩(wěn)態(tài)情況下，得到％,(k)、《q(k)，然后經(jīng)過坐標(biāo)反轉(zhuǎn)換，最后經(jīng)過PWM調(diào)制。
[0018] 當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時，進行雙饋風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁鏈無差拍預(yù)測控制，設(shè)置控制系 統(tǒng)的控