雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈定頻模型預(yù)測控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)定頻模型預(yù)測控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種電網(wǎng)故障 下雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈定頻模型預(yù)測控制方法，用于有效提高雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)在電網(wǎng) 故障下的不脫網(wǎng)運(yùn)行能力。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，可再生能源技術(shù)得到快速發(fā)展，風(fēng)能的利用在其中占據(jù)很大的比重。風(fēng)能 是一種清潔的能源，具有取之不盡、無污染等優(yōu)點(diǎn)，是一種非常理想的新能源。風(fēng)力發(fā)電占 電力供應(yīng)比例逐漸增大，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)是目前市場占有率和裝機(jī)容量最大的機(jī)型，受電 網(wǎng)故障的影響很大，因此研宄電網(wǎng)電壓跌落下雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制和保護(hù)策略具有重 要的理論意義，對提高風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行可靠性具有很大的實(shí)用價值。
[0003] 在電網(wǎng)電壓驟降的情況下，目前部分文獻(xiàn)研宄了基于撬棒保護(hù)控制策略，為了抑 制電網(wǎng)電壓跌落引起的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)過電流，撬棒電路被用來將雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè) 繞組短路，該短接回路為轉(zhuǎn)子沖擊電流提供一條通路，適當(dāng)選擇電阻值可以限制轉(zhuǎn)子回路 的最大電流，撬棒動作時雙饋電機(jī)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(fēng)力機(jī)的機(jī)械沖 擊均很嚴(yán)重。還有一些文獻(xiàn)研宄了采用了滯環(huán)控制器和查表法控制的直接功率控制方法， 此方法消除了矢量控制中的電流控制環(huán)，簡化了控制結(jié)構(gòu)，但這種控制方式有變換器開關(guān) 頻率不固定的缺點(diǎn)，會導(dǎo)致寬頻的諧波電流注入電網(wǎng)，造成濾波電抗器設(shè)計(jì)復(fù)雜?？刂葡?統(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。本發(fā)明提出了電網(wǎng)故 障下轉(zhuǎn)子磁鏈定頻模型預(yù)測控制方法，此控制算法開關(guān)頻率恒定，無需較高的采樣頻率，控 制精度高，在故障過程中可有效地控制轉(zhuǎn)子電流在1. 5-1. 6倍額定電流以內(nèi)，電磁轉(zhuǎn)矩的 波動較小，定子側(cè)有功功率和無功功率波動較小，所有變量基于兩相靜止坐標(biāo)系，無需復(fù)雜 的坐標(biāo)變換，轉(zhuǎn)子磁鏈定頻模型預(yù)測方法的控制頻率設(shè)為基于定子磁場定向的矢量控制的 2倍，提高了控制效率，對故障響應(yīng)速度快，且避免了電網(wǎng)故障大擾動下控制器的飽和問題。 可有效提高雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)在電網(wǎng)電壓故障下的不脫網(wǎng)運(yùn)行能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足提供了一種雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈定頻模型預(yù)測 控制方法，該控制方法響應(yīng)速度快，控制精度高，開關(guān)頻率固定，無需較高的采樣頻率，可有 效降低紋波電流，在故障過程中控制轉(zhuǎn)子電流在1. 5-1. 6倍額定電流以內(nèi)，電磁轉(zhuǎn)矩波動 較小，減小了對機(jī)組的沖擊，同時定子側(cè)有功功率和無功功率波動較小。
[0005] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈定頻模 型預(yù)測控制方法，其特征在于：電網(wǎng)電壓穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)變換器采用基 于定子磁鏈定向的矢量控制，電網(wǎng)電壓驟降故障運(yùn)行時，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用轉(zhuǎn)子磁鏈定 頻模型預(yù)測控制，該轉(zhuǎn)子磁鏈定頻模型預(yù)測控制的具體步驟為： (I)、電網(wǎng)發(fā)生驟降故障時，設(shè)置轉(zhuǎn)子磁鏈定頻模型預(yù)測方法的控制頻率為基于定子磁 場定向的矢量控制的2倍； (2) 、將測得的轉(zhuǎn)子角速度義進(jìn)行積分運(yùn)算得到匕； (3) 、采集雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子三相電壓，轉(zhuǎn)子三相電流i"、irt、和定子三 相電流isa、isA、i:經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到定子參考兩相靜止坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子兩相電壓 轉(zhuǎn)子兩相電流ir^、id和定子兩相電流is^、iSje; (4) 、將定子參考兩相靜止坐標(biāo)系下的定子兩相電流is(7、is/;，轉(zhuǎn)子兩相電流ip、iu， 定子自感A3，轉(zhuǎn)子自感4?和定轉(zhuǎn)子間互感4進(jìn)行定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈計(jì)算得到定子磁鏈 ??、f軸分量w…Wsj6和轉(zhuǎn)子磁鏈《?、f軸分量w (5) 、轉(zhuǎn)子側(cè)變換器電壓分別由八個電壓矢量表不，其中六個%為 有效矢量，二個Kq和77為零矢量，當(dāng)k=0、7時，Kk=0，當(dāng)k=l、2、3、4、5、6時，
(6) 、由定子參考兩相靜止坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子兩相電壓計(jì)算出與之間的 夾角，進(jìn)而判斷出電壓矢量所在的扇區(qū)，根據(jù)扇區(qū)選擇的結(jié)果選擇出扇區(qū)相鄰的兩個有效 電壓矢量，再加上一個零矢量，共同作用在一個開關(guān)周期，則這三個矢量中必然同時有可使 轉(zhuǎn)子磁鏈增加和減小的矢量； (7) 、雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)變換器電壓在兩相定子參考靜止坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子電壓公
為轉(zhuǎn)子磁鏈軸的給定值，為定子磁鏈軸的實(shí)際值，為定子 參考兩相靜止坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子兩相電流額定值，控制轉(zhuǎn)子兩相電流在其額定值附近波動， 故障期間W 變換自適應(yīng)改變，實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)子磁鏈的實(shí)時最優(yōu)控制，同時也實(shí)現(xiàn)對定轉(zhuǎn) 子磁鏈進(jìn)行同步弱磁控制； (9)、電壓矢量作用時間的計(jì)算，設(shè)定在一個開關(guān)周期7；內(nèi)所選三個電壓矢量 的作用時間分為Vk4，其中為零矢量的作用時間，k4為兩個有效矢量的 作用時間，Wi2=I則一個開關(guān)周期結(jié)束，轉(zhuǎn)子磁鏈跟蹤誤差用下列函數(shù)表示：
的轉(zhuǎn)子磁鏈變化率，eM、e/n、分別為所選矢量作用下的f軸的轉(zhuǎn)子磁鏈變化率； (10)、雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈定頻模型預(yù)測控制的目標(biāo)是在每個開關(guān)周期結(jié)束時 亥IJ，使實(shí)際轉(zhuǎn)子磁鏈值與給定轉(zhuǎn)子磁鏈誤差最小，每個控制周期內(nèi)最大限度的減小〃、0
間矢量調(diào)制得到各橋臂開關(guān)的狀態(tài)。
[0006] 當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生單相跌落60%或者三相對稱跌落60%故障時，目前大多數(shù)控制方 法對故障期間轉(zhuǎn)子電流值一般控制在其額定電流的2倍左右，電磁轉(zhuǎn)矩波動比較大，對機(jī) 組的沖擊力很大。本發(fā)明電網(wǎng)電壓驟降故障下雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用轉(zhuǎn)子磁鏈定頻模型預(yù) 測控制，主要是對轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的控制，通過對轉(zhuǎn)子磁鏈的實(shí)時最優(yōu)控制，有效抑制轉(zhuǎn)子故 障電流；故障期間轉(zhuǎn)子磁鏈定頻模型預(yù)測方法可有效避免電網(wǎng)故障大擾動下控制器的飽 和問題。故障下控制系統(tǒng)的控制頻率調(diào)整為基于定子磁場定向的矢量控制的2倍，提高了 控制頻率，實(shí)現(xiàn)對故障的快速響應(yīng)，進(jìn)一步提高了電流抑制效果，同時所有變量基于兩相靜 止參考坐標(biāo)系，無需復(fù)雜的坐標(biāo)變換，在故障瞬間可有效地控制轉(zhuǎn)子電流在其額定電流的 1.5-1. 6倍以內(nèi)。
【附圖說明】
[0007] 圖1為定子參考兩相靜止坐標(biāo)系中DFIG矢量形式等效電路； 圖2為控制結(jié)構(gòu)框圖； 圖3為電網(wǎng)電壓發(fā)生三相對稱跌落60%故障時轉(zhuǎn)子磁鏈定頻模型預(yù)測控制的運(yùn)行結(jié)果 圖； 圖4為電網(wǎng)電壓發(fā)生單相跌落60%故障時轉(zhuǎn)子磁鏈定頻模型預(yù)測控制的運(yùn)行結(jié)果圖。
[0008] 具體實(shí)施方法 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。圖1為定子參考兩相靜止〃 坐標(biāo)系中DFIG
鏈。
[0009] 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)在定子參考兩相靜止坐標(biāo)系下的基本電壓方程如下所示：
式中分別為定子參考兩相靜止坐標(biāo)系下的定子兩相電壓，分別為定 子參考兩相靜止坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子兩相電壓，疋、A分別為定子電阻和轉(zhuǎn)子電阻，分別 為定子參考兩相靜止坐標(biāo)系下的定子兩相電流，i。、id分別為定子參考兩相靜止坐標(biāo)系 下的轉(zhuǎn)子兩相電流，屯屯s/；分別定子參考兩相靜止坐標(biāo)系下的定子磁鏈，屯p、屯d分 別表示定子參考兩相靜止坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子磁鏈，&表示發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度。
[0010] 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈方程如下所示： ^SO=LsIsO+LmIra(5) ^ S P=LsisP+LmIrP(6) ^r〇=4is〇+44〇 (7) wTe=LmIse+LJte(8) 式中分別表示定子自感、轉(zhuǎn)子自感以及定轉(zhuǎn)子之間的互感。
[0011] 由定子參考兩相靜止坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子電壓"p、"M，計(jì)算出與之間的夾 角，進(jìn)而判斷出電壓矢量所在的扇區(qū)，根據(jù)扇區(qū)選擇的結(jié)果，選擇出扇區(qū)相鄰的兩個有效電 壓矢量，再加上一個零矢量，共同作用在一個開關(guān)周期，則這三個矢量中必然同時有可使轉(zhuǎn) 子磁鏈增加和減小的矢量。
[0012] 把當(dāng)前選中的作用矢量代入轉(zhuǎn)子電壓公式（3)、（4)可得到a、0軸磁鏈的變化 率：
式中也卻"^^^^^"^^^^分別為不同電壓矢量作用下轉(zhuǎn)子磁鏈的變化率；^ 為當(dāng)前作用的電壓矢量。
[0013]在當(dāng)前作用矢量持續(xù)時間G內(nèi)，〇"、f軸轉(zhuǎn)子磁鏈變化量可表示為：
式中#p(k)和Wu(k)分別為當(dāng)前矢量開始作用時刻〃、/?軸轉(zhuǎn)子磁鏈值；Wp(k+1)和Wd(k+1)分別為當(dāng)前矢量作用結(jié)束時刻〇、/?軸轉(zhuǎn)子磁鏈值。
[0014]對轉(zhuǎn)子磁鏈的給定值進(jìn)行計(jì)算，如下所示： ^ra/=M^sap (13)
定子磁鏈〃、P軸的實(shí)際值，為定子參考兩相靜止坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子兩相電流額定值。 #與轉(zhuǎn)子電流和定子磁鏈有關(guān)，轉(zhuǎn)子兩相電流在故障期間取其額定值，這樣可以控制轉(zhuǎn)子兩 相電流在其額定值附近波動，在故障期間Ws變換自適應(yīng)改變，實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)子磁鏈的實(shí) 時最優(yōu)控制，同時