电网故障下双馈风力发电机定转子磁链同步弱磁控制方法

摘要

本发明公开了一种电网故障下双馈风力发电机定转子磁链同步弱磁控制方法。本发明的技术方案要点为：电网电压发生故障时，双馈风力发电机转子侧变换器采用高控制频率的定转子磁链同步弱磁控制方法。本发明控制方法的所有变量基于两相同步旋转坐标系，在故障发生时，通过控制转子侧变换器对转子磁链进行调节，实现转子磁链与定子磁链的同步控制，减弱定子磁链对转子磁链的故障冲击，从而降低转子故障过电流。该方法能够控制转子故障电流是额定电流的1.5-1.6倍，并且故障期间电磁转矩脉动较小，减小了故障期间对机组的冲击力，定子侧有功功率和无功功率波动较小，可有效提高双馈风力发电机在电网电压故障下的不脱网运行能力。

说明书

技术领域

本发明属于双馈风力发电机控制技术领域，具体涉及一种电网电压跌落故障下双馈风力发电机定转子磁链同步弱磁控制方法，保证故障期间不脱网运行。

背景技术

风能作为大自然中取之不尽、用之不竭并且无污染的可再生能源，对其有效的利用是解决能源危机最好的方法之一。在风力发电技术中，双馈风力发电机能够变速恒频运行，实现了机组和电网的柔性连接，在一定程度上缓解了机组轴系的机械应力。双馈风力发电机定子绕组接入电网，转子绕组由频率、幅值、相位均可调的背靠背的双脉宽调制变换器供给三相励磁电流，在转子上形成一个旋转磁场。它具有良好的调速性能、有功功率和无功功率均可独立调节、改善电网功率因数、提高系统的稳定性以及较小的励磁容量等优点。

在电网发生故障时，目前主要采用转子短路保护来维持双馈风力发电系统的不间断运行，通过转子旁路保护电阻释放能量以减小转子过流，此种方法增加了硬件成本，故障时电机作感应电机运行，从电网吸收大量的无功功率，影响电网的稳定性，对电网的暂态电磁冲击和风力机的机械冲击均很严重。目前已经有部分文献报道了电网故障条件下双馈风力发电机励磁变频器的建模与控制研究，其主要建模方法大都基于瞬时功率理论，控制方法多为正、负序双d q矢量控制，该方法可以在不对称故障穿越中实现多种可选控制目标，但双PI闭环控制很大程度上影响了控制系统动态性能，正、负序电量分离与控制使系统的控制结构更加复杂，更为严重的是相序分离所需时延降低了对电网故障的反应速度，存在故障发生瞬间的高电压、大电流破坏的危险，很小的定子电压不平衡将引起很大的定子电流不平衡和电磁转矩、有功功率以及无功功率波动，从而使双馈风力发电机运行性能恶化，当电网电压发生单相跌落90%或者三相对称跌落70%故障时，目前大多数控制方法对故障期间转子电流值很难控制在其额定电流的2倍以内，电磁转矩波动比较大，对机组的冲击力很大。因此有必要提出一种本质上减小故障期间转子电流的控制方法，从定转子磁链之间的相互作用对转子绕组的影响分析，提出一种减小转子磁链的方法。定转子磁链与定转子电流存在直接关系，从定转子磁链角度进行控制，能够快速准确地对转子电流进行控制。与从电压、功率角度进行控制相比，从定转子磁链角度出发，对故障响应速度更快，提高了双馈风力发电机故障期间不脱网运行的能力。控制系统的响应速度和控制器的控制精度直接影响故障电流的抑制效果。本发明控制方法在故障期间保证对转子磁链进行实时最优给定和最优控制，从而使故障期间的转子电流可以有效地控制在其额定电流1.5倍左右，并且电磁转矩、定子侧有功功率以及无功功率波动较小，其控制结构简单，更容易实现。

发明内容

本发明目的在于提出一种电网故障下双馈风力发电机定转子磁链同步弱磁控制方法，该控制方法主要针对转子侧变换器的控制，使转子绕组中的过电流控制在其额定值的1.5-1.6倍以内，使故障期间电磁转矩波动较小，减小对机组的冲击，同时保证对输出有功功率和无功功率的控制。

本发明是通过以下技术方案实现的，电网故障下双馈风力发电机定转子磁链同步弱磁控制方法，当电网稳态运行时，双馈风力发电机转子侧变换器采用基于定子磁链定向的矢量控制，当电网电压发生故障时，双馈风力发电机转子侧变换器采用定转子磁链同步弱磁控制方法，同时设置定转子磁链同步弱磁控制的控制频率是基于定子磁链定向的矢量控制的2倍，提高了对故障响应的速度，对故障瞬间的转子电流进行了有效地控制，其具体步骤为：

（1）、将检测到的定子三相电压U_sabc和定子三相电流I_sabc经过坐标转换得到两相静止坐标系下定子两相电压U_sαβ和定子两相电流I_sαβ，将检测到的转子三相电流I_rabc经过坐标转换得到两相转子坐标系下转子两相电流I_rαβ；

（2）、将测得的转子角速度ω_r进行积分计算得到θ_r；

（3）、基于定子磁链定向，计算出定子磁链空间位置角θ₁和定子磁链在转子坐标系下的位置角θ₁-θ_r，然后对定子两相电流I_sαβ和转子两相电流I_rαβ进行坐标转换得到定转子电流的d、q轴分量；

（4）、将两相同步旋转坐标系下的定子电流i_sd、i_sq，转子电流i_rd、i_rq，定子自感L_s，转子自感L_r和定转子间互感L_m进行定子磁链和转子磁链计算得到定子磁链d、q轴分量Ψ_sd、Ψ_sq和转子磁链d、q轴分量Ψ_rd、Ψ_rq；

（5）、转子磁链的给定值进行计算，即：Ψ_r^*=MΨ_s，其中                                                ，I_s^r为定子电流额定值，Ψ_s^r为定子磁链实际值，上标r表示以转子角速度ω_r旋转的两相坐标系，下标s表示定子侧的变量，在故障期间M随Ψ_s^r变换自适应改变，实现对转子磁链的实时最优控制，将得到的以转子角速度ω_r旋转的两相转子坐标系下的转子磁链给定值，经过坐标转换，得到两相同步旋转坐标系下的转子磁链给定值；

（6）、将转子磁链给定值与计算得到的转子磁链d、q轴分量作差得到转子磁链偏差，通过双谐振PR控制器对转子磁链偏差进行调节，不需要补偿项，双谐振PR控制器的谐振频率分别设为ω_e-ω_r和2ω_e-ω_r；

（7）、双谐振PR控制器输出为两相同步旋转坐标系下的转子电压u_rd、u_rq，经过坐标反变换得到两相转子参考坐标系下的转子电压，然后进行PWM调制。

当电网电压发生单相跌落90%或者三相对称跌落70%故障时，现有控制方法对故障期间转子电流值很难控制在其额定电流的2倍以内，且电磁转矩波动较大，对机组的冲击力很大。转子绕组中出现过电流的根本原因是定子磁链中出现直流分量和负序分量，这些磁链分量作用于转子绕组，使转子绕组中出现额定电流3-5倍过电流，因此根据定子磁链的变化对转子磁链进行同步弱磁控制，在故障期间通过对转子磁链的参考值进行实时最优给定，并通过控制系统倍频条件下的双谐振PR控制器对磁链分量进行快速准确控制，可以避免电机暂态过程中定转子磁链之间的相互作用对转子绕组的影响。本发明方法能够在电网电压发生单相跌落90%或者三相对称跌落70%故障时，控制转子故障电流为额定电流的1.5-1.6倍，明显小于现有控制方法中的故障电流（约2倍额定电流）。而且故障期间电磁转矩脉动较小，定子侧有功功率和无功功率波动较小，可有效提高双馈风力发电机在电网电压故障下的不脱网运行能力。

附图说明

图1为两相定子αβ静止坐标系、两相转子速ω_r旋转α_rβ_r坐标系、两相同步速ω_e旋转d q坐标系；

图2为控制结构框图；

图3为电网电压三相对称跌落70%故障时基于定子磁场定向矢量控制的运行结果图；

图4为电网电压三相对称跌落70%故障时本发明控制方法的运行结果图；

图5为电网电压单相跌落90%故障时基于定子磁场定向矢量控制的运行结果图；

图6为电网电压发生单相跌落90%故障时本发明控制方法的运行结果图。

具体实施方法

下面结合附图对本发明做进一步说明。图1为两相定子αβ静止坐标系、两相转子速ω_r旋转α_rβ_r坐标系、两相同步速ω_e旋转d q坐标系。本发明的控制方法基于两相同步旋转坐标系，定子侧和转子侧变量，经过坐标转换，得到两相同步旋转d q坐标系下的变量。

当定子侧和转子侧取电动机惯例时，双馈发电机在两相同步旋转坐标系下的基本电压方程为：

  （1）

  （2）

  （3）

  （4）

式中：u_sd和u_sq分别表示定子电压d轴和q轴分量；u_rd和u_rq分别表示转子电压d轴和q轴分量；i_sd和i_sq分别表示定子电流d轴和q轴分量；i_rd和i_rq分别表示转子电流d轴和q轴分量；Ψ_sd和Ψ_sq分别表示定子磁链d轴和q轴分量；Ψ_rd和Ψ_rq分别表示转子磁链d轴和q轴分量；ω_e为发电机同步角速度；ω_r为发电机转子角速度；R_s为定子电阻；R_r为转子电阻。

两相转子速ω_r旋转的坐标系下，定子和转子磁链方程可以表示为：

Ψ_s^r=L_sI_s^r+L_mI_r^r  （5）

Ψ_r^r=L_rI_r^r+L_mI_s^r  （6）

其中L_s，L_r和L_m分别表示定子自感、转子自感以及定转子之间的互感，I_s和I_r分别表示定子电流和转子电流，Ψ_s和Ψ_r表示定子磁链和转子磁链，上标r表示以转子转速ω_r旋转两相坐标系，下标s和r分别表示定子侧的变量和转子侧变量。

由式(5)和式(6)可以得到定子电流：

  （7）

由式(5)和式(6)可以得到转子电流，计算过程中，将转子磁链的给定值Ψ_r^*=MΨ_s代入可得：

  （8）

式中L_ls，L_lr分别表示定子漏电感和转子漏电感。

将转子磁链的给定值Ψ_r^*=MΨ_s代入式(7)可以得到：

  （9）

I_s^r为定子电流的额定值，Ψ_s^r为定子磁链的实际值。通过定转子磁链与定转子电流的关系，以及转子磁链弱磁控制方法，得到M值大小，故障瞬间Ψ_s^r的值最大，此时M取最大值，由式(8)可以看出，M越大，转子故障电流值越小。在故障期间M可以随Ψ_s^r变换自适应改变，实现对转子磁链的实时最优控制。双馈风力发电机定子侧直接与电网相连，定子侧电流的畸变对电网危害很大，因此故障期间I_s^r取额定值，以实现故障期间对定子电流的调节，控制定子电流在其允许的最大电流以内。最后将得到的以转子角速度ω_r旋转的两相转子坐标系下的转子磁链给定值，经过坐标转换，得到两相同步旋转坐标系下的转子磁链给定值。

双馈风力发电机定子侧输出的有功功率和无功功率可以表示为：

P_s=-1.5(u_sdi_sd+u_sqi_sq)  （10）

Q_s=-1.5(u_sqi_sd-u_sdi_sq)  （11）

双馈风力发电机电磁转矩可以表示为：

  （12）

式中：P_p是发电机的极对数，由转子磁链弱磁给定Ψ_r^*=MΨ_s，可以得到在故障期间电磁转矩为0。

转子磁链实际值与转子磁链的最优给定值进行比较后，得到转子磁链偏差，经过双谐振PR控制器进行调节，其中谐振控制器R的加入，可以实现对转子磁链的无静差控制，而且不需要复杂的补偿项，可以得到两相同步旋转坐标系下的转子电压。

双谐振PR控制器的传递函数为：

  （13）

式中：K_p、K_i1、K_i2分别为比例常数、积分时间常数1、积分时间常数2，ω₀₁和ω₀₂为谐振频率1和谐振频率2，当给定交流信号的角频率为ω₀₁或ω₀₂时，则G_PR(s)的幅值趋于无限大。在电网电压发生三相对称跌落故障时，通过设置控制器谐振频率ω₀₁为ω_e-ω_r，实现对转子磁链偏差进行无静差控制，在电网电压发生单相跌落故障时，通过同时设置控制器谐振频率ω₀₁为ω_e-ω_r和ω₀₂为2ω_e-ω_r，实现对转子磁链偏差进行无静差控制。经过双谐振PR控制器得到两相同步旋转坐标系下的转子电压u_rd、u_rq，经过坐标反变换得到两相转子参考坐标系下的转子电压，然后进行PWM调制。

当电网电压稳态运行时，双馈风力发电机转子侧变换器采用基于定子磁链定向的矢量控制，当电网电压发生故障时，双馈风力发电机转子侧变换器采用定转子磁链同步弱磁控制方法，设置定转子磁链同步弱磁控制的控制频率是基于定子磁链定向的矢量控制的2倍，提高了对故障响应的速度，在故障瞬间对转子电流进行了有效地控制，提高了双馈风力发电机在故障状态下不脱网运行的能力。

图2为本发明定转子磁链同步弱磁控制的结构框图。当定子电压发生故障时，双馈风力发电机进行故障运行控制，即定转子磁链同步弱磁方法，其步骤如下：（1）、将检测到的定子三相电压U_sabc和定子三相电流I_sabc经过坐标转换得到两相静止坐标系下定子两相电压U_sαβ和定子两相电流I_sαβ，将检测到的转子三相电流I_rabc经过坐标转换得到两相转子坐标系下转子两相电流I_rαβ；（2）、将测得的转子角速度ω_r进行积分计算得到θ_r；（3）、基于定子磁链定向，计算出定子磁链空间位置角θ₁和定子磁链在转子坐标系下的位置角θ₁-θ_r，然后对定子两相电流I_sαβ和转子两相电流I_rαβ进行坐标转换得到定转子电流的d、q轴分量；（4）、将两相同步旋转坐标系下的定子电流i_sd、i_sq，转子电流i_rd、i_rq，定子自感L_s，转子自感L_r和定转子间互感L_m进行定子磁链和转子磁链计算，即：Ψ_sd=L_si_sd+L_mi_rd ，Ψ_sq=L_si_sq+L_mi_rq，Ψ_rd=L_mi_sd+L_ri_rd，Ψ_rq=L_mi_sq+L_ri_rq；（5）、转子磁链的给定值进行计算，即：Ψ_r^*=MΨ_s，其中，I_s^r为定子电流的额定值，Ψ_s^r为定子磁链的实际值，上标r表示以转子角速度ω_r旋转的两相转子坐标系，下标s表示定子侧的变量。在故障期间M随Ψ_s^r变换自适应改变，实现对转子磁链的实时最优控制，将得到的以转子角速度ω_r旋转的两相转子坐标系下的转子磁链给定值，经过坐标转换，得到两相同步旋转坐标系下的转子磁链给定值；（6）、将转子磁链给定值与计算得到的转子磁链d、q轴分量作差，得到转子磁链偏差；采用双谐振PR控制器，可实现对指定频率正弦量的无静差控制，在两相同步旋转坐标系下采用双谐振PR控制器，不需要复杂的补偿项，双谐振PR控制器的传递函数为： 式中：K_p、K_i1、K_i2分别为比例常数、积分时间常数1、积分时间常数2，ω₀₁和ω₀₂为谐振频率1和谐振频率2，当给定交流信号的角频率为ω₀₁或ω₀₂时，则G_PR(s)的幅值趋于无限大。在电网电压发生三相对称跌落故障时，通过设置控制器谐振频率ω₀₁为ω_e-ω_r，实现对转子磁链偏差进行无静差控制，在电网电压发生单相跌落故障时，通过同时设置控制器谐振频率ω₀₁为ω_e-ω_r和ω₀₂为2ω_e-ω_r，实现对转子磁链偏差进行无静差控制；（7）、双谐振PR控制器输出为两相同步旋转坐标系下的转子电压u_rd、u_rq，经过坐标反变换得到两相转子参考坐标系下的转子电压，然后进行PWM调制。

图3为电网发生对称故障时基于定子磁场定向的矢量控制的运行结果图，在0.3s时，电网发生三相电压跌落70%的故障，从图中可以看出，电磁转矩波动较大，因此对发电机组冲击比较大，故障瞬间，转子电流和定子电流超出2倍额定峰值电流，定子侧有功功率和无功功率波动较大，定子磁链的波形发生畸变，转子磁链的波动也比较大，此控制方法在故障情况下不适用。图4为电网发生对称故障时定转子磁链同步弱磁控制的运行结果图，在0.3s时电网发生三相电压跌落70%的故障，从图中可以看出，电磁转矩几乎为零，波动较小，在电网稳定运行时，转子电流为2000A，当故障发生时，采用定转子同步弱磁控制，此时转子电流为3000A，转子电流控制在1.5倍额定峰值电流以内，有功功率和无功功率有较小的波动，定子磁链和转子磁链波动较小，并且转子磁链跟随定子磁链同步变化，达到了其控制目标。

图5为电网电压发生单相跌落故障时基于定子磁场定向的矢量控制的运行结果图，在0.3s时，电网发生单相电压跌落90%的故障，电磁转矩波动较大，转子电流和定子电流超出2倍额定峰值电流，对发电机组冲击性大，定子侧有功功率和无功功率变化较大，特别是有功功率波动，发电机与电网之间功率传输不平衡，定子磁链和转子磁链变化较大，对定子电流和转子电流影响较大，此控制方法在故障情况下不适用。图6为电网电压发生单相跌落故障时定转子磁链同步弱磁控制的运行结果图，在0.3s时，电网发生单相电压跌落90%的故障，电磁转矩几乎为零，波动较小，在电网稳定运行时，转子电流为2000A，当故障发生时，采用定转子同步弱磁控制，此时转子电流为3200A，转子电流控制在1.6倍额定峰值电流以内，定子侧有功功率和无功功率与基于定子磁场定向的矢量控制相比波动较小，定子磁链和转子磁链波动较小，并且转子磁链跟随定子磁链同步变化，达到了其控制目标。

以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。