专利名称：一种基于双矢量谐振调节双馈异步风力发电机的控制方法
技术领域：
本发明属于风力发电控制技术领域，具体涉及一种基于双矢量谐振调节双馈异步风力发电机的控制方法。
背景技术：
风能作为一种清洁的可再生能源，近年来受到世界各国的高度重视。风能蕴藏量巨大，随着风能的开发利用，全球的风力发电连续多年来保持快速、持续的增长。双馈异步风力发电机由于其本身的恒速变频运行能力，所需变流器容量仅占机组容量30 %左右以及四象限运行能力等优点而得到广泛应用。然而，运行于不平衡及谐波畸变等恶劣电网电压条件下的DFIG(双馈异步风力发电机)机组将表现出定子电流畸变及不平衡，输出有功、无功功率震荡以及电磁转矩震荡等若干运行性能恶化。所述的性能指标恶化将对大规模风力并网发电的稳定可靠运行造成极大危害，甚至进而威胁到电网本身的可靠稳定运行。此外，电磁转矩震荡将对DFIG风力机，齿轮箱等机械部件造成损伤故障，从而增加维护维修等发电成本。因此，探讨运行于不平衡及谐波畸变等恶劣电网电压条件下的DFIG电机转子侧变流器的控制技术，以期消除由此所引入的不良影响是具有十分积极意义的。仅考虑电网电压不平衡情况或者仅考虑电网电压谐波畸变的情况的DFIG电机转子侧变流器控制技术均已日臻成熟。而国内外已经兴起了在考虑电网电压不平衡及谐波畸变同时出现的条件下对电机转子侧变流器控制技术的研究。在弱电网电压条件下，Hailiang Xu, Jiabing Hu和Yikang He在标题为Integrated Modeling and Enhanced Control of DFIG Under Unbalanced and DistortedGrid Voltage Conditions(IEEE Trans.Energy Conversion., vol.27, n0.3,pp.725-736,Sep.2012)的文献中提出了一种基于负序及谐波分量提取的矢量定向控制方法，该方法的核心思想是电网电压，定子电流及转子电流中的负序，5次谐波及7次谐波分量分别提取，并将此提取结果作为计算不同控制目标下的转子电流参考值的依据。更值得注意的是，负序及5次，7次谐波提取过程需要使用陷波器，而不同控制目标下的转子电流参考值计算也相当复杂，这两个步骤将耗费大量计算时间及软件代码空间，上述方法的实现原理如
图1所示。DFIG的转子侧变流器采用比例积分双谐振调节器分别对转子电流基频分量，负序分量及5、7次谐波分量作独立控制；但为实现对上述各个分量的独立调节，必须首先根据不同控制目标获得转子电流参考值，其处理过程是:利用三个电压霍尔传感器(5)采集三相定子电压信号Usab。，利用三个电流霍尔传感器(4)采集三相转子电流信号Irabe ;采集得到的三相定子电压信号Usabc和三相转子电流信号IMb。分别经过静止三相/ 二相坐标变换模块(10、6)，得到包含正序、负序、5次、7次谐波分量的定子电压综合矢量Usa e和转子电流综合矢量I" 0 ;将上述定子电压综合矢量Usa 0和转子电流综合矢量0分别通过正转同步速旋转坐标变换模块(11)与正转转子速旋转坐标变换模块(13)，得到在弱电网电压条件下的正转同步速旋转坐标系中含有直流量，两倍频2ωι与六倍频Gco1交流之和的定子电压综合矢量和转子电流综合矢量/I,;然后采用频率陷波器与频率陷波器(12、14)来滤除 7_和中2ωι与6ωι的交流成分，从而获得定子电压与转子电流中的正序分量{/_+和/；9+ (直流量)；类似地，将定子电压综合矢量Usae和转子电流综合矢量分别通过反转同步速旋转坐标变换模块(11)与反转转子速旋转坐标变换模块(13),得到在弱电网电压条件下的反转同步速旋转坐标系中含有直流量，两倍频2 ω i，四倍频4 ω i，八倍频Sco1交流之和的定子电压综合矢量i/ ,和转子电流综合矢量/然后采用率陷波器，4 ω i频率陷波器与8 ω:频率陷波器(12、14)来沪除中2 ω π 4 ω i与8 ω i的交流成分，从而获得定子电压与转子电流中的负序分量t/ &和尤# (直流量)；类似地，将定子电压综合矢量Usa 0和转子电流综合矢量0分别通过五倍反转同步速旋转坐标变换模块
(11)与五倍反转转子速旋转坐标变换模块(13)，得到在弱电网电压条件下的五倍反转同步速旋转坐标系中含有直流量，四倍频4 ω i，六倍频6 ω i，十二倍频12 ω i交流之和的定子电压综合矢量和转子电流综合矢量然后采用4ωι频率陷波器，6 O1频率陷波器与12ω1频率陷波器(12、14)来滤除和仏中与Uco1的交流成分，从而获得定子电压与转子电流中的5次谐波分量和^(直流量)；类似地，将定子电压综合矢量Usa0和转子电流综合矢量分别通过七倍正转同步速旋转坐标变换模块(11)与七倍正转转子速旋转坐标变换模块(13)，得到在弱电网电压条件下的七倍正转同步速旋转坐标系中含有直流量，六倍频6 ω i，八倍频8 ω i，十二倍频12 ω i交流之和的定子电压综合矢量 /—^和转子电流综合矢量然后采用6 ω 频率陷波器，8 ω:频率陷波器与12 ω i频率陷波器(12、14)来滤除中60^,80^与Uco1的交流成分，从而获得定子电压与转子电流中的7次谐波分量t/Dp和H+ (直流量)；在提取电网电压和转子电流正序，负序 ，5次及7次谐波分量的基础上，根据弱电网电压条件下的不同控制目标由转子电流指令计算模块计算获得转子电流指令的正序，负序，5次及7次谐波分量7^+，I;:—, Ι :5—, Χ -+。将上述转子电流指令中的/_-，I5lJqS-^ Ijy-+分量分别通过二倍正向同步速，六倍正向同步速，六倍反向同步速旋转坐标变换模块(16、17、18)得到在正向同步速旋转坐标系中的(2 O1交流量)，广(6 ω i交流量)与!::-+ (6 ω:交流量)，并和/做加和运算之后得到正向同步速旋转坐标系中的转子电流参考值(包含直流量，交流量，交流量)。将转子电流参考值与正转同步速旋转坐标系中的转子电流综合矢量反馈信号相比较获得误差信号，然后采用比例积分双谐振调节器(19)对误差信号做比例积分双谐振调节，调节得到信号经反馈补偿解耦模块补偿解耦(20)得到正转同步速旋转坐标系中的转子电压参考值U:,通过旋转坐标变换模块(21)转换得到定子坐标系中的转子电压参考值，也即是空间矢量脉宽调制(SVPWM)模块的参考信号 /^，经过SVPWM调制(2)获得转子侧变换器(I)的开关信号以控制DFIG运行，实现在弱电网电压下DFIG在正向同步速旋转坐标系下的转子电流比例积分双谐振控制，达到所要求的控制目标。此外，该方法采用软件锁相环(PLL)对电网电压的频率和相位进行检测，转子速度和位置采用编码器测定，为定、转子电压电流采集信号实现各个坐标旋转变换提供依据。由上述分析过程可见，弱电网电压条件下的DFIG传统控制方法的实现过程中需要将定子电压和转子电流中的正序，负序，5次及7次谐波分量进行提取，提取过程中需要用到大量的坐标旋转变换模块将转子电流变换至欲求分量相应的谐振坐标系，并采用2ω1>4ω1>6ω1>8ω1>12ω1频率陷波器滤除其余分量。在得到上述正负序及谐波分量信号之后，需要计算各个分量旋转坐标系中的转子电流参考值(直流量)，并将这些参考值旋转至正向同步速旋转坐标系下。以上所述的正负序及谐波分量提取由于引入大量坐标旋转变换及陷波器，从而造成较大的控制延时，易造成系统不稳定运行，并且降低系统响应的快速性。此外，转子电流参考值计算过程复杂，且计算结果需坐标旋转至正向同步速旋转坐标系下，同样也对系统运行的快速性和稳定性造成不利影响。
发明内容
针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种基于双矢量谐振调节双馈异步风力发电机的控制方法，计算简单，能够大大减少控制延时，增强系统的快速性及稳定性。一种基于双矢量谐振调节双馈异步风力发电机的控制方法，包括如下步骤:(I)采集DFIG的三相定子电压、三相定子电流、三相转子电流、转速以及转子位置角，并根据这些信号计算出定子的输出有功功率Ps和输出无功功率Qs以及DFIG的电磁转矩Te;(2)使给定的参考有功功率P。和参考无功功率Q。分别减去输出有功功率Ps和输出无功功率Qs得到有功功率误差Λ P和无功功率误差Λ Q，分别对有功功率误差Λ P和无功功率误差Λ Q进行PI调节得到有功轴输出电压Udl和无功轴输出电压Uql ；(3)根据三相定子电流、输出有功功率Ps、输出无功功率Qs和电磁转矩Te，计算出定子d轴电流误差Λ Isd、定子q轴电流误差Λ Isq、定子有功功率误差Λ Ps、定子无功功率误差Λ Qs和电磁转矩误差Λ Te ；(4)根据不同的三种控制目 标，使定子d轴电流误差AIsd和定子q轴电流误差AIsq、定子有功功率误差APs和定子无功功率误差AQs或电磁转矩误差Λ ；和定子无功功率误差AQs分别作为有功输入信号和无功输入信号，对所述的有功输入信号和无功输入信号分别进行矢量谐振调节得到有功轴输出电压Ud2和无功轴输出电压Uq2 ；(5)使有功轴输出电压Udl和无功轴输出电压Uql分别与有功轴输出电压Ud2和无功轴输出电压Uq2相加得到有功轴输出电压Ud3和无功轴输出电压Uq3 ;对有功轴输出电压Ud3和无功轴输出电压Uq3进行反馈补偿解耦，得到转子有功轴电压指令Urd和转子无功轴电压指令Urci ；(6)对转子有功轴电压指令Urd和转子无功轴电压指令Urq进行Park反变换得到转子α轴电压指令Ia和转子β轴电压指令Ie ;根据所述的转子α轴电压指令和转子β轴电压指令Urp通过SVPWM技术构造得到一组PWM信号以对DFIG的转子侧变流器进行控制。所述的步骤(I)中，计算定子的输出有功功率Ps和输出无功功率Qs以及DFIG的电磁转矩Te的过程如下:首先，分别对三相定子电压和三相定子电流进行Clarke变换得到三相定子电压的α轴分量Usa和β轴分量Use以及三相定子电流的α轴分量Isa和β轴分量Ise ;然后，分别对三相定子电流和三相转子电流进行dq变换得到三相定子电流的d轴分量Isd和q轴分量Isq以及三相转子电流的d轴分量Iri和q轴分量Ini ;最后，根据以下算式计算出定子的输出有功功率Ps和输出无功功率Qs以及DFIG的电磁转矩Te:Ps = Usa Isa+Us0 Isfj Qs = Us0 Isa-Usa Is0Te = npLm (IsqIrd-1sdIrq)其中:np为DFIG的极对数，Lm为DFIG的定转子互感。所述的步骤(3)中，计算定子d轴电流误差AIsd、定子q轴电流误差AIsq、定子有功功率误差APs、定子无功功率误差AQjP电磁转矩误差△!；的过程如下:首先，对三相定子电流进行dq变换得到三相定子电流的d轴分量Isd和q轴分量Isq ;然后，使参考值O分另Ij减去d轴分量Isd、q轴分量Isq、输出有功功率Ps、输出无功功率Qs和电磁转矩 ；，得到定子d轴电流误差Λ Isd、定子q轴电流误差Λ Isq、定子有功功率误差Λ Ps、定子无功功率误差Λ Qs和电磁转矩误差Λ I；。所述的步骤(4)中，当控制目标为定子电流三相对称且正弦，则使定子d轴电流误差Λ Isd和定子q轴电流误差Λ Isq分别作为有功输入信号和无功输入信号；当控制目标为定子输出有功功率及输出无功功率平稳，则使定子有功功率误差APs和定子无功功率误差AQs分别作为有功输入信号和无功输入信号；当控制目标为电机电磁转矩平稳及定子输出无功功率平稳，则使电磁转矩误差Λ ；和定子无功功率误差Λ Qs分别作为有功输入信号和无功输入信号。所述的步骤(4)中，根据以下算式对有功输入信号和无功输入信号分别进行矢量谐振调节:
权利要求
1.一种基于双矢量谐振调节双馈异步风力发电机的控制方法，包括如下步骤: (1)采集DFIG的三相定子电压、三相定子电流、三相转子电流、转速以及转子位置角，并根据这些信号计算出定子的输出有功功率Ps和输出无功功率Qs以及DFIG的电磁转矩Te; (2)使给定的参考有功功率P。和参考无功功率Q。分别减去输出有功功率Ps和输出无功功率Qs得到有功功率误差Λ P和无功功率误差Λ Q，分别对有功功率误差Λ P和无功功率误差Λ Q进行PI调节得到有功轴输出电压Udl和无功轴输出电压Uql ； (3)根据三相定子电流、输出有功功率？3、输出无功功率叱和电磁转矩 ；，计算出定子d轴电流误差Λ Isd、定子q轴电 流误差Λ Isq、定子有功功率误差Λ Ps、定子无功功率误差AQs和电磁转矩误差Λ T6 ； (4)根据不同的三种控制目标，使定子d轴电流误差ΛIsd和定子q轴电流误差AIsq、定子有功功率误差Λ Ps和定子无功功率误差Λ Qs或电磁转矩误差Λ Te和定子无功功率误差AQs分别作为有功输入信号和无功输入信号，对所述的有功输入信号和无功输入信号分别进行矢量谐振调节得到有功轴输出电压Ud2和无功轴输出电压Uq2 ； (5)使有功轴输出电压Udl和无功轴输出电压Uql分别与有功轴输出电压Ud2和无功轴输出电压Uq2相加得到有功轴输出电压Ud3和无功轴输出电压Uq3 ;对有功轴输出电压Ud3和无功轴输出电压Uq3进行反馈补偿解耦，得到转子有功轴电压指令Urd和转子无功轴电压指令 Urtl ； (6)对转子有功轴电压指令Urd和转子无功轴电压指令Un进行Park反变换得到转子α轴电压指令U"和转子β轴电压指令U# ;根据所述的转子α轴电压指令和转子β轴电压指令U,e通过SVPWM技术构造得到一组PWM信号以对DFIG的转子侧变流器进行控制。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于:所述的步骤(I)中，计算定子的输出有功功率Ps和输出无功功率Qs以及DFIG的电磁转矩Te的过程如下:首先，分别对三相定子电压和三相定子电流进 行Clarke变换得到三相定子电压的α轴分量Usa和β轴分量Us0以及三相定子电流的α轴分量Isa和β轴分量Ise ;然后，分别对三相定子电流和三相转子电流进行dq变换得到三相定子电流的d轴分量Isd和q轴分量Isq以及三相转子电流的d轴分量I^1和q轴分量Ini ;最后，根据以下算式计算出定子的输出有功功率Ps和输出无功功率Qs以及DFIG的电磁转矩Te:Ps = Usa Isa+Us0 Is0 Qs = Us0Isa-UsaIs0Te(Isq^rd -^sd^-rq^ 其中:np为DFIG的极对数，Lm为DFIG的定转子互感。
3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于:所述的步骤(3)中，计算定子d轴电流误差Λ Isd、定子q轴电流误差Λ Isq、定子有功功率误差Λ Ps、定子无功功率误差Λ Qs和电磁转矩误差△!；的过程如下:首先，对三相定子电流进行dq变换得到三相定子电流的d轴分量Isd和q轴分量Istl ;然后，使参考值O分别减去d轴分量Isd、q轴分量IS(1、输出有功功率Ps、输出无功功率Qs和电磁转矩 ；，得到定子d轴电流误差Λ Isd、定子q轴电流误差Λ Isq、定子有功功率误差Λ Ps、定子无功功率误差Λ Qs和电磁转矩误差Λ I；。
4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于:所述的步骤(4)中，当控制目标为定子电流三相对称且正弦，则使定子d轴电流误差AIsd和定子q轴电流误差ΔIsq别作为有功输入信号和无功输入信号；当控制目标为定子输出有功功率及输出无功功率平稳，则使定子有功功率误差ΔPs和定子无功功率误差AQs分别作为有功输入信号和无功输入信号；当控制目标为电机电磁转矩平稳及定子输出无功功率平稳，则使电磁转矩误差△TC；和定子无功功率误差ΔQs分别作为有功输入信号和无功输入信号。
5.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于:所述的步骤(4)中，根据以下算式对有功输入信号和无功输入信号分别进行矢量谐振调节:
6.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于:所述的步骤(5)中，根据以下算式对有功轴输出电压Ud3和无功轴输出电压Uq3进行反馈补偿解耦:
7.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于:所述的步骤(6)中，根据以下算式对转子有功轴电压指令Urd和转子无功轴电压指令Urq进行Park反变换:
全文摘要
本发明公开了一种基于双矢量谐振调节双馈异步风力发电机的控制方法，其采用双矢量谐振调节技术，其中角频率为二倍基频的矢量谐振调节可抑制由电网电压中负序分量所带来的不利影响，角频率为六倍基频的矢量谐振调节可抑制由电网电压中5次谐波及7次谐波分量所带来的不利影响；所有的闭环调节过程中均无需进行电网电压，定子电流或者转子电流的负序及谐波分量提取。本发明无需进行复杂的正负序及谐波分量提取，也无需进行复杂的转子电流参考值计算，能够大大减少控制延时，增强系统的快速性及稳定性。
文档编号H02P21/14GK103117699SQ20131004251
公开日2013年5月22日 申请日期2013年1月31日 优先权日2013年1月31日
发明者年珩 申请人:浙江大学