专利名称：一种不平衡电网下基于谐振反馈的dfig控制方法
技术领域：
本发明属于风力发电控制技术领域，具体涉及一种不平衡电网下基于谐振反馈的DFIG控制方法。
背景技术：
能源是人类社会存在和发展的重要物质基础。随着社会的不断进步、经济快速发展，整个社会对能源的需求量持续增加。但由于能源危机、气候变暖和环境污染等问题，可再生能源的开发利用得到了世界各国的广泛关注和支持。以中国为例，截止2011年底，中国累计装机容量为62.36GW，达到世界总装机容量的26.64%，并预测到2015年，中国风电装机将突破100GW，其中海上风电装机达到5GW，在2030年风电装机容量超越核电，成为火电、水电之后的第三大电力来源。这对于缓解我国能源供需矛盾、优化能源结构、保障国家能源安全、以及促进社会的可持续发展等方面具有重要的意义。双馈异步风力发电机(DFIG)由于其变流器容量小、功率独立解耦控制、成本较低等优势，成为变速恒频风力发电机组的主流机型。但由于DFIG定子与电网直接相连和变流器控制能力有限，在电网发生故障时DFIG机组易出现过流、过压、转矩冲击等现象，危害变流器以及机组轴系特别是齿轮箱等部件运行安全，以至于产生自我保护动作从而引起风力机组的脱网。因此，2011年12月国家标准GB/T19963-2011《风电场接入电力系统技术规定》正式颁布，并于2012年6月I日正式实施，其中对并网风力发电机的故障穿越能力(FRT)提出了明确的要求:要求风力机能够承受2%的稳态和4%的短时电压不平衡度，而不得从电网解列。目前，不平衡电网下DFIG的控制技术已成为国内外风电研究的热点问题，XuL和 Wang Y 在标题为 Dynamic Modeling and Control of DFIG-Based Wind TurbinesUnder Unbalanced Network Conditions (IEEE Transactions on PowerSystems, 2007,22 (I): 314-323.)提出了一种DFIG控制方法，其基于对称分量理论的矢量控制技术，该方法的核心是将转子电流分解为正序和负序分量，在正、反转同步速旋转两相坐标系中采用双比例-积分调节器对转子电流的正、负序分量进行调节，以实现不同的控制目标，其控制原理如
图1所示。DFIG的转子变流器4可以采用双比例-积分电流调节器以及相应的解耦补偿计算模块17对转子电流进行控制，首先必须获得转子电流反馈值。利用两组(每组3个)电流霍尔传感器2分别采集三相定子电流信号Isab。、三相转子电流信号IMbc，利用一组(3个)电压霍尔传感器3采集三相定子电压信号Usabc ;将采集到的三相定子电流信号Isab。、三相转子电流信号Irab。、三相定子电压信号Usabc分别经过三相静止/两相静止坐标变换模块6，得到同时含有正序分量、负序分量的定子电压综合矢量Usae、定子电流综合矢量Isa 0、转子电流综合矢量e，同时将定子电压综合矢量Usa e、定子电流综合矢量Isae经过磁链计算模块10可得到两相定子静止坐标系中定子磁链综合矢量U/sae ；其中，定子电压综合矢量Usa e、定子电流综合矢量Isa e、定子磁链综合矢量Vsa 0经过两相定子静止/正、反转同步速旋转两相坐标变换模块11，得到在正、反转同步速两相坐标系中定子电压综合矢量c/\和c/^、定子电流综合矢量C和定子磁链综合矢量^4和转子电流综合矢量I"0经过两相转子速旋转/正、反转同步速旋转两相坐标变换模块12，得到正、反转同步速旋转两相坐标系中转子电流综合矢量A和仏;然后通过2倍频(IOOHz)陷波器模块13沪除各综合矢量中的2倍频分量，以获取各综合矢量中的直流分量Uldq+、[dq+、Irdq+' U ( 1、dq-、Tniq-、^dq+、於%_;根据不冋的控制目标，由转子电流参考值计算模块14计算在相应的控制目标下转子电流正、负序参考值&、然后将转子电流参考值计算模块14计算所得转子电流正序和负序参考值/::；+、，与转子正、负序电流反馈值比较以获得误差信号，并在正、反转坐标系中分别对误差信号做比例-积分调节，最后经过反馈解耦补偿与坐标变换并加和后，可获得两相同步速旋转坐标系中转子电压参考矢量t/^。将所获得的转子电压参考矢量经过正转同步速两相/转子静止两相坐标系坐标变换模块18，获得转子静止两相坐标系中转子电压参考矢量￡4/ 然后经过信号经过空间矢量脉宽调制模块9调制后，可获得调节DFIG的转子变流器4的开关信号Sa、Sb、S。，实现在不平衡电网下DFIG的运行控制，达到所要求的目标与控制效果。此外，系统采用软件锁相环电路7获取电网电压的同步信号，采用光电编码器5获取转子角频率以及转子位置角Θ r，为转子电流的采集与坐标变换提供理论依据。根据上述分析可知，电网电压不对称条件下DFIG的控制方法的实质是将不对称的电磁分量分解为正、负序对称分量系统后，在分别在正、反转同步速旋转两相坐标系中通过两个比例-积分调节器分别实现正、负序分量的无静差跟踪。图1所示的DFIG控制方法中，转子电流参考值计算、转子电流反馈值的提取中涉及系统电磁分量的正、负序分离，这个分离过程会引入时延以及相角和幅值的误差。此外，该控制系统不论电网电压平衡还是不平衡条件下均对系统电磁量进行正负序分离，以获取转子电流参考值，增加控制系统的计算负担。
发明内容
针对现有技术所存在的上述技术缺陷，本发明提供了一种不平衡电网下基于谐振反馈的DFIG控制方法，其无需对系统电磁量正`、负序分离，计算简便。一种不平衡电网下基于谐振反馈的DFIG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；通过对所述的三相定子电压、三相定子电流和三相转子电流进行dq变换，计算出DFIG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)对所述的三相转子电流进行PI调节及解耦补偿，得到转子电压有功轴矢量Urdl和转子电压无功轴矢量Urql ；(3)根据不同的四种控制目标，使Ird和Irq、_Isd和-1sq、ps和-Qs或Te和-Qs分别作为有功轴输入信号和无功轴输入信号，其中:IS(^n Ist!分别为三相定子电流的d轴分量和q轴分量，Ird和Irq分别为三相转子电流的d轴分量和q轴分量；对所述的有功轴输入信号和无功轴输入信号分别进行谐振调节得到转子电压有功轴矢量Urd2和转子电压无功轴矢量Urq2 ；
(4)使转子电压有功轴矢量Idl和转子电压无功轴矢量分别减去转子电压有功轴矢量Urd2和转子电压无功轴矢量u 2，得到转子有功轴电压指令Urd和转子无功轴电压指令Urci ；(5)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Ie通过SVPWM (空间矢量脉宽调制)技术构造得到一组PWM信号以对DFIG的转子变流器进行控制。所述的步骤(I)中，计算DFIG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、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压的d轴分量Usd和q轴分量Usq、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Iiq ;然后根据以下算式计算出DFIG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 = UsdIsd+UsqIsq Qs = UsqIsd-UsdIsqTe = 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(2)中，根据以下算式对三相转子电流进行PI调节及解耦补偿:
权利要求
1.一种不平衡电网下基于谐振反馈的DFIG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；通过对所述的三相定子电压、三相定子电流和三相转子电流进行dq变换，计算出DFIG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)对所述的三相转子电流进行PI调节及解耦补偿，得到转子电压有功轴矢量Urdl和转子电压无功轴矢量U 1; (3)根据不同的四种控制目标，使Iri和Inp-1sd和_Isq、Ps和-Qs或Te和-Qs分别作为有功轴输入信号和无功轴输入信号，其中:IS(^n Ist!分别为三相定子电流的d轴分量和q轴分量，Ird和Lq分别为三相转子电流的d轴分量和q轴分量； 对所述的有功轴输入信号和无功轴输入信号分别进行谐振调节得到转子电压有功轴矢量Urd2和转子电压无功轴矢量Urq2 ； (4)使转子电压有功轴矢量Idl和转子电压无功轴矢量Unil分别减去转子电压有功轴矢量Urd2和转子电压无功轴矢量Uni2，得到转子有功轴电压指令Urd和转子无功轴电压指令U.^rq , (5)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的转子变流器进行控制。
2.根据权利要求1所述的DFIG控制方法，其特征在于:所述的步骤(I)中，计算DFIG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、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压的d轴分量Usd和q轴分量Usq、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,d和q轴分量;然后根据以下算式计算出DFIG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:
3.根据权利要求1所述的DFIG控制方法，其特征在于:所述的步骤(2)中，根据以下算式对三相转子电流进行PI调节及解耦补偿:
4.根据权利要求3所述的DFIG控制方法，其特征在于:所述的转子电流的d轴参考矢量和q轴参考矢量根据以下公式计算求得:
5.根据权利要求3所述的DFIG控制方法，其特征在于:所述的定子磁链的d轴分量和q轴分量的求解过程如下: 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a轴分量Isa和β轴分量Ise ； 然后，根据以下公式计算求得定子磁链的a轴分量Vsa和β轴分量Vse:
6.根据权利要求1所述的DFIG控制方法，其特征在于:所述的步骤(3)中，若控制目标为三相转子电流无脉动，则使和Ini分别作为有功轴输入信号和无功轴输入信号；若控制目标为三相定子电流平衡，则使-1sd和-1sq分别作为有功轴输入信号和无功轴输入信号；若控制目标为定子输出有功功率和输出无功功率恒定，则使Ps和-Qs分别作为有功轴输入信号和无功轴输入信号；若控制目标为抑制电磁转矩和定子输出无功功率中二倍频振荡，则使Te和-Qs分别作为有功轴输入信号和无功轴输入信号。
7.根据权利要求1所述的DFIG控制方法，其特征在于:所述的步骤(3)中，根据以下算式对有功轴输入信号和无功轴输入信号分别进行谐振调节:
8.根据权利要求1所述的DFIG控制方法，其特征在于:所述的步骤(5)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
本发明公开了一种不平衡电网下基于谐振反馈的DFIG控制方法，其采用谐振反馈控制技术，可以使得不平衡电网下DFIG控制方法得到简化，在任何环节中均无需对系统电磁量进行正、负序分离以及转子负序电流参考值计算环节，从而可避免正、负序分离过程所带来的时延、相角和幅值的检测误差等问题，从而达到不同目标的要求以及良好的动态特性；采用本发明可在不对称电网条件下实现DFIG发电系统的强化运行与控制，提高其故障穿越能力；且本发明亦可以应用于太阳能发电、生物质能并网逆变装置和交流传动变流装置等各类形式的PWM三相或单相变流器装置中，以获取在不平衡电网下的不同控制效果。
文档编号H02P21/06GK103117700SQ20131005881
公开日2013年5月22日 申请日期2013年2月25日 优先权日2013年2月25日
发明者年珩 申请人:浙江大学