双馈风力发电机快速弱磁控制方法

摘要

本发明公开了一种双馈风力发电机快速弱磁控制方法。稳态情况下，所有变量基于两相同步旋转坐标系，通过预测一个采样周期内定子有功功率和无功功率的变化量，然后对下一个采样周期的功率进行补偿，最后计算出转子电压，再经过PWM调制，该方法减小了定子侧有功功率和无功功率的波动。电网电压跌落时，所有变量基于两相静止坐标系，通过转子电压的预测模型，实现转子磁链的快速弱磁控制，将预测到的两相静止坐标系下的转子电压经过坐标转换得到两相转子转速旋转坐标系下的转子电压，最后经过PWM调制。快速弱磁控制可以有效地控制转子电流在1.5-1.6倍额定电流以内，而且故障期间电磁转矩脉动较小，提高了双馈风力发电机故障运行能力。

主权项

双馈风力发电机快速弱磁控制方法，其特征在于：在正常情况下采用功率预测控制，当故障发生时采用快速弱磁控制方法，同时设置快速弱磁控制的控制频率为功率预测控制的2倍，其具体步骤为：（1）、当电网电压正常运行时，采集定子三相电压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的两相定子电压U_sαβ和两相定子电流I_sαβ，采集转子三相电压U_rabc和转子三相电流I_rabc经过坐标转换得到两相转子坐标系下的两相转子电压U_rαβ和两相转子电流I_rαβ；（2）、计算出定子磁链空间位置角θ₁，将测得的转子转速ω_r进行积分计算得到θ_r；（3）、基于定子磁场定向的两相同步旋转坐标系计算定子磁链与转子α轴夹角θ₁‑θ_r，然后对定子两相电压U_sαβ、定子两相电流I_sαβ、转子两相电压U_rαβ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）、双馈风力发电机在两相同步旋转坐标系下的电压方程和磁链方程为：，，，，式中：上标s表示所有变量均在同步旋转坐标系，下标s和r分别表示定子变量和转子变量，U_s、U_r分别表示定子电压和转子电压，R_s、R_r分别表示定子电阻和转子电阻，I_s、I_r分别表示定子电流和转子电流，ω₁、ω_r分别表示同步角速度和转子转速，Ψ_s、Ψ_r分别表示定子磁链和转子磁链，L_s、L_r、L_m分别表示定子自感、转子自感以及定转子之间的互感；（6）、由步骤（5）中的定转子磁链公式定子电流可得：，式中：，在电网电压稳定运行时，双馈风力发电机定子电压是个常数，忽略定子电阻的影响，定子磁链的幅值为：；（7）、由步骤（5）中定子电压公式和步骤（6）中的定子电流公式得出定子有功功率和无功功率为：，，式中：，θ为定转子磁链之间的夹角；（8）、把同步旋转坐标系的d轴定向在定子磁链上，即：，定子有功功率和无功功率用d、q轴坐标系下的分量表示即为：，，定子侧有功功率由转子磁链所决定；（9）、功率预测控制目的是使定子有功功率和无功功率跟随其给定值，在k时刻，定子有功功率和无功功率误差表示为：，，在k+1时刻要满足下式：，，所以在k时刻定子有功功率和无功功率变化量为：，，由步骤（8）中的公式得到在一个采样周期内有功功率和无功功率变化量为：，；（10）、假定采样周期为T_s，将双馈风力发电机的的转子电压公式离散可得：，，式中：u_rd、u_rq分别为转子电压在两相同步旋转坐标系下的分量，将步骤（9）中一个周期内有功功率和无功功率变化量代入转子电压公式可得：，，从公式中得到u_rd(k)、u_rq(k)，将u_rd(k)、u_rq(k)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；（11）、当电网电压跌落时，进行双馈风力发电机快速弱磁控制，双馈风力发电机转子电压在定子参考两相静止坐标系下的公式为：，，式中：u_rα和u_rβ分别表示转子电压α、β轴分量，R_r为转子电阻，i_rα和i_rβ分别表示转子电流α、β轴分量，Ψ_rα和Ψ_rβ分别表示转子磁链α、β轴分量；（12）、假定采样周期为T_s，将双馈风力发电机的的转子电压公式离散可得：，，转子磁链无差拍控制目标使转子磁链在k+1时刻达到给定值，即式中，Ψ_rα(k+1)、Ψ_rβ(k+1)分别为转子磁链α、β轴在k+1时刻的给定值Ψ_rα^*(k+1)、Ψ_rβ^*(k+1)；（13）、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表示以转子转速ω_r旋转的两相坐标系，下标s表示定子侧的变量，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，将得到的以转子转速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静止坐标系下的转子磁链给定值；（14）、由步骤（12）中双馈风力发电机转子电压离散公式经过变形可得：，，从公式中得到u_rα(k)、u_rβ(k)，将u_rα(k)、u_rβ(k)经过坐标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。