双馈风力发电机转子磁链定频模型预测控制方法

摘要

本发明公开了一种双馈风力发电机转子磁链定频模型预测控制方法，此方法基于对转子磁链变化的判断，采取三电压矢量选择法，电压矢量选择模式要求在每个开关周期内选择与转子电压矢量所在扇区相邻的两个有效矢量和一个零矢量，使转子磁链跟随给定值，转子磁链实时最优给定值与定子磁链的实际值同步，为了减弱定子磁链对转子磁链的故障冲击，根据价值函数最小化原则确定所选两个有效矢量和一个零矢量的作用时间，最后采用调制技术获得开关状态信号，该方法在开关周期内以转子磁链误差最小为目标对变换器进行控制，实现了转子磁链的快速跟踪控制。本发明开关频率恒定，无需较高的采样频率且控制精度较高，可有效地控制转子电流在允许的最大电流以内。

主权项

双馈风力发电机转子磁链定频模型预测控制方法，其特征在于：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，电网电压骤降故障运行时，双馈风力发电机采用转子磁链定频模型预测控制，该转子磁链定频模型预测控制的具体步骤为：（1）、电网发生骤降故障时，设置转子磁链定频模型预测方法的控制频率为基于定子磁场定向的矢量控制的2倍；（2）、将测得的转子角速度ω_r进行积分运算得到θ_r；（3）、采集双馈风力发电机转子三相电压u_ra、u_rb、u_rc，转子三相电流i_ra、i_rb、i_rc和定子三相电流i_sa、i_sb、i_sc经过坐标转换得到定子参考两相静止坐标系下的转子两相电压u_rα、u_rβ，转子两相电流i_rα、i_rβ和定子两相电流i_sα、i_sβ；（4）、将定子参考两相静止坐标系下的定子两相电流i_sα、i_sβ，转子两相电流i_rα、i_rβ，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α、β轴分量Ψ_sα、Ψ_sβ和转子磁链α、β轴分量Ψ_rα、Ψ_rβ；（5）、转子侧变换器电压分别由八个电压矢量表示，其中六个V₁‑V₆为有效矢量，二个V₀和V₇为零矢量，当k=0、7时，V_k=0，当k=1、2、3、4、5、6时，，U_dc为直流侧电压；（6）、由定子参考两相静止坐标系下的转子两相电压u_rα、u_rβ，计算出u_rα与u_rβ之间的夹角，进而判断出电压矢量所在的扇区，根据扇区选择的结果选择出扇区相邻的两个有效电压矢量，再加上一个零矢量，共同作用在一个开关周期，则这三个矢量中必然同时有可使转子磁链增加和减小的矢量；（7）、双馈风力发电机转子侧变换器电压在两相定子参考静止坐标系下的转子电压公式表示为：，，式中R_r为转子电阻，将当前选中的作用矢量代入转子电压公式可得到α、β轴磁链的变化率：，，k=0、1、2、3、4、5、6、7，V_k为当前作用的矢量，在当前作用矢量持续时间t_n内，α、β轴转子磁链变化量表示为：，，式中：Ψ_rα(k)和Ψ_rβ(k)分别为当前矢量开始作用时刻α、β轴转子磁链值，Ψ_rα(k+1)和Ψ_rβ(k+1)分别为当前矢量作用结束时刻α、β轴转子磁链值；（8）、对转子磁链的给定值进行计算，即：Ψ_rαβ^*=MΨ_sαβ，其中，Ψ_rαβ^*为转子磁链α、β轴的给定值，Ψ_sαβ为定子磁链α、β轴的实际值，I_rαβ为定子参考两相静止坐标系下的转子两相电流额定值，控制转子两相电流在其额定值附近波动，故障期间M随Ψ_sαβ变换自适应改变，实现对转子磁链的实时最优控制，同时也实现对定转子磁链进行同步弱磁控制；（9）、电压矢量作用时间的计算，设定在一个开关周期T_s内所选三个电压矢量的作用时间分为t₀、t₁、t₂，其中t₀为零矢量的作用时间，t₁、t₂为两个有效矢量的作用时间，t₀+t₁+t₂=T_s，则一个开关周期结束，转子磁链跟踪误差用下列函数表示：，，式中：，，e_α0、e_α1、e_α2分别为所选矢量作用下的α轴的转子磁链变化率，e_β0、e_β1、e_β2分别为所选矢量作用下的β轴的转子磁链变化率；（10）、双馈风力发电机转子磁链定频模型预测控制的目标是在每个开关周期结束时刻，使实际转子磁链值与给定转子磁链误差最小，每个控制周期内最大限度的减小α、β轴转子磁链误差，采用最小二乘优化算法定义价值函数为：，以价值函数W最小为约束条件，求出每个控制周期T_s内三个矢量的最佳作用时间；（11）、电压矢量作用时间的计算满足下列条件：，，由步骤（8）、（9）以及本步骤中的公式求得各矢量的作用时间分别为：，t₀=T_s‑t₁‑t₂；（12）、在某个控制周期内，当两个有效电压矢量的作用时间之和t₁+t₂>T_s时，零矢量不再作用，两个有效电压矢量的作用时间调整为：，，最后采用空间矢量调制得到各桥臂开关的状态。