永磁直驱风力发电系统对称短路故障低电压穿越控制方法

摘要

本发明公开了一种永磁直驱风力发电系统对称短路故障低电压穿越控制方法，本控制方法同时包含对电机侧变换器的控制、电网侧变换器的控制以及飞轮电机侧变换器的控制。本方法在实现故障过程中直流链电压稳定控制的同时，可实现发电系统向电网提供无功功率支撑，有效提高电网故障过程中发电系统以及所并电网的运行可靠性和稳定性。

主权项

1.永磁直驱风力发电系统对称短路故障低电压穿越控制方法，所述永磁直驱风力发电系统含飞轮储能单元，其特征在于，本控制方法同时包含对电机侧变换器的控制、电网侧变换器的控制以及飞轮电机侧变换器的控制，各变换器的控制分别为：(A)、电机侧变换器的控制步骤为：(A1)、首先采集永磁同步发电机的定子电流信号：利用电流霍尔传感器采集永磁同步发电机的两相定子电流信号i_sa，i_sb；(A2)、检测永磁同步发电机的转子位置信号，计算其电角速度和电角度：利用转子位置传感器检测得到永磁同步发电机的转子位置θ_s1及转速ω_s1，并根据θ_s1及ω_s1计算得到永磁同步发电机转子电角速度ω_s=p_sω_s1及永磁同步发电机转子电角度θ_s=p_sθ_s1；其中：p_s为电机的极对数；(A3)、根据采集得到的永磁同步发电机定子电流信号i_sa，i_sb，利用等式i_sc=-i_sa-i_sb计算得到C相定子电流信号i_sc；利用坐标变换公式将三相定子电流信号i_sa，i_sb，i_sc投影至根据永磁同步发电机转子磁场方向定向的两相同步旋转dq坐标轴系，可得到两相同步旋转dq坐标轴系下的永磁同步发电机定子电流i_sd，i_sq；(A4)、当电网电压正常时，电机侧变换器采用功率-电流双闭环控制方式，永磁同步发电机d轴电流给定以及q轴电流给定为：$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{sd}}^{*}=0\\ i_{\mathrm{sq}}^{*}=[K_{p1}({\tau }_{\mathrm{il}}s+1)/{\tau }_{\mathrm{il}}s](P_s^{*}-P_s)\end{array}---\left(1\right)\right.$式(1)中，K_p1和τ_i1分别为电机侧变换器功率环PI调节器的比例系数和积分时间常数，为永磁同步发电机输出功率给定值，P_s为永磁同步发电机输出功率，s为复变量；(A5)、当电网发生对称短路故障以及对称短路故障切除后到直流链电压恢复正常的一段时间内，电机侧变换器切换为电流环控制方式，永磁同步发电机d轴电流给定以及q轴电流给定为：$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{sd}}^{*}=0\\ i_{\mathrm{sq}}^{*}=0\end{array}\right.---\left(2\right)$(A6)、当直流链电压恢复为正常值时，电机侧变换器恢复为功率-电流双闭环控制方式，其给定值如式(1)所示；(A7)、将步骤(A2)计算所得的永磁同步发电机转子电角速度ω_s，步骤(A3)计算所得两相同步旋转dq坐标轴系下的永磁同步发电机定子电流i_sd，i_sq，步骤(A4)、(A5)、(A6)中计算所得的永磁同步发电机d轴电流给定以及q轴电流给定代入电机侧变换器控制电压方程，可计算得永磁同步发电机定子控制电压u_sd、u_sq；电机侧变换器控制电压方程为：$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{sd}}=[K_{p2}({\tau }_{i2}s+1)/{\tau }_{i2}s](i_{\mathrm{sd}}^{*}-i_{\mathrm{sd}})-{\omega }_s{L}_s{i}_{\mathrm{sq}}\\ u_{\mathrm{sq}}=[K_{p2}({\tau }_{i2}s+1)/{\tau }_{i2}s](i_{\mathrm{sq}}^{*}-i_{\mathrm{sq}})+{\omega }_s{L}_s{i}_{\mathrm{sd}}+{\omega }_s{\Psi }_s\end{array}\right.---\left(3\right)$式(3)中，K_p2和τ_i2分别为电机侧变换器控制电压PI调节器的比例系数和积分时间常数，ψ_s为永磁同步发电机转子永磁体磁链，s为复变量，L_s为永磁同步发电机定子电感；(A8)、将永磁同步发电机定子控制电压u_sd、u_sq经空间矢量脉宽调制模块调制后即可获得控制电机侧变换器的开关信号；(B)、电网侧变换器的控制步骤为：(B1)、首先采集电网电流信号和电压信号：利用电流霍尔传感器采集电网侧的两相电网电流信号i_ga，i_gb；利用电压传感器采集电网侧的两相电网电压信号e_ga，e_gb；(B2)、根据采集得到的电网电压信号e_ga，e_gb，利用等式e_gc=-e_ga-e_gb计算得C相电网电压信号e_gc；利用坐标变换公式将三相电网电压信号e_ga，e_gb，e_gc投影至两相静止αβ坐标轴系，可得两相静止αβ坐标轴系下的电网电压幅值e_gd和电网电压角度θ_g，进一步对电网电压角度θ_g进行微分计算可得电网电压角频率ω_g；(B3)、根据采集得到的电网电流信号i_ga，i_gb，利用等式i_gc=-i_ga-i_gb计算得C相电网电流信号i_gc；利用坐标变换公式将三相电网电流信号i_ga，i_gb，i_gc投影至根据电网电压定向的两相同步旋转dq坐标轴系，可得两相同步旋转dq坐标轴系下的电网电流i_gd，i_gq；(B4)、当电网电压正常时，电网侧变换器采用电压-电流双闭环控制方式，电网d轴电流给定以及q轴电流给定为：$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{gd}}^{*}=[K_{p3}({\tau }_{i3}s+1)/{\tau }_{i3}s](U_{\mathrm{dc}}^{*}-U_{\mathrm{dc}})\\ i_{\mathrm{gq}}^{*}=0\end{array}\right.---\left(4\right)$式(4)中，K_p3和τ_i3分别为电网侧变换器电压环PI调节器的比例系数和积分时间常数；为电网侧变换器直流链电压给定值，U_dc为电网侧变换器直流链电压，s为复变量；(B5)、当电网发生对称短路故障时，电网侧变换器切换为电流环控制方式，电网d轴电流给定以及q轴电流给定为：$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{gd}}^{*}=0\\ i_{\mathrm{gq}}^{*}=i_{\mathrm{gn}}\end{array}---\left(5\right)\right.$式(5)中i_gn为电网侧变换器功率模块额定电流值；(B6)、当电网对称短路故障切除后，电网侧变换器恢复为电压-电流双闭环控制方式，电网d轴电流给定以及q轴电流给定由式(4)确定；(B7)、当电机侧变换器恢复为功率-电流双闭环控制方式后，将前馈补偿量P_s/e_gd与电网侧变换器直流电压PI调节器的输出相加作为电网侧变换器电流内环的d轴电流给定值，电网d轴电流给定以及q轴电流给定为：$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{gd}}^{*}=[K_{p3}({\tau }_{i3}s+1)/{\tau }_{i3}s](U_{\mathrm{dc}}^{*}-U_{\mathrm{dc}})+\frac{P_s}{e_{\mathrm{gd}}}\\ i_{\mathrm{gq}}^{*}=0\end{array}\right.---\left(6\right)$(B8)、将步骤(B2)计算所得的d轴电网电压幅值e_gd，ω_g.，步骤(B3)计算所得两相同步旋转dq坐标轴系下的电网电流i_gd，i_gq，步骤(B4)、(B5)、(B6)、(B7)中计算所得的电网d轴电流给定以及q轴电流给定代入电网侧变换器控制电压方程，可计算得电网侧变换器控制电压u_gd、u_gq；电网侧变换器控制电压方程为：$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{gd}}=-[K_{p4}({\tau }_{i4}s+1)/{\tau }_{i4}s](i_{\mathrm{gd}}^{*}-i_{\mathrm{gd}})+{\omega }_g{L}_g{i}_{\mathrm{gq}}+e_{\mathrm{gd}}\\ u_{\mathrm{gq}}=-[K_{p4}({\tau }_{i4}s+1)/{\tau }_{i4}s](i_{\mathrm{gq}}^{*}-i_{\mathrm{gq}})-{\omega }_g{L}_g{i}_{\mathrm{gd}}\end{array}---\left(7\right)\right.$式(7)中，K_p4和τ_i4分别为电网侧变换器控制电压PI调节器的比例系数和积分时间常数，s为复变量，L_g为网侧进线电抗器电感；(B9)、将电网侧变换器控制电压u_gd、u_gq经空间矢量脉宽调制模块调制后即可获得控制电网侧变换器的开关信号；(C)、飞轮电机侧变换器的控制步骤为：(C1)、首先采集永磁同步电动机的定子电流信号：利用电流霍尔传感器采集永磁同步电动机的两相定子电流信号i_fa，i_fb；(C2)、检测永磁同步电动机的转子位置信号，计算其电角速度和电角度：利用转子位置传感器检测得到永磁同步电动机的转子位置θ_f1及转速ω_f1，并根据θ_f1及ω_f1计算得到永磁同步电动机转子电角速度ω_f=p_fω_f1及永磁同步电动机转子电角度θ_f=p_fθ_f1；其中：p_f为电机的极对数；(C3)、根据采集得到的永磁同步电动机定子电流信号i_fa，i_fb，利用等式i_fc=-i_fa-i_fb计算得C相定子电流信号i_fc；利用坐标变换公式将三相定子电流信号i_fa，i_fb，i_fc投影至根据永磁同步电动机转子磁场方向定向的两相同步旋转dq坐标轴系，可得两相同步旋转dq坐标轴系下的永磁同步电动机定子电流i_fd，i_fq；(C4)、当电网电压正常时，飞轮电机侧变换器采用转速-电流双闭环控制方式，永磁同步电动机d轴电流给定以及q轴电流给定为：$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{fd}}^{*}=0\\ i_{\mathrm{fq}}^{*}=[K_{p5}({\tau }_{i5}s+1)/{\tau }_{i5}s]({\omega }_f^{*}-{\omega }_f)\end{array}---\left(8\right)\right.$式(8)中，K_p5和τ_i5分别为飞轮电机侧变换器转速环PI调节器的比例系数和积分时间常数，为转速环给定值，s为复变量；(C5)、当电网发生对称短路故障时，飞轮电机侧变换器切换为电流环控制方式，永磁同步电动机d轴电流给定以及q轴电流给定为：$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{fd}}^{*}=0\\ i_{\mathrm{fq}}^{*}=\frac{P_s}{p_f{\omega }_f{\psi }_f}\end{array}\right.---\left(9\right)$式(9)中ψ_f为飞轮电机转子永磁体磁链；(C6)、电网对称短路故障切除后，飞轮电机侧变换器恢复为转速-电流双闭环控制方式，其给定值由式(8)确定；(C7)、将步骤(C2)计算所得的永磁同步电动机转子电角速度ω_f，步骤(C3)计算所得两相同步旋转dq坐标轴系下的永磁同步电动机定子电流i_fd，i_fq，步骤(C4)、(C5)、(C6)中计算所得的永磁同步电动机d轴电流给定以及q轴电流给定代入飞轮电机侧变换器控制电压方程，可计算得永磁同步电动机定子控制电压u_fd、u_fq；飞轮电机侧变换器控制电压方程为：$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{fd}}=[K_{p6}({\tau }_{i6}s+1)/{\tau }_{i6}s]({\tau }_{\mathrm{fd}}^{*}-i_{\mathrm{fd}})-{\omega }_f{L}_f{i}_{\mathrm{fq}}\\ u_{\mathrm{fq}}=[K_{p6}({\tau }_{i6}s+1)/{\tau }_{i6}s](i_{\mathrm{fq}}^{*}-i_{\mathrm{fq}})+{\omega }_f{L}_f{i}_{\mathrm{fd}}+{\omega }_f{\Psi }_f\end{array}---\left(10\right)\right.$式(10)中，K_p6和τ_i6分别为飞轮电机侧变换器控制电压PI调节器的比例系数和积分时间常数，s为复变量，L_f为飞轮电机定子电感；(C8)、将永磁同步电动机定子控制电压u_fd、u_fq经空间矢量脉宽调制模块调制后即可获得控制飞轮电机侧变换器的开关信号。