[发明专利]双馈风电变流器控制方法

摘要

双馈风电变流器控制方法，本发明属于风力发电变流控制技术领域，采用电网电压定向矢量控制方法，主要分为以下几个控制阶段：1、建立双馈电机数学模型；2、双馈变流器并网控制；双馈变流器并网控制还分为三个阶段：电网电压鉴相阶段；定子电压建立阶段；双馈电机的并网阶段；这种控制方法可以实现双馈风力发电变流器的平滑并网、并网时无冲击、稳定的运行，本发明还具有控制方法先进、成熟的优点，并且采用电网电压定向矢量控制方法可以做到定向准确，且不受电机参数的影响。

主权项

双馈风电变流器控制方法，其特征在于：采用电网电压定向矢量控制方法，(1)建立双馈电机数学模型：定子采用发电机惯例，转子采用电动机惯例，双馈异步电机在同步坐标系下的数学模型为： u sd = Dψ sd - ω 1 ψ sq - R s i sd u sq = Dψ sq + ω 1 ψ sd - R s i sq - - - ( 1 ) u rd = Dψ rd - ω 2 ψ rq + R r i rd u rq = Dψ rq + ω 2 ψ rd + R r i rq - - - ( 2 ) ψ sd = - L s i sd + L m i rd ψ sq = - L s i sq + L m i rq - - - ( 3 ) ψ rd = L r i rd - L m i sd ψ rq = L r i rq - L m i sq - - - ( 4 ) Tem＝1.5pLm(isqird‑isdirq)                   (5)usd、usq、isd、isq、ψsd、ψsq分别是定子电压、电流和磁链的d、q轴分量；urd、urq、ird、irq、ψrd、ψrq分别是转子电压、电流、磁链的d、q轴分量；Lm为互感，其中Lm＝1.5L12＝1.5L21；Ls为定子自感，其中Ls＝L1l+Lm；Lr为转子自感，其中Lr＝L2l+Lm；ω1、ω2分别为同步角速度和转差角速度；微分算子用D表示，双馈电机采用电网电压定向矢量控制时，由于功率变换器在转子一侧，需要把转子电流通过矢量坐标变换到同步坐标系中，因此，需要知道转子对于定子A相绕组的空间位置角；(2)双馈变流器并网控制双馈电机并网条件是定子电压和电网电压的幅值、频率及相位相等，这样才可以实现无冲击并网，这里将双馈变流器并网控制分为三个阶段：电网电压鉴相阶段；定子电压建立阶段；双馈电机的并网阶段；其中：(2.1)电网电压鉴相阶段：采用软件三相锁相环的方法，锁相环一般由鉴相器、环路滤波器和振荡器构成，首先通过坐标变换将三相电压转换到d‑q坐标系下，为使d轴分量与电压矢量完全同相，设定q轴电压参考值vq_ref＝0，将q轴电压偏差值vq_err作为鉴相器输出的角度偏差；经过PI调节器输出得到频率，再经过一个积分环节得到角度值，当电网电压中只存在正序基波分量时，其d‑q坐标系下稳态值为直流量，通过控制q轴分量为零，可以实现相位频率锁定，当电网电压q轴分量恒定为零时，锁相环已经准确锁定了电网电压相位，由于锁相环内部采用了闭环结构，可以有效抑制电网轻微扰动对相位检测带来的干扰；因此，这种方法也适用于电网电压质量稍差的情况；(2.2)定子电压建立阶段：在定子电压的建立阶段，双馈电机定子空载运行，励磁电流全部由转子电流提供，通过控制双馈电机转子电流进而间接控制定子电压，使其满足并网条件，将式(3)代入式(1)，考虑定子电流为零，整理得： i rd = 1 ω 1 Di rq + 1 ω 1 L m u sq i rq = 1 ω 1 Di rd - 1 ω 1 L m u sd - - - ( 6 ) 选择电压环控制器： i rdref = ( K up + K uI s ) ( u sqref - u sq ) i rqref = - ( K up + K uI s ) ( u sdref - u sd ) - - - ( 7 ) 这里定子电压的参考固定值usdref＝U，U为电网电压幅值，usqref＝0，当定子电压建立且满足并网条件时，通过控制并网接触器闭合实现双馈电机并网；(2.3)双馈电机的并网阶段成功实现并网后，双馈电机的定子电压由电网电压决定，为定值，在这一阶段双馈电机的控制方法由定子电压闭环控制切换为定子侧功率闭环控制，并网运行过程中，风力发电机组控制器根据实际风速和电网要求动态调节发电机输出有功和无功功率，双馈电机定子侧功率在同步坐标系下的表达式为： P s = 3 2 U s i sd Q s = - 3 2 U s i sq - - - ( 8 ) 将式(3)代入式(8)，忽略定子电阻上的压降，可以导出转子电流的关系式为 i rd = L s L m 2 P s 3 U s i rq = - L s L m 2 Q s 3 U s - U s ω 1 L m - - - ( 9 ) 所以定子侧的有功和无功功率是互相解耦的，功率控制器为： i rdref = ( K pp + K pI s ) ( P sref - P a ) i rqref = - ( K pp + K pI s ) ( Q sref - Q s ) - U s ω 1 L m - - - ( 10 ) 定子电压建立阶段向功率控制阶段转换时，由于无功功率控制器式(10)中，由于‑Us/ω1Lm项的存在，可以保持转子电流参考值的连续性，避免冲击。