[发明专利]永磁风力发电机矢量及直接转矩控制综合方法

摘要

本发明涉及一种永磁风力发电机矢量及直接转矩控制综合方法，它属于一种永磁风力发电机在稳定运行状态下使用矢量控制以及在风力发电暂态过程中采用直接转矩控制的综合方法。本发明主要是解决现有风力发电机矢量方法存在的对风力突然变化造成的暂态波动难以控制的技术难点。本发明的技术方案是：a)在稳定运行状态下建立永磁风力发电机矢量控制数学模型，通过脉冲宽度调制(PWM)对d、q轴分量电压电流的控制，调节变换器中的相应绝缘栅双极三极管开关的栅极去控制永磁风力发电机的交流励磁电流频率，实现永磁风力发电机稳态风力状态下的控制；b)在风力发电暂态过程中采用风力发电机直接转矩控制(WGDTC)的方法控制的永磁风力发电机。附图是永磁风力发电机系统电机侧变换器控制框图。

主权项

一种永磁风力发电机矢量及直接转矩控制综合方法，其特征是：包括下列步骤：a)在稳定运行状态下建立永磁风力发电机矢量控制数学模型，实时采集永磁风力发电机定子三相a、b、c交流电流及电压并依据该矢量控制数学模型将电流电压转换成控制永磁风力发电机定子的d、q轴电流电压分量；通过脉冲宽度调制(PWM)对d、q轴分量电压电流的控制，调节变换器中的相应绝缘栅双极三极管(IGBT)开关的栅极去控制永磁风力发电机的交流励磁电流频率，实现永磁风力发电机稳态风力状态下的控制；该矢量控制数学模型为：$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{Gd}}=R_G{i}_{\mathrm{Gd}}+L_{\mathrm{Gd}}\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{Gd}}}{\mathrm{dt}}-{\mathrm{\ω}}_s{L}_{\mathrm{Gq}}{i}_{\mathrm{Gq}}\\ u_{\mathrm{Gq}}=R_G{i}_{\mathrm{Gq}}+L_{\mathrm{Gq}}\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{Gq}}}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{\ω}}_s{L}_{\mathrm{Gd}}{i}_{\mathrm{Gd}}\end{array}\right.---\left(1\right)$式(1)中：u_Gd，u_Gq为永磁风力发电机定子d、q轴的电压，可实时采集计算求出；i_Gd，i_Gq为永磁风力发电机定子d、q轴的电流，可实时采集计算求出；L_Gd，L_Gq为永磁风力发电机定子d、q轴的等效电感，可由电机实验得出，永磁风力发电机磁场对称时，L_Gd＝L_Gq＝L，L为永磁风力发电机定子等效电感；R_G为永磁风力发电机定子电阻，ω_s为永磁风力发电机同步角频率，可由直接转矩控制(WGDTC)方法实时求出；实时采集计算永磁风力发电机定子端的电流、电压值，并将实时采集计算的电流、电压值与前一时间段的电流、电压值进行比较，其差值为控制绝缘栅双极三极管(IG BT)栅极的电压控制量进而对永磁发电机进行实时控制；其差分控制方程为：$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{Gd}\left(t\right)}^{*}=(R_G{i}_{\mathrm{Gd}\left(t\right)}+L\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{Gd}\left(t\right)}}{\mathrm{dt}}-{\mathrm{\ω}}_s{\mathrm{Li}}_{\mathrm{Gq}\left(t\right)})-u_{\mathrm{Gd}\left(t\right)}\\ u_{\mathrm{Gq}\left(t\right)}^{*}=(R_G{i}_{\mathrm{Gq}\left(t\right)}+L\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{Gq}\left(t\right)}}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{\ω}}_s{\mathrm{Li}}_{\mathrm{Gd}\left(t\right)})-u_{\mathrm{Gq}\left(t\right)}\end{array}\right.---\left(2\right)$式(2)中：为永磁风力发电机某一时间段控制绝缘栅双极三极管(IGBT)栅极的定子电压d、q轴控制量；其它所有具有时间下标的电流电压量均为某一时间段实时采集计算的相应的电流电压时间变量；通过调节定子电压d、q轴控制量，对永磁风力发电机侧有功功率P_G和无功功率Q_G进行解耦控制，其控制方程为：$P_G=\frac{3}{2}{u}_{\mathrm{Gd}}{i}_{\mathrm{Gd}},Q_G=-\frac{3}{2}{u}_{\mathrm{Gd}}{i}_{\mathrm{Gq}}---\left(3\right)$通过电网侧d、q轴电压和电流的采集计算，对电网侧有功功率P_S和无功功率Q_s进行解耦控制，其控制方程为：P_S＝u_Sdi_Sd+u_Sqi_Sq  Q_S＝u_Sdi_Sq+u_Sqi_Sd   (4)式(4)中：u_Sd、u_Sq为电网侧的d、q轴电压，i_Sd、i_Sq为电网侧的d、q轴电流；在d、q同步旋转坐标系下，通过控制直流电压E_d和变频器与电网交换的无功功率Q_s，实现电网侧有功功率P_S和无功功率Q_s的单独解耦控制；u_Sq＝0时，电网侧变频器控制电压的方程为：$\left\{\begin{array}{c}{u_{\mathrm{Sd}\left(t\right)}}^{*}=-(L_S\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{Sd}\left(t\right)}}{\mathrm{dt}}+R_S{i}_{\mathrm{Sd}\left(t\right)})+{\mathrm{\ω}}_{s1}{L}_S{i}_{\mathrm{Sq}\left(t\right)}+u_{\mathrm{Sd}\left(t\right)}\\ {u_{\mathrm{Sq}\left(t\right)}}^{*}=-(L_S\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{Sq}\left(t\right)}}{\mathrm{dt}}+R_S{i}_{\mathrm{Sq}\left(t\right)})+{\mathrm{\ω}}_{s1}{L}_S{i}_{\mathrm{Sd}}\left(t\right)\end{array}\right.---\left(5\right)$式中L_S为电网S侧的等效电感，R_S为电网S侧的等效电阻；ω_s1为电网S侧电流、电压角频率，i_Sd(t)、i_Sq(t)为实时采集计算的电网侧电流d、q轴的电流分量，u_Sd(t)为实时采集计算的电网侧电压d轴的电压分量，为电网S侧d、q轴电压实时采集计算的控制量，上述控制量经过脉冲宽度调制(PWM)被送去作为调节相应的绝缘栅双极三极管(IGBT)开关栅极的控制信息；b)在风力发电暂态过程中采用直接转矩控制(WG DTC)的方法控制的永磁风力发电机：即根据测定的永磁风力发电机转子转速和风机轮浆转速，通过动态的脉冲宽度调制(PWM)将直流电压E_d转化成发电机三相a、b、c交流电压电路，从而对永磁风力发电机的定子合成旋转磁通进行控制，使定子合成旋转磁通在约束和控制变量T_min≤T_t≤T_max和θ_min≤θ_t≤θ_max的条件下，该合成旋转磁通落后于转子而使永磁风力发电机输出与轮浆风力相适应的有功电磁功率，T_t、θ_t是实时采集计算的风力发电机定子的合成旋转磁通转子的电磁转矩T_m、以及风力发电机定子线电压E_GL与电力电网电压E_SL的相位角θ_GS的时间变量，可通过下列公式求得：$p_e=\frac{E_{\mathrm{GL}}{E}_{\mathrm{SL}}}{X_T^{\′}}{\sin \mathrm{\θ}}_{\mathrm{GS}},{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{GS}}={\sin }^{-1}\left[\frac{P_e}{\frac{E_{\mathrm{GL}}{E}_{\mathrm{SL}}}{X_T^{\′}}}\right]---\left(7\right)$式(6)、(7)中，θ_GS是永磁风力发电机G线电压E_GL与电网S线电压E_SL之间的相位角，P_e是永磁风力发电机向电网输出的三相有功电磁功率，P_e＝3×(P_r‑P_jr)，P_jr是转子上每相消耗的有功功率，P_r是永磁风力发电机转子上从风力轮浆上获得的每相功率，E_2N是定子等效电压，I₁是定子电流，θ_s是两者间的夹角，ω_Gr是转子角速度，n_s是发电机的同步速度，k是常数，E_d是用于永磁风力发电机变换器的直流电源，X′_T是发永磁风力电机定子线电压E_GL与电力电网线电压E_SL之间的等效电抗；所述直接转矩控制(WGDTC)的所有控制变量及约束控制变量均是矢量，并且这些矢量在某一特定的时间段都是在一定的范围内变化的，故采用模糊数学的策略控制方式，将所有矢量替换为模糊集合，即通过对永磁风力发电机直接转矩控制(WGDTC)控制装置中相应的绝缘栅双极三极管(IGBT)开关的控制完成对所有模糊集合的分析控制，使其能更准确的控制永磁风力发电机定子的合成旋转磁通完成对永磁风力发电机直接转矩控制。