[发明专利]双馈风力发电机直接功率控制下的故障运行方法

摘要

本发明公开了一种双馈风力发电机直接功率控制下的故障运行方法，该控制方法避免了矢量控制中复杂的坐标变换和补偿调节，控制指令简单直接，易于实现，当电网电压骤降时，采用转子磁链弱磁预测控制，通过定子磁链实际值计算出转子磁链的给定值，根据双馈风力发电机转子侧变换器电压的离散模型预测变换器下一时刻不同开关状态下的动态行为，通过价值函数对7个电压矢量预测结果进行评估，最终选择使价值函数最小的电压矢量，这种算法能够在每个采样周期预测到最优的开关状态作为变换器的开关信号。本发明无需同步旋转坐标系转换以及PI调节器设计，具备快速动态响应、控制指令简单、易于实现，故障过程中提高了双馈风力发电机故障运行能力。

主权项

双馈风力发电机直接功率控制下的故障运行方法，其特征在于：正常情况下采用直接功率控制，故障发生时采用转子磁链弱磁预测控制，该转子磁链弱磁预测控制的具体步骤为：（1）、电网电压稳态运行时，检测三相定子电压usa、usb、usc，三相定子电流isa、isb、isc，三相转子电流ira、irb、irc，检测转子位置角θr；（2）、将步骤（1）中检测到的三相定子电压usa、usb、usc经过坐标转换得到两相转子转速ωr旋转的转子坐标系下的两相定子电压usαr、usβr，检测到的三相定子电流isa、isb、isc经过坐标转换得到两相转子转速ωr旋转的转子坐标系下的两相定子电流isαr、isβr，检测到的三相转子电流ira、irb、irc经过坐标转换得到两相转子转速ωr旋转的转子坐标系下的两相转子电流irαr、irβr，上标r表示两相转子转速ωr旋转的转子坐标系；（3）、两相转子转速ωr旋转的转子坐标下的定子磁链和转子磁链的表达式分别为：，，由此得到定子电流的表达式为：，式中：、分别表示定子磁链矢量形式和转子磁链矢量形式，、分别表示定子电流矢量形式和转子电流矢量形式，Ls、Lr、Lm分别表示定子自感、转子自感和定转子之间的互感，其中；（4）、定子电压矢量公式为：，定子侧输入的有功功率表达为：，忽略定子电阻，定子侧输入的有功功率和无功功率分别表示为：，，式中：Rs表示定子电阻；（5）、定子磁链和转子磁链在以转子转速ωr旋转的两相转子坐标系下表示为：，，式中：θs=ω1‑ωr，在理想状态下，忽略定子电阻，定子磁链的幅值Ψsr和转速ω1都是恒定的，对定子磁链进行求导可得，；（6）、将步骤（3）中的定子电流公式和步骤（5）中的定子磁链求导公式代入步骤（4）得到定子侧的有功功率和无功功率表达式：，，式中：θ为转子磁链和定子磁链矢量的夹角，θ=θr‑θs，对有功功率和无功功率求导可得：，，式中：由于定子磁链是个定值，定子有功功率和无功功率的控制转化为对转子磁链的控制；（7）、忽略转子电阻，转子转速ωr旋转的两相转子坐标系下的转子磁链微分方程为：，式中：表示的是以转子转速ωr旋转的两相转子坐标系下的转子电压，Rr表示转子电阻，表示的是以转子转速ωr旋转的两相转子坐标系下的转子电流，通过选择适当的开关矢量控制转子磁链；（8）、将有功功率和无功功率与其给定值进行比较，由滞环比较器根据误差来产生有功功率和无功功率状态量，根据功率状态量、定子磁链位置和最佳开关表选择相应的电压矢量使有功功率和无功功率能够快速跟随给定值；（9）、当电网电压发生骤降故障时，将转子磁链弱磁预测控制的控制频率设为正常运行时直接功率控制的10倍，将步骤（7）中的转子磁链微分方程离散可得：，写成转子转速旋转的两相转子α、β轴下转子磁链预测模型为：，，式中：Ts为采样周期，Urαr、Urβr分别为八个电压矢量在转子转速ωr旋转的两相转子坐标系下的分量，在每一个采样周期，将八个电压矢量分别代入公式中得到下一个采样周期的转子磁链；（10）、通过双馈风力发电机评估转子磁链的价值函数：，式中：Ψrαr*(k+1)、Ψrβr*(k+1)分别为转子α、β轴转子磁链的给定值，Ψrαir(k+1)、Ψrβir(k+1)分别为不同电压矢量作用下预测到的磁链值，下标i=0,1,2,…,7，选择出使转子磁链误差最小的电压矢量作用于转子侧变换器；（11）、转子磁链的给定值进行计算，即：Ψr*=MΨs，其中，Isr为定子电流额定值，Ψsr为定子磁链实际值，上标r表示以转子转速ωr旋转的两相坐标系，下标s表示定子侧的变量，在故障期间M随Ψsr变换自适应改变，实现对转子磁链的实时最优控制；（12）、通过转子磁链预测模型，对k+1时刻不同电压矢量作用下的转子磁链动态行为进行预测，将预测的结果通过价值函数进行评估和优化，选择最优的开关状态作为下一时刻开关的控制信号。