一種不平衡電網電壓下基于矩陣變換器勵磁的dfig控制方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于風力發(fā)電控制技術領域，具體涉及一種不平衡電網電壓下基于矩陣變 換器勵磁的DFIG控制方法。
【背景技術】
[0002] 隨著化石能源使用數(shù)量的增大，能源對人類經濟、社會發(fā)展的制約和對資源環(huán)境 的影響也越來越顯著，因此人類越來越重視可再生能源的利用，風能作為可再生能源中 最廉價、最具潛力的"綠色能源"，得到了大力的開發(fā)和發(fā)展。目前，雙饋異步風力發(fā)電機 (DFIG)由于其變流器容量小、功率獨立解耦控制、成本較低等優(yōu)勢，成為國內外廣泛應用的 風力發(fā)電機型。其系統(tǒng)構成的關鍵部分為勵磁變換器，但現(xiàn)在常用電壓源型雙PWM變換器 存在體積大、重量重，而且不易維護等問題，矩陣變換器是一種綠色的新型變換器，因此以 矩陣變換器作為勵磁變換器的DFIG控制策略研究具有很好的研究價值。
[0003] 當前大多數(shù)DFIG風電機組控制策略主要是針對電網電壓幅值和頻率恒定、相位 連續(xù)的理想電網條件設計，但實際電網往往并非理想，電網故障經常存在，尤其是實際電力 系統(tǒng)中的不對稱故障會造成定、轉子電流高度的不平衡，定、轉子繞組產生不平衡發(fā)熱，電 磁轉矩產生脈動，輸向電網的功率發(fā)生振蕩。因此，對于在電網電壓不平衡情況下的交流勵 磁控制策略成為近年來國內外研究熱點，但目前的研究成果主要是基于雙PWM變頻器勵磁 系統(tǒng)下的控制策略，由于矩陣變換器沒有中間儲能環(huán)節(jié)，電網電壓的不平衡、大擾動等非正 常工況都會直接影響到勵磁電流，加劇了控制難度，因此需要研究不平衡電網電壓條件下 基于矩陣變換器勵磁的DFIG控制策略。
[0004] 李輝在《基于矩陣變換器勵磁的雙饋型風力發(fā)電機并網運行控制策略研究，中南 大學博士論文，2011》中根據(jù)不對稱分量法的基本原理，提出了一種電壓不平衡條件下矩陣 變換器勵磁控制策略，該策略采用雙同步旋轉坐標系分別控制轉子電流和矩陣變換器輸入 電流，其中：轉子電流的正序矢量用于實現(xiàn)功率解耦控制，而轉子電流的負序矢量則用于 實現(xiàn)消除定子負序電流、減少有功功率或無功功率脈動等控制目標，矩陣變換器的輸入電 流負序矢量用以減少輸入電壓的不平衡度，從而減少矩陣變換器輸出電流的諧波。然而，該 控制方法的控制環(huán)中需對轉子電流等電磁量進行正序、負序分離，這個分離過程會引入時 延以及相角和幅值的誤差，影響了電流環(huán)的動態(tài)性能，從最后仿真結果進行分析，該控制策 略對于不平衡電網電壓對DFIG機組的影響有改善作用，但控制性能并不是十分理想。同 時，該控制方法需要對平衡條件下設計的傳統(tǒng)矢量控制系統(tǒng)結構進行很大的改動，限制了 該控制方法的工業(yè)應用前景。

【發(fā)明內容】

[0005] 針對現(xiàn)有技術所存在的上述技術問題，本發(fā)明提供了一種不平衡電網電壓下基于 矩陣變換器勵磁的DFIG控制方法，其控制環(huán)中沒有正負序分離環(huán)節(jié)，能夠實現(xiàn)快速、精確 地控制，同時電流控制器的比例積分系數(shù)可以直接采用傳統(tǒng)平衡條件下PI調節(jié)器的設計 參數(shù)，具有較強的適應性。
[0006] 一種不平衡電網電壓下基于矩陣變換器勵磁的DFIG控制方法，包括如下步驟：
[0007] (1)首先采集DFIG的三相定子電壓Usabc、三相定子電流Isabc、三相轉子電流IMbc、 轉速以及轉子位置角9 ^然后對三相定子電流Isab。和三相轉子電流IMb。分別進行Park變換，對應得到d_q旋轉坐標系下的定子電流矢量Isdq和轉子電流矢量I 進而對三相定
[0009] (3)使所述的轉子電流給定矢量減去轉子電流矢量I_，得到轉子電流誤差矢 量A 然后對所述的轉子電流誤差矢量AI_進行PIR(比例-積分-諧振）調節(jié)和解 親補償，得到DFIG的轉子電壓給定矢量14:，進而對轉子電壓給定矢量"進行Park反變 換，得到三相轉子電壓給定信號UmJ;
[0010] ⑷對定子電壓矢量以'rfq的正序矢量進行Park反變換，得到三相定子正 序電壓彳目號Ka/_?c+;
[0011] (5)使所述的三相轉子電壓給定信號U作為矩陣變換器的輸出線電壓參考，使 所述的三相定子正序電壓信號作為矩陣變換器的輸入相電流參考，進而利用間接 的SVPffM(空間矢量脈寬調制）調制法進行調制，得到一組PffM信號用以對DFIG矩陣變換 器中的功率開關器件進行控制。
[0012] 所述的步驟（1)中陷波器的傳遞函數(shù)F(S)的表達式如下：
[0014] 其中：w。= 2JT*100rad/s，G為衰減系數(shù)，s為拉普拉斯算子。
[0015] 所述的步驟（2)中，若控制目標為定子有功功率恒定，則通過以下公式計算轉子 電流的正序給定矢量^；^/和負序給定矢量/一二：
[0017] 若控制目標為轉子電流正弦無諧波，則通過以下公式計算轉子電流的正序給定矢
[0019] 若控制目標為定子電流平衡，則通過以下公式計算轉子電流的正序給定矢量

[0021] 若控制目標為電磁轉矩平穩(wěn)，則通過以下公式計算轉子電流的正序給定矢量
分量和q軸分量，LsSDFIG的定子漏感，L"為DFIG的定轉子互感，《為三相定子電壓Usabc 的角頻率，和{?〗分別為定子有功功率給定值和定子無功功率給定值。
[0024] 所述的步驟（2)中通過以下公式計算轉子電流給定矢量
[0026] 其中：j為虛數(shù)單位，0為三相定子電壓Usab。的相位。
[0027] 所述的步驟（3)中通過以下公式對轉子電流誤差矢量A進行PIR調節(jié)和解耦 補償：
[0029] 其中：Gpir(s)為PIR調節(jié)的傳遞函數(shù)，LdPLs分別為DFIG的轉子漏感和定子漏 感，Lni為DFIG的定轉子互感，〇為DFIG的漏磁系數(shù)，itsdq為DFIG的定子磁鏈矢量且也sdq =LJ_+LsIsdq;I^和1^分別為DFIG的轉子電阻和定子電阻，j為虛數(shù)單位，《 311|5為DFIG 的滑差角頻率且《slip= ^ ?為三相定子電壓Usab。的角頻率。
[0030] 所述PIR調節(jié)的傳遞函數(shù)Gpir (S)的表達式如下：
[0032] 其中：KP、KJPK汾別為給定的比例系數(shù)、積分系數(shù)和諧振系數(shù)，《。= 2JT*100rad/s，為給定的截止頻率，s為拉普拉斯算子。
[0033] 本發(fā)明DFIG控制方法可以有效地實現(xiàn)定子電流平衡、轉子電流平衡、定子功率 穩(wěn)定和DFIG電磁轉矩穩(wěn)定四個控制目標，而在控制環(huán)中沒有正負序分離環(huán)節(jié)，減少了正、 負序分離過程所帶來的時延、相角和幅值的檢測誤差等問題，計算簡便，具有良好的動態(tài)特 性，能夠實現(xiàn)快速、精確地控制。同時本發(fā)明進一步驗證了矩陣變換器運用在雙饋風力發(fā)電 技術中的可行性和科學性，使得基于矩陣變換器勵磁的DFIG系統(tǒng)在理想電網和不平衡電 網電壓中均可實現(xiàn)良好的運行效果，具有很好的研究價值和實用價值。
【附圖說明】
[0034] 圖1為本發(fā)明DFIG控制方法的原理流程示意圖。
[0035] 圖2為電網電壓不平衡度S =7%時采用本發(fā)明控制方法在不同控制目標切換下 DFIG的穩(wěn)態(tài)仿真波形示意圖。
[0036] 圖3為采用本發(fā)明控制方法后當電網瞬時不平衡故障發(fā)生時DFIG的仿真波形示 意圖。
【具體實施方式】
[0037] 為了更為具體地描述本發(fā)明，下面結合附圖及【具體實施方式】對本發(fā)明的技術方案 進行詳細說明。
[0038] 本實施方式以一臺容量為3MW、額定電壓為690V的商用DFIG為例。如圖1所示， 本發(fā)明不平衡電網電壓條件下基于矩陣變換器勵磁的DFIG的比例積分諧振控制方法，具 體步驟如下：
[0039] (1)使用兩組電流霍爾傳感器2分別采集DFIG的三相定子電流Isab。和三相轉子電 流IMb。，同時使用電壓霍爾傳感器3采集DFIG的三相定子電壓Usabe;使用增強型鎖相環(huán)模 塊7檢測出三相定子電壓正序分量的角頻率Co1和相位0 1;使用位置傳感器5檢測出DFIG 的轉速以及轉子位置角9P由此可得正轉滑差角頻率《slip= ?；
[0040] 在此定義正轉同步速CO1旋轉dq+坐標系以角速度W1逆時針旋轉，而反轉同步 速-…旋轉扣坐標系以角速度《i順時針旋轉，下標" + "和表示為正、負序分量，上 標" + 分別表示為正、反轉同步速旋轉坐標系。
[0041] 使用Clark變換模塊6和定子Park變換模塊10根據(jù)相位0 = 0i對三相定子電 流Isab。進行坐標變換，得到三相定子電流的dq軸分量I+sdq，使用Clark變換模塊6和轉子 Park變換模塊8根據(jù)相位0 =S1-0 三相轉子電流I。進行坐標變換，得到三相轉子 電流的dq軸分量1_。
[0048]使用Clark變換模塊6根據(jù)相位0冰三相定子電壓Usab。進行坐標變換得到UsaJi， 在Park變換模塊10中根據(jù)相位Q1和相位-0J^Usa 分別進行正、反轉同步速旋轉坐標 變換，再經過陷波器11分別濾除2倍頻分量，提取正、負序分量，即U+Sdq+、Usdq。
[0049] 陷波器的連續(xù)域表達式如下式：
[0051] 其中，w。= 2?丨=200JTrad/s，G為衰減系數(shù)，實際系統(tǒng)中，考慮到濾波效果和 控制系統(tǒng)穩(wěn)定性，取G= 〇. 707。
[0052] (2)利用轉子電流給定值產生模塊12,根據(jù)不同的控制目標，求出相應目標對應 的轉子電流給定值，轉子電流給定值產生模塊12計算原理如下：
[0053] 電網電壓不平衡條件下的DFIG定子有功功率可表示如下式：
[0055] 其中：PsQ，Pssin2和Psras2分別為定子輸出有功功率的直流（平均）分量、二倍頻