專利名稱：電網(wǎng)故障下雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電網(wǎng)故障下雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)(DFIG)轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器的控制方法， 屬于風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
由于雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(DFIG)的定子側(cè)直接和電網(wǎng)相連，對(duì)電網(wǎng)故障非常敏感。電 網(wǎng)故障會(huì)造成發(fā)電機(jī)定子電壓突變，定子電流產(chǎn)生振蕩，同時(shí)發(fā)電機(jī)定子有功和無(wú)功功率 和電磁轉(zhuǎn)矩也會(huì)出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。另外，由于轉(zhuǎn)子與定子之間的強(qiáng)耦合，突變的定子電壓會(huì)導(dǎo) 致轉(zhuǎn)子電流大幅波動(dòng)，影響到雙饋電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)電網(wǎng)故障達(dá)到一定程度時(shí)，為保護(hù)變 頻裝置的運(yùn)行安全，風(fēng)電機(jī)組將不得不從電網(wǎng)中解列。大規(guī)模風(fēng)電機(jī)組從電網(wǎng)解列，將進(jìn)一 步惡化電網(wǎng)，對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成嚴(yán)重影響。對(duì)此，電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商要求風(fēng)電機(jī)組在電網(wǎng)電壓 發(fā)生跌落故障時(shí)，在一定范圍內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)不能脫離電網(wǎng)，并向電網(wǎng)提供有功和無(wú)功支持。 例如，英國(guó)國(guó)家電網(wǎng)要求在圖1所示的電壓范圍內(nèi)風(fēng)電場(chǎng)能夠并網(wǎng)運(yùn)行。圖中電壓范圍所 指為風(fēng)電場(chǎng)連接點(diǎn)電壓，由于發(fā)電機(jī)和連接點(diǎn)存在電氣隔離，電網(wǎng)故障時(shí)發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓 跌落程度會(huì)小于連接點(diǎn)電壓跌落程度。目前國(guó)內(nèi)、外對(duì)電網(wǎng)故障下DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)的控制方法主要是采用了轉(zhuǎn)子短路保護(hù) 技術(shù)。該方法在電網(wǎng)故障時(shí)，雖然保護(hù)了勵(lì)磁變流器和轉(zhuǎn)子繞組，但此時(shí)發(fā)電機(jī)運(yùn)行在感應(yīng) 電動(dòng)機(jī)方式，需要從電網(wǎng)吸收大量的無(wú)功功率，這將進(jìn)一步惡化電網(wǎng)；第二，保護(hù)電路的投 切操作會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生暫態(tài)沖擊；另外，加設(shè)新的保護(hù)裝置提高了系統(tǒng)成本。有學(xué)者引入新型 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該方案控制復(fù)雜，且由于該方案在輸電系統(tǒng)故障時(shí)發(fā)電機(jī)脫網(wǎng)運(yùn)行，因此對(duì)電網(wǎng) 恢復(fù)正常運(yùn)行起不到積極的支持作用；同樣，該方案需要增加系統(tǒng)的成本。采用改進(jìn)的勵(lì)磁控制算法通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)子側(cè)的控制在一定程度上能夠彌補(bǔ)電網(wǎng)電壓 故障對(duì)雙饋電機(jī)運(yùn)行所造成的影響。其優(yōu)點(diǎn)在于無(wú)需提高系統(tǒng)成本，且在電網(wǎng)跌落時(shí)可以 給電網(wǎng)提供有功無(wú)功支持。因此，有必要設(shè)計(jì)一種電網(wǎng)故障下DFIG轉(zhuǎn)子電流的控制方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，提供一種電網(wǎng)故障下DFIG轉(zhuǎn)子 電流控制方法，該方法不需要添設(shè)額外的硬件裝置，可以有效抑制電網(wǎng)故障引起的DFIG轉(zhuǎn) 子電流振蕩，實(shí)現(xiàn)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障下并網(wǎng)運(yùn)行，提高了 DFIG在電網(wǎng)故障下的運(yùn)行性 能。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案—種電網(wǎng)故障下雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流控制方法，包括以下步驟(1)檢測(cè)三相定子電壓，三相轉(zhuǎn)子電流和轉(zhuǎn)子位置角并計(jì)算旋轉(zhuǎn)角速度；(2)將檢測(cè)到的三相定子電壓和三相轉(zhuǎn)子電流經(jīng)3/2變換模塊得到兩相靜止坐標(biāo) 系下的定子電壓和轉(zhuǎn)子電流；(3)將定子兩相靜止坐標(biāo)系下的定子電壓信號(hào)經(jīng)軟件鎖相環(huán)，得到定子磁鏈位置角；根據(jù)步驟(1)得到的轉(zhuǎn)子位置角計(jì)算滑差角度，對(duì)滑差角度微分得到滑差角速度；將定 子磁鏈位置角與轉(zhuǎn)子位置角求和后進(jìn)行微分得到磁鏈角速度與轉(zhuǎn)子角速度之和；(4)將旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下d、q軸轉(zhuǎn)子電流參考值以滑差角度為變換角進(jìn)行反Park變 換，得到轉(zhuǎn)子兩相靜止坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子電流給定值；(5)將步驟(4)中計(jì)算得到的轉(zhuǎn)子兩相靜止坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子電流給定值分別與步 驟(2)所計(jì)算得到的兩相靜止坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子電流相減，然后經(jīng)過(guò)比例諧振(PR)控制器計(jì) 算得到兩相靜止坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子電壓的參考值；(6)將步驟(5)得到的兩相靜止坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)空間矢量脈寬調(diào)制 后，產(chǎn)生控制功率器件的開(kāi)關(guān)信號(hào)。作為進(jìn)一步的實(shí)施方式，步驟(5)中所述的ra控制器，其傳遞函數(shù)為
jr, KrS K r,s Kr2S^+^τ^ + ^τ^ + ^τ"
S +ωε S +(Dcl S +(Dc2PR控制器中頻率ω。、ω^ ω。2分別設(shè)置為滑差角速度、轉(zhuǎn)子角速度和轉(zhuǎn)子角速度 與同步角速度之和。本發(fā)明的控制方法在不改動(dòng)硬件結(jié)構(gòu)的情況下，僅通過(guò)將傳統(tǒng)有功、無(wú)功功率解 耦的矢量控制的兩個(gè)PI控制器替換為帶補(bǔ)償項(xiàng)的ra控制器，其補(bǔ)償項(xiàng)用來(lái)補(bǔ)償電網(wǎng)故障 瞬間定子磁鏈直流分量和負(fù)序分量對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的影響，抑制電網(wǎng)電壓故障所帶來(lái)的 轉(zhuǎn)子過(guò)電流，實(shí)現(xiàn)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定控制和故障下并網(wǎng)運(yùn)行。同時(shí)，由于轉(zhuǎn)子電流得到 很好抑制，定子電流，定子有功、無(wú)功功率以及電磁轉(zhuǎn)矩在電網(wǎng)對(duì)稱跌落故障時(shí)產(chǎn)生的振蕩 也得到相應(yīng)的改善。


圖1為英國(guó)國(guó)家電網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)故障時(shí)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行的電壓范圍要求。圖2為電網(wǎng)故障下雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流控制原理圖。圖3為本發(fā)明中I3R控制器原理圖。圖4為定子電壓80%三相對(duì)稱跌落故障下采用傳統(tǒng)矢量控制方法的效果圖， 圖中(a)為定子三相電壓Usabe(KA) ； (b)為轉(zhuǎn)子三相電流iMb。(KA) ； (c)為定子三相電 流isab。(KA) ； (d)為電機(jī)轉(zhuǎn)速n(r/min) ； (e)為電磁轉(zhuǎn)矩Te(KN · m) ； (f)為定子有功功率 Ps(MW) ； (g)為定子無(wú)功功率Qs(MVar)。圖5為定子電壓80%三相對(duì)稱跌落故障下采用本發(fā)明控制方法的效果圖，圖 中(a)為定子三相電壓Usabe(KA) ； (b)為轉(zhuǎn)子三相電流iMb。(KA) ； (c)為定子三相電流 Isabc(KA) ； (d)為電機(jī)轉(zhuǎn)速n(r/min) ； (e)為電磁轉(zhuǎn)矩Te (KN · m) ； (f)為定子有功功率 Ps(MW) ； (g)為定子無(wú)功功率Qs(MVar)。圖6為定子電壓80%兩相對(duì)地跌落故障下采用傳統(tǒng)矢量控制方法的效果圖， 圖中(a)為定子三相電壓Usabe(KA) ； (b)為轉(zhuǎn)子三相電流iMb。(KA) ； (c)為定子三相電 流isab。(KA) ； (d)為電機(jī)轉(zhuǎn)速n(r/min) ； (e)為電磁轉(zhuǎn)矩Te(KN · m) ； (f)為定子有功功率 Ps(MW) ； (g)為定子無(wú)功功率Qs(MVar)。圖7為定子電壓80%兩相對(duì)地跌落故障下采用本發(fā)明控制方法的效果圖，圖 中(a)為定子三相電壓Usabe(KA) ； (b)為轉(zhuǎn)子三相電流iMb。(KA) ； (c)為定子三相電流
4Isabc(KA) ； (d)為電機(jī)轉(zhuǎn)速n(r/min) ； (e)為電磁轉(zhuǎn)矩Te (KN · m) ； (f)為定子有功功率 Ps(MW) ； (g)為定子無(wú)功功率Qs(MVar)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。電網(wǎng)故障一般分為對(duì)稱故障和不對(duì)稱故障，對(duì)稱故障一般是由電網(wǎng)三相對(duì)地短路 引起，不對(duì)稱故障分為單相對(duì)地短路故障、二相對(duì)地短路故障和相間短路故障。電網(wǎng)故障會(huì) 造成的發(fā)電機(jī)定子電壓的跌落，定子電壓的變化將引起發(fā)電機(jī)定子磁鏈發(fā)生改變。正常情 況下發(fā)電機(jī)定子電壓方程可表示為空間矢量形式
權(quán)利要求
一種電網(wǎng)故障下雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流控制方法，其特征在于包括以下步驟(1)檢測(cè)三相定子電壓，三相轉(zhuǎn)子電流和轉(zhuǎn)子位置角并計(jì)算旋轉(zhuǎn)角速度；(2)將檢測(cè)到的三相定子電壓和三相轉(zhuǎn)子電流經(jīng)3/2變換模塊得到兩相靜止坐標(biāo)系下的定子電壓和轉(zhuǎn)子電流；(3)將定子兩相靜止坐標(biāo)系下的定子電壓信號(hào)經(jīng)軟件鎖相環(huán)，得到定子磁鏈位置角；根據(jù)步驟(1)得到的轉(zhuǎn)子位置角計(jì)算滑差角度，對(duì)滑差角度微分得到滑差角速度；將定子磁鏈位置角與轉(zhuǎn)子位置角求和后進(jìn)行微分得到磁鏈角速度與轉(zhuǎn)子角速度之和；(4)將旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下d、q軸轉(zhuǎn)子電流參考值以滑差角度為變換角進(jìn)行反Park變換，得到轉(zhuǎn)子兩相靜止坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子電流給定值；(5)將步驟(4)中計(jì)算得到的轉(zhuǎn)子兩相靜止坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子電流給定值分別與步驟(2)所計(jì)算得到的兩相靜止坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子電流相減，然后經(jīng)過(guò)比例諧振控制器計(jì)算得到兩相靜止坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子電壓的參考值；(6)將步驟(5)得到的兩相靜止坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)空間矢量脈寬調(diào)制后，產(chǎn)生控制功率器件的開(kāi)關(guān)信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電網(wǎng)故障下雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流控制方法，其特征在于 步驟(5)中所述的比例諧振控制器的傳遞函數(shù)為下式，其中的頻率ω。、ωε1> 。2分別設(shè)置 為滑差角速度、轉(zhuǎn)子角速度和轉(zhuǎn)子角速度與同步角速度之和
全文摘要
本發(fā)明屬于風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率變換裝置控制領(lǐng)域，涉及一種電網(wǎng)故障下雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流控制方法，該方法包括將檢測(cè)到的三相定子電壓和三相轉(zhuǎn)子電流經(jīng)3/2變換模塊得到兩相靜止坐標(biāo)系下的定子電壓和轉(zhuǎn)子電流；計(jì)算定子磁鏈及位置角；計(jì)算滑差角度和滑差角速度；將定子磁鏈位置角與轉(zhuǎn)子位置角求和后進(jìn)行微分得到磁鏈角速度與轉(zhuǎn)子角速度之和；計(jì)算轉(zhuǎn)子兩相靜止坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子電流給定值；將轉(zhuǎn)子兩相靜止坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子電流給定值分別與兩相靜止坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子電流相減，然后經(jīng)過(guò)PR控制器計(jì)算得到兩相靜止坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子電壓的參考值；生成控制功率器件的開(kāi)關(guān)信號(hào)。本發(fā)明可以有效抑制電網(wǎng)故障引起的DFIG轉(zhuǎn)子電流振蕩，實(shí)現(xiàn)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的不脫網(wǎng)運(yùn)行，提高DFIG在電網(wǎng)故障下的運(yùn)行性能。
文檔編號(hào)H02J3/38GK101986552SQ20101052447
公開(kāi)日2011年3月16日 申請(qǐng)日期2010年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月28日
發(fā)明者史婷娜, 夏長(zhǎng)亮, 王萌, 陳煒 申請(qǐng)人:天津大學(xué)