電網故障下雙饋風力發電機轉子磁鏈預測控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于雙饋風力發電機運行控制技術領域，具體涉及一種在電網電壓驟降故 障時雙饋風力發電機轉子磁鏈預測控制方法。
【背景技術】
[0002] 我國風能資源豐富，風能理論儲量在40億kW以上，理論技術可開發量約為6 億-10億kw，無論是從保障能源安全、優化能源結構，還是從節能減排、應對氣候變化的環 保來考慮，我國都離不開以風力發電為主的可再生能源的補充和發展。作為主流機型的雙 饋風力發電機，定子直接掛接電網，轉子通過三相交一直一交變換器實現交流勵磁，電功率 可以通過定子、轉子雙通道與電網實現交換。
[0003] 由于雙饋風力發電機的勵磁變換器容量小，對整個DFIG的控制能力弱，使得雙饋 風力發電機的變換器的控制策略顯得十分重要，特別是當電網電壓發生故障時的運行控制 尤為關鍵，值得深入研宄。在電網發生故障時，目前部分文獻研宄了基于撬棒保護控制策 略，為了抑制電網電壓跌落引起的雙饋風力發電機轉子側過電流，撬棒電路被用來將雙饋 電機轉子側繞組短路，該短接回路為轉子沖擊電流提供一條通路，適當選擇電阻值可以限 制轉子回路的最大電流，撬棒動作時雙饋電機自動從系統中脫離。此種方法增加了硬件成 本，故障時從電網吸收大量的無功功率，影響電網的穩定性，對電網的暫態電磁沖擊和風力 機的機械沖擊均很嚴重。另外還有部分文獻報道了電網故障條件下雙饋風力發電機直接功 率預測控制與svpwm控制相結合，此種控制方法將功率的參考值與測得的功率實際值作比 較，然后將功率誤差經過PI調節器控制，輸出兩相同步旋轉坐標系下的轉子電壓，再經過 坐標轉換，得到定子參考兩相靜止坐標系下的轉子電壓，最后經過svpwm控制模塊，進行定 頻控制。此種方法電壓矢量的選擇是根據一個預先定義的開關表，在一個周期內按照一定 規律進行開關動作，因此在每一個時刻選擇的電壓矢量未必是最優的電壓矢量，當然開關 的控制也未必是最優的。因此有必要一種保證開關的控制在每一時刻達到最優的控制方 法，并且當故障發生時，有更高的采樣頻率和更快的響應速度。轉子磁鏈預測控制是一種 非線性控制技術，不包含線性控制器和調制器，有比較快的響應速度，算法采用多種求解尋 優，直接輸出開關控制量，根據數學模型對控制對象下一時刻的運行狀態進行預測。通過定 義價值函數，對7個不同電壓矢量作用下的預測的轉子磁鏈進行實時評估，并選擇出最優 的電壓矢量作為控制器輸出。算法能夠在每個采樣周期預測到最優的開關狀態作為控制器 的輸出，系統有較高的采樣頻率和更快的故障響應速度，故障狀態下可以控制轉子電流在 1. 5-1. 6倍額定電流以內，電磁轉矩波動較小。

【發明內容】

[0004] 本發明的目的在于提供了一種電網故障下雙饋風力發電機轉子磁鏈預測控制方 法，該控制方法主要針對轉子側變換器的不定頻控制，與電網穩態運行時相比有更高的采 樣頻率和更快的響應速度，并且控制精度也相應提高。通過當前時刻的轉子磁鏈對下一時 刻的轉子磁鏈進行預測，直接選取使價值函數最優的電壓矢量所對應的開關量，在故障狀 態下，使轉子電流控制在1. 5-1. 6倍額定值以內，使電磁轉矩波動較小，減小對機組的沖 擊，同時保證對輸出有功功率和無功功率的控制。
[0005] 本發明為實現上述目的采用如下技術方案，電網故障下雙饋風力發電機轉子磁鏈 預測控制方法，其特征在于包括以下步驟： (1) 、當電網發生故障時，控制系統從定頻控制轉為高頻下的不定頻控制，系統控制頻 率提高為原矢量控制的10倍，采集定子三相電流iS3、isA、i:，經過坐標轉換得到定子參考兩 相靜止坐標系下的定子兩相電流is(?、is/;;采集轉子三相電流i"、irt、，經過坐標轉換得 到定子參考兩相靜止坐標系下的轉子兩相電流i。、id; (2) 、將檢測到的轉子角速度義進行離散積分運算得到 (3) 、將定子參考兩相靜止坐標系下的定子兩相電流is(7、is/;，轉子兩相電流ip、4#， 定子自感A3，轉子自感4?和定轉子間互感4進行定子磁鏈和轉子磁鏈計算得到定子磁鏈 a、/?軸分量ws(7、Wsj6和轉子磁鏈a、/?軸分量Wp、
，為轉子磁鏈a、0軸的給定值，WM/;為定子磁鏈a、0軸的實際值，為定子 參考兩相靜止坐標系下的轉子電流額定值，在故障期間W/變換自適應改變，實現對轉 子磁鏈的實時最優控制； (5) 、雙饋風力發電機轉子側變換器電壓在兩相定子參考靜止坐標系下的電壓公式表
(6) 、對雙饋風力發電機轉子側變換器的電壓公式進行離散化得到轉子磁鏈預測模型：
(7) 、評估雙饋風力發電機轉子磁鏈的價值函數如下式所示： ]2+[Wr/(k)_Wr/；i(k)]2,式中，Wr/(k)、Wr/(k)分別為a、軸轉子磁鏈的給定值， 屮w(k)、Ww(k)為不同電壓矢量作用下預測到的磁鏈值，下標i=l，2,…，7; (8)、通過轉子磁鏈預測模型對k+1時刻不同電壓矢量作用下的轉子磁鏈動態行為進 行預測，將預測的結果通過價值函數進行評估和優化，并選擇最優的開關狀態作為下一時 刻開關的控制信號。
[0006] 目前的控制方法中，當電網電壓發生單相跌落或者三相對稱跌落60%以及更嚴重 的故障時，轉子電流一般控制在2倍額定電流左右。本發明采用轉子磁鏈自適應控制實現 轉子磁鏈弱磁最優控制；同時采用轉子磁鏈快速預測方法，在提高控制系統響應速度的同 時，避免了大擾動下控制器的飽和問題；在故障期間通過采用提高10倍控制頻率的高頻不 定頻控制方法，進一步縮短了對故障的響應時間，同時所有變量基于定子參考兩相靜止坐 標系，不需要復雜的坐標變換，在故障瞬間可以快速有效地控制轉子電流在1. 5-1. 6倍額 定電流以內。
【附圖說明】
[0007] 圖1為兩相定子f靜止坐標系、兩相轉子速義旋轉^坐標系、兩相同步 速％旋轉(6/ 7坐標系； 圖2為控制結構框圖； 圖3為電網電壓發生三相對稱跌落60%故障時轉子磁鏈預測控制的運行結果圖； 圖4為電網電壓發生單相跌落60%故障時轉子磁鏈預測控制的運行結果圖； 具體實施方法 下面結合附圖對本發明做進一步說明。圖1為兩相定子〃 靜止坐標系、兩相轉子 速義旋轉坐標系、兩相同步速％旋轉J坐標系。本發明的控制方法基于定子參 考兩相靜止坐標系，定子側和轉子側變量，經過坐標轉換，得到兩相定子靜止〃P坐標系 下的變量。
[0008] 雙饋風力發電機網側變換器在定子參考兩相靜止坐標系下的磁鏈方程如下所示： ^S〇=44,+44a⑴ 句s P=LJse+LJre(2) 式中：ws(7、Wsj6分別定子參考兩相靜止坐標系下的定子磁鏈；zs、4分別表示定子自 感以及定轉子之間的互感；is(?、is/；分別表示定子參考兩相靜止坐標系下的定子電流；ip 、id分別表示定子參考兩相靜止坐標系下的轉子電流。
[0009] 雙饋風力發電機轉子側變換器在定子參考兩相靜止坐標系下的磁鏈方程和電壓 方程如下所示： ^TP=LmIsP+LJrP(4)
式中：Wp、分別表示定子參考兩相靜止坐標系下的轉子磁鏈；4表示轉子自感； 分別表示定子參考兩相靜止坐標系下的轉子電壓；A表示轉子電阻；義表示發電 機轉子角速度。
[0010]對式（5)、（6)進行離散化，可得：
式中：rs表示采樣周期；Wp(k+i)、Wu(k+i)分別表示k+i時刻在定子參考兩相靜止 坐標系下的轉子磁鏈。
[0011] 定義評估雙饋風力發電機轉子磁鏈的價