雙饋風力發電機不脫網的模型預測控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明具體涉及一種電網正常運行時的雙饋風力發電機轉子側變換器模型預測 控制以及電網電壓跌落時轉子磁鏈預測控制方法，屬于雙饋風力發電機運行控制技術領 域。
【背景技術】
[0002] 風力發電就是將風能轉化為機械能、進而轉化為電能的過程，其中風力機及其控 制系統的作用是將風能轉換為機械能，而發電機及其控制系統則是將機械能轉換為電能。 雙饋風力發電機作為風力發電的主流機型，對其控制性能的研宄至關重要，雙饋風力發電 機的主要運行目標有兩個，首先是變速恒頻前提下實現最大風能追蹤，關鍵是轉速或者有 功功率的控制，其次是雙饋風力發電機輸出無功功率的控制，以保證所并電網的運行穩定 性。
[0003] 當電網正常運行時，雙饋風力發電機矢量控制一般采用功率控制環為外環、電流 控制環為內環的雙閉環結構，通過外環功率調節器獲得轉子電流參考值，通過內環電流調 節器獲得轉子電壓參考值，兩調節器均采用PI線性控制器，此種控制方法需要復雜的坐標 變換，整個控制系統結構復雜、動態性能欠佳、對PI控制器和發電機參數依賴較大。因此 本發明采用模型預測控制，不需要PI控制器，避免了電網故障大擾動下線性控制器飽和問 題。根據價值函數選出最優的電壓矢量作用于變換器，采樣頻率高，控制結構簡單，精度高， 對有功功率和無功功率進行了控制。當電網電壓跌落時，雙饋風力發電機采用轉子磁鏈預 測控制方法，通過預測轉子磁鏈選擇出最優的電壓矢量作用于轉子側變換器，實現轉子磁 鏈與定子磁鏈的同步控制，減弱定子磁鏈對轉子磁鏈的故障沖擊，從而降低轉子故障過電 流，當電網電壓發生單相跌落90%或者三相對稱跌落70%故障時，目前大多數控制方法對故 障期間轉子電流值很難控制在其額定電流的2倍以內，電磁轉矩波動比較大，對機組的沖 擊力很大。控制系統的響應速度和控制器的控制精度直接影響故障電流的抑制效果。本發 明控制方法可以控制故障電流在1. 5-1. 6倍額定電流以內，電磁轉矩波動較小，提高了雙 饋風力發電機在故障過程中不脫網能力。

【發明內容】

[0004] 本發明的目的是提供了一種雙饋風力發電機不脫網的模型預測控制方法，當電網 電壓正常時，不需要PI控制器，避免了電網故障大擾動下線性控制器飽和問題，根據價值 函數選出最優的電壓矢量作用于變換器，采樣頻率高，控制結構簡單，精度高，對有功功率 和無功功率進行了控制。當電網電壓跌落時，對雙饋風力發電機定子磁鏈和轉子磁鏈進行 同步控制，實現對轉子磁鏈的控制，達到轉子磁鏈跟隨其給定值的目標，該方法可以控制 故障電流在1. 5-1. 6倍額定電流以內，電磁轉矩波動較小，提高了雙饋風力發電機故障運 行能力。
[0005] 本發明是通過以下技術方案實現的，當電網正常運行時，采用模型預測控制，當電 網電壓跌落時，采用轉子磁鏈預測控制。與正常運行采用的模型預測控制相比，此控制方法 從定轉子磁鏈弱磁角度進行不定頻控制，控制系統的控制頻率提高1倍，對故障響應速度 更快，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。其具 體步驟為： (1) 、當電網電壓正常運行時，采集三相定子電壓wS3、wsA、Wse，三相定子電流iS3、isA、ise， 三相轉子電流檢測轉子角速度義進行積分運算得到I; (2) 、將三相定子電壓wS3、wsA、Wse，三相定子電流iS3、isA、ise經過坐標轉換得到兩相靜止 坐標系下的兩相定子電壓和兩相定子電流is(7、is/；，由此計算出定子磁鏈空間位置 角度P1，將兩相定子電壓兩相定子電流is(7、iSje，三相轉子電流43、4、4經過坐 標轉換得到兩相同步旋轉坐標系下的定子電壓《S17，定子電流isrf、iSl7，轉子電流 (3) 、將兩相同步旋轉坐標系下的定子電流isrf、isg，轉子電流iq，定子自感Zs，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0<7軸分量$m、 W轉子磁鏈么清自分量W^
換器電壓分別由八個電壓矢量表示，其中六個^-K6為有效矢量，二個^和K7S零矢量，將 八個電壓矢量以及k時刻的變量代入離散公式中，得到k+1時刻不同電壓矢量預測下的電 流；
ir/u+i)、ir/u+i)分別為k+i時刻A清由電流的給定值，ir,u+i)、irgu+i)分別為k+i時 刻A7軸電流的預測值，選擇出使價值函數最小的電壓矢量作用于變換器； (8)、當電網電壓跌落時，設置控制系統的控制頻率提高：倍，轉子側變換器采 用轉子磁鏈預測控制，雙饋風力發電機在同步旋轉坐標系下的轉子電壓公式分別為：
為定子電流額定值，為定子磁鏈實際值，上標r表示以轉子速度％旋轉的兩相坐標系， 下標s表示定子側的變量，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，將得到的以轉子轉速％旋轉的兩相轉子坐標系下的轉子磁鏈給定值，經過坐標轉 換，得到兩相同步旋轉坐標系下的轉子磁鏈給定值；
'/U+1)、'/U+1)分別為k+1時刻A軸轉子磁鏈的給定值，屮mU+1)、'#+1)分 別為k+1時刻A軸轉子磁鏈的預測值，選擇出使價值函數最小的電壓矢量作用于變換器。
[0006] 當電網電壓發生單相跌落90%或者三相對稱跌落70%故障時，目前大多數控制方 法對故障期間轉子電流值很難控制在其額定電流的2倍以內，電磁轉矩波動比較大，對機 組的沖擊力很大。本發明通過對轉子磁鏈的實時最優控制，實現對轉子電流的抑制；同時， 當電網發生故障時，控制系統的控制頻率較正常運行時提高1倍，對故障響應速度更快，且 有效避免了電網故障大擾動下控制器飽和問題。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。
【附圖說明】
[0007] 圖1兩相同步速旋轉A坐標系中雙饋風力發電機等效電路； 圖2為電網電壓正常時控制結構圖； 圖3為電網電壓跌落時控制結構圖； 圖4為電網電壓三相對稱跌落70%故障時本發明控制方法的運行結果； 圖5為電網電壓發生單相跌落90%故障時本發明控制方法的運行結果。
[0008] 具體實施方法 下面結合附圖對本發明做進一步說明。圖1為兩相同步速旋轉坐標系中雙饋風力 發電機等效電路， 兩相同步速旋轉A7坐標系中矢量形式的雙饋風力發電機電壓方程和磁鏈方程，即

式中：Gs、G分別表不定子電壓矢量和轉子電壓矢量；疋、《分別表不定子電阻和 轉子電阻；T、IT分別表示定子電流矢量；￥7、￥7分別表示定子磁鏈矢量和轉子磁鏈 矢量；％表示同步角速度；^e-義表示轉差角速度，義表示轉子角速度；4、4和A1 分別表示定子電感、轉子電感和定轉子之間的互感。
[0009] 根據雙饋風力發電機定子磁鏈矢量的定義：
在電網電壓恒定的情況下，定子磁鏈矢量審J恒定，即=O。所以式（8 )和式 (9)可以寫為：
當同步速旋轉坐標系的遠由定向與定子磁鏈矢量Mjli時，有：
式中：分別表示定子磁鏈在兩相同步速旋轉坐標系下A^軸下的分量。
[0011] 轉子磁鏈在兩相同步速旋轉坐標系下的分量用定子磁鏈和轉子電流可以表示 為：
式中：分別表示轉子磁鏈在兩相同步速旋轉坐標系下A7軸下的分量， 分別表示兩相同步速旋轉坐標系下的定子電流軸分量；AjP 分別表示兩相同步 速旋轉坐標系下的轉子電流t/、<7軸分量。
[0012] 由式（14)、式（15)，將雙饋風力發電機轉子電壓寫成A軸分量形式為：
式中^分別為轉子電壓在兩相同步旋轉坐標系下A軸分量。
[0013] 假定采樣周期為7；，將式（16)、式（17)進行離散可得：
(19) 轉子側變換器電壓可分別由八個電壓矢量表不，其中六個為有效矢量（^-^)，二個為 零矢量K7)。將八個電壓矢量以及k時刻的變量代入離散公式中，得到k+1時刻不同電 壓矢量預測下的電流。
[0014] 評估轉子電流的價值函數如下：
式中：4/(飪1)、4/(飪1)分別為1^+1時刻么^7軸電流的給定值；4,(奸1)、4(奸1)分 別為k+1時刻A軸電流的預測值；選擇出使價值函數最小的電壓矢量作用于變換器。
[0015] 當電網電壓跌落時，雙饋風力發電機轉子側變換器采用轉子磁鏈預測控制，轉子 電壓在兩相同步速旋轉坐標系下的方程為：

將八個電壓矢量以及k時刻的變量代入離散公式中，得到k+1時刻不同電壓矢量預測 下的轉子磁鏈。
[0016] 兩相轉子轉速義旋轉的坐標系下，定子和轉子磁鏈方程可以表示為： (25) ^：=LtI：+LJ：(26) ;和石分別表示定子電流和轉子電流，屯3和^^表示定子磁鏈和轉子磁鏈，上標r表 示以轉子轉