專利名稱：一種雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩消抖方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩消抖方法，適用于電網(wǎng)電壓不平衡及諧波畸變條件下雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的故障穿越(不間斷)運(yùn)行控制。
背景技術(shù)：
隨著全球性能源危機(jī)、環(huán)境污染以及氣候變化等問題的日益加劇，以風(fēng)能為主要代表的可再生能源的開發(fā)利用引起了世界各國廣泛關(guān)注。我國風(fēng)能資源十分豐富，截止2011年底，我國累積裝機(jī)容量已突破6270萬千瓦時(shí)，躍居世界第一，預(yù)計(jì)到2020年，我國累積裝機(jī)容量有望達(dá)到I. 5億至2億千瓦時(shí)。這對于緩解我國能源供需矛盾、降低二氧化碳排放強(qiáng)度、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有重要現(xiàn)實(shí)意義。雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(doubly-fedinduction generators, DFIGs),由于具有勵(lì)磁變頻器容量小、噪聲低、損耗小以及可實(shí)現(xiàn)功率解耦控制等優(yōu)點(diǎn)，在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中得以廣泛應(yīng)用。但由于DFIG定子繞組直接接網(wǎng)，致使其抗電網(wǎng)擾動(dòng)能力非常有限，易產(chǎn)生自身保護(hù)動(dòng)作與電網(wǎng)安全運(yùn)行要求之間的矛盾。為此，2011年12月正式頒布的《風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》(俗稱“新國標(biāo)”)對并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組的故障穿越運(yùn)行(Fault-ride-through,FRT)能力提出了明確要求。有文獻(xiàn)研究表明，當(dāng)電網(wǎng)電壓不平衡或諧波畸變等故障時(shí)，DFIG電磁轉(zhuǎn)矩將產(chǎn)生不同程度的抖動(dòng)，極易造成風(fēng)電機(jī)組軸系系統(tǒng)特別是齒輪箱等部件的損壞。因此，當(dāng)電網(wǎng)電壓出現(xiàn)不平衡、諧波畸變，抑或兩種故障共存時(shí)，如何抑制雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的抖動(dòng)就成為機(jī)組實(shí)現(xiàn)DFIG風(fēng)電機(jī)組故障穿越(不間斷)運(yùn)行的前提和關(guān)鍵。關(guān)于電網(wǎng)電壓不平衡或諧波畸變條件下DFIG風(fēng)電機(jī)組的改進(jìn)控制方案，檢索到具有代表性的相關(guān)文獻(xiàn)有
[1]J.Hu, Y. He, L. Xu and B. ff. Williams. Improved control of DFIG systemsduring network unbalance using PI-R current regulators. IEEE Trans. Ind.Electron. , vol. 56, no. 2, pp. 439-459，F(xiàn)eb. 2009.
[2]徐海亮，胡家兵，賀益康，電網(wǎng)諧波條件下雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的建模與控制[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2011，35 (11) : 20-26.
針對電網(wǎng)電壓不平衡條件下DFIG風(fēng)電機(jī)組的增強(qiáng)運(yùn)行能力控制，文獻(xiàn)[I]給出了包含DFIG網(wǎng)側(cè)、轉(zhuǎn)子側(cè)變流器在內(nèi)的完整數(shù)學(xué)模型，并提出了改進(jìn)的矢量控制策略，實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)不平衡時(shí)轉(zhuǎn)子電流正、負(fù)序分量的有效調(diào)節(jié)，解決了電網(wǎng)電壓三相不平衡對DFIG運(yùn)行的負(fù)面影響；文獻(xiàn)[2]則針對電網(wǎng)電壓諧波畸變的運(yùn)行工況，建立了同時(shí)計(jì)及5次、7次電壓諧波在內(nèi)的DFIG數(shù)學(xué)模型，提出了四個(gè)可供選擇的控制目標(biāo)，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了改進(jìn)控制方案的有效性。然而，遺憾的是，文獻(xiàn)[1，2]所提出的改進(jìn)控制方案只適用于單一電網(wǎng)故障存在的情況，并未對電網(wǎng)電壓不平衡且諧波畸變的復(fù)雜電網(wǎng)條件進(jìn)行完整考慮并提出相應(yīng)控制策略。實(shí)際上，由于并網(wǎng)逆變器、有源濾波器和靜止無功補(bǔ)償器等電力電子裝置的廣泛應(yīng)用，特別是近年來伴隨我國高速電氣化鐵路的發(fā)展，輸電線和分布式電網(wǎng)中電壓不平衡和諧波畸變共存的可能性會(huì)更大。因此，綜合研究電網(wǎng)電壓不平衡且諧波畸變這一廣義非理想電網(wǎng)條件下DFIG轉(zhuǎn)矩波動(dòng)抑制(消抖)方法，對于提高并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組的故障適應(yīng)能力，具有更為普遍的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種電網(wǎng)電壓不平衡且諧波畸變時(shí)雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩消抖方法，包含以下步驟
1.分別利用一組(三個(gè))電壓霍爾傳感器采集三相定子電壓信號(hào)Rab。、一組(三個(gè))電流霍爾傳感器采集三相定子電流信號(hào)Jsab。、一組(三個(gè))電流霍爾傳感器采集三相轉(zhuǎn)子電流信號(hào)Zrabe,采用光碼盤采集DFIG轉(zhuǎn)子位置信號(hào)e r和轉(zhuǎn)速信號(hào)ω r ；
2.將采集到的三相定子電壓信號(hào)^sabe和三相定、轉(zhuǎn)子電流信號(hào)/sab。、Zrabc經(jīng)靜止三相/兩相坐標(biāo)變換，得到靜止坐標(biāo)系中包含諧波及正、負(fù)序分量的電壓綜合矢量Rae和電流綜合矢量/s a e ;
3.步驟2將得到的定子電壓、電流綜合矢量，即i/sae、Jsae送入磁鏈計(jì)算模塊，可得到正定子磁鏈綜合矢量Ψ
4.將步驟3得到的定子磁鏈綜合矢量^sae送入傳統(tǒng)數(shù)字鎖相環(huán)，即PLL，可獲得電網(wǎng)角度和角速度信號(hào)，即^和《1;
5.將步驟3得到的定子磁鏈綜合矢量^sae送入相序分離模塊，分別提取出正轉(zhuǎn)同步速、反轉(zhuǎn)同步速、反轉(zhuǎn)5倍速、和正傳7倍速坐標(biāo)系下定子磁鏈的基波正序分量、負(fù)序分量和
諧波分量，即與％+，■■和辦;本發(fā)明所提出的相序分離模塊具體實(shí)施步驟如
下
5.I將定子磁鏈綜合矢量Vsa9首先送入截止頻率為150Hz的巴特沃茲低通濾波器，以濾除5次、7次諧波分量，之后將濾波后的信號(hào)進(jìn)行正轉(zhuǎn)同步坐標(biāo)變換，得到包含負(fù)序分量在內(nèi)的基波磁鏈?zhǔn)噶浚瑢⒃摶ù沛準(zhǔn)噶客ㄟ^截止頻率為IOOHz的陷波器，可直接獲得
基波正序磁鏈?zhǔn)噶?，即?詠;將陷波器注入前后的信號(hào)進(jìn)行減法運(yùn)算，可獲得基波負(fù)序磁鏈?zhǔn)噶?，?
5.2將定子磁鏈綜合矢量Ψ一先后送入截止頻率分別為350Hz、250Hz的陷波器，將輸入兩個(gè)陷波器前后的信號(hào)進(jìn)行減法運(yùn)算，可分別得到靜止(α βΓ坐標(biāo)系下5次、7次諧
波分量，即和;將和Ψ·分別轉(zhuǎn)換至對應(yīng)旋轉(zhuǎn)速坐標(biāo)系，可獲得對應(yīng)直流形式的諧波磁鏈?zhǔn)噶?，?lt;5_和@7+ ;
6.將步驟5所獲得的定子磁鏈的基波正序分量、負(fù)序分量和諧波分量，即(一
，<5-和￥^7+送入?yún)⒖贾噶钣?jì)算模塊，獲得正轉(zhuǎn)同步速(dq) +坐標(biāo)系下包含負(fù)序和諧波成
分在內(nèi)的轉(zhuǎn)子參考電流指令;本發(fā)明所述的參考指令計(jì)算模塊，具體實(shí)施步驟如下
6.I計(jì)算基波正序、負(fù)序以及5次、7次諧波分量的電流指令，即令轉(zhuǎn)子負(fù)序及諧波電流指令為
權(quán)利要求
1.一種雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩消抖方法，其特征在于，該方法包括以下步驟 (1)分別利用一組(三個(gè))電壓霍爾傳感器采集三相定子電壓信號(hào)Rab。、一組(三個(gè))電流霍爾傳感器采集三相定子電流信號(hào)Jsab。、一組(三個(gè))電流霍爾傳感器采集三相轉(zhuǎn)子電流信號(hào)/Mb。，利用光碼盤采集DFIG轉(zhuǎn)子位置信號(hào)e r和轉(zhuǎn)速信號(hào)ω r ； (2)將采集到的三相定子電壓信號(hào)Vsabe和三相定、轉(zhuǎn)子電流信號(hào)/sab。、/^。經(jīng)靜止三相/兩相坐標(biāo)變換，得到靜止(α βΓ坐標(biāo)系中包含諧波及正、負(fù)序分量的定子電壓綜合矢量Vsae、定子電流綜合矢量/sae和轉(zhuǎn)子電流綜合矢量Zrae ; (3)將步驟(2)得到的定子電壓綜合矢量Rae和定子電流綜合矢量Jsa e送入磁鏈計(jì)算模塊，可得到正定子磁鏈綜合矢量^sae ; (4)將步驟(3)得到的定子磁鏈綜合矢量^sae送入數(shù)字鎖相環(huán)PLL，可獲得電網(wǎng)角度 和角速度信號(hào)％ ; (5)將步驟(3)得到的定子磁鏈綜合矢量^sae送入相序分離模塊，分別提取出正轉(zhuǎn)同步速坐標(biāo)系下定子磁鏈的基波正序分量￥( +、反轉(zhuǎn)同步速坐標(biāo)系下定子磁鏈的基波負(fù)序分量、反轉(zhuǎn)5倍速坐標(biāo)系下定子磁鏈的5次諧波分量和正傳7倍速坐標(biāo)系下定子磁鏈的7次諧波分量; (6)將步驟(5)所獲得的^和送入轉(zhuǎn)子參考電流指令計(jì)算模塊，獲得正轉(zhuǎn)同步速(dq)+坐標(biāo)系下包含負(fù)序和諧波成分在內(nèi)的轉(zhuǎn)子參考電流指令/^；； (7)將步驟(2)獲得的靜止(αβΓ坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子電流綜合矢量乙ae進(jìn)行旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，得到滑差速坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子電流矢量; (8)將步驟(6)得到的轉(zhuǎn)子參考電流指令和步驟(7)得到的轉(zhuǎn)子電流矢量‘的差值送入電流控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)； (9)根據(jù)步驟(6)得到的轉(zhuǎn)子參考電流指令和步驟(7)得到的轉(zhuǎn)子電流矢量I;計(jì)算轉(zhuǎn)子電壓參考矢量； (10)將轉(zhuǎn)子電壓參考矢量通過旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，獲得空間矢量調(diào)制模塊所需的兩相轉(zhuǎn)子(α βΓ參考坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子側(cè)變換器輸出參考電壓矢量; (11)將兩相轉(zhuǎn)子(αβΓ坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子側(cè)變換器輸出參考電壓矢量經(jīng)過空間矢量調(diào)制模塊調(diào)制，即可獲得控制DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)變流器所需的開關(guān)信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩消抖方法，其特征在于，所述步驟(5)包括以下子步驟 (5. I)將定子磁鏈綜合矢量^sae首先送入截止頻率為150Hz的巴特沃茲低通濾波器，以濾除5次、7次諧波分量，之后將濾波后的信號(hào)進(jìn)行正轉(zhuǎn)同步坐標(biāo)變換，得到包含負(fù)序分量在內(nèi)的基波磁鏈?zhǔn)噶?，將該基波磁鏈?zhǔn)噶客ㄟ^截止頻率為IOOHz的陷波器，可直接獲得基波正序磁鏈?zhǔn)噶?將陷波器注入前后的信號(hào)進(jìn)行減法運(yùn)算，可獲得基波負(fù)序磁鏈?zhǔn)噶縼朖-;(5. 2)將定子磁鏈綜合矢量Ψ一先后送入截止頻率分別為350Hz、250Hz的陷波器，將輸入兩個(gè)陷波器前后的信號(hào)進(jìn)行減法運(yùn)算，可分別得到靜止(α βΓ坐標(biāo)系下5次諧波分量Ψ_-和7次諧波分量Ψ·;將轉(zhuǎn)換至反轉(zhuǎn)5倍速旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，將轉(zhuǎn)換至正轉(zhuǎn)7倍速旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，可獲得對應(yīng)直流形式的5次諧波磁鏈?zhǔn)噶康腎...和7次諧波磁鏈?zhǔn)噶?br> 3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩消抖方法，其特征在于，所述步驟(6)包括如下子步驟 (6. I)計(jì)算轉(zhuǎn)子電流參考指令的基波正序、負(fù)序以及5次、7次諧波分量，即令轉(zhuǎn)子負(fù)序及諧波電流指令為
4.而基波正序轉(zhuǎn)子電流指令則設(shè)定為
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩消抖方法，其特征在于，步驟(8)所述的電流控制器由一個(gè)傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器加上兩個(gè)諧振頻率分別為2倍、6倍電網(wǎng)頻率的諧振調(diào)節(jié)器組合而成，其傳遞函數(shù)為
全文摘要
本發(fā)明公開的一種雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩消抖方法，應(yīng)用本發(fā)明，正轉(zhuǎn)同步速坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子參考電流指令中不僅含有平均有功、無功電流指令，同時(shí)還包含負(fù)序及5次、7次諧波電流分量，本發(fā)明中電流控制器能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)對直流分量和2倍頻、6倍頻交流分量的準(zhǔn)確、快速調(diào)節(jié)，可在電網(wǎng)電壓發(fā)生不平衡或諧波畸變故障，特別是兩種電網(wǎng)故障共存時(shí)，有效抑制發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的2倍頻、6倍頻抖動(dòng)，從而確保機(jī)組齒輪箱、軸承等部件的安全可靠運(yùn)行，進(jìn)而提高雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的故障穿越運(yùn)行能力。
文檔編號(hào)H02P21/14GK102624321SQ20121007418
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月20日
發(fā)明者徐海亮, 章瑋, 胡家兵, 賀益康 申請人:浙江大學(xué)