一种新型机侧和网侧控制器的无刷双馈发电机控制技术

1.本发明涉及一种无刷双馈发电机(brushless doubly-fed generator，bdfg)的控制方法，尤其涉及直接转矩控制系统转矩脉动大，电网电压跌落时，一种机侧双比较器转矩控制器与网侧直接功率控制器的无刷双馈发电机控制方法。


背景技术：

2.近年来，风能作为一种高效可再生的清洁能源受到普遍重视，无刷双馈电机既可以应用于风力发电系统，也可以应用于风机调速系统，具有成为下一代风力电机的潜力。高性能的控制系统是无刷双馈电机在实际工业当中得到应用的关键问题之一。机侧传统的直接转矩控制采用滞环比较器，存在转矩脉动大，开关频率不固定等问题。网侧直接与电网相连，对外部干扰较为敏感，尤其在电网电压跌落时，无功功率存在纹波，直流母线电压出现较大波动。


技术实现要素：

3.针对传统直接转矩控制控制策略存在的转矩脉动大和对外部干扰比较敏感等问题，提出一种新型机侧和网侧控制器的无刷双馈发电机控制技术。
4.为了达到上述目的，本发明解决技术问题采取的技术方案是：一种新型机侧和网侧控制器的无刷双馈风力发电系统控制策略，包括下列步骤：(1)机侧双比较器转矩控制器设计以功率绕组定子磁链、控制绕组定子磁链和转子磁链作为状态，功率绕组定子电压和控制绕组定子电压作为输入，bdfg静止坐标系状态空间模型，其中其中p
p
和pc分别功率绕组和控制绕组的极对数，r表示电阻，l表示电感，ψ表示磁链，u表示电压，下标p表示功率绕组，下标c表示控制绕组，下标m表示互感，下标s表示定子，下标r表示转子，上标αβ表示静止坐标系。bdfg的电磁转矩为：其中te表示电磁转矩，im表示虚部，上标“*”表示共轭运算。
对于bdfg来说，一般情况下转差比较大，因此转子阻抗远远小于转子感抗，因此根据式(1)可以看出，转子磁链ψ
′
很小可以忽略，此时bdfg的电磁转矩式(2)变为下式：将电磁转矩方程(式(3))离散化，根据bdfg的状态空间方程式(1)，功率绕组的定子磁链和控制绕组的定子磁链的离散形式表示为：离散形式表示为：其中k表示k时刻，δt表示一个采样周期。将式(5)和式(6)代入离散的电磁转矩方程式(4)中，忽略其中的δt2项，得到转矩的变化率方程为，根据推导的转矩变化率方程(式(7))设计一种新的转矩控制器，称为双比较器转矩控制器(double comparator torque controller，dctc)，dctc由一个pi控制器、两个恒频率的三角波发生器和两个比较器组成，其中两个三角波的波形相差180
°
。在控制原理上，所提出的dctc的输出与转矩滞环控制器的输出相同，但具有恒定的开关频率。双比较器转矩控制器的输出t
out
为：根据bdfg静止坐标系状态空间模型，推导电磁转矩te并将其离散化，再分别将功率与控制绕组的定子磁链离散化表示，得到与代入电磁转矩方程中求得在此基础上设计双比较器转矩控制器，经过svpwm输出控制信号给机侧变换器。dctc的输出会实时随着转矩的变化发生改变，从而实时改变选择的电压矢量，可以减小转矩脉动。(2)网侧直接功率控制器设计电网电压方程在静止坐标系下可以表示为：
电网有功瞬时功率和无功瞬时功率可以表示为：根据方程(9)和(10)可以得到电网瞬时有功和无功功率的导数为：根据在静止坐标系下的电网电压u
gα
与u
gβ
、有功瞬时功率pg与无功瞬时功率q
gβ
，推导其导数与根据功率导数方程得到控制绕组定子磁链在不同扇区时基本电压矢量作用下，bdfg运行在不同工况时的有功功率和无功功率的导数曲线，以导数曲线图的形式分析在不同电压矢量作用下对有功功率和无功功率的影响，并以此作为选择适当电压矢量和建立功率控制电压矢量开关表的依据。(3)在电网电压跌落时能够精确控制bdfg的有功和无功功率，抑制母线电压波动，提升bdfg的控制性能。(4)所述的机侧双比较器转矩控制器的输出会实时随着转矩的变化发生改变，从而实时改变选择的电压矢量，减小转矩脉动。网侧直接功率控制器，通过对瞬时功率的推导，建立直接功率控制电压矢量开关表，可以实现有功和无功功率的灵活控制，进一步提高了系统可靠性，并且在电网电压跌落和外界干扰下可以得到良好的控制性能。本发明中，步骤(1)所述的机侧双比较器转矩控制器，可以实时改变电压矢量，减小无刷双馈发电机的转矩脉动，步骤(2)所述的网侧直接功率控制器，可以合理分配有功功率与无功功率，使得在电网电压跌落和外界干扰下获得良好的控制性能，提高控制系统的可靠性和稳定性。
5.本发明提供的一种新型机侧和网侧控制器的的无刷双馈发电机控制技术，机侧由两个三相两电平电压型背靠背pwm变换器、机侧控制器、网侧控制器和无刷双馈电机连接组成，其中机侧控制器采用双比较器转矩控制，网侧控制器采用直接功率控制，使无刷双馈风力发电系统更加稳定可靠运行。
附图说明
6.图1：无刷双馈风力发电系统机组图图2：双比较器转矩控制器原理图图3：无刷双馈风力发电系统机侧控制器-双比较器直接转矩控制系统原理图图4：无刷双馈风力发电系统网侧控制器-直接功率控制系统原理图
具体实施方式
7.下面结合附图和实施例对本发明的一种新型机侧和网侧控制器的的无刷双馈发电机控制技术进一步的详细说明。
8.图1为无刷双馈风力发电系统机组图，机侧控制器和网侧控制器分别发出信号给机侧变换器和网侧变换器中的功率器件，通过功率器件的开通和关断实现无刷双馈风力发电系统的控制。图2所示为双比较器转矩控制器原理图，由一个pi控制器、两个恒频率的三角波发生器和两个比较器组成，其中两个三角波的波形相差180
°
。在控制原理上，其输出与转矩滞环控制器的输出相同，但具有恒定的开关频率。图3所示为机侧双比较器直接转矩控制系统原理图，将检测到的功率绕组三相定子电压和电流，控制绕组三相定子电流，根据开关信号重构得到的控制绕组三相定子电压，经过磁链与转矩观测器得到te与ψ
cs
，将磁链和转矩的观测值和给定值的偏差作为磁链滞环比较器与dctc控制器的输入，根据控制器的输出和相应磁链的位置，选择合适的电压矢量，外环采用转速环。图4所示为网侧直接功率控制系统原理图，将检测到的功率绕组三相定子电压和电流，经过功率观测器得到有功和无功功率，将有功和无功功率的观测值和给定值的偏差作为滞环比较器的输入，根据比较器的输出，选择合适的电压矢量，外环采用直流母线电压环。
9.结合图3和图4叙述本发明的新型机侧和网侧控制器的的无刷双馈发电机控制技术，包括下列步骤：(1)机侧双比较器转矩控制器设计以功率绕组定子磁链、控制绕组定子磁链和转子磁链作为状态，功率绕组定子电压和控制绕组定子电压作为输入，bdfg静止坐标系状态空间模型，其中其中p
p
和pc分别功率绕组和控制绕组的极对数，r表示电阻，l表示电感，ψ表示磁链，u表示电压，下标p表示功率绕组，下标c表示控制绕组，下标m表示互感，下标s表示定子，下标r表示转子，上标αβ表示静止坐标系。bdfg的电磁转矩为：其中te表示电磁转矩，im表示虚部，上标“*”表示共轭运算。对于bdfg来说，一般情况下转差比较大，因此转子阻抗远远小于转子感抗，因此根据式(1)可以看出，转子磁链ψ
′
很小可以忽略，此时bdfg的电磁转矩式(2)变为下式：
将电磁转矩方程(式(3))离散化，根据bdfg的状态空间方程式(1)，功率绕组的定子磁链和控制绕组的定子磁链的离散形式表示为：离散形式表示为：其中k表示k时刻，δt表示一个采样周期。将式(5)和式(6)代入离散的电磁转矩方程式(4)中，忽略其中的δt2项，得到转矩的变化率方程为，根据推导的转矩变化率方程(式(7))设计一种新的转矩控制器，称为双比较器转矩控制器(double comparator torque controller，dctc)，dctc由一个pi控制器、两个恒频率的三角波发生器和两个比较器组成，其中两个三角波的波形相差180
°
。在控制原理上，所提出的dctc的输出与转矩滞环控制器的输出相同，但具有恒定的开关频率。双比较器转矩控制器的输出t
out
为：根据bdfg静止坐标系状态空间模型，推导电磁转矩te并将其离散化，再分别将功率与控制绕组的定子磁链离散化表示，得到与代入电磁转矩方程中求得在此基础上设计双比较器转矩控制器，经过svpwm输出控制信号给机侧变换器。dctc的输出会实时随着转矩的变化发生改变，从而实时改变选择的电压矢量，可以减小转矩脉动。(2)网侧直接功率控制器设计电网电压方程在静止坐标系下可以表示为：电网有功瞬时功率和无功瞬时功率可以表示为：
根据方程(9)和(10)可以得到电网瞬时有功和无功功率的导数为：根据在静止坐标系下的电网电压u
gα
与u
gβ
、有功瞬时功率pg与无功瞬时功率q
gβ
，推导其导数与根据功率导数方程得到控制绕组定子磁链在不同扇区时基本电压矢量作用下，bdfg运行在不同工况时的有功功率和无功功率的导数曲线，以导数曲线图的形式分析在不同电压矢量作用下对有功功率和无功功率的影响，并以此作为选择适当电压矢量和建立功率控制电压矢量开关表的依据。(3)所述的机侧双比较器转矩控制器的输出会实时随着转矩的变化发生改变，从而实时改变选择的电压矢量，减小转矩脉动。网侧直接功率控制器，通过对瞬时功率的推导，建立直接功率控制电压矢量开关表可以实现有功和无功功率的灵活控制，进一步提高了系统可靠性，并且在电网电压跌落和外界干扰下可以得到良好的控制性能。