CN104578149B - 双馈风力发电***网侧变换器预测占空比控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及双馈风力发电***网侧变换器的一种控制方法，为针对双馈风力发电***网侧变换器的结构特点与控制需求，提出一种双馈风力发电***网侧变换器预测占空比控制方法，通过电压与电流采样电路得到电网三相电压值及三相电流值，经坐标变换后分别得到两相静止坐标系下电网电压值的水平轴α轴、垂直轴β轴分量以及电流值的α、β轴分量；电压值的α、β轴分量经锁相环得到电网电压实时相角θ_s，通过占空比等效重构确定三相最优占空比d_a″、d_b″、d_c″。本发明主要应用于风力发电***网侧变换器控制。

Description

双馈风力发电***网侧变换器预测占空比控制方法

技术领域

本发明涉及双馈风力发电***网侧变换器的一种控制方法；具体讲，涉及双馈风力发电***网侧变换器预测占空比控制方法。

背景技术

双馈风力发电***的定子与电网直接联接，转子经双向功率变换器与电网连接，如图1所示。当风速发生变化时，电机转速发生变化，通过控制转子励磁电流的频率，可使定子频率恒定，实现变速恒频发电。在双馈风力发电***的运行过程中，流过转子电路的功率为转差功率，降低了变频器成本。此外，双馈变速恒频风力发电方案还能够实现有功、无功的解耦控制，可根据电网的要求输出相应的感性或容性无功，实现对电网的无功补偿，有利于电网的稳定运行。

在双馈风力发电***的运行过程中，网侧变换器和转子侧变换器相互配合，实时调节双馈发电机的运行状态。其中，网侧变换器通过维持直流母线电压的稳定，实现发电机转子与电网间有功功率的实时传输；同时，保证功率变换器良好的输入性能，避免对交流电网产生高频谐波污染。网侧变换器的传统控制策略通常采用双闭环结构，其中内环控制基于电网电压定向，采用PI控制等线性控制策略实现电流的实时调节。双馈风力发电***网侧变换器属非线性***，线性控制策略在处理相关控制问题时尚存不足，控制效果依赖于参数整定、动态响应速度慢等问题成为制约***性能提升的瓶颈，迫切需要探索新型控制方法以改善控制特性，满足不断提升的应用需求。

预测控制是指依据***模型来预测其将来的动态行为，并且根据最优性原则来选择最恰当的控制作用，其控制品质和工程实用性已在电机驱动、电力电子等领域得到充分验证。然而，该领域目前采用的预测控制方法多是以开关状态作为优化变量，功率变换器开关频率随工况的不同而实时变化，不仅增大了滤波电感的设计难度，而且对整流器的运行性能造成不利影响；此外，***的稳态控制性能通常较差，难以满足日益提升的应用需求。因此，针对双馈风力发电***网侧变换器的拓扑结构与运行特点，探讨新型预测控制策略具有重要的理论意义及工程实用价值。

发明内容

为了克服现有技术的不足，针对双馈风力发电***网侧变换器的结构特点与控制需求，提出一种双馈风力发电***网侧变换器预测占空比控制方法，其特征是，通过电压与电流采样电路得到电网三相电压值及三相电流值，经坐标变换后分别得到两相静止坐标系下电网电压值的水平轴α轴、垂直轴β轴分量以及电流值的α、β轴分量；电压值的α、β轴分量经锁相环得到电网电压实时相角θ_s，基于该相角得到两相旋转坐标系下电网电压直轴d轴、交轴q分量u_gd、u_gq以及电流值d、q轴分量i_d、i_q；根据***数学模型及电压、电流值，分别得到电压矢量V₁作用下的d、q轴电流变化率δ_d,1、δ_q,1，电压矢量V₂作用下的d、q轴电流变化率δ_d,2、δ_q,2，电压矢量V₀作用下的d、q轴电流变化率δ_d,0、δ_q,0；构建电压矢量V₁作用下d、q轴电流在一个采样周期T_s内的变化量预测值e_d,1、e_q,1与三相占空比实时值d_a、d_b、d_c的函数关系；构建电压矢量V₂作用下d、q轴电流在一个采样周期T_s内的变化量预测值e_d,2、e_q,2与三相占空比实时值d_a、d_b、d_c的函数关系；构建电压矢量V₀作用下d、q轴电流在一个采样周期T_s内的变化量预测值e_d,0、e_q,0与三相占空比实时值d_a、d_b、d_c的函数关系；基于控制误差预测值构建价值函数g；基于价值函数最小化得到三相占空比计算值d_a'、d_b'、d_c'，进而通过占空比等效重构确定三相最优占空比d_a″、d_b″、d_c″。

所述电压矢量V₁作用下的d、q轴电流变化率δ_d,1、δ_q,1，电压矢量V₂作用下的d、q轴电流变化率δ_d,2、δ_q,2，电压矢量V₀作用下的d、q轴电流变化率δ_d,0、δ_q,0由下式得出：

式中，L_g、R_g分别为滤波电感的电感值及其等效电阻；V_1d、V_2d、V_0d分别代表电压矢量V₁、V₂及零矢量V₀的d轴分量；V_1q、V_2q、V_0q分别代表电压矢量V₁、V₂及零矢量V₀的q轴分量。

所述电压矢量V₁作用下d、q轴电流在一个采样周期T_s内的变化量预测值e_d,1、e_q,1与三相占空比实时值d_a、d_b、d_c的函数关系由下式得出：

e_d,1＝δ_d,1[(d_a-d_b)T_s]＝δ_d,1[(1-d_b-d_c)T_s] (7)

e_q,1＝δ_q,1[(d_a-d_b)T_s]＝δ_q,1[(1-d_b-d_c)T_s] (8)

所述电压矢量V₂作用下d、q轴电流在一个采样周期T_s内的变化量预测值e_d,2、e_q,2与三相占空比实时值d_a、d_b、d_c的函数关系由下式得出：

e_d,2＝δ_d,2[(d_b-d_c)T_s] (9)

e_q,2＝δ_q,2[(d_b-d_c)T_s] (10)

所述电压矢量V₀作用下d、q轴电流在一个采样周期T_s内的变化量预测值e_d,0、e_q,0与三相占空比实时值d_a、d_b、d_c的函数关系由下式得出：

e_d,0＝2δ_d,0d_cT_s (11)

e_q,0＝2δ_q,0d_cT_s (12)

所述价值函数g由下式得出：

g＝△i_d ²+△i_q ² (13)

式中，△i_d和△i_q分别代表d、q轴电流控制误差的预测值，如下：

式中，i_d*和i_q*分别表示d、q轴电流参考值。

所述三相占空比计算值d_a'、d_b'、d_c'应能够保证价值函数实时最小，具体计算式如下：

d_c′＝1-d_a (18)

式中，

m＝(δ_q,2-δ_q,0)δ_d,1-(δ_q,1-δ_q,0)δ_d,2-(δ_q,2-δ_q,1)δ_d,0 (19)

所述三相最优占空比d_a″、d_b″、d_c″均需满足大于0且小于1，对d_a'、d_b'、d_c'进行重构可得

与已有技术相比，本发明的技术特点与效果：

本发明涉及双馈风力发电***网侧变换器预测占空比控制方法。该方法基于双馈风力发电***网侧变换器的结构特点与控制需求，根据***数学模型预测不同电压矢量作用下的电流变化特性，结合电流给定值构建基于控制误差的价值函数，以单个采样周期内价值函数最小为约束条件计算占空比，并通过等效重构确定最优占空比。该方法基于价值函数最小化确定占空比，在保证开关频率恒定的同时，有效提升双馈风力发电***网侧变换器动态响应快速性及稳态运行平稳性，实现***的实时最优运行。

附图说明

图1双馈风力发电***结构图。

图2双馈风力发电***网侧变换器电压矢量空间分布图。

图3本发明双馈风力发电***网侧变换器预测占空比控制结构图。

具体实施方式

通过电压与电流采样电路得到电网三相电压值及三相电流值，经坐标变换后分别得到两相静止坐标系下电网电压值的水平轴、垂直轴(α、β轴)分量以及电流值的α、β轴分量；电压值的α、β轴分量经锁相环得到电网电压实时相角θ_s，基于该相角得到两相旋转坐标系下电网电压直轴、交轴(d、q轴)分量u_gd、u_gq以及电流值d、q轴分量i_d、i_q；根据***数学模型及电压、电流值，分别得到电压矢量V₁作用下的d、q轴电流变化率δ_d,1、δ_q,1，电压矢量V₂作用下的d、q轴电流变化率δ_d,2、δ_q,2，电压矢量V₀作用下的d、q轴电流变化率δ_d,0、δ_q,0；构建电压矢量V₁作用下d、q轴电流在一个采样周期T_s内的变化量预测值e_d,1、e_q,1与三相占空比实时值d_a、d_b、d_c的函数关系；构建电压矢量V₂作用下d、q轴电流在一个采样周期T_s内的变化量预测值e_d,2、e_q,2与三相占空比实时值d_a、d_b、d_c的函数关系；构建电压矢量V₀作用下d、q轴电流在一个采样周期T_s内的变化量预测值e_d,0、e_q,0与三相占空比实时值d_a、d_b、d_c的函数关系；基于控制误差预测值构建价值函数g；基于价值函数最小化得到三相占空比计算值d_a'、d_b'、d_c'，进而通过占空比等效重构确定三相最优占空比d_a″、d_b″、d_c″。

所述电压矢量V₁作用下的d、q轴电流变化率δ_d,1、δ_q,1，电压矢量V₂作用下的d、q轴电流变化率δ_d,2、δ_q,2，电压矢量V₀作用下的d、q轴电流变化率δ_d,0、δ_q,0由下式得出：

式中，L_g、R_g分别为滤波电感的电感值及其等效电阻；V_1d、V_2d、V_0d分别代表电压矢量V₁、V₂及零矢量V₀的d轴分量；V_1q、V_2q、V_0q分别代表电压矢量V₁、V₂及零矢量V₀的q轴分量。

所述电压矢量V₁作用下d、q轴电流在一个采样周期T_s内的变化量预测值e_d,1、e_q,1与三相占空比实时值d_a、d_b、d_c的函数关系由下式得出：

e_d,1＝δ_d,1[(d_a-d_b)T_s]＝δ_d,1[(1-d_b-d_c)T_s] (7)

e_q,1＝δ_q,1[(d_a-d_b)T_s]＝δ_q,1[(1-d_b-d_c)T_s] (8)

所述电压矢量V₂作用下d、q轴电流在一个采样周期T_s内的变化量预测值e_d,2、e_q,2与三相占空比实时值d_a、d_b、d_c的函数关系由下式得出：

e_d,2＝δ_d,2[(d_b-d_c)T_s] (9)

e_q,2＝δ_q,2[(d_b-d_c)T_s] (10)

所述电压矢量V₀作用下d、q轴电流在一个采样周期T_s内的变化量预测值e_d,0、e_q,0与三相占空比实时值d_a、d_b、d_c的函数关系由下式得出：

e_d,0＝2δ_d,0d_cT_s (11)

e_q,0＝2δ_q,0d_cT_s (12)

所述价值函数g由下式得出：

g＝△i_d ²+△i_q ² (13)

式中，△i_d和△i_q分别代表d、q轴电流控制误差预测值，如下

式中，i_d*和i_q*分别表示d、q轴电流参考值。

所述三相占空比计算值d_a'、d_b'、d_c'应能够保证价值函数实时最小，具体计算式如下：

d_c′＝1-d_a (18)

式中，

m＝(δ_q,2-δ_q,0)δ_d,1-(δ_q,1-δ_q,0)δ_d,2-(δ_q,2-δ_q,1)δ_d,0 (19)

所述三相最优占空比d_a″、d_b″、d_c″均需满足大于0且小于1，对d_a'、d_b'、d_c'进行重构可得

下面结合附图和具体实施方式进一步详细说明本发明。

采用电动机惯例，两相静止坐标系下双馈风力发电***网侧变换器的数学模型可以写为

式中，i_α、i_β分别为电流α、β轴分量；u_gα、u_gβ分别为电网电压α、β轴分量；u_cα、u_cβ分别为网侧变换器交流侧输出电压α、β轴分量；L_g、R_g分别为滤波电感的电感值及其等效电阻。

旋转坐标系下双馈风力发电***网侧变换器的数学模型可以写为

式中，下标d、q分别代表对应电气量的d、q轴分量；ω_g为电网角频率。

根据上式可以写出电流变化率，如下

在预测占空比控制算法的执行过程中，选取相邻矢量V₁和V₂作为计算矢量，此时三相占空比实时值间的关系为d_a>d_b>d_c。在一个采样周期T_s中，电压矢量V₁的作用时间为(d_a-d_b)T_s＝(1-d_b-d_c)T_s，电压矢量V₂的作用时间为(d_b-d_c)T_s，如图2所示。由此可计算出零矢量的作用时间为T_s-(1-d_b-d_c)T_s-(d_b-d_c)T_s＝2d_cT_s。

根据式(5)和式(6)，可以分别写出电压矢量V₁和V₂作用下的电流变化率，将其分别表示为

式中，δ_d,1、δ_q,1分别为电压矢量V₁作用下的d、q轴电流变化率；δ_d,2、δ_q,2分别为电压矢量V₂作用下的d、q轴电流变化率；δ_d,0、δ_q,0分别为电压矢量V₀作用下的d、q轴电流变化率。

电压矢量V₁作用下d、q轴电流在一个采样周期T_s内的变化量预测值e_d,1、e_q,1可分别写为

e_d,1＝δ_d,1[(d_a-d_b)T_s]＝δ_d,1[(1-d_b-d_c)T_s] (35)

e_q,1＝δ_q,1[(d_a-d_b)T_s]＝δ_q,1[(1-d_b-d_c)T_s] (36)

电压矢量V₂作用下d、q轴电流在一个采样周期T_s内的变化量预测值e_d,2、e_q,2可分别写为

e_d,2＝δ_d,2[(d_b-d_c)T_s] (37)

e_q,2＝δ_q,2[(d_b-d_c)T_s] (38)

电压矢量V₀作用下d、q轴电流在一个采样周期T_s内的变化量预测值e_d,0、e_q,0可分别写为

e_d,0＝2δ_d,0d_cT_s (39)

e_q,0＝2δ_q,0d_cT_s (40)

根据上述量，可以得到d、q轴电流控制误差预测值△i_d和△i_q为

式中，i_d ^*和i_q ^*分别表示d、q轴电流参考值。

根据网侧变换器的控制需求，构造价值函数如下

g＝△i_d ²+△i_q ² (43)

网侧变换器的三相占空比计算值d_a'、d_b'、d_c'应能够保证价值函数实时最小，具体计算式如下

d_c′＝1-d_a (46)

式中，

m＝(δ_q,2-δ_q,0)δ_d,1-(δ_q,1-δ_q,0)δ_d,2-(δ_q,2-δ_q,1)δ_d,0 (47)

在网侧变换器运行过程中，三相最优占空比d_a″、d_b″、d_c″均需满足大于0且小于1。因此，需要对三相占空比计算值d_a'、d_b'、d_c'做等效重构，得出的三相最优占空比计算式如下

本发明双馈风力发电***网侧变换器预测占空比控制结构如图3所示。

Claims (8)

1.一种双馈风力发电***网侧变换器预测占空比控制方法，其特征是，通过电压与电流采样电路得到电网三相电压值及三相电流值，经坐标变换后分别得到两相静止坐标系下电网电压值的水平轴α轴、垂直轴β分量以及电流值的α、β轴分量；电压值的α、β轴分量经锁相环得到电网电压实时相角θ_s，基于该相角得到两相旋转坐标系下电网电压直轴、交轴(d、q轴)分量u_gd、u_gq以及电流值d、q轴分量i_d、i_q；根据***数学模型及电压、电流值，分别得到电压矢量V₁作用下的d、q轴电流变化率δ_d,1、δ_q,1，电压矢量V₂作用下的d、q轴电流变化率δ_d,2、δ_q,2，电压零矢量V₀作用下的d、q轴电流变化率δ_d,0、δ_q,0；构建电压矢量V₁作用下d、q轴电流在一个采样周期T_s内的变化量预测值e_d,1、e_q,1与三相占空比实时值d_a、d_b、d_c的函数关系；构建电压矢量V₂作用下d、q轴电流在一个采样周期T_s内的变化量预测值e_d,2、e_q,2与三相占空比实时值d_a、d_b、d_c的函数关系；构建电压零矢量V₀作用下d、q轴电流在一个采样周期T_s内的变化量预测值e_d,0、e_q,0与三相占空比实时值d_a、d_b、d_c的函数关系；基于控制误差预测值构建价值函数g；基于价值函数最小化得到三相占空比计算值d_a'、d_b'、d_c'，进而通过占空比等效重构确定三相最优占空比d_a”、d_b”、d_c”。

2.如权利要求1所述的双馈风力发电***网侧变换器预测占空比控制方法，其特征是，所述电压矢量V₁作用下的d、q轴电流变化率δ_d,1、δ_q,1，电压矢量V₂作用下的d、q轴电流变化率δ_d,2、δ_q,2，电压零矢量V₀作用下的d、q轴电流变化率δ_d,0、δ_q,0由下式得出：

${\mathrm{\δ}}_{d,1}=\frac{{\mathrm{di}}_d}{dt}{|}_{V=V_1}=\frac{1}{L_g}(-R_g{i}_d+{\mathrm{\ω}}_g{L}_g{i}_q-V_{1d}+u_{gd})---\left(1\right)$

${\mathrm{\δ}}_{d,2}=\frac{{\mathrm{di}}_d}{dt}{|}_{V=V_2}=\frac{1}{L_g}(-R_g{i}_d+{\mathrm{\ω}}_g{L}_g{i}_q-V_{2d}+u_{gd})---\left(2\right)$

${\mathrm{\δ}}_{d,0}=\frac{{\mathrm{di}}_d}{dt}{|}_{V=V_0}=\frac{1}{L_g}(-R_g{i}_d+{\mathrm{\ω}}_g{L}_g{i}_q-V_{0d}+u_{gd})---\left(3\right)$

${\mathrm{\δ}}_{q,1}=\frac{{\mathrm{di}}_q}{dt}{|}_{V=V_1}=\frac{1}{L_g}(-R_g{i}_q-{\mathrm{\ω}}_g{L}_g{i}_d-V_{1q}+u_{gq})---\left(4\right)$

${\mathrm{\δ}}_{q,2}=\frac{{\mathrm{di}}_q}{dt}{|}_{V=V_2}=\frac{1}{L_g}(-R_g{i}_q-{\mathrm{\ω}}_g{L}_g{i}_d-V_{2q}+u_{gq})---\left(5\right)$

${\mathrm{\δ}}_{q,0}=\frac{{\mathrm{di}}_q}{dt}{|}_{V=V_0}=\frac{1}{L_g}(-R_g{i}_q-{\mathrm{\ω}}_g{L}_g{i}_d-V_{0q}+u_{gq})---\left(6\right)$

式中，L_g、R_g分别为滤波电感的电感值及其等效电阻；V_1d、V_2d、V_0d分别代表电压矢量V₁、V₂及零矢量V₀的d轴分量；V_1q、V_2q、V_0q分别代表电压矢量V₁、V₂及零矢量V₀的q轴分量，ω_g为电网角频率。

3.如权利要求1所述的双馈风力发电***网侧变换器预测占空比控制方法，其特征是，所述电压矢量V₁作用下d、q轴电流在一个采样周期T_s内的变化量预测值e_d,1、e_q,1与三相占空比实时值d_a、d_b、d_c的函数关系由下式得出：

e_d,1＝δ_d,1[(d_a-d_b)T_s]＝δ_d,1[(1-d_b-d_c)T_s] (7)

e_q,1＝δ_q,1[(d_a-d_b)T_s]＝δ_q,1[(1-d_b-d_c)T_s] (8)。

4.如权利要求1所述的双馈风力发电***网侧变换器预测占空比控制方法，其特征是，所述电压矢量V₂作用下d、q轴电流在一个采样周期T_s内的变化量预测值e_d,2、e_q,2与三相占空比实时值d_a、d_b、d_c的函数关系由下式得出：

e_d,2＝δ_d,2[(d_b-d_c)T_s] (9)

e_q,2＝δ_q,2[(d_b-d_c)T_s] (10)。

5.如权利要求1所述的双馈风力发电***网侧变换器预测占空比控制方法，其特征是，所述电压零矢量V₀作用下d、q轴电流在一个采样周期T_s内的变化量预测值e_d,0、e_q,0与三相占空比实时值d_a、d_b、d_c的函数关系由下式得出：

e_d,0＝2δ_d,0d_cT_s (11)

e_q,0＝2δ_q,0d_cT_s (12)。

6.如权利要求1所述的双馈风力发电***网侧变换器预测占空比控制方法，其特征是，所述价值函数g由下式得出：

g＝Δi_d ²+Δi_q ² (13)

式中，Δi_d和Δi_q分别代表d、q轴电流控制误差的预测值，如下

${\mathrm{\Δi}}_d=i_d^{*}-i_d-e_{d,0}-e_{d,1}-e_{d,2}---\left(14\right)$

${\mathrm{\Δi}}_q=i_q^{*}-i_q-e_{q,0}-e_{q,1}-e_{q,2}---\left(15\right)$

式中，和分别表示d、q轴电流参考值。

7.如权利要求1所述的双馈风力发电***网侧变换器预测占空比控制方法，其特征是，所述三相占空比计算值d′_a、d′_b、d′_c应能够保证价值函数实时最小，具体计算式如下：

$d_a^{\′}=\frac{1}{2{\mathrm{mT}}_s}\[{\mathrm{\Δi}}_d({\mathrm{\δ}}_{q,2}-{\mathrm{\δ}}_{q,1})+{\mathrm{\Δi}}_q({\mathrm{\δ}}_{d,1}-{\mathrm{\δ}}_{d,2})+2T_s{\mathrm{\δ}}_{q,0}({\mathrm{\δ}}_{d,2}-{\mathrm{\δ}}_{d,1})-2T_s{\mathrm{\δ}}_{d,0}({\mathrm{\δ}}_{q,2}-{\mathrm{\δ}}_{q,1})+T_s{\mathrm{\δ}}_{d,1}{\mathrm{\δ}}_{q,2}-T_s{\mathrm{\δ}}_{d,2}{\mathrm{\δ}}_{q,1})\]---\left(16\right)$

$d_b^{\′}=\frac{1}{2{\mathrm{mT}}_s}\[{\mathrm{\Δi}}_d(2{\mathrm{\δ}}_{q,0}-{\mathrm{\δ}}_{q,1}-{\mathrm{\δ}}_{q,2})+{\mathrm{\Δi}}_q({\mathrm{\δ}}_{d,1}+{\mathrm{\δ}}_{d,2}-2{\mathrm{\δ}}_{d,0})+T_s{\mathrm{\δ}}_{q,1}(2{\mathrm{\δ}}_{d,0}-{\mathrm{\δ}}_{d,2})+T_s{\mathrm{\δ}}_{d,1}({\mathrm{\δ}}_{q,2}-2{\mathrm{\δ}}_{q,0})\]---\left(17\right)$

d′_c＝1-d_a (18)

式中，

m＝(δ_q,2-δ_q,0)δ_d,1-(δ_q,1-δ_q,0)δ_d,2-(δ_q,2-δ_q,1)δ_d,0 (19)

Δi_d和Δi_q分别代表d、q轴电流控制误差的预测值。

8.如权利要求1所述的双馈风力发电***网侧变换器预测占空比控制方法，其特征是，所述三相最优占空比d_a”、d_b”、d_c”均需满足大于0且小于1，对d′_a、d′_b、d′_c进行重构可得

$d_a^{\′\′}=d_a^{\′}-\min (d_a^{\′},d_b^{\′},d_c^{\′})+\frac{1-max(d_a^{\′},d_b^{\′},d_c^{\′})+\min (d_a^{\′},d_b^{\′},d_c^{\′})}{2}---\left(20\right)$

$d_b^{\′\′}=d_b^{\′}-\min (d_a^{\′},d_b^{\′},d_c^{\′})+\frac{1-max(d_a^{\′},d_b^{\′},d_c^{\′})+\min (d_a^{\′},d_b^{\′},d_c^{\′})}{2}---\left(21\right)$

$d_c^{\′\′}=d_c^{\′}-\min (d_a^{\′},d_b^{\′},d_c^{\′})+\frac{1-max(d_a^{\′},d_b^{\′},d_c^{\′})+\min (d_a^{\′},d_b^{\′},d_c^{\′})}{2}---\left(22\right).$