CN111725837B - Dfig虚拟同步机低电压穿越方法、装置、电子设备及介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种DFIG虚拟同步机低电压穿越控制方法、装置、电子设备及介质。本发明将DFIG虚拟同步机控制方法和模型预测控制相结合，以实现对DFIG转子电流的直接控制，并利用模型预测控制代价函数的多变量控制特性，同时实现了对DFIG暂态磁链的控制。本发明同时适用于电网电压对称和不对称跌落故障。在电网电压对称跌落时，本发明可以防止转子过电流，加速转子暂态磁链的衰减，并通过改变功率参考值以提供无功功率支撑。在电网电压不对称跌落时，本发明同样可以防止转子过电流，并通过消除转子电流参考值中的暂态和负序分量以保持转子电流平衡且正弦。本发明控制***实现极为简单，不需要锁相环对电网电压的频率进行实时监测，也无需增加额外的控制环。
Description
技术领域
本发明属于电机控制技术领域，具体涉及一种基于模型预测控制的DFIG虚拟同步机低电压穿越控制方法、装置、电子设备及介质。
背景技术
随着可再生能源发电领域的快速发展，以风电、光伏为主的可再生能源发电***在电力***中的所占的比例也越来越大。在现代风力发电***中，双馈感应发电机(DFIG)应用最多，技术最为成熟，是当前的主流机型。DFIG控制***结构如图1所示，通过对机侧变流器和网侧变流器的控制可以实现DFIG的变速恒频控制。传统同步发电机拥有巨大的转动惯量，具有对电网天然友好的优势。对于DFIG而言，传统的基于同步锁相环的矢量电流控制方式由于锁相环被动跟随电网频率，使得风力发电***几乎不具有惯性，因此无法为电网提供频率和惯性支撑，降低电网稳定性。随着可再生能源发电***在电力***中的渗透率增加，传统同步发电机的装机比例逐渐降低，电力***中的旋转惯量相对减少，这给电网的稳定性带来了严峻挑战。为此，有学者提出了虚拟同步机(VSG)控制技术，其可使并网逆变器模拟同步发电机的运行机理，从而获得如同同步发电机的运行特性，为电网提供惯性支撑。因此，有学者将虚拟同步机控制技术应用到DFIG的控制中，使得DFIG也具备和同步发电机一样的惯性特征，为电网提供频率支撑。
然而，在弱电网中除了会发生频率扰动，还会出现电网电压跌落故障，这就要求DFIG***具有低电压穿越能力。在电网电压对称跌落时，DFIG定子磁链的暂态分量会在转子侧感应出一个很大的感应电压，进而导致转子过电流，损坏机侧变流器。但是，基于虚拟同步机控制的DFIG具有很慢的动态响应速度，在电网电压暂态跌落时无法快速响应来抑制暂态冲击电流并加速暂态磁链的衰减。当电网电压不对称跌落时，除了会出现转子冲击电流，还会导致定转子电流不平衡或畸变。因此，需要改进DFIG的虚拟同步机控制技术，使其具有更好的低电压穿越能力，在电网电压瞬态跌落时可以有效抑制转子冲击电流。此外，在电网电压对称跌落时，还需加速暂态磁链的衰减，并向电网提供无功功率支撑。在电压不对称跌落时，也需提出改进的控制方法使DFIG转子电流尽可能保持平衡且正弦，改善电流质量。
针对基于虚拟同步机控制的DFIG在电网电压跌落故障下的改进控制方法，H.Nian等人在文献[Improved virtual synchronous generator control of DFIG to ride-through symmetrical voltage fault,IEEE Transactions on Energy Conversion]中提出了一种电网电压对称故障下的DFIG虚拟同步机故障穿越控制方法，该方法的思路是通过虚拟电阻来抑制故障期间的转子冲击电流，并在控制结构中添加气隙磁链PI控制内环来加速暂态磁链的衰减。但该策略的不足是采用虚拟电阻抑制电流的精度和效果取决于虚拟电阻的阻值、电网故障位置以及电压跌落程度等因素，且在实际应用中虚拟电阻的参数调节十分困难，并且气隙磁链PI控制内环的添加也增加了控制结构的复杂度。此外，该策略只适用于电网电压对称故障，在电网电压不对称跌落故障下并不适用。
程雪坤等人在文献[适用于电网不对称故障的双馈风力发电机虚拟同步控制方法[J].电力***自动化,2018,42(09):120-126]中提出了一种适用于电网不对称故障的DFIG虚拟同步机控制方法，该方法的思路是通过添加转子电压补偿分量来以抵消或削弱电网电压不对称跌落时产生的转子反电势的暂态和负序分量。但该策略的不足是只适用于电网电压不对称跌落故障，并不能满足电网导则对DFIG在电网电压对称跌落故障下的运行要求。
因此，研究一种控制结构简单、能够同时适用于电网电压对称和不对称故障的DFIG虚拟同步低电压穿越控制方法具有重要意义。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种基于模型预测控制的DFIG虚拟同步机低电压穿越控制方法、装置、电子设备及介质，以解决现有DFIG虚拟同步机控制方法存在的电网故障适用范围不足、控制结构复杂的问题。
为了达到上述目的，本发明实施例所采用的技术方案如下：
第一方面，本发明实施例提供一种DFIG虚拟同步机低电压穿越方法，包括：
采集DFIG的三相定子电压、三相定子电流、三相转子电流和转子位置角，根据三相定子电压和三相定子电流计算出DFIG定子输出的有功功率和无功功率；
根据有功功率和无功功率，通过DFIG虚拟同步机算法得到DFIG转子电流矢量参考值的幅值和相位；
对三相定子电压、三相定子电流和三相转子电流进行旋转坐标变换，对应得到正向旋转d-q坐标系下的定子电压矢量、定子电流矢量和转子电流矢量，并计算出正向旋转d-q坐标系下转子磁链矢量；
利用谐振频率为50Hz和100Hz的陷波滤波器分别消除DFIG转子电流矢量参考值和转子磁链矢量中的暂态分量和负序分量，得到DFIG转子电流矢量参考值的正序分量和转子磁链矢量的正序分量；
根据DFIG转子侧变流器八种开关状态对应的转子电压矢量以及转子电流和转子磁链预测模型，得到不同转子电压矢量作用时对应的下一控制周期的转子电流矢量预测值和转子磁链矢量预测值；
建立代价函数，计算不同转子电压矢量对应的函数值，选取使函数值最小的转子电压矢量所对应的机侧变流器开关状态对DFIG机侧变流器施加控制。
进一步地，根据三相定子电压和三相定子电流计算出DFIG定子输出的有功功率和无功功率，包括：
P＝-(UsaIsa+UsbIsb+UscIsc)
其中：Usa、Usb、Usc分别为三相定子电压Usabc对应a、b、c三相的相电压，Isa、Isb、Isc分别为三相定子电流Isabc对应a、b、c三相的相电流，P和Q分别为DFIG定子输出的有功功率和无功功率。
进一步地，通过DFIG虚拟同步机算法得到DFIG转子电流矢量参考值的幅值和相位，包括：
θ＝∫ωvdt
其中：Pref和Qref对应为有功功率的参考值和无功功率的参考值，Dp为阻尼系数，ωv为虚拟同步机产生的电角频率，ω1为电网额定电角频率，J为虚拟转动惯量，K为无功环惯性系数，t为时间，Ir,ref和θ分别为转子电流矢量参考值
的幅值和相位。
进一步地，计算有功功率的参考值和无功功率的参考值，包括：
当电网电压正常或电网电压不对称跌落时：
Pref＝P0
Qref＝Q0
电网电压对称跌落时：
其中：P0和Q0对应为电网电压正常时有功功率的设定值和无功功率的设定值，Us为定子电压的幅值，ω1为电网额定电角频率，Lm为DFIG定转子互感，Ls为DFIG定子电感，
为无功支撑电流的参考值，IN为DFIG转子额定电流，Pref和Qref分别为有功功率的参考值和无功功率的参考值。
进一步地，对三相定子电压、三相定子电流和三相转子电流进行旋转坐标变换，对应得到正向旋转d-q坐标系下的定子电压矢量、定子电流矢量和转子电流矢量，并计算出正向旋转d-q坐标系下转子磁链矢量，包括：
其中：
和
对应为定子电压矢量
在正向旋转d-q坐标系下的d轴分量和q轴分量，
和
对应为定子电流矢量
在正向旋转d-q坐标系下的d轴分量和q轴分量，
和
对应为转子电流矢量
在正向旋转d-q坐标系下的d轴分量和q轴分量，
为转子磁链矢量，Usa、Usb、Usc分别为三相定子电压Usabc对应a、b、c三相的相电压，Isa、Isb、Isc分别为三相定子电流Isabc对应a、b、c三相的相电流，Ira、Irb、Irc分别为三相转子电流Irabc对应a、b、c三相的相电流，θr为DFIG转子位置角，Lr为DFIG转子电感，Lm为DFIG定转子互感。
进一步地，根据DFIG转子侧变流器八种开关状态对应的转子电压矢量以及转子电流和转子磁链预测模型，得到不同转子电压矢量作用时对应的下一控制周期的转子电流矢量预测值和转子磁链矢量预测值，包括：
其中：k周期代表本控制周期，k+1周期代表下一控制周期，σ为漏磁系数，ωslip为转差角频率，s为转差率，Lr为DFIG转子电感，Lm为DFIG定转子互感，Ls为DFIG定子电感，Ts为一个控制周期时常，j为虚数单位，
为转子电压矢量，
为转子电流矢量预测值，
为转子磁链矢量预测值。
进一步地，建立代价函数，包括：
其中：f为代价函数的值，kf为一可变系数系数，kf1为灭磁系数，
为DFIG转子电流的幅值，Ilim为DFIG运行时所允许的转子电流最大值。
第二方面，本发明实施例还提供一种DFIG虚拟同步机低电压穿越控制装置，其特征在于，包括：
采集模块，用于采集DFIG的三相定子电压、三相定子电流、三相转子电流和转子位置角，根据三相定子电压和三相定子电流计算出DFIG定子输出的有功功率和无功功率；
虚拟同步及算法模块，用于根据有功功率和无功功率，通过DFIG虚拟同步机算法得到DFIG转子电流矢量参考值的幅值和相位；
矢量计算模块，用于对三相定子电压、三相定子电流和三相转子电流进行旋转坐标变换，对应得到正向旋转d-q坐标系下的定子电压矢量、定子电流矢量和转子电流矢量，并计算出正向旋转d-q坐标系下转子磁链矢量；
陷波器模块，用于利用谐振频率为50Hz和100Hz的陷波滤波器分别消除DFIG转子电流矢量参考值和转子磁链矢量中的暂态分量和负序分量，得到DFIG转子电流矢量参考值的正序分量和转子磁链矢量的正序分量；
模型预测模块，用于根据DFIG转子侧变流器八种开关状态对应的转子电压矢量以及转子电流和转子磁链预测模型，得到不同转子电压矢量作用时对应的下一控制周期的转子电流矢量预测值和转子磁链矢量预测值；
代价函数计算和驱动信号生成模块，用于建立代价函数，计算不同转子电压矢量对应的函数值，选取使函数值最小的转子电压矢量所对应的机侧变流器开关状态对DFIG机侧变流器施加控制。
第三方面，本发明实施例还提供一种电子设备，包括：
一个或多个处理器；
存储器，用于存储一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如第一方面所述的方法。
第四方面，本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如第一方面所述的方法。
根据以上技术方案，将DFIG的虚拟同步机控制方法和模型预测控制技术结合，使得改进后的控制方法可以实现对DFIG转子电流的直接控制，并利用模型预测控制代价函数可轻易实现多变量控制的特性，使所发明控制方法还可以实现对DFIG暂态磁链的控制。本发明可以同时适用于电网电压对称和不对称跌落故障。在电网电压对称跌落时，本发明可以防止转子过电流，加速转子暂态磁链的衰减，并通过改变功率参考值提供无功功率支撑。在电网电压不对称跌落时，本发明同样可以防止转子过电流，并利用陷波滤波器消除转子电流参考值中的暂态和负序分量以保持转子电流平衡且正弦。本发明控制***实现极为简单，不需要锁相环对电网电压的频率进行实时监测，也无需增加额外的控制环。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例中所示用典型的DFIG***的结构示意图；
图2为根据本发明实施例的DFIG虚拟同步机低电压穿越控制方法的流程图；
图3为根据本发明实施例的DFIG虚拟同步机低电压穿越控制方法的控制框图；
图4为本发明DFIG虚拟同步机低电压穿越控制***在电网电压对称跌落60％时的波形图；跌落故障从1.0s开始并持续625ms，DFIG在电网电压正常时定子输出有功功率和无功功率的参考值分别为1p.u.和0p.u.，DFIG运行时所允许的转子电流最大值Ilim设定为1.8p.u.；
图5为本发明DFIG虚拟同步机低电压穿越控制***在电网电压对称跌落60％后电压恢复时的波形图；电网电压在1.625s时恢复，DFIG在电网电压正常时定子输出有功功率和无功功率的参考值分别为1p.u.和0p.u.，DFIG运行时所允许的转子电流最大值Ilim设定为1.8p.u.；
图6为本发明DFIG虚拟同步机低电压穿越控制***在电网电压不对称跌落时的波形图；电网单相电压在1.0s时跌落80％并持续625ms后恢复，DFIG在电网电压正常时定子输出有功功率和无功功率的参考值分别为1p.u.和0p.u.，DFIG运行时所允许的转子电流最大值Ilim设定为1.8p.u.；
图7为根据本发明实施例的基于模型预测控制的DFIG虚拟同步机低电压穿越装置的结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
图1为本发明实施例中所示用典型的DFIG***的结构示意图；该***主要由DFIG本体、机侧变流器、网侧变流器三个部分组成；DFIG转子由风力机驱动，DFIG定子绕组和电网直接相连，DFIG转子绕组通过“背靠背”变流器与电网相连，“背靠背”变流器包括机侧变流器、网侧变流器，网侧变流器负责维持直流母线电压恒定，机侧变流器负责对DFIG的控制。
图2为根据本发明实施例的DFIG虚拟同步机低电压穿越控制方法的流程图；图3为根据本发明实施例的DFIG虚拟同步机低电压穿越控制方法的控制框图；该控制***包括主电路和控制回路；主电路包括一台1.5MW的DFIG1、与DFIG转子绕组相连的机侧变换器2、用于检测DFIG定子三相电压的电压传感器3、用于检测DFIG定子三相电流的电流霍尔传感器4、用于检测DFIG定子三相电流的电流霍尔传感器5、用于检测DFIG转子位置角的编码器6。控制回路包括坐标旋转计算模块7、转子磁链矢量计算模块8、功率计算模块9、功率参考值计算模块10、DFIG虚拟同步机算法模块11、谐振频率为50Hz和100Hz的陷波滤波器模块12、转子电流和转子磁链预测模块13、代价函数计算和开关状态选择模块14。如图2所示，该方法包括如下步骤：
步骤S101，采集DFIG的三相定子电压、三相定子电流、三相转子电流和转子位置角，根据三相定子电压和三相定子电流计算出DFIG定子输出的有功功率和无功功率；
步骤S102，根据功功率和无功功率，通过DFIG虚拟同步机算法得到DFIG转子电流矢量参考值的幅值和相位；
步骤S103，对三相定子电压、三相定子电流和三相转子电流进行旋转坐标变换，对应得到正向旋转d-q坐标系下的定子电压矢量、定子电流矢量和转子电流矢量，并计算出正向旋转d-q坐标系下转子磁链矢量；
步骤S104，利用谐振频率为50Hz和100Hz的陷波滤波器分别消除DFIG转子电流矢量参考值和转子磁链矢量中的暂态分量和负序分量，得到DFIG转子电流矢量参考值的正序分量和转子磁链矢量的正序分量；
步骤S105，根据DFIG转子侧变流器八种开关状态对应的转子电压矢量以及转子电流和转子磁链预测模型，得到不同转子电压矢量作用时对应的下一控制周期的转子电流矢量预测值和转子磁链矢量预测值；
步骤S106，建立代价函数，计算不同转子电压矢量对应的函数值，选取使函数值最小的转子电压矢量所对应的机侧变流器开关状态对DFIG机侧变流器施加控制。
通过本发明上述实施例，将DFIG的虚拟同步机控制方法和模型预测控制技术结合，使得改进后的控制方法可以实现对DFIG转子电流的直接控制，并利用模型预测控制代价函数可轻易实现多变量控制的特性，使所发明控制方法还可以实现对DFIG暂态磁链的控制。本发明可以同时适用于电网电压对称和不对称跌落故障。在电网电压对称跌落时，本发明可以防止转子过电流，加速转子暂态磁链的衰减，并通过改变功率参考值提供无功功率支撑。在电网电压不对称跌落时，本发明同样可以防止转子过电流，并利用陷波滤波器消除转子电流参考值中的暂态和负序分量以保持转子电流平衡且正弦。本发明控制***实现极为简单，不需要锁相环对电网电压的频率进行实时监测，也无需增加额外的控制环。
根据本发明上述实施例，采集DFIG的三相定子电压、三相定子电流、三相转子电流和转子位置角，根据三相定子电压和三相定子电流计算出DFIG定子输出的有功功率和无功功率，具体如下：
利用三相电压霍尔传感器3采集DFIG定子三相电压信号Usabc，利用三相电流霍尔传感器4采集定子三相电流信号Isabc，利用三相电流霍尔传感器5采集转子三相电流信号Irabc；将采集得到的定子三相电压信号Usabc和定子三相电流信号Isabc经过功率计算模块9，得到DFIG定子输出的有功功率P和无功功率Q；有功功率和无功功率计算表达式为：
P＝-(UsaIsa+UsbIsb+UscIsc)
其中：Usa、Usb、Usc分别为三相定子电压Usabc对应a、b、c三相的相电压，Isa、Isb、Isc分别为三相定子电流Isabc对应a、b、c三相的相电流，P和Q分别为DFIG定子输出的有功功率和无功功率。
根据本发明上述实施例，根据功功率和无功功率，通过DFIG虚拟同步机算法得到DFIG转子电流矢量参考值的幅值和相位，具体如下：
利用功率参考值计算模块10得到有功和无功功率的参考值，将其与有功功率P和无功功率Q通过DFIG虚拟同步机算法模块11计算得到DFIG转子电流矢量参考值
的幅值Ir,ref和相位θ；DFIG虚拟同步机算法公式为：
θ＝∫ωvdt
其中：Pref和Qref对应为有功功率的参考值和无功功率的参考值，Dp为阻尼系数，ωv为虚拟同步机产生的电角频率，ω1为电网额定电角频率，J为虚拟转动惯量，K为无功环惯性系数，t为时间，Ir,ref和θ分别为转子电流矢量参考值
的幅值和相位。
功率参考值计算方法为：
a.当电网电压正常或电网电压不对称跌落时：
Pref＝P0
Qref＝Q0
b.电网电压对称跌落时：
其中：P0和Q0对应为电网电压正常时有功功率的设定值和无功功率的设定值，Us为定子电压的幅值，ω1为电网额定电角频率，Lm为DFIG定转子互感，Ls为DFIG定子电感，
为无功支撑电流的参考值，IN为DFIG转子额定电流，Pref和Qref分别为有功功率的参考值和无功功率的参考值。
根据本发明上述实施例，对三相定子电压、三相定子电流和三相转子电流进行旋转坐标变换，对应得到正向旋转d-q坐标系下的定子电压矢量、定子电流矢量和转子电流矢量，并计算出正向旋转d-q坐标系下转子磁链矢量，具体如下：
利用编码器6采集DFIG转子位置角θr，将其与三相定子电压Usabc、三相定子电流Isabc、三相转子电流Irabc和转子电流矢量参考值
的相位θ通过坐标旋转计算模块7得到正向旋转d-q坐标系下的定子电压矢量
定子电流矢量
和转子电流矢量
再将定子电流矢量
和转子电流矢量
通过转子磁链矢量计算模块8得到正向旋转d-q坐标系下转子磁链矢量
正向旋转d-q坐标系下的定子电压矢量
定子电流矢量
转子电流矢量
和转子磁链矢量
的计算方法分别为：
其中：
和
对应为定子电压矢量
在正向旋转d-q坐标系下的d轴分量和q轴分量，
和
对应为定子电流矢量
在正向旋转d-q坐标系下的d轴分量和q轴分量，
和
对应为转子电流矢量
在正向旋转d-q坐标系下的d轴分量和q轴分量，
为转子磁链矢量，Usa、Usb、Usc分别为三相定子电压Usabc对应a、b、c三相的相电压，Isa、Isb、Isc分别为三相定子电流Isabc对应a、b、c三相的相电流，Ira、Irb、Irc分别为三相转子电流Irabc对应a、b、c三相的相电流，θr为DFIG转子位置角，Lr为DFIG转子电感，Lm为DFIG定转子互感。
根据本发明上述实施例，利用谐振频率为50Hz和100Hz的陷波滤波器分别消除DFIG转子电流矢量参考值和转子磁链矢量中的暂态分量和负序分量，得到DFIG转子电流矢量参考值的正序分量和转子磁链矢量的正序分量，具体如下：
将DFIG转子电流矢量参考值
和转子磁链矢量
通过谐振频率为50Hz和100Hz的陷波滤波器模块12，分别消除其中的暂态分量和负序分量，得到DFIG转子电流矢量参考值的正序分量
和转子磁链矢量的正序分量
根据本发明上述实施例，根据DFIG转子侧变流器八种开关状态对应的转子电压矢量以及转子电流和转子磁链预测模型，得到不同转子电压矢量作用时对应的下一控制周期的转子电流矢量预测值和转子磁链矢量预测值，具体如下：
将DFIG转子电流矢量参考值的正序分量
转子磁链矢量的正序分量
定子电压矢量
定子电流矢量
转子电流矢量
和转子电流和DFIG转子侧变流器八种开关状态对应的不同转子电压矢量
通过转子电流矢量和转子磁链矢量预测模块13，得到不同转子电压矢量作用时对应的下一控制周期的转子电流矢量预测值
和转子磁链矢量预测值
预测模型公式为：
其中：k周期代表本控制周期，k+1周期代表下一控制周期，σ为漏磁系数，ωslip为转差角频率，s为转差率，Lr为DFIG转子电感，Lm为DFIG定转子互感，Ls为DFIG定子电感，Ts为一个控制周期时常，j为虚数单位，
为转子电压矢量，
为转子电流矢量预测值，
为转子磁链矢量预测值。
根据本发明上述实施例，建立代价函数，计算不同转子电压矢量对应的函数值，选取使函数值最小的转子电压矢量所对应的机侧变流器开关状态对DFIG机侧变流器施加控制，具体如下：
将不同转子电压矢量作用时对应的转子电流矢量预测值
和转子磁链矢量预测值
通过代价函数计算和开关状态选择模块14，选取使函数值最小的转子电压矢量所对应的机侧变流器开关状态，并输出开关信号SaSbSc对DFIG机侧变流器施加控制；代价函数公式为：
其中：f为代价函数的值，kf为一可变系数系数，kf1为灭磁系数，
为DFIG转子电流的幅值，Ilim为DFIG运行时所允许的转子电流最大值。
为验证本发明实施例的控制方法的有效性，在1.5MW容量的DFIG***上进行仿真验证研究。
参见图4，在本发明基于模型预测控制的DFIG虚拟同步机低电压穿越控制方法下，当电网电压瞬态对称跌落60％时，转子冲击电流被有效抑制，其最大值被控制在设定的1.8p.u.附近。从功率和电磁转矩的振荡波形来看，定子暂态磁链也很快衰减。此外，在故障期间DFIG可以按照电网导则的要求向电网输出无功功率以协助电网电压恢复。
参见图5，在本发明基于模型预测控制的DFIG虚拟同步机低电压穿越控制方法下，当电网电压从跌落60％恢复到正常值时，转子冲击电流依然被有效地抑制在设定的1.8p.u.附近。因此整个电网电压对称跌落故障期间DFIG都可以保持并网安全运行。
参见图6，在本发明基于模型预测控制的DFIG虚拟同步机低电压穿越控制方法下，当电网单相电压跌落80％时(即电压不对称跌落故障)，DFIG转子电流在整个故障期间都没有超过限值，且转子电流在电网电压不对称期间也能保持平衡且正弦。
本发明还提供了基于模型预测控制的DFIG虚拟同步机低电压穿越控制装置的实施例，用于执行基于模型预测控制的DFIG虚拟同步机低电压穿越方法，图7为根据本发明实施例的基于模型预测控制的DFIG虚拟同步机低电压穿越控制装置的结构示意图，该装置包括：
采集模块91，用于采集DFIG的三相定子电压、三相定子电流、三相转子电流和转子位置角，根据三相定子电压和三相定子电流计算出DFIG定子输出的有功功率和无功功率；
虚拟同步及算法模块92，用于根据有功功率和无功功率，通过DFIG虚拟同步机算法得到DFIG转子电流矢量参考值的幅值和相位；
矢量计算模块93，用于对三相定子电压、三相定子电流和三相转子电流进行旋转坐标变换，对应得到正向旋转d-q坐标系下的定子电压矢量、定子电流矢量和转子电流矢量，并计算出正向旋转d-q坐标系下转子磁链矢量；
陷波器模块94，用于利用谐振频率为50Hz和100Hz的陷波滤波器分别消除DFIG转子电流矢量参考值和转子磁链矢量中的暂态分量和负序分量，得到DFIG转子电流矢量参考值的正序分量和转子磁链矢量的正序分量；
模型预测模块95，用于根据DFIG转子侧变流器八种开关状态对应的转子电压矢量以及转子电流和转子磁链预测模型，得到不同转子电压矢量作用时对应的下一控制周期的转子电流矢量预测值和转子磁链矢量预测值；
代价函数计算和驱动信号生成模块96，用于建立代价函数，计算不同转子电压矢量对应的函数值，选取使函数值最小的转子电压矢量所对应的机侧变流器开关状态对DFIG机侧变流器施加控制。
本发明实施例还提供一种电子设备，包括：
一个或多个处理器；
存储器，用于存储一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如上述的方法。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如上述的方法。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个***，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种DFIG虚拟同步机低电压穿越方法，其特征在于，包括：
采集DFIG的三相定子电压、三相定子电流、三相转子电流和转子位置角，根据三相定子电压和三相定子电流计算出DFIG定子输出的有功功率和无功功率；
根据有功功率和无功功率，通过DFIG虚拟同步机算法得到DFIG转子电流矢量参考值的幅值和相位；
对三相定子电压、三相定子电流和三相转子电流进行旋转坐标变换，对应得到正向旋转d-q坐标系下的定子电压矢量、定子电流矢量和转子电流矢量，并计算出正向旋转d-q坐标系下转子磁链矢量；
利用谐振频率为50Hz和100Hz的陷波滤波器分别消除DFIG转子电流矢量参考值和转子磁链矢量中的暂态分量和负序分量，得到DFIG转子电流矢量参考值的正序分量和转子磁链矢量的正序分量；
根据DFIG转子侧变流器八种开关状态对应的转子电压矢量以及转子电流和转子磁链预测模型，得到不同转子电压矢量作用时对应的下一控制周期的转子电流矢量预测值和转子磁链矢量预测值；
建立代价函数，计算不同转子电压矢量对应的函数值，选取使函数值最小的转子电压矢量所对应的机侧变流器开关状态对DFIG机侧变流器施加控制。
2.根据权利要求1所述的DFIG虚拟同步机低电压穿越方法，其特征在于，根据三相定子电压和三相定子电流计算出DFIG定子输出的有功功率和无功功率，包括：
P＝-(UsaIsa+UsbIsb+UscIsc)
其中：Usa、Usb、Usc分别为三相定子电压Usabc对应a、b、c三相的相电压，Isa、Isb、Isc分别为三相定子电流Isabc对应a、b、c三相的相电流，P和Q分别为DFIG定子输出的有功功率和无功功率。
3.根据权利要求1所述的DFIG虚拟同步机低电压穿越方法，其特征在于，通过DFIG虚拟同步机算法得到DFIG转子电流矢量参考值的幅值和相位，包括：
θ＝∫ωvdt
其中：Pref和Qref对应为有功功率的参考值和无功功率的参考值，Dp为阻尼系数，ωv为虚拟同步机产生的电角频率，ω1为电网额定电角频率，J为虚拟转动惯量，K为无功环惯性系数，t为时间，Ir,ref和θ分别为转子电流矢量参考值
的幅值和相位，Q为DFIG定子输出的无功功率。
4.根据权利要求3所述的DFIG虚拟同步机低电压穿越方法，其特征在于，计算有功功率的参考值和无功功率的参考值，包括：
当电网电压正常或电网电压不对称跌落时：
Pref＝P0
Qref＝Q0
电网电压对称跌落时：
其中：P0和Q0对应为电网电压正常时有功功率的设定值和无功功率的设定值，Us为定子电压的幅值，ω1为电网额定电角频率，Lm为DFIG定转子互感，Ls为DFIG定子电感，
为无功支撑电流的参考值，IN为DFIG转子额定电流，Pref和Qref分别为有功功率的参考值和无功功率的参考值。
5.根据权利要求1所述的DFIG虚拟同步机低电压穿越方法，其特征在于，对三相定子电压、三相定子电流和三相转子电流进行旋转坐标变换，对应得到正向旋转d-q坐标系下的定子电压矢量、定子电流矢量和转子电流矢量，并计算出正向旋转d-q坐标系下转子磁链矢量，包括：
其中：
和
对应为定子电压矢量
在正向旋转d-q坐标系下的d轴分量和q轴分量，
和
对应为定子电流矢量
在正向旋转d-q坐标系下的d轴分量和q轴分量，
和
对应为转子电流矢量
在正向旋转d-q坐标系下的d轴分量和q轴分量，
为转子磁链矢量，Usa、Usb、Usc分别为三相定子电压Usabc对应a、b、c三相的相电压，Isa、Isb、Isc分别为三相定子电流Isabc对应a、b、c三相的相电流，Ira、Irb、Irc分别为三相转子电流Irabc对应a、b、c三相的相电流，θr为DFIG转子位置角，Lr为DFIG转子电感，Lm为DFIG定转子互感；θ为转子电流矢量参考值的相位。
6.根据权利要求1所述的DFIG虚拟同步机低电压穿越方法，其特征在于，根据DFIG转子侧变流器八种开关状态对应的转子电压矢量以及转子电流和转子磁链预测模型，得到不同转子电压矢量作用时对应的下一控制周期的转子电流矢量预测值和转子磁链矢量预测值，包括：
其中：k周期代表本控制周期，k+1周期代表下一控制周期，σ为漏磁系数，ωslip为转差角频率，s为转差率，Lr为DFIG转子电感，Lm为DFIG定转子互感，Ls为DFIG定子电感，Ts为一个控制周期时长，j为虚数单位，
为转子电压矢量，
为本控制周期的转子电流矢量，
为本控制周期的定子电压矢量，
为本控制周期的转子磁链矢量，
为转子电流矢量预测值，
为转子磁链矢量预测值。
7.根据权利要求1所述的DFIG虚拟同步机低电压穿越方法，其特征在于，建立代价函数，包括：
其中：f为代价函数的值，kf为一可变系数系数，kf1为灭磁系数，
为DFIG转子电流的幅值，Ilim为DFIG运行时所允许的转子电流最大值，
为DFIG转子电流矢量参考值的正序分量，
为转子电流矢量预测值，
转子磁链矢量的正序分量，
为转子磁链矢量预测值。
8.一种DFIG虚拟同步机低电压穿越控制装置，其特征在于，包括：
采集模块，用于采集DFIG的三相定子电压、三相定子电流、三相转子电流和转子位置角，根据三相定子电压和三相定子电流计算出DFIG定子输出的有功功率和无功功率；
虚拟同步及算法模块，用于根据有功功率和无功功率，通过DFIG虚拟同步机算法得到DFIG转子电流矢量参考值的幅值和相位；
矢量计算模块，用于对三相定子电压、三相定子电流和三相转子电流进行旋转坐标变换，对应得到正向旋转d-q坐标系下的定子电压矢量、定子电流矢量和转子电流矢量，并计算出正向旋转d-q坐标系下转子磁链矢量；
陷波器模块，用于利用谐振频率为50Hz和100Hz的陷波滤波器分别消除DFIG转子电流矢量参考值和转子磁链矢量中的暂态分量和负序分量，得到DFIG转子电流矢量参考值的正序分量和转子磁链矢量的正序分量；
模型预测模块，用于根据DFIG转子侧变流器八种开关状态对应的转子电压矢量以及转子电流和转子磁链预测模型，得到不同转子电压矢量作用时对应的下一控制周期的转子电流矢量预测值和转子磁链矢量预测值；
代价函数计算和驱动信号生成模块，用于建立代价函数，计算不同转子电压矢量对应的函数值，选取使函数值最小的转子电压矢量所对应的机侧变流器开关状态对DFIG机侧变流器施加控制。
9.一种电子设备，其特征在于，包括：
一个或多个处理器；
存储器，用于存储一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如权利要求1-7任一项所述的方法。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-7中任一项所述的方法。
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