方法
技术领域
背景技术
[0002] 随着电
力电子技术的快速发展，
高压直流输电和中低压直流微网得到越来越多的研究和应用。基于双馈异步发
电机(Double-Fed Induction Generator，DFIG)的
风电场一般处于偏远地区，采用高压直流输电可以降低无功损耗、减少线路走廊以及提高传输效率。而且，针对
船舶和航天飞机中使用的中低压直流
电网，采用双馈电机直流并网可以具有宽转速范围稳定直流电压的特性，提高发电效率和可靠性，所以研究双馈异步电机直流并网拓扑结构和控制策略具有重要意义。
[0003] DFIG-DC系统指双馈电机通过
转子逆变器和定子不控
整流桥直接连接到直流
母线上，如图1所示，这种拓扑结构只需要一个转子逆变器，控制简单，成本低，所以得到广泛的研究。假定认为直流电网是稳定的，母线电压不需要双馈电机控制，双馈电机运行在功率源这种状况下，双馈电机的控制目标是最实现
风能最大
跟踪，也就是要实现定子功率的精准控制；除此之外，由于双馈电机定子侧没有交流电网，定子频率需要额外控制。
[0004] 针对DFIG-DC系统的定子功率和定子频率控制，国内外已有一些学者展开研究；葡萄牙里斯本技术大学的G.D.Marques教授和英国曼切斯特大学的M.F.Iacchetti教授提出一些针对该拓扑结构下的双馈电机转矩和定子频率的控制方法，这些方法一般都是基于定子磁链定向的解耦控制方法。根据定子磁链获取方法的区别，可以分为采用定子电压模型获取和定子电流模型获取，采用定子电压模型时，需要将定子反电动势积分获取定子磁链，而在实际工程应用中直流偏置会导致积分环节饱和而失效，所以实际中通常采用惯性环节代替积分环节，但是惯性环节会引起积分频率处的误差，需要增加一些额外补偿环节，增加运行的控制难度。为解决定子电压模型引入的积分问题，浙江大学的年珩教授和吴超提出采用电流模型获取定子磁链
角度可以避免积分环节的使用，可以避免计算定子频率，但是电流模型依赖电机的定子电感和互感参数，参数偏差时会影响磁链角度的
精度。印度新德里理工大学Amit Kumar Jain教授团队提出采用直流电压和转子电流估测定子电流的方法，可以避免使用定子电流传感器，但是需要双馈电机的电感
电阻参数，而且只适用于
孤岛情况下的
直流母线电压控制。除此之外，针对这种拓扑结构定子谐波电压造成的转矩脉动，浙江大学的年珩教授团队也提出基于直接谐振控制、重复
控制器、自适应重复控制器等一系列方法抑制转矩脉动和电流谐波，已经授权的
专利有：一种DFIG-DC系统的定子电流正弦化控制方法(专利号：ZL201711250218.2)。
[0005] 但是已有的这些控制策略都依赖于定子磁链定向，而获取定子磁链角度的过程中会带来参数依赖和直流偏置问题，进而影响定子功率和频率的控制精度。而且，获取定子磁链的过程中需要定子电压或者定子电流传感器，增加系统传感器成本。
发明内容
[0006] 针对DFIG-DC拓扑结构不同于传统的双馈电机交流并网结构，这种直流并网的拓扑结构定子侧没有交流电网，定子频率需要额外的控制，而且双馈电机运行在功率源模式，需要对定子功率也精准控制；已有的控制方法都需要定子电压或定子电流传感器，增加系统成本和控制复杂度，本发明提供了一种无定子电压电流传感器的DFIG-DC系统定子功率及频率控制方法，直接采用转子电流幅值控制定子功率，定子频率可以灵活给定，这种控制方法可以解耦定子功率和定子频率控制环，提高控制系统的
稳定性和鲁棒性。
[0007] 一种无定子电压电流传感器的DFIG-DC系统定子功率及频率控制方法，所述DFIG-DC系统包括DFIG、不控整流桥以及转子逆变器，DFIG转子侧通过转子逆变器连接至直流母线，DFIG定子侧通过不控整流桥连接至直流母线；
[0008] 所述定子功率及频率控制方法包括如下步骤：
[0009] (1)采集DFIG的三相转子电流、不控整流桥的直流电流Idcs以及直流母线电压Vdc，同时检测DFIG的转速ωr和转子
位置角θr；
[0010] (2)给定定子频率参考值为ωs，对其积分得到同步旋转
坐标系角度θs，使θs减去转子位置角θr得到转差角θslip；
[0011] (3)利用转差角θslip对三相转子电流进行坐标变换，得到同步旋转坐标系下转子电流的d轴分量Ird和q轴分量Irq；
[0012] (4)使直流母线电压Vdc与直流电流Idcs相乘得到定子功率Ps，给定定子功率参考值为Psref，对定子功率误差进行PI(比例积分)控制得到转子电流d轴参考值Irdref；
[0013] (5)分别对d轴和q轴的转子电流误差进行PI控制得到转子电压的d轴分量Urd和q轴分量Urq；
[0014] (6)基于转子电压d轴分量Urd和q轴分量Urq通过
脉宽调制生成一组PWM
信号用以对转子逆变器中的功率器件进行
开关控制，实现DFIG定子功率和定子频率的精准控制。
[0015] 进一步地，所述步骤(2)中通过以下公式计算转差角θslip；
[0016]
[0017] 其中：s为拉普拉斯算子，1/s表示积分运算。
[0018] 进一步地，所述步骤(3)中通过以下公式计算转子电流d轴分量Ird和q轴分量Irq；
[0019]
[0020] 其中：Ira、Irb、Irc对应为DFIG的abc三相转子电流。
[0021] 进一步地，所述步骤(4)中通过以下公式计算定子功率Ps和转子电流d轴参考值Irdref；
[0022] Ps＝Vdc·Idcs
[0023]
[0024] 其中：s为拉普拉斯算子，Kpp和Kip分别为比例系数和积分系数。
[0025] 进一步地，所述步骤(5)中通过以下公式计算转子电压的d轴分量Urd和q轴分量Urq；
[0026]
[0027]
[0028] 其中：s为拉普拉斯算子，Kpi和Kii分别为比例系数和积分系数，Irqref为转子电流q轴参考值。
[0029] 进一步地，所述转子电流q轴参考值Irqref设定为0，实现转子电流定向。
[0030] 进一步地，所述步骤(6)中采用SVPWM(空间矢量脉宽调制)技术生成PWM信号用以对转子逆变器中的功率器件进行开关控制。
[0031] 本发明涉及的DFIG-DC系统主要包括DFIG、转子逆变器、不控整流桥以及直流电网；转子逆变器和不控整流桥同时连接到直流电网上，DFIG通过转子逆变器提供励磁电流建立定子电压，定子电压使得定子不控整流桥工作在连续导通模式，定子不控整流桥将双馈电机交流
电能变换为直流输送到直流电网。
[0032] 本发明中转子逆变器和定子不控整流桥都采用简单的三相六桥臂结构，其中转子逆变器作用是为DFIG转子提供励磁，同时实现DFIG的最大风能跟踪运行控制，定子不控整流桥将DFIG输出交流电转换为直流电；本发明中直流电网相当于电压稳定的无穷大直流源，可连接至直流负载，或者经过升压后通过高压直流输电将电能输送到远距离地区。
[0033] 本发明在拓扑结构上的优势是只采用一个转差倍功率的逆变器就可以实现DFIG电能输送到直流电网，可以显著地降低拓扑结构的成本。本发明在控制方法上的优势是在DFIG稳态数学模型的
基础上，建立双馈电机定子输出功率与转子电流幅值的关系，直接通过控制转子电流幅值控制定子输出功率，这种简化的定子功率和定子频率控制方法的优势可以总结如下三点：
[0034] 1.本发明定子频率和同步旋转坐标系角度都是直接给定，可以避免采用定子电压模型或者电流模型计算定子频率和定子磁链角度，可以降低参数依赖性和直流偏置影响。
[0035] 2.由于本发明定子功率直接采用转子电流控制，定子频率直接给定，所以定子电压和电流传感器都可以减去，进一步降低系统成本和提高可靠性。
[0036] 3.本发明中的定子功率控制和定子频率控制是解耦的，而且定子功率控制近似为一阶环节，进一步提高定子功率和定子频率控制环的稳定性与鲁棒性。
附图说明
[0037] 图1为DFIG-DC系统的拓扑结构示意图。
[0038] 图2为本发明定子功率和定子频率控制方法的流程
框图。
[0039] 图3为定子给定功率变化情况下DFIG-DC系统的实验
波形示意图。
[0040] 图4为定子给定频率变换情况下DFIG-DC系统的实验波形示意图。
具体实施方式
[0041] 为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
[0042] 如图1所示，本发明基于DFIG的直流并网拓扑结构，包括DFIG和直流电网，DFIG转子侧通过转子逆变器接到直流电网，DFIG定子侧通过不控整流桥接到直流电网；DFIG具有三相定子绕组和三相转子绕组，三相定子绕组和三相转子绕组均采用星型连接方式；其中：
[0043] 转子逆变器用于为DFIG转子提供励磁，建立稳定的定子电压，定子不控整流桥用于将交流电变成直流输出到直流电网。
[0044] 控制器用于采集DFIG的三相转子电流Ira～Irc，转速ωr和转子位置θr，直流母线电压Vdc和定子侧直流电流Idcs，并根据这些信号构造出一组PWM信号对转子逆变器进行控制。
[0045] 控制器由电流传感器、电压传感器、
编码器、驱动
电路和DSP组成；其中，电流传感器用于采集三相转子电流Ira～Irc以及不控整流桥侧直流电流Idcs，电压传感器用于采集直流母线电压Vdc，编码器用于通过检测DFIG的转子位置角θr并得到DFIG的转速ωr，电流传感器和编码器将采集到的信号经信号调理及
模数转换后传送给DSP，由DSP根据这些信号通过相应的控制
算法构造出六路PWM信号经驱动电路功率放大后对转子逆变器中的IGBT进行开关控制。
[0046] 如图2所示，本发明不用定子电压电流传感器的DFIG-DC系统定子功率和定子频率控制方法，包括以下步骤：
[0047] (1)利用电流霍尔传感器采集三相转子电流信号Irabc，同时采用编码器检测DFIG的转子位置θr，再经过微分器计算转速ωr。
[0048] (2)给定定子频率为ωs，积分得到同步旋转坐标系角度θs，使用同步旋转系角度θs减去转子位置角θr得到转差角θslip，具体计算表达式如下：
[0049]
[0050] 其中：s为拉普拉斯算子，1/s表示积分运算。
[0051] (3)利用转差角θslip对三相转子电流Irabc进行坐标变换，得到同步旋转坐标系下转子电流的d轴分量Ird和q轴分量Irq，具体变换表达式如下：
[0052]
[0053] (4)将直流母线电压Vdc和定子侧直流电流Idcs相乘可以得到定子功率Ps，定子功率参考值为Psref，将定子功率误差通过PI控制得到转子电流d轴参考值Irdref；转子电流q轴参考值Irqref为零，实现转子电流定向；具体计算表达式如下：
[0054] Ps＝Vdc·Idcs
[0055]
[0056] 其中：Kpp和Kip分别为定子功率控制的比例系数和积分系数，s为拉普拉斯算子。
[0057] (5)根据转子电流的d轴分量Ird和q轴分量Irq以及转子电流d轴参考值Irdref，使转子电流dq轴误差分别通过PI控制得到转子电压的d轴分量Urd和q轴分量Urq，具体计算表达式如下：
[0058]
[0059]
[0060] 其中：Kpi和Kii分别为电流控制的比例系数和积分系数，s为拉普拉斯算子，转子电流q轴参考值Irqref为零。
[0061] (6)基于转子电压的d轴分量Urd和q轴分量Urq通过SVPWM技术得到一组PWM信号以对DFIG的转子逆变器进行控制，实现DFIG的定子功率和定子频率精准控制。
[0062] 如图3所示，在定子给定功率变化的情况下，系统输出功率可以很快的跟踪指令，并且定子频率的控制不受功率变化的影响；如图4所示，在定子频率给定变化的情况下，实际定子频率可以很快达到给定值，定子功率具有一定的
波动是由于暂态磁链造成的，但在100毫秒后可以达到稳态值，表明了本发明控制方法对于定子功率响应和定子频率响应具有很高的鲁棒性，而且不需要定子电压和电流传感器，具有很好的动态和稳态性能。
[0063] 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。
