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基于显式模型预测控制的双馈 风机故障穿越方法及系统

阅读：826发布：2020-05-12

专利汇可以提供基于显式模型预测控制的双馈风机故障穿越方法及系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本公开提供了一种基于显式模型预测控制的双馈风机故障穿越方法及系统，本公开服了传统去磁控制固定系数的缺点，去磁电流可以根据故障的情况灵活的调整来充分发挥转子侧变换器的容量，在传统去磁控制的基础上不需要多余的测量环节，且能适用于多种故障类型和故障深度下，适用于在线的优化控制，能够满足电网故障期间的双馈风机暂态响应要求。，下面是基于显式模型预测控制的双馈风机故障穿越方法及系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于显式模型预测控制的双馈风机故障穿越方法，其特征是：包括以下步骤：
构建双馈感应发电机的等效电路模型，以在同步坐标系表示定子侧和转子侧磁链；
对双馈感应发电机在不对称故障下的动态行为进行分析，确定故障下定子磁链对于转子的影响；
利用低通滤波器提取磁链的自由分量，根据定子电流和定子电压计算得到磁链的负序分量；
采用增量法对磁链的自由分量和负序分量进行转换，确定线性时不变系统的状态空间方程，根据采样时间，利用离散法将线性时不变系统转化为离散时间的形式，得到预测模型；
以抵消磁链的自由分量和负序分量为目标函数，以预测模型进行去磁控制，实现双馈风机故障穿越。
2.如权利要求1所述的一种基于显式模型预测控制的双馈风机故障穿越方法，其特征是：对双馈感应发电机在不对称故障下的动态行为进行分析的过程包括：
忽略定子电阻，将定子电压表示成正序和负序分量之和，进而得到在定子坐标系下相应的由定子电压产生的定子磁链表达式，将定子磁链转换到转子坐标系，根据对称分量法，分别分析转换坐标后的磁链的自由分量和负序分量对转子的影响。
3.如权利要求1所述的一种基于显式模型预测控制的双馈风机故障穿越方法，其特征是：根据对称分量法，表达定子磁链的自由分量和负序分量，采用增量法将其转换，得到线性时不变系统的状态空间方程。
4.如权利要求1所述的一种基于显式模型预测控制的双馈风机故障穿越方法，其特征是：以预测模型进行去磁控制过程具有约束条件，具体包括：转子电流的参考值受到转子侧变换器容量的限制。
5.如权利要求1所述的一种基于显式模型预测控制的双馈风机故障穿越方法，其特征是：由于存在转子变换器容量的限制以及约束条件，需要在容量不足时合理分配容量，最大限度的减小转子电压，从而抑制转子过电流和直流母线过电压。
6.如权利要求1所述的一种基于显式模型预测控制的双馈风机故障穿越方法，其特征是：离线计算出去磁控制模型的状态分区图和对应的最优控制率，在在线计算时，根据状态变量在当前时刻所在的分区查找到对应的最优控制率，减少在线的计算时间。
7.一种基于显式模型预测控制的双馈风机故障穿越系统，其特征是：包括：
等效模型构建模块，被配置为构建双馈感应发电机的等效电路模型，以在同步坐标系表示定子侧和转子侧磁链；
动态行为分析模块，被配置为对双馈感应发电机在不对称故障下的动态行为进行分析，确定故障下定子磁链对于转子的影响；
预测模型构建模型，被配置为利用低通滤波器提取磁链的自由分量，根据定子电流和定子电压计算得到磁链的负序分量；采用增量法对磁链的自由分量和负序分量进行转换，确定线性时不变系统的状态空间方程，根据采样时间，利用离散法将线性时不变系统转化为离散时间的形式，得到预测模型；
去磁控制模块，被配置为以抵消磁链的自由分量和负序分量为目标函数，以预测模型进行去磁控制，实现双馈风机故障穿越。
8.一种计算机可读存储介质，其特征是：其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行权利要求1-6中任一项所述的一种基于显式模型预测控制的双馈风机故障穿越方法的步骤。
9.一种终端设备，其特征是：包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求
1-6中任一项所述的一种基于显式模型预测控制的双馈风机故障穿越方法的步骤。

说明书全文

基于显式模型预测控制的双馈风机故障穿越方法及系统

技术领域

[0001] 本公开属于风电控制技术领域，涉及一种基于显式模型预测控制的双馈风机故障穿越方法及系统。

背景技术

[0002] 本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

[0003] 双馈感应发电机(DoublyFedInductionGenerator，DFIG)因其多种优势，如灵活的有功和无功功率控制能力，技术成熟，成本低和可靠性高等优点，被广泛应用于现代风力发电系统。DFIG由背靠背转换器和绕线转子感应发电机组成，其定子绕组直接连接到电网的公共连接点，所以对电网电压的波动非常敏感。随着风电渗透率的逐年增加，风机和电网之间的动态行为成为了研究的热点问题。为了满足电网并网的要求，双馈风机在电网发生故障和故障后必须保持不脱网，特别是低电压穿越(LowVoltageRideThrough，LVRT)。

[0004] 近年来，去磁控制被应用在LVRT上，通过向转子注入去磁电流从而减小转子电压，避免转子变换器饱和，抑制转子侧过电流和直流母线过电压。

[0005] 但是据发明人了解，传统的去磁控制电流由测量的负序和自由磁链乘以固定的比例系数得到，这样得到得去磁链电流值可能会很大，使转子变换器饱和，影响去磁的效果，不能充分发挥转子变换器的容量，且不能根据故障的情况灵活的调整去磁电流。

发明内容

[0006] 本公开为了解决上述问题，提出了一种基于显式模型预测控制的双馈风机故障穿越方法及系统，本公开服了传统去磁控制固定系数的缺点，去磁电流可以根据故障的情况灵活的调整来充分发挥转子侧变换器的容量，适用于在线的优化控制，能够满足电网故障期间的双馈风机暂态响应要求。

[0007] 根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

[0008] 一种基于显式模型预测控制的双馈风机故障穿越方法，包括以下步骤：

[0009] 构建双馈感应发电机的等效电路模型，以在同步坐标系表示定子侧和转子侧磁链；

[0010] 对双馈感应发电机在不对称故障下的动态行为进行分析，确定故障下定子磁链对于转子的影响；

[0011] 利用低通滤波器提取磁链的自由分量，根据定子电流和定子电压计算得到磁链的负序分量；

[0012] 采用增量法对磁链的自由分量和负序分量进行转换，确定线性时不变系统的状态空间方程，根据采样时间，利用离散法将线性时不变系统转化为离散时间的形式，得到预测模型；

[0013] 以抵消磁链的自由分量和负序分量为目标函数，以预测模型进行去磁控制，实现双馈风机故障穿越。

[0014] 作为进一步的限定，对双馈感应发电机在不对称故障下的动态行为进行分析的过程包括：

[0015] 忽略定子电阻，将定子电压表示成正序和负序分量之和，进而得到在定子坐标系下相应的由定子电压产生的定子磁链表达式，将定子磁链转换到转子坐标系，根据对称分量法，分别分析转换坐标后的磁链的自由分量和负序分量对转子的影响。

[0016] 作为进一步的限定，根据对称分量法，表达定子磁链的自由分量和负序分量，采用增量法将其转换，得到线性时不变系统的状态空间方程。

[0017] 作为进一步的限定，以预测模型进行去磁控制过程具有约束条件，具体包括：转子电流的参考值受到转子侧变换器容量的限制。

[0018] 作为进一步的限定，由于存在转子变换器容量的限制以及约束条件，需要在容量不足时合理分配容量，最大限度的减小转子电压，从而抑制转子过电流和直流母线过电压。

[0019] 作为进一步的限定，离线计算出去磁控制模型的状态分区图和对应的最优控制率，在在线计算时，根据状态变量在当前时刻所在的分区查找到对应的最优控制率，减少在线的计算时间。

[0020] 一种基于显式模型预测控制的双馈风机故障穿越系统，包括：

[0021] 等效模型构建模块，被配置为构建双馈感应发电机的等效电路模型，以在同步坐标系表示定子侧和转子侧磁链；

[0022] 动态行为分析模块，被配置为对双馈感应发电机在不对称故障下的动态行为进行分析，确定故障下定子磁链对于转子的影响；

[0023] 预测模型构建模型，被配置为利用低通滤波器提取磁链的自由分量，根据定子电流和定子电压计算得到磁链的负序分量；采用增量法对磁链的自由分量和负序分量进行转换，确定线性时不变系统的状态空间方程，根据采样时间，利用离散法将线性时不变系统转化为离散时间的形式，得到预测模型；

[0024] 去磁控制模块，被配置为以抵消磁链的自由分量和负序分量为目标函数，以预测模型进行去磁控制，实现双馈风机故障穿越。

[0025] 一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行所述的一种基于显式模型预测控制的双馈风机故障穿越方法的步骤。

[0026] 一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行所述的一种基于显式模型预测控制的双馈风机故障穿越方法的步骤。

[0027] 与现有技术相比，本公开的有益效果为：

[0028] 本公开克服了传统去磁控制固定系数的缺点，去磁电流可以根据故障的情况灵活的调整来充分发挥转子侧变换器的容量。

[0029] 本公开构建的E-MPC去磁控制预测模型的控制参数基于离线计算和在线查找，大大提高在线计算速度，非常适用于在线的优化控制，能够满足电网故障期间的双馈风机暂态响应要求。

[0030] 本公开所设计的E-MPC模型结构简单可靠，在传统去磁控制的基础上不需要多余的测量环节，且能适用于多种故障类型和故障深度下。附图说明

[0031] 构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

[0032] 图1是基于显式模型预测控制的去磁控制流程图；

[0033] 图2是DFIG的结构图；

[0034] 图3是DFIG在同步坐标系(dq)下的等效电路示意图；

[0035] 图4是负序分量的转子等效电路；

[0036] 图5是自由分量的转子等效电路；

[0037] 图6是传统去磁控制的控制结构示意图；

[0038] 图7是基于E-MPC的去磁控制的控制结构示意图；

[0039] 图8是磁链测量环节结构示意图；

[0040] 图9是非线性约束等效示意图；

[0041] 图10是E-MPC的状态变量ψs2d和ψs2q分区示意图；

[0042] 图11是对称跌落至0.5p.u.(a)自由磁链ψsf的幅值，(b)转子电流Ir的幅值，(c)直流母线电压；

[0043] 图12是单相电压跌落至0.6p.u.(a)转子电流Ir的幅值，(b)直流母线电压。具体实施方式：

[0044] 下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

[0045] 应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本实施例使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

[0046] 需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

[0047] 本公开针对双馈电机的转子变流器提出了一种基于显式模型预测控制(Explicit Model Predictive Control,E-MPC)的改进的去磁控制故障穿越方法，其实现的流程图如图1所示，具体包括以下步骤：

[0048] S1，建立DFIG的动态模型；

[0049] 为了理解DFIG在故障期间的行为及其原理，本节中建立了DFIG的数学模型。带有撬棒和斩波器的DFIG结构图如图2所示。DFIG定子侧和转子侧电压可以在同步坐标系下(dq)参考系中表示如下，等效电路如图3所示

[0050]

[0051]

[0052]

[0053]

[0054] DFIG定子侧和转子侧磁链可以在同步坐标系下(dq)参考系中表示如下，

[0055] ψsd＝Lsisd+Lmird (5)

[0056] ψsq＝Lsisq+Lmirq (6)

[0057] ψrd＝Lmisd+Lrird (7)

[0058] ψrq＝Lmisq+Lrirq (8)

[0059] 其中usd，usq表示定子电压，isd，isq表示定子电流，ψsd，ψsq表示定子磁链，urd，urq表示转子电压，ird，irq表示转子电流，ψrd，ψrq表示转子磁链，Rs和Ls表示定子电阻和电感，Rr和Lr表示转子电阻和电感，Lm代表互感，ωs代表电网角频率，ωr代表转子电角频率。

[0060] 将式(7)和(8)带入(3)和(4)可以得到

[0061]

[0062]

[0063] 其中定义为漏感系数，由式(9)，(10)可知，转子感应电压一部分由定子磁链产生，受定子磁链的影响，故障期间转子感应电压也响应地发生改变，这部分感应电压被定义为erd，erq。

[0064] S2，DFIG在不对称故障下的动态行为分析；

[0065] 由于定子侧直接和电网相连，可以认为定子电压由电网决定。忽略定子电阻Rs，在不对称故障下的可以表示成正序和负序分量之和

[0066]

[0067] 其中V1，V2分别代表正序和负序电压的幅值，上标“s”代表在定子坐标系下[0068] 相应的由定子电压产生的定子磁链可以表示为

[0069]

[0070] 由于磁链不能突变，所以在故障发生的瞬间感应出了一个自由磁链分量它的初始值表示如下

[0071]

[0072] 如式(12)，(13)所示，在故障期间的定子磁链可以表示为

[0073]

[0074] 其中是磁链自由分量衰减的时间常数。

[0075] 为了研究定子磁链在转子侧的影响，将它们都转换到转子坐标系，

[0076]

[0077]

[0078] 其中上标“r”代表转子坐标系下。

[0079] 根据对称分量法，分别分析和对转子的影响。

[0080] 如式(9)，(10)所示，由所产生的转子电压如下

[0081]

[0082] 由于ωr+ωs约等于2，负序分量的转子侧等效电路如图4所示。

[0083] 如式(9)，(10)所示，由所产生的转子电压如下

[0084]

[0085] 由于ωr约等于1，自由分量的转子侧等效电路如图5所示。

[0086] S3，传统去磁控制；

[0087] 为了抵消感应的转子电压和去磁控制向转子注入特定的与磁链反向的去磁电流。去磁控制能够抵消转子电压的自由分量和负序分量，且不影响正序分量，避免转子变换器的饱和，抑制直流母线过电压和转子侧过电流。

[0088] 由于转子电压和由和产生，与磁链反向的去磁电流可以定义为

[0089]

[0090] 去磁电流将会产生一个与负序磁链反向的磁链和一个与自由磁链反向的磁链从而减小负序磁链和自由磁链。

[0091] 在注入去磁电流后的转子磁链可以表示为

[0092]

[0093] 传统去磁控制的控制框图如图6所示。

[0094] S4，基于E-MPC的去磁控制；

[0095] 1.自由和负序磁链的测量

[0096] 为了精确地计算出去磁电流的值，去磁控制需要准确地测量出磁链的自由分量(ψsfd,ψsfq)和负序分量(ψs2d,ψs2q)。传统的方法通过低通滤波器分别提取出磁链，但是低通滤波器的使用会导致幅值和相位的误差，因而导致去磁控制的效果大大减小。为了减小测量的误差，提出了新的测量结构如图7所示。一个线性的关系组合ψsf+2ψs2可以由定子电流is和定子电压vs计算得到。磁链的自由分量ψsf由低通滤波器提取。因为磁链的自由分量ψsf是一个直流量，所以不存在相位上的误差。因此，ψs2可以由ψsf+2ψs2减去ψsf得到，这样就避免了相位的差，确保去磁电流能够与磁链反向。这种测量方法可以提高去磁控制的效果。

[0097] 预测模型

[0098] 所提出的基于E-MPC的去磁控制结构图如图8所示。

[0099] 将式(5)，(6)带入(1)，(2)可得定子磁链的状态方程，

[0100]

[0101] 控制的参考电流和可以表示为

[0102]

[0103] 其中和用来抑制磁链的自由分量，和用来抑制磁链的负序分量。

[0104] 根据对称分量法，式(21)的自由分量和负序分量可以被单独表示

[0105]

[0106]

[0107] 需注意故障期间的定子电压usd和usq不存在自由分量

[0108] 采用增量法(由Δ表示)，式(23)，(24)可以转换为如下形式

[0109]

[0110]

[0111] 线性时不变系统的状态空间方程可以最终被写为

[0112]

[0113] y＝I4×4x

[0114]

[0115]

[0116] 采用采样时间Ts，根据离散法，线性时不变系统可以被转化为离散时间的形式，[0117]

[0118] 其中Ad，Bd，Cd是式(25)，(26)中A，B，I4×4的离散形式。

[0119] 2.E-MPC的约束

[0120] 转子电流的参考值和受到转子侧变换器容量的限制

[0121]

[0122]

[0123] 非线性约束(28)可以被认为是一个以和为横纵轴，以ilit为半径的圆。为了将约束用于E-MPC,必须要将其线性化，用线性的约束来近似这个非线性的约束。在本实施例中，用8条线性的约束来包围圆，从而近似出非线性约束，线性约束如图9所示。

[0124]

[0125] 3.目标函数的构建

[0126] 设计E-MPC的目的就是要抵消负序和自由磁链ψs2d，ψs2q，ψsfd和ψsfq。目标函数可以写为如下形式

[0127]

[0128] 其中QT和QF是比重因子。

[0129] 最理想的情况下，负序磁链ψs2d，ψs2q和自由磁链ψsfd，ψsfq都能够被抵消。但是由于存在转子变换器容量的限制以及约束条件(30)，需要在容量不足时合理分配容量，最大限度的减小转子电压，从而抑制转子过电流和直流母线过电压。

[0130] 感应电压和由负序和自由磁链单独产生，如式(17)，(18)，和之比为[0131]

[0132] 其中ωr＝1-s，ωs＝1，s∈[-0.3,0.3]。

[0133] 因此，式(32)可以被化简为

[0134]

[0135] 如式(33)所示，显然由负序分量所造成的感应电压是由自由分量所造成的感应电压的两倍。为了尽可能的减小感应电压，优化的比重因子QT和QF取为4:1。

[0136] 预测时域的长度选为np，k代表某一时刻，定义如下

[0137]

[0138] 在t时刻的E-MPC的问题可以由以下方程描述

[0139]

[0140] 同时还要受到式(30)的约束。

[0141] E-MPC的实现

[0142] E-MPC的离线计算分区数与预测时域步长np和采样时间Ts关系密切。过多的分区会导致在线查找时间的增加，降低E-MPC的计算速度。在保证E-MPC效果的前提下，选取np为3，Ts为0.0005s。系统的状态分区图和对应的最优控制率可以由离线计算得到。本实施例中共得到29个分区，E-MPC的状态分区图如图10所示。

[0143] 在在线计算时，可以根据状态变量在当前时刻所在的分区查找到对应的最优控制率，从而缩减计算时间并且使所设计的控制能够满足暂态期间的计算要求。

[0144] 用于DFIG的所提出的基于E-MPC的去磁控制使用MATLAB/Simulink进行仿真，选用了一个典型的1.5MW双馈风机。发电机的转子侧变流器与直流电源连接，直流母线设置为1150V，DFIG参数如表1所示。

[0145] 表1

[0146]参考功率 1.5MW
线电压(rms) 575V
定子频率 60Hz
定子电阻Rs(p.u.) 0.0023
转子电阻Rr(p.u.) 0.0016
定子电感Ls(p.u.) 3.08
转子电感Lr(p.u.) 3.06
定转子互感Lm(p.u.) 2.9

[0147] 在对称故障下的仿真结果如图11所示，电网电压在t＝1s时跌落至0.5p.u.，将没有去磁控制用Control 1表示，传统的去磁控制用Control 2表示，基于E-MPC的去磁控制用E-MPC表示。当发生对称故障时，定子中只产生自由磁链分量。如图11(a)所示在这些控制方法中，由于Control 1没有去磁控制，明显是磁链自由分量衰减的最慢的。相比较而言，E-MPC的磁链自由分量是衰减最快的，具有最好的去磁效果。同样的在11(b)和11(c)中,E-MPC具有最好的效果。转子电流的幅值最小，且直流母线电压的振荡衰减的最快。直流母线电压在故障发生0.1s后可以被限制在1130V至1160V之间。

[0148] 在单相接地故障下的仿真结果如图12所示，电网电压在t＝1s时单相跌落至0.6p.u.。如图12(a)所示Control 1的转子电流幅值在1.5p.u.振荡。Control 2有一定的去磁效果，但是转子电流幅值依旧在1.3p.u.左右振荡，不能达到电流值的要求。与前两种控制相比，所提出的E-MPC具有最好的去磁效果，转子电流幅值明显衰减的最快，在故障发生
0.1s之后，转子电流就被限制在1p.u.之内。因此，所提控制方法能够减少故障期间撬棒的动作时间，从而在故障时向电网提供无功功率和支撑电压恢复。如图12(b)所示，E-MPC同样具有最好的抑制直流母线电压的作用，直流母线电压始终低于1200V且在故障发生0.1s之后，直流母线电压被限制在1130V至1170V之内。

[0149] 本领域内的技术人员应明白，本公开的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本公开可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本公开可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

[0150] 本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

[0151] 这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

[0152] 这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

[0153] 以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

[0154] 上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

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