專利名稱：永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)復(fù)合矢量控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及發(fā)電機(jī)的控制方法，特別是一種永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)復(fù)合矢量控制方法。
背景技術(shù)：
眾所周知，風(fēng)力發(fā)電是可再生能源中最廉價、最有前途而又取之不盡的綠色能源， 目前國內(nèi)外將永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的一種主流機(jī)型。隨著電力電子技術(shù)和永磁 同步電機(jī)制造技術(shù)的發(fā)展，變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)中，采用PMSG的直驅(qū)系統(tǒng)由于省略了齒 輪箱、發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間沒有直接耦合等特點(diǎn)，因而具有能量損失少、維護(hù)成本低、抗電網(wǎng) 波動能力強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，從而成為變速恒頻風(fēng)力發(fā)電最具發(fā)展?jié)摿Φ闹髁骷夹g(shù)之一。
傳統(tǒng)的永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)矢量控制方法均為基于轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動勢e。定向，一般 僅采用單一的一種矢量控制策略(如id = 0控制，最大轉(zhuǎn)矩電流比控制等)。而風(fēng)力發(fā)電 系統(tǒng)中，如果單純采用一種矢量控制方法存在很多缺點(diǎn)，如基于最大轉(zhuǎn)矩電流比控制方法 只能兼顧轉(zhuǎn)折速度以下，而轉(zhuǎn)折速度以上采用此方法會導(dǎo)致變流器交流電壓超過額定值運(yùn) 行；相反地，弱磁控制方法在轉(zhuǎn)折速度以下會損失很大的發(fā)電量?？梢?，由于風(fēng)力的大范圍 波動，使得采用傳統(tǒng)的單一模式的矢量控制方法無法滿足風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制要求。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決上述技術(shù)難點(diǎn)，并提供一種能夠提高系統(tǒng)的發(fā)電功率、提高 系統(tǒng)的穩(wěn)定性的一種永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)復(fù)合矢量控制方法。 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案一種永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)復(fù)合矢 量控制方法，包括下列順序的步驟 (1)根據(jù)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型和矢量控制方法的本質(zhì)為控制定子電流 矢量值的大小和方向，建立永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)基于定子電流定向復(fù)合矢量控制策略。
根據(jù)實時采集的永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子三相交流電流及電壓，并根據(jù)基于定子
電流定向的控制坐標(biāo)系氣％的定向角度，將三相交流電流轉(zhuǎn)換為氣％軸的氣、q、電流
分量^is， ^。 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，風(fēng)機(jī)控制器會發(fā)出轉(zhuǎn)矩給定信號T^，根據(jù)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī) 的數(shù)學(xué)模型，可根據(jù)最大轉(zhuǎn)矩電流比控制時的轉(zhuǎn)矩到電流轉(zhuǎn)換算法，得到定子電流給定值
is*作為基于定子電流定向的q.軸電流給定/。. ，d.軸電流給定Z;為0。
(2)當(dāng)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子速度未超過轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)折速度ost時，對變流器實行
基于定子電流定向復(fù)合矢量控制策略效果等同于最大轉(zhuǎn)矩電流比控制； (3)當(dāng)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子速度超過轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)折速度ost時，對變流器實行基
于定子電流定向復(fù)合矢量控制策略效果等同于采用最大功率輸出的弱磁控制方式。
(4)在風(fēng)速大范圍快速波動時，根據(jù)實時檢測的發(fā)電機(jī)定子電壓，對變流器實行基
4于定子電流定向復(fù)合矢量控制策略可方便實行兩種控制策略模式的自由切換控制。
在dq坐標(biāo)系中，PMSG數(shù)學(xué)模型為 ud = ussinS =-Rsid—pLdid+"sLqiq (1)
uq = usc0SS =-Rsiq-"sLdid_pLqiq+"sVf (2)
Tem = 1. 5pn[ vfiscosct+0. 5(Lq-Ld)is2sin2(t] (3)
Pem = 1. 5"s[ vfiscosct+0. 5(Lq-Ld)is2sin2(t] (4) 式中，Ud、U,為Us的d、q軸分量；T 為電磁轉(zhuǎn)矩；Penl為電磁功率；p為微分算子；Pn 為極對數(shù)。 在dq坐標(biāo)系中，當(dāng)采用最大轉(zhuǎn)矩電流比矢量控制時，永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)為凸極 式電機(jī)應(yīng)滿足rem = 1.5抓-0.5/qA^f2 +4(iq -Zd) /q2
q ----qrn ".■、一q 1
, /-^-
z。=
卞f+^f2+4(Zq-Zd)2
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(6)
2 -2
"《 —aWt肌^"20
(7)
(8)
(5)
從而有
當(dāng)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)為隱極式電機(jī)應(yīng)滿足 id = 0 (9)
對于定子電流，有
z'Lx (io)
右
i，，為變流器額定電沒 對于定子電壓，根據(jù)式(1)、 (2)，同時在較高轉(zhuǎn)速下，忽略定子相電阻Rs的影響，
由從
由變流器直流電壓額定值決定；
(11)
永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)折速度"st為
smax
< 、2 / 2
5-Vd) +(vJ
(12) 式(12)中的id、 i,值滿足式(6)。 所述的永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)折速度cost是指采用最大轉(zhuǎn)矩電流比控制且恒
轉(zhuǎn)矩運(yùn)行、定子電流為極限值時，定子電壓達(dá)到允許的極限值時的轉(zhuǎn)子速度。 由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明通過以定子電流定向，在發(fā)電機(jī)切入速度與轉(zhuǎn)折速
度間采用最大轉(zhuǎn)矩電流比控制方式以提高系統(tǒng)的發(fā)電功率，在轉(zhuǎn)折速度至極限速度間，采
用最大功率輸出的弱磁控制方式。采用最大轉(zhuǎn)矩電流比控制來減小電機(jī)銅耗、降低變流器
5的電流容量，提高系統(tǒng)效率，獲取最大發(fā)電功率；當(dāng)PMSG在較高轉(zhuǎn)速直至極限轉(zhuǎn)速運(yùn)行時， 為保證變流器能實時工作在額定條件，對PMSG的控制不僅需考慮較大的輸出功率，同時更 需考慮變流系統(tǒng)的穩(wěn)定性，為此需采用最大功率輸出的弱磁控制方法。
圖1是PMSG空間矢量圖； 圖2是定子電流矢量軌跡圖； 圖3是本發(fā)明的控制框圖； 圖4是圖3中轉(zhuǎn)矩電流轉(zhuǎn)換算法的框圖； 圖5是弱磁定向控制器的框圖。
具體實施例方式
永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)復(fù)合矢量控制方法，包括下列順序的步驟(l)根據(jù)永磁同 步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型和矢量控制方法的本質(zhì)為控制定子電流矢量值的大小和方向，建 立永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)基于定子電流定向復(fù)合矢量控制策略。 根據(jù)實時采集的永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子三相交流電流及電壓，并根據(jù)基于定子 電流定向的控制坐標(biāo)系氣、的定向角度，將三相交流電流轉(zhuǎn)換為氣％軸的氣、％電流
分量z&，、一 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，風(fēng)機(jī)控制器會發(fā)出轉(zhuǎn)矩給定信號TJ，根據(jù)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī) 的數(shù)學(xué)模型，可根據(jù)最大轉(zhuǎn)矩電流比控制時的轉(zhuǎn)矩到電流轉(zhuǎn)換算法，得到定子電流給定值
is*作為基于定子電流定向的q.軸電流給定《.，di軸電流給定《.為0。
(2)當(dāng)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子速度未超過轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)折速度cost時，對變流器實行
基于定子電流定向復(fù)合矢量控制策略效果等同于最大轉(zhuǎn)矩電流比控制； (3)當(dāng)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子速度超過轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)折速度ost時，對變流器實行基
于定子電流定向復(fù)合矢量控制策略效果等同于采用最大功率輸出的弱磁控制方式。
(4)在風(fēng)速大范圍快速波動時，根據(jù)實時檢測的發(fā)電機(jī)定子電壓，對變流器實行基
于定子電流定向復(fù)合矢量控制策略可方便實行兩種控制策略模式的自由切換控制。
在dq坐標(biāo)系中，PMSG數(shù)學(xué)模型為 ud = ussinS =-Rsid—pLdid+" sLqiq (1) uq = usc0SS =-Rsiq-"sLdid_pLqiq+"sVf (2)Tem = 1. 5pn[ vfiscosct+0. 5(Lq-Ld)is2sin2(t] (3)Pem = 1. 5"s[ vfiscosct+0. 5(Lq-Ld)is2sin2(t] (4) 式中，ud、uq為us的d、q軸分量，Tem為電磁轉(zhuǎn)矩，Pem為電磁功率，p為微分算子，Pn 為極對數(shù)。如圖1所示，Vf為轉(zhuǎn)子磁鏈，L為電樞合成磁鏈，Us為定子相電壓，k為定子 相電流，Rs為定子相電阻，Lq、Ld為交、直軸電感，S為功率角，a為功率因數(shù)角，小為內(nèi)
功率因數(shù)角，"，為同步電角速度。dq坐標(biāo)系中q軸以轉(zhuǎn)子空載電動勢e。定向，d^q"坐 標(biāo)系中軸以定子電流矢量is定向。
6
若忽略發(fā)電機(jī)的損耗，則PMSG的電磁功率Pem為系統(tǒng)的發(fā)電功率P，在變流器額定 條件下，為實時獲取最大的發(fā)電功率Pmax，需采用最大轉(zhuǎn)矩電流比矢量控制。在dq坐標(biāo)系 中，當(dāng)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)為凸極式電機(jī)應(yīng)滿足 如圖2所示，在最大轉(zhuǎn)矩電流比控制時，根據(jù)式(5)至式(7)，在一定的轉(zhuǎn)矩給定條 件下，is與TM的函數(shù)關(guān)系便可唯一確定，并且可明確is在dq坐標(biāo)系中的軌跡，如曲線OBA 所示。 在實際兆瓦級的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，PMSG是由電流可控的變流器控制發(fā)電，而變流 器的變送電能力會受到其容量的限制，因此當(dāng)電機(jī)工作在較高轉(zhuǎn)速直至極限轉(zhuǎn)速時，其定 子電流和電壓均有一個極限值。對于定子電流，有 / 52鵬 (10)
ismax為變流器額定電流； 對于定子電壓，根據(jù)式(1)、 (2)，同時在較高轉(zhuǎn)速下，忽略定子相電阻Rs的影響， 從而有 "d2 + t/q2 = (ty,q/q )2 + (-0,d/d + ，f )2 S "，鵬 (i 1 ) usmax由變流器直流電壓額定值決定；
永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)折速度"st為 式(12)中的id、i,值滿足式(6)。所述的永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)折速度"m是 指采用最大轉(zhuǎn)矩電流比控制且恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行、定子電流為極限值時，定子電壓達(dá)到允許的極 限值時的轉(zhuǎn)子速度。 當(dāng)轉(zhuǎn)速超過"st，如仍然采用最大轉(zhuǎn)矩電流比矢量控制，則在額定轉(zhuǎn)矩條件下，電 機(jī)的定子線電壓峰值將會超過變流器直流側(cè)電壓值，從而使變流器失去電流控制能力，系 統(tǒng)穩(wěn)定性將受到極大影響。為此在c^t至極限速度間，需要采用弱磁控制方式，并且此控制 方式下系統(tǒng)仍然能獲取到最大的發(fā)電功率。 弱磁控制的定子電流矢量軌跡如圖2電流極限圓的AC所示，可見電流矢量幅值保
當(dāng)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)為隱極式電機(jī)應(yīng)滿足
id = 0 (9)
7持不變，但相位變化。并且由式(10)、 (11)可得，極限電流矢量軌跡為一個圓，而極限電壓 矢量軌跡為一個隨轉(zhuǎn)速"st變化的橢圓，當(dāng)為隱極式時為極限圓。圖2中，"st為轉(zhuǎn)折速 度，A點(diǎn)對應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩為T^，其為c^t狀態(tài)下可以輸出的最大轉(zhuǎn)矩，當(dāng)轉(zhuǎn)速進(jìn)一步升高 到0《，最大轉(zhuǎn)矩電流比矢量控制電流軌跡與電壓極限橢圓相交于B點(diǎn)，此點(diǎn)對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩為 T 2 (TM2 < TMl)，但如果此時電流偏離最大轉(zhuǎn)矩電流比控制時的電流軌跡，從A點(diǎn)直接移動 到C點(diǎn)，則電機(jī)可以輸出較大的電磁轉(zhuǎn)矩TM3(TM2 < T 3 < TMl)，比較電機(jī)的電磁功率PM， 則有P^ < Peml < P^，從而當(dāng)風(fēng)速過高時，在保證系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行的基礎(chǔ)上，采用此種弱磁控 制仍然能保證電機(jī)的最大發(fā)電功率。 從以上分析可得在不同的轉(zhuǎn)速點(diǎn)和轉(zhuǎn)矩條件下，只要控制定子電流按OBAC的軌 跡運(yùn)行，便可實現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩電流比和弱磁的相互切換控制。為此，可建立基于定子電流矢量 方向的定向坐標(biāo)系di,q"，根據(jù)式(5)至式(7)的轉(zhuǎn)矩到電流的轉(zhuǎn)換關(guān)系，求出is的幅值， 便可實現(xiàn)本發(fā)明的復(fù)合矢量控制方法。 如圖3所示，轉(zhuǎn)矩給定T *由風(fēng)機(jī)控制器發(fā)出，經(jīng)過轉(zhuǎn)矩到電流轉(zhuǎn)換算法，得到定 子電流給定值i/作為基于定子電流定向的qis軸電流給定《，dis軸電流給定/;為0 ;復(fù)合
矢量控制坐標(biāo)系定向角度^,則通過轉(zhuǎn)子速度及位置檢測以及弱磁定向控制器和式(8)獲 取。當(dāng)進(jìn)行最大轉(zhuǎn)矩電流比控制時，弱磁定向控制器不調(diào)節(jié)，A小為0，控制坐標(biāo)系定向角 度&s由檢測的轉(zhuǎn)子位置角e,和小獲得。當(dāng)定子電壓值大于u，,時，系統(tǒng)需進(jìn)入弱磁控制 調(diào)節(jié)，此刻由式(5)至式(7)提供的"*與i/與實際的id人值不相等，從而由式(8)計算 的小值將不準(zhǔn)確，弱磁定向控制器開始調(diào)節(jié)，輸出內(nèi)功率因數(shù)角偏差值A(chǔ) (K調(diào)節(jié)控制坐 標(biāo)系角度，以控制定子電壓在允許的最大值。圖5中，i^為可調(diào)量，通過閉環(huán)調(diào)節(jié)AcK使 us實時跟蹤usmax值，從而實現(xiàn)控制坐標(biāo)系的定向。
權(quán)利要求
永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)復(fù)合矢量控制方法，其特征在于根據(jù)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型和利用矢量控制方法控制定子電流矢量值的大小和方向，建立永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)基于定子電流定向復(fù)合矢量控制策略；所述的控制策略根據(jù)實時采集的永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子三相交流電流及電壓，并根據(jù)基于定子電流定向的控制坐標(biāo)系的定向角度，將三相交流電流轉(zhuǎn)換為軸的電流分量風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，風(fēng)機(jī)控制器發(fā)出轉(zhuǎn)矩給定信號Tem*，根據(jù)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)最大轉(zhuǎn)矩電流比控制時的轉(zhuǎn)矩到電流轉(zhuǎn)換算法，得到定子電流給定值is*作為基于定子電流定向的軸電流給定軸電流給定為0。FSA00000017906100011.tif,FSA00000017906100012.tif,FSA00000017906100013.tif,FSA00000017906100014.tif,FSA00000017906100015.tif,FSA00000017906100016.tif,FSA00000017906100017.tif,FSA00000017906100018.tif
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)復(fù)合矢量控制方法，其特征在于在dq 坐標(biāo)系中，所述數(shù)學(xué)模型為PMSG數(shù)學(xué)模型，其中ud = us sin S = -Rsid-pLdid+wsLqiq (1) uq = us cos S = -Rsiq- " sLdid_pLqiq+ " s V f (2) Tem= 1.5pn[vfis cos小+0. 5(Lq-Ld)is2 sin2小] (3) Pem = 1. 5"s[ vfis cos小+0. 5(Lq-Ld)is2 sin2小] (4)式中，Ud、 Uq為Us的d、 q軸分量；Tem為電磁轉(zhuǎn)矩；Pem為電磁功率；p為微分算子；Pn為 極對數(shù)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)復(fù)合矢量控制方法，其特征在于在 dq坐標(biāo)系中，當(dāng)采用最大轉(zhuǎn)矩電流比矢量控制時，永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)為凸極式電機(jī)應(yīng)滿 足<formula>formula see original document page 2</formula>當(dāng)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)為隱極式電機(jī)應(yīng)滿足 id = 0 (9)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)復(fù)合矢量控制方法，其特征在于對于定子電流，應(yīng)滿足<formula>formula see original document page 2</formula> (10)ismax為變流器額定電流；對于定子電壓，根據(jù)式(1)、 (2)，同時在較高轉(zhuǎn)速下，忽略定子相電阻Rs的影響，從而有<formula>formula see original document page 3</formula>usmax由變流器直流電壓額定值決定永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)折速度o<formula>formula see original document page 3</formula>(12)式(12)中的id、i,值滿足式(6)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)復(fù)合矢量控制方法，其特征在于所述 的永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)折速度"st是指采用最大轉(zhuǎn)矩電流比控制且恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行、定子 電流為極限值時，定子電壓達(dá)到允許的極限值時的轉(zhuǎn)子速度。
全文摘要
本發(fā)明涉及永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)復(fù)合矢量控制方法，根據(jù)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型和利用矢量控制方法控制定子電流矢量值的大小和方向，建立永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)基于定子電流定向復(fù)合矢量控制策略。本發(fā)明通過以定子電流定向，在發(fā)電機(jī)切入速度與轉(zhuǎn)折速度間采用最大轉(zhuǎn)矩電流比控制方式以提高系統(tǒng)的發(fā)電功率，在轉(zhuǎn)折速度至極限速度間，采用最大功率輸出的弱磁控制方式，提高了系統(tǒng)效率，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
文檔編號H02P21/12GK101764567SQ201010103158
公開日2010年6月30日 申請日期2010年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月29日
發(fā)明者姚丹, 屠運(yùn)武, 張興, 曹仁賢, 汪令祥 申請人:合肥陽光電源有限公司