转子侧变换器建模与控制策略优化

1.两相旋转坐标系中转子侧变换器的数学模型

由于网侧变换器具有稳定直流母线电压的功能，对于转子侧变换器可以等效成一个直流电压源。当风电机组处于亚同步运行状态时转子侧变换器处于逆变状态、网侧变换器处于整流状态，处于超同步状态时则相反。转子侧变换器的主电路拓扑图如图2－15所示。在下文的分析中，以图2－15中标注的功率流动方向为正方向。

图2-15　转子侧变换器的主电路拓扑图

图2－15中，ira、irb、irc分别代表转子侧变换器流入转子三相绕组的相电流；ura、urb、urc分别代表 双馈发电 机转子 三 相 绕 组 的 相电压；Lra、Lrb、Lrc代表含滤波电抗在内的三相进线电感；Rra、Rrb、Rrc代表三相线路的进线电阻。

由于转子侧变换器通过控制转子绕组的励磁电流直接参与对双馈发电机定子功率的控制，所以必须研究基于定子电压定向下双馈发电机定子输出功率与励磁电流的关系。定子向电网输出有功功率Ps与无功功率Qs的表达式如式（2－33）所示。

由于定子侧与电网相连，所以可认为定子磁链ψs恒定，根据式（2－21）在电网电压定向后及忽略定子电阻Rs压降后定子电压与磁链有如下关系：

根据式（2－19）和式（2－34）可以得到定子电流和转子电流的关系：

将式（2－34）和式（2－35）代入式（2－33），就可得到定子输出有功功率Ps、无功功率Qs和转子电流ird、irq之间的关系，

得到了双馈发电机定子输出功率与转子电流的关系后，将式（2－19）和式（2－34）代入式（2－21）便得到了转子电压和转子电流的关系：

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式中，称为漏磁系数；ωslip＝ω1－ωr称为转差电角速度。

在基于电网电压定向并以同步速ω1旋转的dq坐标系下转子侧变换器物理模型如图2－16所示。

图2-16　dq坐标系下转子侧变换器物理模型示意图

2.基于电网电压定向的转子侧变换器相量控制策略

转子侧控制器的功能是控制双馈发电机转子绕组励磁电流的频率、幅值以及相位，通过转差控制来弥补发电机转子转速ωr和电网同步速ω1之间差异的同时，控制定子侧输出的有功及无功功率，最终实现对风电机组转速或输出功率的控制。所以可以采用以PI控制器为核心的定子输出功率追踪外环，功率闭环的PI环节可得到励磁电流的参考值irdref、irqref。电流参考值与电流实际值的差值经PI控制器后和解耦前馈补偿控制构成转子电流内环控制，从而完成对双馈发电机定子输出功率或发电机输出总电磁功率的控制。

采用相量控制后由式（2－36）可知，通过控制转子励磁电流ird、irq实现了对定子输出有功功率Ps及无功功率Qs的解耦控制，所以根据风电机组控制策略构造出的定子功率参考值Psref、Qsref与功率实际值之间的差值经过PI控制后就能得到转子励磁电流的参考值irdref、irqref，则功率外环控制器的表达式如式（2－38）所示：

式中，kspp、kspi是功率外环中定子有功功率PI控制器的比例和积分系数；ksqp、ksqi是功率外环中定子无功功率PI控制器的比例和积分系数。

由式（2－37）可知，通过控制转子侧变换器交流侧的输出电压urd、urq可以控制转子电流ird和irq，由图2－16可直观地看出模型中的交叉耦合项ωslipσLr irq、ωslipσLr ird以及与转差电角速度ωslip有关的扰动项，会影响交流侧的输出电压对转子电流的控制，所以为了提高控制的准确度和动态特性，需要消除电流耦合和ωslip扰动项的影响。考虑电流解耦和前馈补偿的电流内环控制器的数学表达式如式（2－39）所示：

式中，kirp、kiri是转子侧控制器电流内环PI控制器的比例和积分系数。

根据式（2－38）和式（2－39）设计以功率控制为外控制环和以转子励磁电流控制为内控制环的转子侧变换器双闭环控制系统，如图2－17所示。控制中需要电机光电编码器测量的发电机的电角速度为ωr和电角度θr、定子三相电流isabc、电网三相电压ugabc及三相电压通过锁相环测量出的同步转速ω1和坐标变换需要的角度θ。功率外环控制器根据功率参考值Psref、Qsref计算出转子励磁电流的参考值irdref、irqref给电流内环控制器作为输入，电流内环控制器计算出的转子电压的参考值urdref、urqref经过变换后得到静止三相坐标系下的三相电压参考值，经过PWM调制器最终得到了用于控制转子侧变换器的开关信号Srabc。

图2-17　基于电网电压定向的转子侧变换器双闭环控制框图