定子磁场定向矢量控制方法优化

4.2.1.1　转子电流控制

在双馈风力发电机定子磁场定向矢量控制策略中，通常将同步旋转坐标系的d轴与双馈风力发电机定子磁场重合，逆时针旋转90°的方向作为q轴方向，即在同步旋转dq坐标系中定子磁链可表述为

式中　ψs——定子磁链的幅值；

ψqs——定子q轴磁链分量；

ψds——定子d轴磁链分量。

由此，在定子磁链定向的情况下，重写双馈风力发电机在同步旋转坐标系中的定子、转子电压方程、磁链方程为

式中　ψs——定子磁链的幅值；

ψqs——定子q轴磁链分量；

ψds——定子d轴磁链分量。

由此，在定子磁链定向的情况下，重写双馈风力发电机在同步旋转坐标系中的定子、转子电压方程、磁链方程为

式中　uds、uqs——d、q轴定子电压分量；

udr、uqr——d、q轴转子电压分量；

Rs、Rr——定、转子电阻；

ω1、ωs——定、转子电流角频率；

ids、iqs——d、q轴定子电流分量；

idr、iqr——d、q轴转子电流分量；

ψdr、ψqr——d、q轴转子磁链。

求解后，得

式中　uds、uqs——d、q轴定子电压分量；

udr、uqr——d、q轴转子电压分量；

Rs、Rr——定、转子电阻；

ω1、ωs——定、转子电流角频率；

ids、iqs——d、q轴定子电流分量；

idr、iqr——d、q轴转子电流分量；

ψdr、ψqr——d、q轴转子磁链。

求解后，得

式中　ims——通用励磁电流，；

Lm——定、转子互感。

转子磁链为

式中　ims——通用励磁电流，；

Lm——定、转子互感。

转子磁链为

设漏磁系数，则式（4-5）又可表示为

设漏磁系数，则式（4-5）又可表示为

利用式（4-2）计算转子电压为

利用式（4-2）计算转子电压为

式（4-7）即是采用电压源变流器对双馈风力发电机转子电流控制的理论依据。式中，为双馈风力发电机反电动势所引起的扰动项，ωsσLridr与-ωsσLriqr为旋转电动势所引起的交叉耦合扰动项，扰动项和耦合项会给调节器的设计造成一定的困难。为此可采用前馈补偿控制策略，把反电动势引起的扰动项和旋转电动势引起的交叉耦合项等扰动项前馈解耦后，双馈风力发电机转子d轴电流直接由转子侧d轴端电压udr控制，转子q轴电流直接由转子侧q轴端电压uqr控制。此时，当双馈风力发电机转子电流采用PI调节器，并以PI调节器的输出来控制式（4-7）中的转子电流动态项时，转子电压udr和uqr的控制方程为

式（4-7）即是采用电压源变流器对双馈风力发电机转子电流控制的理论依据。式中，为双馈风力发电机反电动势所引起的扰动项，ωsσLridr与-ωsσLriqr为旋转电动势所引起的交叉耦合扰动项，扰动项和耦合项会给调节器的设计造成一定的困难。为此可采用前馈补偿控制策略，把反电动势引起的扰动项和旋转电动势引起的交叉耦合项等扰动项前馈解耦后，双馈风力发电机转子d轴电流直接由转子侧d轴端电压udr控制，转子q轴电流直接由转子侧q轴端电压uqr控制。此时，当双馈风力发电机转子电流采用PI调节器，并以PI调节器的输出来控制式（4-7）中的转子电流动态项时，转子电压udr和uqr的控制方程为

式中　KirP、KirI——转子电流内环比例系数和积分系数；

式中　KirP、KirI——转子电流内环比例系数和积分系数；

——转子电流d轴、q轴分量的指令值。

4.2.1.2　转子电流指令

根据电磁转矩方程，以及式（4-1）、式（4-3）和式（4-4）可得在定子磁场定向同步旋转坐标系下双馈电机电磁转矩表达式为

——转子电流d轴、q轴分量的指令值。

4.2.1.2　转子电流指令

根据电磁转矩方程，以及式（4-1）、式（4-3）和式（4-4）可得在定子磁场定向同步旋转坐标系下双馈电机电磁转矩表达式为(www.xing528.com)

式中　np——发电机极对数。

式（4-9）表明，双馈风力发电机在定子磁场不变，即ims恒定的情况下，电磁转矩的大小与转子电流的q轴分量成正比。

根据定子有功功率和无功功率方程以及式（4-4），并在忽略定子电阻的情况下，可得

式中　np——发电机极对数。

式（4-9）表明，双馈风力发电机在定子磁场不变，即ims恒定的情况下，电磁转矩的大小与转子电流的q轴分量成正比。

根据定子有功功率和无功功率方程以及式（4-4），并在忽略定子电阻的情况下，可得

式（4-10）表明，在利用转子电流q轴分量iqr控制双馈风力发电机电机电磁转矩的同时，也控制了其定子侧的有功功率，而定子侧无功功率的调节可通过转子电流的d轴分量idr进行控制，而相应的idr的指令值取决于具体的控制要求，如无功功率控制、定子电压控制、功率因数控制等。

当双馈风力发电机采用速度全控型控制策略时，控制器的外环为速度环，而转子q轴电流的指令值由速度环决定。由双馈风力发电机的运动方程可知，若速度外环采用PI调节器，则双馈风力发电机的电磁转矩的控制方程可表述为

式（4-10）表明，在利用转子电流q轴分量iqr控制双馈风力发电机电机电磁转矩的同时，也控制了其定子侧的有功功率，而定子侧无功功率的调节可通过转子电流的d轴分量idr进行控制，而相应的idr的指令值取决于具体的控制要求，如无功功率控制、定子电压控制、功率因数控制等。

当双馈风力发电机采用速度全控型控制策略时，控制器的外环为速度环，而转子q轴电流的指令值由速度环决定。由双馈风力发电机的运动方程可知，若速度外环采用PI调节器，则双馈风力发电机的电磁转矩的控制方程可表述为

式中　KnP、KnI——速度外环的比例系数和积分系数；

n＊——双馈风力发电机的转速指令值；

n——双馈风力发电机的实际转速。

或将其表述为电流指令的形式，即

式中　KnP、KnI——速度外环的比例系数和积分系数；

n＊——双馈风力发电机的转速指令值；

n——双馈风力发电机的实际转速。

或将其表述为电流指令的形式，即

4.2.1.3　定子磁链检测

由于双馈风力发电机的特殊结构，其定子电气量和转子电气量均可以直接检测，所以双馈风力发电机定子磁链有几种不同的检测方法。其中较为典型的有定子电压模型和定转子电流模型两种检测方法。

1.定子电压模型

对于定子电压模型法，即将检测到的定子电压、定子电流经三相静止到两相静止的Clark变换，再运用双馈风力发电机两相静止坐标系下定子电压方程，即可求出两相静止αβ坐标系中定子磁链的α分量和β分量为

4.2.1.3　定子磁链检测

由于双馈风力发电机的特殊结构，其定子电气量和转子电气量均可以直接检测，所以双馈风力发电机定子磁链有几种不同的检测方法。其中较为典型的有定子电压模型和定转子电流模型两种检测方法。

1.定子电压模型

对于定子电压模型法，即将检测到的定子电压、定子电流经三相静止到两相静止的Clark变换，再运用双馈风力发电机两相静止坐标系下定子电压方程，即可求出两相静止αβ坐标系中定子磁链的α分量和β分量为

式中　ψαs、ψβs——定子磁链的α、β分量；

uαs、uβs——定子电压的α、β分量；

iαs、iβs——定子电流的α、β分量。

在实际控制中，式（4-13）中的积分运算通常采用0.5～1Hz的带通滤波器获得，以克服其直流偏置的影响。

2.定转子电流模型

对于定转子电流模型法，即将检测出的定子电流、转子电流经三相静止到两相静止的Clark变换，再运用双馈风力发电机的磁链方程求得两相静止αβ坐标系中定子磁链的α分量和β分量

式中　ψαs、ψβs——定子磁链的α、β分量；

uαs、uβs——定子电压的α、β分量；

iαs、iβs——定子电流的α、β分量。

在实际控制中，式（4-13）中的积分运算通常采用0.5～1Hz的带通滤波器获得，以克服其直流偏置的影响。

2.定转子电流模型

对于定转子电流模型法，即将检测出的定子电流、转子电流经三相静止到两相静止的Clark变换，再运用双馈风力发电机的磁链方程求得两相静止αβ坐标系中定子磁链的α分量和β分量

于是，有

于是，有

相对于定子电压模型，定转子电流模型法可以避免积分或准积分运算，但定转子电流模型法也有其自身的缺陷：①观测的准确性受双馈风力发电机参数的影响，而在运行过程中因磁化曲线的非线性（如磁饱和作用）使双馈风力发电机的参数较易发生改变，从而影响观测精度；②由于不能直接与电网同步，不利于软并网策略的实施。因此，定子磁场的观测通常可以采用准积分电压模型进行观测，其准积分模型的表达式为

相对于定子电压模型，定转子电流模型法可以避免积分或准积分运算，但定转子电流模型法也有其自身的缺陷：①观测的准确性受双馈风力发电机参数的影响，而在运行过程中因磁化曲线的非线性（如磁饱和作用）使双馈风力发电机的参数较易发生改变，从而影响观测精度；②由于不能直接与电网同步，不利于软并网策略的实施。因此，定子磁场的观测通常可以采用准积分电压模型进行观测，其准积分模型的表达式为

准积分环节对高频交流部分具有与纯积分环节相同的特性，而对于低频部分，尤其是直流环节，准积分滤波器具有滤除直流偏置的作用。另外，纯积分环节含有较大的直流分量，而准积分环节在稳态后没有明显的直流偏置。

准积分环节对高频交流部分具有与纯积分环节相同的特性，而对于低频部分，尤其是直流环节，准积分滤波器具有滤除直流偏置的作用。另外，纯积分环节含有较大的直流分量，而准积分环节在稳态后没有明显的直流偏置。