定子电压定向矢量控制优化方案

1.控制原理

将普通异步电机的矢量控制策略应用到双馈风力发电机的控制系统中，最直观的方法是将普通异步电机的转子磁场或气隙磁场定向矢量控制对应到双馈风力发电机的定子磁场或气隙磁场定向的矢量控制，从而实现双馈风力发电机的电磁转矩和励磁电流的解耦控制。但是采用磁场定向的矢量控制策略对双馈风力发电机实施控制时，需要注意以下问题：

（1）磁链观测的准确度不高。由式（4-13）和式（4-14）可知，定子磁链的获得受到发电机参数的影响；采用式（4-13）计算时，积分运算可能产生积分漂移（主要来自于积分的起始位置、检测模拟器件的偏差以及积分的数字实施过程等），尽管采用的准积分算法滤除了直流偏置的影响，但其动态响应过程，尤其是在电网电压扰动时的动态响应过程受到限制，在一定程度上会影响系统的动态性能；采用式（4-14）的定转子电流模型对磁链进行观测时发现磁链不仅易受磁饱和的影响，而且需要将转子电流变换到两相定子静止坐标系中，该过程需要精确的转速测量；另外，在利用式（4-15）进行角度计算时也存在正切值可能过大溢出的问题。

（2）双馈风力发电机定子侧有功功率和无功功率之间存在耦合。在定子磁场定向的情况下，由于定子电阻的存在，使得定子电压矢量不垂直于其磁链矢量，即定子电压在定子磁场定向同步旋转坐标系的d轴和q轴均有分量，其中d轴分量通常较小。这将造成双馈风力发电机定子侧有功功率和无功功率与转子电流的d轴分量和q轴分量均有关系，即无法实现有功功率和无功功率的完全解耦。

（3）较大的转子电流d轴分量影响控制系统的稳定性。在基于定子磁链定向的双馈风力发电机矢量控制策略中，较大的转子电流d轴分量idr会影响控制系统的稳定性，使双馈风力发电机定子侧无功功率的控制，即双馈风力发电机的无功补偿能力受到限制。

2.控制策略

鉴于以上原因，双馈风力发电机基于定子电压定向的矢量控制策略就被引入到双馈风力发电机的控制之中。定子电压定向是将同步旋转坐标系的q轴与定子的电压矢量重合，顺时针旋转90°的方向为d轴方向，并且dq坐标系与电压矢量以相同的速度旋转，即

由前文分析可知，在忽略定子电阻的情况下，在定子静止坐标系中，定子电压与定子磁链之间的关系为

由前文分析可知，在忽略定子电阻的情况下，在定子静止坐标系中，定子电压与定子磁链之间的关系为

式（4-18）在同步旋转坐标系中可描述为

式（4-18）在同步旋转坐标系中可描述为

式（4-18）和式（4-19）表明，在忽略定子电阻的情况下，双馈风力发电机的定子电压矢量超前于定子磁链矢量90°，因此，基于定子电压矢量定向的同步旋转坐标系与基于定子磁链定向的同步旋转坐标系具有统一性。

由此，重写双馈风力发电机在定子电压矢量定向同步旋转坐标系下的定子电压方程为

式（4-18）和式（4-19）表明，在忽略定子电阻的情况下，双馈风力发电机的定子电压矢量超前于定子磁链矢量90°，因此，基于定子电压矢量定向的同步旋转坐标系与基于定子磁链定向的同步旋转坐标系具有统一性。

由此，重写双馈风力发电机在定子电压矢量定向同步旋转坐标系下的定子电压方程为

重写双馈风力发电机的磁链方程为

重写双馈风力发电机的磁链方程为

可求得

可求得

将式（4-22）代入式（4-20），推得(www.xing528.com)

将式（4-22）代入式（4-20），推得

式中　ω2——转子电角频率。

双馈风力发电机，尤其是兆瓦级大功率双馈风力发电机，其定子电阻与其感抗相比通常可以忽略。因此，在忽略定子电阻的情况下，式（4-23）可重新表述为

式中　ω2——转子电角频率。

双馈风力发电机，尤其是兆瓦级大功率双馈风力发电机，其定子电阻与其感抗相比通常可以忽略。因此，在忽略定子电阻的情况下，式（4-23）可重新表述为

在定子电压矢量定向的情况下，可得双馈风力发电机定子侧有功功率和无功功率为

在定子电压矢量定向的情况下，可得双馈风力发电机定子侧有功功率和无功功率为

根据磁链方程，式（4-25）又可推导为

根据磁链方程，式（4-25）又可推导为

式（4-26）表明，在定子电压和定子磁链恒定不变，即稳态运行时，双馈风力发电机定子侧有功功率Ps主要由转子电流的q轴分量iqr决定，而无功功率Qs主要由转子电流的d轴分量idr决定。

在忽略定子电阻的情况下，双馈风力发电机的电磁转矩与定子磁链定向情况下的电磁转矩具有同样的表达式，即

式（4-26）表明，在定子电压和定子磁链恒定不变，即稳态运行时，双馈风力发电机定子侧有功功率Ps主要由转子电流的q轴分量iqr决定，而无功功率Qs主要由转子电流的d轴分量idr决定。

在忽略定子电阻的情况下，双馈风力发电机的电磁转矩与定子磁链定向情况下的电磁转矩具有同样的表达式，即

采用与定子磁链定向双馈风力发电机矢量控制策略类似的方法，将扰动项前馈补偿控制后，采用PI调节器对式（4-24）中转子电流动态项进行控制时，双馈风力发电机的转子电压控制方程可以表述为

采用与定子磁链定向双馈风力发电机矢量控制策略类似的方法，将扰动项前馈补偿控制后，采用PI调节器对式（4-24）中转子电流动态项进行控制时，双馈风力发电机的转子电压控制方程可以表述为

其中

其中

根据式（4-28）和式（4-29）可对双馈风力发电机转子电流内环的控制系统进行设计，然后根据式（4-27）或式（4-26）进行矢量控制系统的外控制环设计。

根据式（4-28）和式（4-29）可对双馈风力发电机转子电流内环的控制系统进行设计，然后根据式（4-27）或式（4-26）进行矢量控制系统的外控制环设计。