改进T型三电平永磁直驱风电系统预测直接功率的方法技术方案

本发明专利技术公开了一种改进T型三电平永磁直驱风电系统预测直接功率的方法，永磁直驱风力发电系统系的拓扑结构为改进T型三电平变换器。SVPWM调制技术，解决了开关频率不固定的问题，降低了系统的损耗，有助于提高系统的功率因数。机侧变换器控制策略为预测直接功率控制，转速环为外环，功率环为内环，功率环为预测功率控制且不需要PI调节器，控制结构简单且效果好；网侧变换器控制策略为基于虚拟磁链定向的直接功率控制策略，不需要电网电压采样，结构简单、降低了系统造价，提高动态稳定性。预测直接功率控制和基于虚拟磁链定向的直接功率控制都是基于电压空间矢量调制(SVPWM)，因此系统具有固定的开关频率固定和单位功率因数。

Improved method of T type three level direct drive permanent magnet wind power system predictive direct power

The invention discloses a method for improvement of T three level permanent magnet direct drive wind power system predictive direct power, permanent magnet direct drive wind power system topology for the improvement of T three level converter. SVPWM modulation technology solves the problem that the switching frequency is not fixed, the system loss is reduced, and the power factor of the system is improved. The machine side converter control strategy for predictive direct power control, speed loop as the outer ring power loop and a power ring for predicting power control and does not need the PI regulator control has the advantages of simple structure and good effect; the network side converter control strategy for direct power virtual flux oriented rate control strategy based on the grid does not need voltage sampling, simple structure, reduces the system cost, improve dynamic stability. Predictive direct power control and virtual flux oriented direct power control are all based on voltage space vector modulation (SVPWM), so the system has fixed switching frequency fixed and unity power factor.

【技术实现步骤摘要】
改进T型三电平永磁直驱风电系统预测直接功率的方法
本专利技术涉及风电控制领域，尤其是一种改进T型三电平永磁直驱风电系统预测直接功率的方法，
技术介绍
永磁直驱型风力发电机组的发电机最大特点是转子采用永磁体励磁，定子绕组通过全功率变换器与电网并网。功率变换器采用全功率变换器，其容量与发电机的相同，电机的变速范围从-100％到50％。永磁风力机直接与永磁发电机相连，无需增速齿轮箱。永磁同步发电机一般采用极对数较多的低速永磁同步发电机，这样对发电机的转速要求较感应发电机低，使得永磁同步电机发电机在低速运行能力较强。永磁直驱风力发电系统工作原理：发电机发出交流电经过发电机侧变换器整流成直流电，完成AC到DC的过程，然后电网侧变换器将直流电逆变成交流电并最终并入电网。永磁直驱型风力发电机组与双馈感应风力发电机组相比有许多优势，如无需增速齿轮箱、维修频率低、噪声污染小、运维简单、受电网影响小、系统稳定可靠、低电压穿越能力强等。由于永磁直驱风力发电机定子通过全功率变换器与电网连接，能够实现全解耦，受电网波动的影响小，容易实现低电压穿越，而且发电机中不会出现过电压和过电流现象，能够在电网波动的时候继续工作。永磁直驱风力发电机全功率变换器可分为机侧变换器和网侧变换器两部分：机侧变换器实现整流功能；网侧变换器实现逆变功能。永磁直驱风力发电机控制策略可以分为机侧变换器的控制策略和网侧变换器的控制策略。机侧变换器的主要作用是作为网侧变换器的直流输入，通过控制永磁直驱发电机转速实现风力机时刻跟踪风速，用最佳叶尖速比法实现最大风力跟踪，从而提高风力发电的效率；网侧变换器的主要作用是维持直流侧母线电压稳定的同时向电网输送一定的无功功率，进而提高电网的功率因数。网侧变换器的控制要求有以下两个：一是控制直流侧电压进而将有功功率输送至电网；二是向电网提供一定的无功功率，进而电网的提高功率因数。网侧变换器的控制策略主要是矢量控制。其又可以分为基于电网电压定向和虚拟磁链定向两种。前者是利用坐标变换实现有功无功解耦，通过控制dq坐标系下的电流大小分别控制有功功率和无功功率。后者将电网电压、电抗和电阻等效成虚拟电机，通过虚拟磁链来取代电网电压定向。机侧变换器控制策略主要有矢量控制策略和直接转矩控制策略两种。矢量控制就是磁场定向控制，其核心思想是通过坐标变换，变换到旋转坐标系下，可像直流电机一样控制交流电机，对转矩和磁链解耦控制。其中矢量控制能够对发电机进行解耦控制，实现有功功率和无功功率的独立控制。矢量控制具有良好的解耦控制、良好的速度控制效果、转矩响应快等优点。但矢量控制需要大量的坐标变换和复杂的计算，难以实现精确解耦、系统较为复杂。直接转矩控制的基本思想是定义开关表，根据转矩和磁链的变化利用转矩和磁链滞环决定开关器件的状态。直接转矩控制不需要复杂的坐标变换和调制信号发生器，鲁棒性能好、动态稳定性好，控制简单、受电机参数影响小。但是直接转矩具有开关频率不固定、转矩脉动大、电流波动大、滞环控制效果差。对于以上控制不足，许多学者提出控制效果更好的控制策略。直接功率控制由于其优异的动态性能得到广泛的关注与研究。直接功率控制与直接转矩控制的最大不同之处是功率内环控制代替了转矩内环控制，此外外环同样为转速外环。直接功率控制具有控制简单、动态稳定性好、结构简单等诸多优点，因此对于直接功率控制策略得到广泛的研究和应用。但传统的直接功率控制策略即：外环为直流电压环，内环为以开关表为核心的功率环。该控制由电压外环得到有功功率给定值，无功功率给定值设为零，然后将其与各自的实际值比较，将比较结果送入滞环比较器，再经过事先设定好的开关表进行矢量的选择来驱动变换器，这种控制算法控制结构简单，动态响应快。但是，这种以开关表作为功率内环的直接功率控制策略也存在着一些问题，滞环比较器的加入，使得变换器的控制效果与滞环宽度的设定息息相关，而且这种控制策略的开关频率不固定，波动较大。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种降低系统损耗、提高系统功率因数的改进T型三电平永磁直驱风电系统预测直接功率的方法。为实现上述目的，采用了以下技术方案：本专利技术所述改进T型三电平永磁直驱风电系统通过两个背靠背的电压源型变流器接入电网，靠近电机的一侧称为机侧变流器，靠近电网的一侧称为网侧变流器；机侧变换器控制策略为预测直接功率控制，外环为转速环，内环为功率环，内环不需要PI调节器；网侧变换器控制策略为基于虚拟磁链定向的直接功率控制策略，不需要电网电压采样；在预测直接功率控制中，无功功率给定q*设为0，有功功率给定p*由外环直流电压线性PI调节器控制，假定在任意相邻的两个采样周期内，p*线性变化，则有p*(k+1)＝2p*(k)-p*(k-1)，q*(k+1)＝q*(k)；预测直接功率控制策略采用转速外环、功率内环的双闭环控制结构，由转速环得到有功功率给定值，然后再利用两相静止坐标系下的电压eα、eβ和瞬时有功功率、瞬时无功功率的给定值和实际值，根据预测直接功率控制算法可以计算得到参考电压矢量u的αβ轴分量uα和uβ，然后与三电平SVPWM相结合，输出开关信号驱动三电平整流器。进一步的，所述永磁同步发电机侧变换器预测直接功率控制的具体方法如下：在两相静止αβ坐标平面上瞬时有功功率和无功功率可以表示为：式中，uα、uβ——静止αβ坐标系下的瞬时电压(V)；iα，iβ——静止αβ坐标系下的瞬时电流(A)；假设采样周期Ts与电源的周期相比足够小，则认为在任意相邻的两个采样周期内的输入电压是不变的，即因此，在两个相邻的采样周期内，有功功率p和无功功率q的变化量为:假设三相电网电压平衡，根据PWM整流器的拓扑结构，可以得到三相电压型PWM整流器在静止αβ坐标系下的数学模型为：式中，usα、usβ——参考空间电压矢量us的α、β轴分量(V)；忽略电感电阻R，对上式进行导数一阶离散估计可得将该式代入可得：由于预测直接功率控制的控制目标就是使有功功率p和无功功率q在下一个釆样时刻分别等于其设定值,即有将代入式可得：在预测直接功率控制中，无功功率给定q*设为0，有功功率给定p*由外环直流电压线性PI调节器控制，假定在任意相邻的两个采样周期内，p*线性变化，则有p*(k+1)＝2p*(k)-p*(k-1)，q*(k+1)＝q*(k)；预测直接功率控制策略采用转速外环、功率内环的双闭环控制结构，由转速环得到有功功率给定值，然后再利用两相静止坐标系下的电压eα、eβ和瞬时有功功率、瞬时无功功率的给定值和实际值，根据预测直接功率控制算法可以计算得到参考电压矢量u的αβ轴分量uα和uβ，然后与三电平SVPWM相结合，输出开关信号驱动三电平整流器。进一步的，所述网侧变换器虚拟磁链定向的直接功率控制策略如下：网侧变流器的控制采用双闭环控制策略，外环采用直流电压环，内环为功率环；电压外环控制直流母线电压，将采样得到的直流电压udc与给定电压相比较，差值经PI调节器得到有功电流参考值，将该参考电流值与直流输出电压相乘得到有功功率参考值p*，将有功功率参考值p*作为有功功率的给定值；内环直接以有功功率和无功功率作为控制对象，先由网侧电流和虚拟磁链计算得到瞬时有功和无功功率，再分别与有功无功功率的给定值相比较，然后将偏差值送给PI调节本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种改进T型三电平永磁直驱风电系统预测直接功率的方法，其特征在于：所述改进T型三电平永磁直驱风电系统通过两个背靠背的电压源型变流器接入电网，靠近电机的一侧称为机侧变流器，靠近电网的一侧称为网侧变流器；机侧变换器控制策略为预测直接功率控制，外环为转速环，内环为功率环，内环不需要PI调节器；网侧变换器控制策略为基于虚拟磁链定向的直接功率控制策略，不需要电网电压采样；在预测直接功率控制中，无功功率给定q

【技术特征摘要】
1.一种改进T型三电平永磁直驱风电系统预测直接功率的方法，其特征在于：所述改进T型三电平永磁直驱风电系统通过两个背靠背的电压源型变流器接入电网，靠近电机的一侧称为机侧变流器，靠近电网的一侧称为网侧变流器；机侧变换器控制策略为预测直接功率控制，外环为转速环，内环为功率环，内环不需要PI调节器；网侧变换器控制策略为基于虚拟磁链定向的直接功率控制策略，不需要电网电压采样；在预测直接功率控制中，无功功率给定q*设为0，有功功率给定p*由外环直流电压线性PI调节器控制，假定在任意相邻的两个采样周期内，p*线性变化，则有p*(k+1)＝2p*(k)-p*(k-1)，q*(k+1)＝q*(k)；预测直接功率控制策略采用转速外环、功率内环的双闭环控制结构，由转速环得到有功功率给定值，然后再利用两相静止坐标系下的电压eα、eβ和瞬时有功功率、瞬时无功功率的给定值和实际值，根据预测直接功率控制算法可以计算得到参考电压矢量u的αβ轴分量uα和uβ，然后与三电平SVPWM相结合，输出开关信号驱动三电平整流器。2.根据权利要求1所述的改进T型三电平永磁直驱风电系统预测直接功率的方法，其特征在于，所述永磁同步发电机侧变换器预测直接功率控制的具体方法如下：在两相静止αβ坐标平面上瞬时有功功率和无功功率可以表示为：式中，uα、uβ——静止αβ坐标系下的瞬时电压(V)；iα，iβ——静止αβ坐标系下的瞬时电流(A)；假设采样周期Ts与电源的周期相比足够小，则认为在任意相邻的两个采样周期内的输入电压是不变的，即因此，在两个相邻的采样周期内，有功功率p和无功功率q的变化量为:假设三相电网电压平衡，根据PWM整流器的拓扑结构，可以得到三相电压型PWM整流器在静止αβ坐标系下的数学模型为：式中，usα、usβ——参考空间电压矢量us的α、β轴分量(V)；忽略电感电阻R，对上式进行导数一阶离散估计可得

【专利技术属性】
技术研发人员：杨国良，郝帅，伊海涛，郭永爱，柴春花，黄炳旭，黄智英，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：河北,13