一种无刷双馈电机的功率下垂控制方法技术

本发明专利技术属于电机控制技术领域，公开了一种无刷双馈电机的并网瞬间功率下垂控制方法，保证任何带载工况下均能完成发电系统从独立运行到并网运行模式的无缝切换。该方法基于控制绕组电流定向下的无刷双馈电机等效电路模型，实时采样切换瞬间电机内部的各电量信息，并根据独立/并网双模式切换瞬间的有功无功功率与瞬时冲击电流的关系准确设计下垂系数，将采样的冲击电流与下垂系数相乘后叠加于无刷双馈电机的控制绕组电压，从而减小从独立运行到并网运行模式的切换瞬间冲击，提高了系统安全性及稳定性。

A Power Drop Control Method for Brushless Doubly-fed Machines

The invention belongs to the field of motor control technology, and discloses an instantaneous power droop control method of brushless doubly-fed machine in connection with the grid, which ensures seamless switching of power generation system from independent operation to grid-connected operation mode under any load condition. The method is based on the equivalent circuit model of BLDFM under the control winding current orientation, real-time sampling of the internal electric quantity information at the moment of switching, and accurately designing sag coefficient according to the relationship between active and reactive power at the moment of independent/grid-connected double mode switching and instantaneous impulse current. The sampled impulse current is multiplied by sag coefficient and superimposed on the control winding of BLDFM. The group voltage reduces the instantaneous impact of switching from independent operation to grid-connected operation mode, and improves the security and stability of the system.

【技术实现步骤摘要】
一种无刷双馈电机的功率下垂控制方法
本专利技术属于电机控制
，更具体地，涉及一种无刷双馈电机的功率下垂控制方法。
技术介绍
无刷双馈电机(brushlessdoubly-fedmachine，BDFM)由于所需变频器仅需转差倍功率容量即可实现变速恒频发电，同时又因采用特殊的结构设计取消了电刷和滑环，提升了电机运行可靠性，降低了维护和运营成本，因此在发电系统中具有广阔的应用前景。在发电应用，特别风力发电、船舶轴带发电等微电网应用中，为提升供电可靠性，需保证对关键性负载的不间断供电，无刷双馈电机应同时具备独立带载、与电网共同带载、向电网转移负载的能力，因此具有独立/并网双模式运行能力的发电系统目前成为研究热点。双模式发电系统中，独立、并网运行的控制目标一般分别为输出电压的幅值与频率和有功、无功功率，因此针对不同的控制目标在两种工况下采用不同控制系统。当工况改变、系统需由独立运行切换至并网运行时，并网瞬间的波动将对电网尤其是弱电网的电压幅值和频率产生严重影响，甚至导致并网失败、损坏系统设备。因此为提高发电系统的整体可靠性，发电系统需在并网瞬间引入无缝切换控制技术，以减小并网冲击电流，保证系统安全。目前，发电系统并网瞬间的无缝切换控制技术可分为基于并网瞬间电压差、间接电流、直接转矩控制或功率下垂特性等几类方法。如名为“一种微网变流器的并/离网无缝切换方法”，公开号CN104319815A，公开日为2015年1月28日的中国申请专利，提出基于逆变器开关时刻的负载电压与电网电压期望值之差，实现无缝切换的策略，根据每个开关周期电压差比较结果实现离网、并网之间的无缝切换，维持了重要负载电压的稳定。如名为《IndirectCurrentControlBasedSeamlessTransferofThree-phaseInverterinDistributedGeneration》，作者Z.Liu，出处IEEETransactionsonPowerElectronics29(7)，2014:3368-3383的文献提出了基于电容电压外环、电网电流内环的双环间接电流实现无缝切换的控制策略，通过检测输出电压幅值、频率等信息进行两种模式的无缝切换。如名为《ANewSmoothSynchronizationofBrushlessDoubly-FedInductionGeneratorbyApplyingaProposeMachineModel》，作者R.Sadeghi，出处IEEETransactionsonSustainableEnergy9(1)，2018:371-380的文献提出了基于直接转矩控制(DTC)实现独立/并网模式无缝切换的控制策略，该方案在并网前通过设置虚拟转矩保证发电电压与电网电压同相，同时通过调节控制绕组磁通控制输出电压幅值，在此基础上完成两种模式的无缝切换。目前国内外针对逆变器、同步电机、有刷双馈电机等，均提出了关于下垂控制无缝切换技术的相关研究，例如名为“基于逆下垂控制的光伏微网系统离/并网控制方法”，公开号CN107257140A，公开日2017年10月17日的中国专利申请，针对并网逆变器在离并网状态下均采用电流型控制器，用于实现逆变器离并网无缝切换，较好的减小了并网电流冲击；名为“永磁同步发电机组网侧变换器改进下垂控制方法”，公开号CN105226720A，公开日2016年1月06日的中国专利申请针对同步电机，通过计算输出有功无功功率以及直流母线电压变化，提出基于动态调节下垂特性曲线的无缝切换策略，亦能实现并网无冲击电流切换；名为“双馈风力发电机组的控制方法及系统”，公开号CN104201711B，公开日2016年4月20日的中国专利申请针对双馈风力机组，提出基于不同控制量得到不同调节量的功率下垂控制；名为《AnalysisandImpactsofImplementingDroopControlinDFIG-BasedWindTurbinesonMicrogrid/Weak-GridStability》，作者F.M.Mohammadreza，出处IEEETransactionsonPowerSystems30(1)，2015:385-386的文献进一步对有刷双馈电机传统下垂控制下的小信号模型与特征值进行了研究并提出功率下垂控制，对下垂控制进行了更为深入的研究。由于基于功率下垂特性的无缝切换其他三类控制策略而言，充分结合发电系统特性及电网参数、适应性较高，保证功率均分，可实现高性能控制，极大地改善并网切换时的暂态冲击和振荡现象，因此被广泛应用。但针对无刷双馈电机及其发电系统，目前尚未有研究提出无刷双馈电机基于功率下垂特性的无缝切换策略；且无刷双馈电机在结构、特性、模型上均与逆变器及同步电机存在较大差异，并由于特殊的结构其物理特性与数学模型也较有刷双馈电机更为复杂；随着发电系统要求的提高，还需保证各种运行工况均能完成无缝切换，因此难以沿用逆变器及其他电机已有的下垂特性无缝切换方法。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提出一种无刷双馈电机并网瞬间无缝切换技术，旨在解决并网瞬间因各种非理想特性导致冲击电流过大的问题。为实现上述目的，本专利技术提供了一种无刷双馈电机在各种工况下并网前跟幅、锁相阶段稳态下采样系统各电量，将其运算得下垂控制参数对系统进行并网瞬间下垂控制的方法。本专利技术提供了一种无刷双馈电机的功率下垂控制方法，包括下述步骤：(1)基于无刷双馈电机等效电路进行电机内部电阻电感串并联折算，获得简化电流等效电阻Z4；(2)检测控制绕组三相相电流并对其进行坐标转换后得到控制绕组电流d轴分量icd和q轴分量icq；检测功率绕组三相相电流并对其进行坐标转换后得到功率绕组电流d轴分量ipd和q轴分量ipq；检测功率绕组三相线电压并将其转化为相电压，对相电压进行坐标转换后得到功率绕组电压d轴分量upd和q轴分量upq；(3)将功率绕组电流d轴分量ipd和q轴分量ipq以及功率绕组电压d轴分量upd和q轴分量upq变换至控制绕组电流定向icq＝0坐标系下获得功率绕组电压d轴分量q轴分量及功率绕组电流d轴分量idp、q轴分量(4)基于控制绕组电流定向后无刷双馈电机内部的控制绕组电压与控制绕组电流坐标系角度功率绕组电压与控制绕组电流坐标系角度δ，以及步骤(3)中的电量值获得输出有功功率P和无功功率Q；并根据输出有功功率P和无功功率Q获得系统并网前稳态工作点时的稳态有功功率P*、无功功率Q*；(5)根据所述稳态有功功率P*、无功功率Q*获得系统并网前后输出电压及电网电压相位偏差得到并网瞬间稳态功率波动ΔP、ΔQ与控制绕组电压波动的关系，并获得下垂控制系数Gd_q、Gq_q、Gq_d以及下垂控制环节的输出Δu”cd、Δu”cq；(6)根据下垂控制系数Gd_q、Gq_q、Gq_d以及下垂控制环节的输出Δu”cd、Δu”cq获得控制绕组电压的三相参考值并根据实现控制绕组电流dq分量对闭环参考值的闭环跟踪。更进一步地，步骤(2)包括如下步骤，(21)通过在转子上安装码盘，获得电机转子的机械角速度Ωm；(22)根据功率绕组极对数pp、控制绕组极对数pc、功率绕组的电流角频率100πrad/s和转子机械角速度Ω本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无刷双馈电机的功率下垂控制方法，其特征在于，包括下述步骤：(1)基于无刷双馈电机等效电路进行电机内部电阻电感串并联折算，获得简化电路等效电阻Z4；(2)检测控制绕组三相相电流并对其进行ABC/dq坐标变换后得到控制绕组电流d轴分量icd和q轴分量icq；检测功率绕组三相相电流并对其进行ABC/dq坐标变换后得到功率绕组电流d轴分量ipd和q轴分量ipq；检测功率绕组三相线电压并将其转化为相电压，对相电压进行ABC/dq坐标变换后得到功率绕组电压d轴分量upd和q轴分量upq；(3)将功率绕组电流d轴分量ipd和q轴分量ipq以及功率绕组电压d轴分量upd和q轴分量upq经电机内部关系式变换至控制绕组电流定向icq＝0坐标系下获得功率绕组电压d轴分量

【技术特征摘要】
1.一种无刷双馈电机的功率下垂控制方法，其特征在于，包括下述步骤：(1)基于无刷双馈电机等效电路进行电机内部电阻电感串并联折算，获得简化电路等效电阻Z4；(2)检测控制绕组三相相电流并对其进行ABC/dq坐标变换后得到控制绕组电流d轴分量icd和q轴分量icq；检测功率绕组三相相电流并对其进行ABC/dq坐标变换后得到功率绕组电流d轴分量ipd和q轴分量ipq；检测功率绕组三相线电压并将其转化为相电压，对相电压进行ABC/dq坐标变换后得到功率绕组电压d轴分量upd和q轴分量upq；(3)将功率绕组电流d轴分量ipd和q轴分量ipq以及功率绕组电压d轴分量upd和q轴分量upq经电机内部关系式变换至控制绕组电流定向icq＝0坐标系下获得功率绕组电压d轴分量q轴分量及功率绕组电流d轴分量q轴分量(4)基于控制绕组电流定向后无刷双馈电机内部的控制绕组电压与控制绕组电流坐标系角度功率绕组电压与控制绕组电流坐标系角度δ，以及步骤(3)中的电量值获得输出有功功率P和无功功率Q；并根据输出有功功率P和无功功率Q获得系统并网前稳态工作点时的稳态有功功率P*、无功功率Q*；(5)根据所述稳态有功功率P*、无功功率Q*获得系统因并网前后输出电压及电网电压偏差导致的并网瞬间稳态功率波动ΔP、ΔQ，并网后输出电压被电网电压钳位，波动由输出电流导致，进一步推导出其与控制绕组电压波动的关系，并获得下垂控制系数Gd_q、Gq_q、Gq_d以及下垂控制环节的输出Δu″cd、Δu″cq；(6)根据下垂控制系数Gd_q、Gq_q、Gq_d以及下垂控制环节的输出Δu″cd、Δu″cq获得控制绕组电压的三相参考值并根据实现控制绕组电流dq分量对闭环参考值的闭环跟踪。2.如权利要求1所述的功率下垂控制方法，其特征在于，步骤(2)包括如下步骤，(21)通过在转子上安装码盘，获得电机转子的机械角速度Ωm；(22)根据功率绕组极对数pp、控制绕组极对数pc、功率绕组的电流角频率100πrad/s和转子机械角速度Ωm获得控制绕组电流角频率ωc：(23)将控制绕组电流角频率ωc输入积分环节获得控制绕组电流角度，并将其变换到统一参考dq坐标系所需角度θc；(24)检测控制绕组三相相电流ica、icb、icc并以θc作为坐标变换角，通过Park坐标变换将控制绕组电流从静止ABC坐标转换到统一参考dq坐标系后获得控制绕组电流d轴分量icd和q轴分量icq：(25)根据步骤(23)中控制绕组坐标变换角θc、转子位置角θr获得将功率绕组电流从静止ABC坐标转换到统一参考dq坐标系所用变换角θp；(26)检测功率绕组三相相电流ipa、ipb、ipc并以θp作为坐标变换角，通过Park坐标变换将功率绕组电流从静止ABC坐标转换到统一参考dq坐标系后获得功率绕组电流d轴分量ipd和q轴分量ipq：(27)将检测的功率绕组三相线电压upab、upbc、upca转化为相电压upa、upb、upc，并以θp作为坐标变换角，通过Park坐标变换将功率绕组电流从静止ABC坐标转换到统一参考dq坐标系后获得功率绕组电压d轴分量upd和q轴分量upq。3.如权利要求1或2所述的功率下垂控制方法，其特征在于，稳态有功功率P*和稳态无功功率Q...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈宇，张德斌，苏靖媛，康勇，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42