风力发电机直接转矩控制方法技术

一种风力发电机直接转矩控制方法，目的是在风力发电的暂态过程中能迅速对发电机加以控制；本发明专利技术根据动态的脉冲宽度调制（ＰＷＭ）调节使旋转磁场φ↓［ｓ］总是在约束和控制变量φ↓［ｍｍ］≤φ↓［ｔ］≤φ↓［ｍａｘ］，Ｔ↓［ｍｉｎ］≤Ｔ↓［ｔ］≤Ｔ↓［ｍａｘ］，θ↓［ｍｉｎ］≤θ↓［ｔ］≤θ↓［ｍａｘ］的条件下使合成旋转磁场φ↓［ｓ］落后于转子而使风力发电机输出与轮桨风力相适应的有功电磁功率；这里φ↓［ｔ］、Ｔ↓［ｔ］、θ↓［ｔ］是实时采集计算的风力发电机的合成旋转磁场φ↓［ｓ］、转子的电磁转矩Ｔ↓［ｍ］、以及风力发电机定子电压Ｅ↓［Ｇ］与电力系统电压Ｅ↓［Ｓ］的相位角θ的时间变量；本发明专利技术采用模糊数学的策略控制方式，将所有矢量替换为模糊集合，这样的数学处理过程使本发明专利技术方法更接近工程实际，使其能更准确的控制合成旋转磁场φ↓［ｓ］，完成对风力发电机直接转矩控制的功能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种风力发电机直接转矩控制的方法。
技术介绍
自从1985年德国鲁尔大学的Dependbrock教授提出了电动机的直接转矩控制(DTC)方法以来，此方法一直被用来对电动机的磁链和转矩进行估计，以达到快速评估电动机暂态过程的功能。但如何将这一思想应用到对发电机暂态过程的评估一直是从事发电机控制领域科学家们潜心钻研的课题。由于风力发电在新能源开发中占有重要位置，对风力发电系统的控制就成了至为关键的问题，科学家们一直寻求一种在风力发电的暂态过程中能迅速对发电机加以控制的方法，将直接转矩控制的方法应用到风力发电机或研究出一种风力发电机直接转矩控制(WGDTC)的方法，则更成为发电机控制专家研究的紧迫课题。
技术实现思路
本专利技术目的是为克服上述已有技术的不足，提出一种在风力发电暂态过程中能迅速对发电机加以控制的风力发电机直接转矩控制(WGDTC)的方法。 本专利技术根据动态的脉冲宽度调制(PWM)调节使旋转磁场 总是在约束和控制变量 Tmin≤Tt≤Tmax，θmin≤θt≤θmax的条件下使合成旋转磁场 落后于转子而使风力发电机输出与轮浆风力相适应的有功电磁功率，这里 Tt、θt是实时采集计算的风力发电机的合成旋转磁场 转子的电磁转矩Tm、以及风力发电机定子电压EG与电力系统电压ES的相位角θ的时间变量，可通过下列公式求得 Pr＝E2NI1cosθs， 式中，Pe是风力发电机向系统输出的有功电磁功率； Pe＝Pr-Pjr Pjr是转子上消耗的有功功率。 Pr是发电机转子上的每相功率，E2N是定子等效电压，I1是定子电流，θs是两者间的夹角，ωr是转子角速度，ns是发电机的同步速度，k是常数，Ed是用于风力发电机变换器的直流电源，X′T是发电机定子电压EG与电力系统电压ES之间的等效电抗。 一个由直流电压Ed经过控制六脉冲的变换器，使直流电压Ed通过电力电子开关绝缘栅双极三极管(IGBT)的控制而产生旋转磁场 的七个不同大小和方向；根据约束控制变量θmin≤θt≤θmax，Tmin≤Tt≤Tmax， 的要求实时检测计算同步旋转磁场 的大小及方向而实现风力发电机的直接转矩控制；三相风力发电机在任意时刻的合成旋转磁场 是用脉冲宽度调制(PWM)变换通过控制IGBT开关控制直流电压Ed经逆变后产生三相交流A、B、C绕组所产生的磁通相对应的。通过绕组与Ed的不同连接方式可产生六个方向的磁通矢量，A(+)、A(-)、B(+)、B(-)、C(+)、C(-)。假设三相发电机的定子磁通被限制在虚线圆圈之内，那么每个方向的磁通就是六角形磁通运行轨迹图的中心指向一个确定的方向。要想完成磁通旋转一周至少需要变换六次磁通的方向。在某一瞬时，磁通运行的速度可以是零，造成这一结果的直接原因是在某一时刻将直流电源Ed连接的三相交流绕组线圈短接。 一个由直流电压Ed经过控制六脉冲的变换器，通过无规则脉冲宽度调制(PWM)将直流电压Ed转化成发电机三相A、B、C交流电压电路，从而实现对合成旋转磁场 的控制；任何时刻都可以通过控制脉冲宽度调制(PWM)去控制风力发电机侧的变换器的相应绝缘栅双极三极管(IGBT)开关，进而去控制旋转磁场 的大小及方向。并使 运行的范围实时满足约束控制变量θmin≤θt≤θmax，Tmin≤Tt≤Tmax， 的要求。风力发电机直接转矩控制(WGDTC)的关键是通过用不规则的脉冲宽度调制(PWM)控制方法去操作相应的IGBT开关进而控制合成旋转磁场 使之永远落后风力发电机转子运行速度而向系统发出电磁功率Pe。 本专利技术所有控制变量及约束控制变量均是矢量，并且这些矢量在某一特定的时间段都是在一定的范围内变化的，故采用模糊数学的策略控制方式，将所有矢量替换为模糊集合，这样的数学处理过程使本专利技术方法更接近工程实际，即通过对风力发电机直接转矩控制(WGDTC)控制装置中相应的绝缘栅双极三极管(IGBT)开关的控制完成对所有模糊集合的分析控制，使其能更准确的控制合成旋转磁场 完成对风力发电机直接转矩控制的功能。 本专利技术用模糊数学的方法对转子及合成旋转磁场 矢量在某一特定位置及相关的矢量A(+)和B(-)进行模糊数学集合替换，即设 其中变量元素x分别代表某一时间段的功率极限角θt，风力发电机的电磁转矩Tt及合成旋转磁场 变化范围。 同理，有 的模糊数学定义。 设旋转磁场的模糊集合 的瞬间位置为θmin≤θt≤θmax，则本方法的策略控制模糊集合 为磁场模糊集合和磁场模糊集合的模糊数学交集合 因为对于交集合，由于 所以设 是和的交集合，则 通过上式所得到的模糊集合与旋转磁场模糊集合 不断进行比较，寻找其模糊集合差，并使其逼近空模糊集合，即为最终的策略控制模糊集合此处值得提起的是当θt不在θmin≤θt≤θmax范围内，则需根据约束控制变量Tmin≤Tt≤Tmax， 的要求不断实时调整与各种矢量的组合，并使模糊集合与旋转磁场模糊集合 不断进行比较，寻找其模糊集合差，并使其逼近空模糊集合，即为最终的策略控制模糊集合 本专利技术方法适用于在风力发电的暂态过程中迅速对发电机加以控制。本专利技术方法的优点是不用控制风力发电机的变浆技术而直接通过脉冲宽度调制(PWM)的逆变技术去完成风力发电机暂态过程中的快速控制。由于本专利技术方法的提出，使风力发电机的控制技术更为简洁、快速、易行。 附图说明 图1为六开关脉冲风力发电机工作原理图； 图2为风力发电机运行等值电路图； 图3为风力发电机运行向量图； 图4为风力发电机向系统输出有功功率示意图； 图5为风力发电机直接转矩控制六脉冲变换器； 图6为风力发电机六角形磁场示意图； 图7为风力发电机旋转磁场运行轨迹控制图； 图8为合成旋转磁场任意时刻运行控制策略图； 图9为风力发电机转子与合成磁场位置示意图； 图10为发电机系统电压夹角与转子磁场夹角的关系。 具体实施例方式 如图1所示，图中的发电机测速装置NT测出风力发电机的转速ωr，根据公式 计算 是由定子和转子共同产生的合成同步旋转磁场；CPU为中央处理器，T为升压变压器，Ed是图1中在电容C1上经过脉冲宽度调制(PWM)逆变之前的直流电源；图1中的L1，L2是电流滤波器，起稳定直流侧电流作用，C1、C2为电压滤波器，起稳定电压侧电压作用。 图1的运行原理为中央处理器CPU通过在发电机侧的电流互感器CTg、电压互感器PTG采集发电机G侧的电流及电压EG，通过发电机测速装置NT检测发电机的转速，这些数据经过中央处理器CPU的处理后可变为中央处理器CPU对绝缘栅双极三极管1-6(IGBT1-IGBT6)的栅极操作控制信号，进而可控制风力发电机G的同步旋转磁场 k为常数，取决于发电机的物理结构，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种风力发电机直接转矩控制方法，其特征是根据动态的脉冲宽度调制调节使旋转磁场φ↓［ｓ］总是在约束和控制变量φ↓［ｍｉｎ］≤φ↓［ｔ］≤φ↓［ｍａｘ］，Ｔ↓［ｍｉｎ］≤Ｔ↓［ｔ］≤Ｔ↓［ｍａｘ］，θ↓［ｍｉｎ］≤θ↓［ｔ］≤θ↓［ｍａｘ］的条件下使合成旋转磁场φ↓［ｓ］落后于转子而使风力发电机输出与轮浆风力相适应的有功电磁功率；这里φ↓［ｔ］、Ｔ↓［ｔ］、θ↓［ｔ］是实时采集计算的风力发电机的合成旋转磁场φ↓［ｓ］、转子的电磁转矩Ｔ↓［ｍ］、以及风力发电机定子电压Ｅ↓［Ｇ］与电力系统电压Ｅ↓［Ｓ］的相位角θ的时间变量，可通过下列公式求得：　φ↓［ｓ］＝ｋＥ↓［ｄ］／ω↓［ｒ］，Ｐ↓［ｒ］＝Ｅ↓［２Ｎ］Ｉ↓［１］ｃｏｓθ↓［ｓ］，Ｔ↓［ｍ］＝９．５５Ｐ↓［ｒ］／ｎ↓［ｓ］×３，　ｐ↓［ｅ］＝Ｅ↓［Ｇ］Ｅ↓［Ｓ］／Ｘ′↓［Ｔ］ｓｉｎθ，θ＝ｓｉｎ↑［－１］［＊＊＊］　式中，Ｐ↓［ｅ］是风力发电机向系统输出的有功电磁功率；　Ｐ↓［ｅ］＝Ｐ↓［ｒ］－Ｐ↓［ｊｒ］　Ｐ↓［ｊｒ］是转子上消耗的有功功率；　Ｐ↓［ｒ］是发电机转子上的每相功率，Ｅ↓［２Ｎ］是定子等效电压，Ｉ↓［１］是定子电流，θ↓［ｓ］是两者间的夹角，ω↓［ｒ］是转子角速度，ｎ↓［ｓ］是发电机的同步速度，ｋ是常数，Ｅ↓［ｄ］是用于风力发电机变换器的直流电源，Ｘ′↓［Ｔ］是发电机定子电压Ｅ↓［Ｇ］与电力系统电压Ｅ↓［Ｓ］之间的等效电抗。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：郑德化，赵春生，张晓巍，李刚菊，杨文元，郭史鹏，王世杰，郑阿龙，
申请(专利权)人：山西合创电力科技有限公司，
类型：发明
国别省市：14[中国|山西]