CN101604953B - 永磁风力发电机矢量及直接转矩控制综合方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种永磁风力发电机矢量及直接转矩控制综合方法，它属于一种永磁风力发电机在稳定运行状态下使用矢量控制以及在风力发电暂态过程中采用直接转矩控制的综合方法本发明主要是解决现有风力发电机矢量方法存在的对风力突然变化造成的暂态波动难以控制的技术难点。本发明的技术方案是：a)在稳定运行状态下建立永磁风力发电机矢量控制数学模型，通过脉冲宽度调制(PWM)对dq轴分量电压电流的控制，调节变换器中的相应绝缘栅双极三极管开关的栅极去控制永磁风力发电机的交流励磁电流频率，实现永磁风力发电机稳态风力状态下的控制；b)在风力发电暂态过程中采用风力发电机直接转矩控制(WGDTC)的方法控制的永磁风力发电机。

Description

永磁风力发电机矢量及直接转矩控制综合方法

技术领域

本发明涉及一种永磁风力发电机矢量及直接转矩控制综合方法，它属于一种永磁风力发电机在稳定运行状态下使用矢量控制以及在风力发电暂态过程中采用直接转矩控制的综合方法。

背景技术

众所周知，风力发电是可再生能源中最廉价、最有前途而又取之不尽的绿色能源。目前国内外将变速恒频永磁风力发电机组作为风力发电机组的一种主流机型。在发电机组处于稳态运行时，传统的矢量控制方法对永磁风力发电机组有较理想的控制能力，但当风力发生突然变化时，由于这种传统的控制方法需实时进行将定子交流a、b、c系统向与转子相对静止的直流d、q系统进行繁琐的坐标系变换，控制时间长，也就是当风力发电机组处于暂态波动时，这种传统的矢量控制方法在时间响应速度上达不到风力发电系统的控制要求。

发明内容

本发明的目的是解决上述技术难点，并提供一种将矢量控制与直接转矩控制相结合的永磁风力发电机矢量及直接转矩控制综合方法。

本发明为解决上述技术难点而采用的技术方案是：永磁风力发电机矢量及直接转矩控制综合方法，其包括下列步骤：

a)在稳定运行状态下建立永磁风力发电机矢量控制数学模型，实时采集永磁风力发电机定子三相a、b、c交流电流及电压并依据该矢量控制数学模型将电流电压转换成控制永磁风力发电机定子的d、q轴电流电压分量；通过脉冲宽度调制对d、q轴分量电压电流的控制，调节变换器中的相应绝缘栅双极三极管开关的栅极去控制永磁风力发电机的交流励磁电流频率，实现永磁风力发电机稳态风力状态下的控制；该矢量控制数学模型为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{Gd}}=R_G{i}_{\mathrm{Gd}}+L_{\mathrm{Gd}}\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{Gd}}}{\mathrm{dt}}-{\mathrm{\ω}}_s{L}_{\mathrm{Gq}}{i}_{\mathrm{Gq}}\\ u_{\mathrm{Gq}}=R_G{i}_{\mathrm{Gq}}+L_{\mathrm{Gq}}\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{Gq}}}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{\ω}}_s{L}_{\mathrm{Gd}}{i}_{\mathrm{Gd}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

式(1)中：u_Gd为永磁风力发电机定子d轴的电压，可实时采集计算求出；R_G为永磁风力发电机定子电阻；i_Gd为永磁风力发电机定子d轴的电流，可实时采集计算求出；L_Gd为永磁风力发电机定子d轴的等效电感，可由电机实验得出；ω_s为永磁风力发电机同步角频率，可由风力发电机直接转矩控制方法实时求出；L_Gq为永磁风力发电机定子q轴的等效电感，可由电机实验得出；i_Gq为永磁风力发电机定子q轴的电流，可实时采集计算求出；u_Gq为永磁风力发电机定子q轴的电压，可实时采集计算求出；永磁风力发电机磁场对称时，L_Gd＝L_Gq＝L，L为永磁风力发电机定子等效电感；

实时采集计算永磁风力发电机定子端的电流、电压值，并将实时采集计算的电流、电压值与前一时间段的电流、电压值进行比较，其差值为控制绝缘栅双极三极管栅极的电压控制量进而对永磁发电机进行实时控制；其差分控制方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{Gd}\left(t\right)}^{*}=(R_G{i}_{\mathrm{Gd}\left(t\right)}+L\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{Gd}\left(t\right)}}{\mathrm{dt}}-{\mathrm{\ω}}_s{\mathrm{Li}}_{\mathrm{Gq}\left(t\right)})-u_{\mathrm{Gd}\left(t\right)}\\ u_{\mathrm{Gq}\left(t\right)}^{*}=(R_G{i}_{\mathrm{Gq}\left(t\right)}+L\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{Gq}\left(t\right)}}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{\ω}}_s{\mathrm{Li}}_{\mathrm{Gd}\left(t\right)})-u_{\mathrm{Gq}\left(t\right)}\end{array}\right.---\left(2\right)$

式(2)中：

为永磁风力发电机某一时间段控制绝缘栅双极三极管栅极的定子电压d轴控制量；

为永磁风力发电机某一时间段控制绝缘栅双极三极管栅极的定子电压q轴控制量；其它所有具有时间下标的电流电压量均为某一时间段实时采集计算的相应的电流电压时间变量；u_Gd(t)、u_Gq(t)为实时采集计算电压u_Ga(t)、u_Gb(t)、u_Gc(t)经过角度θ₁由三相交流向两相相对静止的α、β转换，然后再由静止的两相向旋转的两相d、q轴转换获得实时采集计算的当前时间段的d、q轴定子电压分量；

通过调节定子电压d、q轴控制量，对永磁风力发电机侧有功功率P_G和无功功率Q_G进行解耦控制，其控制方程为：

$P_G=\frac{3}{2}{u}_{\mathrm{Gd}}{i}_{\mathrm{Gd}}$ $Q_G=-\frac{3}{2}{u}_{\mathrm{Gd}}{i}_{\mathrm{Gq}}---\left(3\right)$

通过电网侧d、q轴电压和电流的采集计算，对电网侧有功功率P_S和无功功率Q_S进行解耦控制，其控制方程为：

P_S＝u_Sdi_Sd+u_Sqi_Sq    Q_S＝u_Sdi_Sq+u_Sqi_Sd         (4)

式(4)中：u_Sd为电网侧的d轴电压，u_Sq为电网侧的q轴电压，i_Sd为电网侧的d轴电流，i_Sq为电网侧的q轴电流；

在d、q同步旋转坐标系下，通过控制直流电压E_d和变频器与电网交换的无功功率Q_S，实现电网侧有功功率P_S和无功功率Q_S的单独解耦控制；

u_Sq＝0时，电网侧变频器控制电压的方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{u_{\mathrm{Sd}\left(t\right)}}^{*}=-(L_S\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{Sd}\left(t\right)}}{\mathrm{dt}}+R_S{i}_{\mathrm{Sd}\left(t\right)})+{\mathrm{\ω}}_{s1}{L}_S{i}_{\mathrm{Sq}\left(t\right)}+u_{\mathrm{Sd}\left(t\right)}\\ {u_{\mathrm{Sq}\left(t\right)}}^{*}=-(L_S\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{Sq}\left(t\right)}}{\mathrm{dt}}+R_S{i}_{\mathrm{Sq}\left(t\right)})+{\mathrm{\ω}}_{s1}{L}_S{i}_{\mathrm{Sd}\left(t\right)}\end{array}\right.---\left(5\right)$

式(5)中：

为电网S侧d轴电压实时采集计算的控制量，L_S为电网S侧的等效电感，i_Sd(t)为实时采集计算的电网侧电流d轴的电流分量，R_S为电网S侧的等效电阻，ω_s1为电网S侧电流、电压角频率，i_Sq(t)为实时采集计算的电网侧电流q轴的电流分量，u_Sd(t)为实时采集计算的电网侧电压d轴的电压分量，

为电网S侧q轴电压实时采集计算的控制量；上述控制量经过脉冲宽度调制被送去作为调节相应的绝缘栅双极三极管开关栅极的控制信息；

b)在风力发电暂态过程中采用风力发电机直接转矩控制的方法控制的永磁风力发电机：即根据测定的永磁风力发电机转子转速和风机轮浆转速，通过动态的脉冲宽度调制将直流电压E_d转化成发电机三相a、b、c交流电压电路，从而对永磁风力发电机的定子合成旋转磁通

进行控制，使定子合成旋转磁通

在约束和控制变量

T_min≤T_t≤T_max和θ_min≤θ_t≤θ_max的条件下，控制该合成旋转磁通

落后于转子而使永磁风力发电机输出与轮浆风力相适应的有功电磁功率，

T_t、θ_t是实时采集计算的风力发电机定子的合成旋转磁通转子的电磁转矩T_m、以及风力发电机定子线电压E_GL与电力电网线电压E_SL的相位角θ_GS的时间变量，可通过下列公式求得：

P_r＝E_2NI₁cosθ_s，

$p_e=\frac{E_{\mathrm{GL}}{E}_{\mathrm{SL}}}{X_T^{\′}}\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{GS}},$ ${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{GS}}={\sin }^{-1}\left[\frac{P_e}{\frac{E_{\mathrm{GL}}{E}_{\mathrm{SL}}}{X_T^{\′}}}\right]---\left(7\right)$

式(6)、(7)中：

是永磁风力发电机定子的合成旋转磁通，k是常数，E_d是用于风力发电机系统连接两侧变换器的直流链上的直流电源，ω_Gr是转子角速度，P_r是发电机转子从风力轮浆上获得的每相功率，E_2N是定子等效电压，I₁是定子电流，θ_s是E_2N和I₁两者间的夹角，T_m是永磁风力发电机转子的电磁转矩，n_s是发电机的同步速度，P_e是风力发电机向电网输出的三相有功电磁功率P_e＝3×(P_r-P_jr)，P_jr是转子上每相消耗的有功功率，E_GL是发电机定子线电压，E_SL是电力电网线电压，θ_GS是永磁风力发电机G线电压E_GL与电网S线电压E_SL之间的相位角，

是发电机定子线电压E_GL与电力电网线电压E_SL之间的等效电抗；

所述风力发电机直接转矩控制的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，即通过对永磁风力发电机直接转矩控制控制装置中相应的绝缘栅双极三极管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永磁风力发电机定子的合成旋转磁通完成对永磁风力发电机直接转矩控制。

由于本发明采用了上述技术方案，当永磁风力发电机在稳态运行中，此时由传统的矢量控制方法起主导作用，当电网由于风力变化而呈现急剧不稳定运行的暂态过程中，此时永磁风力发电机直接转矩控制方法(WGDTC)便可迅速调入起主导作用，并迅速对暂态过程中的永磁风力发电机加以控制，使其对电网提供稳定的电压。因此，与背景技术相比，本发明的优点是：不用精确控制永磁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，使永磁风力发电机的控制技术更为简洁、快速、易行。

附图说明

图1是本发明的原理控制框图；

图2是永磁风力发电机系统电机侧变换器控制框图；

图3是双变换器与永磁风力发电机及电网连接框图；

图4是永磁风力发电机系统电网侧变换器控制框图；

图5是双控制器永磁风力发电机工作原理图；

图6是永磁风力发电机电压电流运行等值电路图；

图7是永磁风力发电机电压电流运行向量图；

图8是永磁风力发电机向电网输出有功功率示意图；

图9是永磁风力发电机直接转矩控制六脉冲变换器；

图10是永磁风力发电机六角形磁通示意图；

图11是永磁风力发电机合成旋转磁通运行轨迹控制图；

图12是永磁发电机定子的合成旋转磁通任意时刻运行控制策略图；

图13是永磁风力发电机转子与合成旋转磁通位置示意图；

图14是永磁风力发电机与电网电压夹角与转子磁通夹角的关系图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明。

本实施例中的永磁风力发电机矢量及直接转矩控制综合方法，其包括下列步骤：

a)在稳定运行状态下建立永磁风力发电机矢量控制数学模型，实时采集永磁风力发电机定子三相a、b、c交流电流及电压并依据该矢量控制数学模型将电流电压转换成控制永磁风力发电机定子的d、q轴电流电压分量；通过脉冲宽度调制(PWM)对d、q轴分量电压电流的控制，调节变换器中的相应绝缘栅双极三极管(IGBT)开关的栅极去控制永磁风力发电机的交流励磁电流频率，实现永磁风力发电机稳态风力状态下的控制；该矢量控制数学模型为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{Gd}}=R_G{i}_{\mathrm{Gd}}+L_{\mathrm{Gd}}\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{Gd}}}{\mathrm{dt}}-{\mathrm{\ω}}_s{L}_{\mathrm{Gq}}{i}_{\mathrm{Gq}}\\ u_{\mathrm{Gq}}=R_G{i}_{\mathrm{Gq}}+L_{\mathrm{Gq}}\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{Gq}}}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{\ω}}_s{L}_{\mathrm{Gd}}{i}_{\mathrm{Gd}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

式(1)中：u_Gd为永磁风力发电机定子d轴的电压，可实时采集计算求出；R_G为永磁风力发电机定子电阻；i_Gd为永磁风力发电机定子d轴的电流，可实时采集计算求出；L_Gd为永磁风力发电机定子d轴的等效电感，可由电机实验得出；ω_s为永磁风力发电机同步角频率，可由风力发电机直接转矩控制(WGDTC)方法实时求出；L_Gq为永磁风力发电机定子q轴的等效电感，可由电机实验得出；i_Gq为永磁风力发电机定子q轴的电流，可实时采集计算求出；u_Gq为永磁风力发电机定子q轴的电压，可实时采集计算求出；永磁风力发电机磁场对称时，L_Gd＝L_Gq＝L，L为永磁风力发电机定子等效电感；

实时采集计算永磁风力发电机定子端的电流、电压值，并将实时采集计算的电流、电压值与前一时间段的电流、电压值进行比较，其差值为控制绝缘栅双极三极管(IGBT)栅极的电压控制量进而对永磁发电机进行实时控制；其差分控制方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{Gd}\left(t\right)}^{*}=(R_G{i}_{\mathrm{Gd}\left(t\right)}+L\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{Gd}\left(t\right)}}{\mathrm{dt}}-{\mathrm{\ω}}_s{\mathrm{Li}}_{\mathrm{Gq}\left(t\right)})-u_{\mathrm{Gd}\left(t\right)}\\ u_{\mathrm{Gq}\left(t\right)}^{*}=(R_G{i}_{\mathrm{Gq}\left(t\right)}+L\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{Gq}\left(t\right)}}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{\ω}}_s{\mathrm{Li}}_{\mathrm{Gd}\left(t\right)}){-u}_{\mathrm{Gq}\left(t\right)}\end{array}\right.---\left(2\right)$

式(2)中：

为永磁风力发电机某一时间段控制绝缘栅双极三极管(IGBT)栅极的定子电压d轴控制量；

为永磁风力发电机某一时间段控制绝缘栅双极三极管(IGBT)栅极的定子电压q轴控制量；其它所有具有时间下标的电流电压量均为某一时间段实时采集计算的相应的电流电压时间变量；

通过调节定子电压d、q轴控制量，对永磁风力发电机侧有功功率P_G和无功功率Q_G进行解耦控制，其控制方程为：

$P_G=\frac{3}{2}{u}_{\mathrm{Gd}}{i}_{\mathrm{Gd}}$ $Q_G=-\frac{3}{2}{u}_{\mathrm{Gd}}{i}_{\mathrm{Gq}}---\left(3\right)$

通过电网侧d、q轴电压和电流的采集计算，对电网侧有功功率P_S和无功功率Q_S进行解耦控制，其控制方程为：

P_S＝u_Sdi_Sd+u_Sqi_Sq    Q_S＝u_Sdi_Sq+u_Sqi_Sd       (4)

式(4)中：u_Sd为电网侧的d轴电压，u_Sq为电网侧的q轴电压，i_Sd为电网侧的d轴电流，i_Sq为电网侧的q轴电流；

在d、q同步旋转坐标系下，通过控制直流电压E_d和变频器与电网交换的无功功率Q_S，实现电网侧有功功率P_S和无功功率Q_S的单独解耦控制；

u_Sq＝0时，电网侧变频器控制电压的方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{u_{\mathrm{Sd}\left(t\right)}}^{*}=-(L_S\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{Sd}\left(t\right)}}{\mathrm{dt}}+R_S{i}_{\mathrm{Sd}\left(t\right)})+{\mathrm{\ω}}_{s1}{L}_S{i}_{\mathrm{Sq}\left(t\right)}+u_{\mathrm{Sd}\left(t\right)}\\ {u_{\mathrm{Sq}\left(t\right)}}^{*}=-(L_S\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{Sq}\left(t\right)}}{\mathrm{dt}}+R_S{i}_{\mathrm{Sq}\left(t\right)})+{\mathrm{\ω}}_{s1}{L}_S{i}_{\mathrm{Sd}\left(t\right)}\end{array}\right.---\left(5\right)$

式(5)中：

为电网S侧d轴电压实时采集计算的控制量，L_S为电网S侧的等效电感，i_Sd(t)为实时采集计算的电网侧电流d轴的电流分量，R_S为电网S侧的等效电阻，ω_s1为电网S侧电流、电压角频率，i_Sq(t)为实时采集计算的电网侧电流q轴的电流分量，u_Sd(t)为实时采集计算的电网侧电压d轴的电压分量，

为电网S侧q轴电压实时采集计算的控制量；上述控制量经过脉冲宽度调制(PWM)被送去作为调节相应的绝缘栅双极三极管(IGBT)开关栅极的控制信息；

b)在风力发电暂态过程中采用风力发电机直接转矩控制(WGDTC)的方法控制的永磁风力发电机：即根据测定的永磁风力发电机转子转速和风机轮浆转速，通过动态的脉冲宽度调制(PWM)将直流电压E_d转化成发电机三相a、b、c交流电压电路，从而对永磁风力发电机的定子合成旋转磁通

进行控制，使定子合成旋转磁通

在约束和控制变量

T_min≤T_t≤T_max和θ_min≤θ_t≤θ_max的条件下，控制该合成旋转磁通落后于转子而使永磁风力发电机输出与轮浆风力相适应的有功电磁功率，

T_t、θ_t是实时采集计算的风力发电机定子的合成旋转磁通

转子的电磁转矩T_m、以及风力发电机定子线电压E_GL与电力电网线电压E_SL的相位角θ_GS的时间变量，可通过下列公式求得：

P_r＝E_2NI₁cosθ_s，

$p_e=\frac{E_{\mathrm{GL}}{E}_{\mathrm{SL}}}{X_T^{\′}}\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{GS}},$ ${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{GS}}={\sin }^{-1}\left[\frac{P_e}{\frac{E_{\mathrm{GL}}{E}_{\mathrm{SL}}}{X_T^{\′}}}\right]---\left(7\right)$

式(6)、(7)中：

是永磁风力发电机定子的合成旋转磁通，k是常数，E_d是用于风力发电机系统连接两侧变换器的直流链上的直流电源，ω_Gr是转子角速度，P_r是发电机转子从风力轮浆上获得的每相功率，E_2N是定子等效电压，I₁是定子电流，θ_s是E_2N和I₁两者间的夹角，T_m是永磁风力发电机转子的电磁转矩，n_s是发电机的同步速度，P_e是风力发电机向电网输出的三相有功电磁功率P_e＝3×(P_r-P_jr)，P_jr是转子上每相消耗的有功功率，E_GL是发电机定子线电压，E_SL是电力电网线电压，θ_GS是永磁风力发电机G线电压E_GL与电网S线电压E_SL之间的相位角，

是发电机定子线电压E_GL与电力电网线电压E_SL之间的等效电抗；

所述风力发电机直接转矩控制(WGDTC)的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，即通过对永磁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永磁风力发电机定子的合成旋转磁通

完成对永磁风力发电机直接转矩控制。

一个由直流电压E_d经过控制六脉冲的变换器，使直流电压E_d通过电力电子开关绝缘栅双极三极管(IGBT)栅极的控制而产生合成旋转磁通

的七个不同大小和方向；根据约束控制变量T_min≤T_t≤T_max，θ_min≤θ_t≤θ_max的要求实时检测计算发电机定子合成旋转磁通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发电机定子的合成旋转磁通

是用脉冲宽度调制(PWM)变换通过控制绝缘栅双极三极管(IGBT)开关的栅极去控制直流电压E_d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E_d的不同连接方式可产生六个方向的磁通矢量，

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E_d连接的三相交流绕组线圈短接。

一个由直流电压E_d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E_d转化成发电机三相a、b、c交流电压电路，从而实现对发电机定子的合成旋转磁通

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，进而去控制合成旋转磁通

的大小及方向。并使运行的范围实时满足约束控制变量

T_min≤T_t≤T_max，θ_min≤θ_t≤θ_max的要求。永磁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绝缘栅双极三极管(IGBT)开关进而控制发电机定子的合成旋转磁通使之永远落后风力发电机转子运行速度而向电网发出电磁功率P_S。

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，图中的轮浆风机直接驱动永磁风力发电机G，图中S为电网。因为发电机侧和电网侧的框图功能基本对称，所以在此只对永磁风力发电机侧进行主要叙述。永磁风力发电机侧由电机侧变换器、电机侧控制器、隔离脉冲驱动检测电路、前级处理电路、转速测定装置等组成。电机侧控制器通过转速测定装置实时检测永磁风力发电机转子及风力轮浆的速度，依此判别风力是运行在稳定状态还是运行在突然变化的暂态，进而迅速决定是采用矢量控制方法还是风力发电机的直接转矩控制方法对永磁风力发电机进行控制。在稳态运行时，电机侧控制器调入矢量控制方法对永磁风力发电机进行控制。而当风力发生突然变化的急剧暂态过程中，矢量方法失去时间效率，故发电机直接转矩控制方法(WGDTC)被调入执行控制永磁风力发电机运行。同时，电机侧控制器实时采集计算永磁风力发电机侧定子电压、电流，经过前级处理电路，这些信息被送入控制器，经过控制算法的处理，得到控制信息，这些控制信息成为电机控制器向隔离脉冲驱动检测电路发出控制信号的依据，也即用脉冲宽度调制(PWM)技术去驱动相关的绝缘栅双极三极管(IGBT)开关。同时电机控制器还实时测量直流链电容C上的电压E_d做为分析系统运行的依据。另外电机侧控制器还和电网侧控制器实时通讯，以期达到对整个系统的最优控制。电网侧控制框图和发电机侧控制框图基本一致，只是缺少测速装置，因为电网侧所有元件是静止的。

如图2所示，设d、q轴坐标系以同步旋转速度旋转，在忽略永磁风力发电机G定子绕组电阻的情况下，永磁风力发电机G的定子合成旋转总磁链或磁通与定子端电压矢量的相位正好相差90°。采用永磁风力发电机G定子电压定向于d轴方向，且忽略定子绕组压降，即可得到永磁风力发电机G的磁链或磁通方程和电压方程为：

将式(8)的磁链方程代入式(9)电压方程中，则有：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{Gd}}=R_G{i}_{\mathrm{Gd}}+L_{\mathrm{Gd}}\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{Gd}}}{\mathrm{dt}}-{\mathrm{\ω}}_s{L}_{\mathrm{Gq}}{i}_{\mathrm{Gq}}\\ u_{\mathrm{Gq}}=R_G{i}_{\mathrm{Gq}}+L_{\mathrm{Gq}}\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{Gq}}}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{\ω}}_s{L}_{\mathrm{Gd}}{i}_{\mathrm{Gd}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

式(1)、(8)和(9)中：

为永磁风力发电机定子d、q轴的磁链或磁通，可由风力发电机直接转矩控制(WGDTC)方法实时求出；i_Gd，i_Gq为永磁风力发电机定子d、q轴的电流，可在图2中实时采集计算求出；L_Gd，L_Gq为永磁风力发电机d、q轴的等效电感，可由电机实验得出；因为，永磁风力发电机磁场对称，所以L_Gd＝L_Gq＝L；L为永磁风力发电机定子的等效电感；R_G为永磁风力发电机定子电阻；u_Gd，u_Gq为永磁风力发电机定子d、q轴的电压，可在图2中实时采集计算求出；ω_s为永磁风力发电机同步角速度，可由风力发电机直接转矩控制(WGDTC)方法实时求出。

如前述，采用永磁风力发电机G定子电压定向于d轴方向，且忽略定子绕组压降，即可得永磁风力发电机组有功功率P_G和无功功率Q_G解耦方程为：

$P_G=\frac{3}{2}{u}_{\mathrm{Gd}}{i}_{\mathrm{Gd}}$ $Q_G=-\frac{3}{2}{u}_{\mathrm{Gd}}{i}_{\mathrm{Gq}}---\left(3\right)$

因为，永磁风力发电机磁场对称，所以L_Gd＝L_Gq＝L。为了对永磁发电机进行实时控制，需实时采集计算发电机定子端的电流、电压值，并将这些值与前一时间段的信息进行比较，其差值即为控制绝缘栅双极三极管(IGBT)栅极的电压控制量。其具体差分控制方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{Gd}\left(t\right)}^{*}=(R_G{i}_{\mathrm{Gd}\left(t\right)}+L\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{Gd}\left(t\right)}}{\mathrm{dt}}-{\mathrm{\ω}}_s{\mathrm{Li}}_{\mathrm{Gq}\left(t\right)})-u_{\mathrm{Gd}\left(t\right)}\\ u_{\mathrm{Gq}\left(t\right)}^{*}=(R_G{i}_{\mathrm{Gq}\left(t\right)}+L\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{Gq}\left(t\right)}}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{\ω}}_s{\mathrm{Li}}_{\mathrm{Gd}\left(t\right)})-u_{\mathrm{Gq}\left(t\right)}\end{array}\right.---\left(2\right)$

式(2)中：

为永磁风力发电机风力发电某一时间段控制绝缘栅双极三极管(IGBT)栅极的定子电压d、q轴控制量。

由图2可知，由永磁风力发电机定子侧采集电流电压通过d、q轴转换计算获得合成旋转磁通的角度及位置θ，θ可从风力发电机直接转矩控制(WGDTC)方法中求得，同时测得转子角度θ_r，两者的差值θ₁被用来做坐标系转换计算。图2中转子三相电压电流测量值利用θ₁进行d、q转换，获得定子电流、电压的d、q轴实时测量信息，这些实时测量的信息用来和前一数据采集时间段所获得的d、q参考值进行比较，得到差值即为图2中所示的与脉冲宽度调制(PWM)技术相关的绝缘栅双极三极管(IGBT)开关栅极的控制量。

图2中实时采集计算的电流i_Ga(t)、i_Gb(t)、i_Gc(t)经过角度θ₁由三相交流向两相相对静止的α、β转换，然后再由静止的两相向旋转的两相d、q轴转换获得实时采集计算的当前时间段的d、q轴定子电流分量i_Gd(t)、i_Gq(t)，这两个量被用来与前一时间段存储的i_Gd(t-1)、i_Gq(t-1)进行比较。比较的结果

送到两比例微分器PD。两比例微分器PD的输出分别为

并被送入中间加法环节。图2中还实时采集计算电压u_Ga(t)、u_Gb(t)、u_Gc(t)经过角度θ₁由三相交流向两相相对静止的α、β转换，然后再由静止的两相向旋转的两相d、q轴转换获得实时采集计算的当前时间段的d、q轴定子电压分量u_Gd(t)、u_Gq(t)，这两个量加上由i_Gd(t)、i_Gq(t)在定子电抗ω_sL上产生的压降，其输出结果用来与前一时间段由i_Gd(t-1)、i_Gq(t-1)而产生的加法环节电压分量

进行比较。比较的结果即为

又经过旋转-静止-旋转变换最终得到绝缘栅双极三极管(IGBT)开关栅极的交流系统定子三相a、b、c电压差值控制量

在永磁风力发电系统中，维持直流系统电压相对稳定是保证发电机发出的有功功率流入电网的基本条件。本发明以控制直流系统电压稳定，实现有功功率传输为主要目的。同时控制系统发出的无功功率。

如图3所示，图中发电机G侧变换器和电网S侧变换器均是四象限变换器，可工作在整流状态和逆变状态。图3中发电机G侧变换器要保证有功功率P_G向电网S的可靠传输，同时还要保证在暂态状况下对发电机交流励磁的有效调节。图3中电网S侧变换器应解决发电机G转速变化时有功功率的流动问题，保持直流母线电压的恒定，并且满足电网侧无功功率的要求。

永磁风力发电机发出的有功功率为P_G，电网S获得的有功功率为P_S：

P_G＝E_di₁    P_S＝E_di₂           (10)

要保证永磁风力发电机发出的有功功率在两个变换器中的流动协调一致，应有P_S＝P_G，式(10)中直流侧电压E_d为常值，i₁、i₂为图(3)中电容C上端节点的两侧电流。而电网S侧变换器从永磁风力发电机获得的有功功率P_S和无功功率Q_S为：

P_S＝u_Sdi_Sd+u_Sqi_Sq    Q_S＝u_Sdi_Sq+u_Sqi_Sd      (4)

式(4)中：u_Sd为电网侧的d轴电压，u_Sq为电网侧的q轴电压，i_Sd为电网侧的d轴电流，i_Sq为电网侧的q轴电流；

取电网侧电压空间矢量为d轴，沿电压矢量旋转方向逆时针超前90°为q轴，此时u_Sq＝0，于是由式(4)得：

P_S＝u_Sdi_Sd    Q_S＝u_Sdi_Sq        (11)

即实现了有功和无功的解耦，P_S受i_Sd控制，Q_S受i_Sq控制。

本发明在d、q同步旋转坐标系下，以直流电压E_d和变频器与电网交换的无功功率Q_S为控制目标，实现电网侧有功功率P_S和无功功率Q_S的单独解耦控制。

如图(4)所示，取电网侧电压空间矢量为d轴，沿电压矢量旋转方向逆时针超前90°为q轴，此时u_Sq＝0，则有电网侧变频器控制电压方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{u_{\mathrm{Sd}\left(t\right)}}^{*}=-(L_S\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{Sd}\left(t\right)}}{\mathrm{dt}}+R_S{i}_{\mathrm{Sd}\left(t\right)})+{\mathrm{\ω}}_{s1}{L}_S{i}_{\mathrm{Sq}\left(t\right)}+u_{\mathrm{Sd}\left(t\right)}\\ {u_{\mathrm{Sq}\left(t\right)}}^{*}=-(L_S\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{Sq}\left(t\right)}}{\mathrm{dt}}+R_S{i}_{\mathrm{Sq}\left(t\right)})+{\mathrm{\ω}}_{s1}{L}_S{i}_{\mathrm{Sd}\left(t\right)}\end{array}\right.---\left(5\right)$

式(5)中：为电网S侧d轴电压实时采集计算的控制量，L_S为电网S侧的等效电感，i_Sd(t)为实时采集计算的电网侧电流d轴的电流分量，R_S为电网S侧的等效电阻，ω_s1为电网S侧电流、电压角频率，i_Sq(t)为实时采集计算的电网侧电流q轴的电流分量，u_Sd(t)为实时采集计算的电网侧电压d轴的电压分量，

为电网S侧q轴电压实时采集计算的控制量；上述控制量经过脉冲宽度调制(PWM)被送去作为调节相应的绝缘栅双极三极管(IGBT)开关栅极的控制信息。

图4中，因为本发明在d、q同步旋转坐标系下，以直流电压E_d和变频器与电网交换的无功功率Q_S为控制目标，实现电网侧有功功率P_S和无功功率Q_S的单独解耦控制。由式(11)可知，Q_S＝u_Sdi_Sq即Q_S是由i_Sq来控制的。故图4中的输入变量为直流链上的电压E_d(t-1)和电网q轴的电流i_Sq(t-1)。此处E_d(t-1)为电网在变换器控制下实时采集计算的与直流电压相适应的前一时间段直流电压，i_Sq(t-1)为电网在变换器控制下实时采集计算的与电网无功功率Q_S相适应的电网侧q轴电流前一时间段采集量。

图4中电网S侧三相交流电流i_Sa(t)，i_Sb(t)，i_Sc(t)被采集后经过坐标变换由静止的i_Sα(t)、i_Sβ(t)得到与转子同步旋转的d、q轴分量i_Sd(t)，i_Sq(t)。此实时采集计算的i_Sq(t)被送去与前一时间段采集计算的i_Sq(t-1)进行比较，其差值被送入比例微分调节器PD，PD的输出为q轴电压分量

这一分量与d轴电流i_Sd(t)在互感阻抗分量ω_s1L_s上的压降进一步叠加而得到q轴电网S电压的控制量

图4中d轴电网S电压的控制量

来源于两个闭环分支，一支来源于三相电网S交流电压u_Sa(t)、u_Sb(t)、u_Sc(t)，这些电压被采集后经过坐标变换由静止的u_Sα(t)、u_Sβ(t)，进一步变换得到与转子同步旋转的d、q轴分量u_Sd(t)，u_Sd(t)与q轴电流i_Sq(t)在互感阻抗分量ω_s1L_s上的压降进一步叠加而得到d轴电压u_Sd(t)的中间量，这一中间量被送入加法环节。图4中d轴电网S电压的控制量

另一支来源于对变换器直流侧电压E_d(t)实时采集计算量，E_d(t)被送入加法环节与直流电压前一时间段实时采集计算的直流量E_d(t-1)进行比较，其结果被送入比例积分调节器PI，比例积分器PI的输出与d轴电流i_Sd(t)进一步进行比较，其结果为

被送入比例微分器PD，比例微分器PD的输出是d轴电压的中间量

这一中间量也被送入上述的加法环节，这一加法环节的输出即为d轴电压的最终控制量

上述获得的电网侧S变换器的电压控制变量

通过旋转轴向静止轴的变换得到

中间变量

经过进一步由静止向旋转变换最终得到电网侧三相交流电压的最终控制量

这些控制量经过脉冲宽度调制(PWM)技术被送去作为调节相关的绝缘栅双极三极管(IGBT)开关栅极的控制信息。通过绝缘栅双极三极管(IGBT)开关栅极的调节，使之达到通过控制电流i_Sq(t)控制电网S侧的无功功率Q_S，通过控制E_d(t)控制直流侧电压恒定的目的。

图4中所有与α、β有关的电流电压值均为用来完成坐标系变换的中间值。

如图5所示，图中的永磁风力发电机G侧发电机测速装置测出永磁风力发电机G的旋转角速度ω_Gr。

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通；式(6a)中：k是常数，E_d是图5中电容C两端的电压。ω_Gr是永磁风力发电机G的旋转角速度。

图5中的主要控制装置为两组六绝缘栅双极三极管(IGBT)开关变换器、永磁风力发电机侧控制器和电网侧控制器，永磁风力发电机G侧的变换器用与其相对应的永磁风力发电机G侧控制器控制，此控制器通过永磁风力发电机测速装置获得发电机G的转速，并实时采集计算永磁风力发电机G的定子电压电流及直流系统信息，这些信息根据电网S和永磁风力发电机G运行状况进行算法处理，得到相关控制信息，并利用控制信息去控制与脉冲宽度调制(PWM)相应的绝缘栅双极三极管(IGBT)开关，同时这一发电机G侧控制器还与电网S侧控制器实时通讯，了解电网S侧运行状况，选出综合的最佳控制方案。同理，电网S侧控制器实时采集计算电网S侧电压电流及直流系统信息，并根据发电机G和电网S运行情况做出最优控制决策信息，这些控制决策信息被用来作为调节与电网S侧脉冲宽度调制(PWM)相关的绝缘栅双极三极管(IGBT)开关的依据。

图5中E_d是连接在电容C上的直流电压，这一电压值变化情况被两侧变换器的控制器采集处理，增强了控制方法的优化决策功能。

图5中T是升压变压器，使直流电压E_d经过逆变后的交流电压升压至电网S侧的电压值。

如图6所示，此图被用来计算永磁风力发电机G转子上的功率P_r及发电机G的电磁转矩T_m的幅值和合成旋转磁通

大小和方向，与期望的转矩和期望的磁通比较得出差值即为图5中绝缘栅双极三极管(IGBT)开关的脉冲宽度调制(PWM)调节控制量，该控制量控制图5中绝缘栅双极三极管(IGBT)开关的栅极，从而完成永磁风力发电机直接转矩控制(WGDTC)限定的区间调节，弥补矢量控制在非恒定转矩或非线性运行区域内的反应滞后性。

图6中，永磁风力发电机定子电阻R_G、定子电抗x₁、转子电阻r₂(已折算到定子侧)、转子电抗x₂(已折算到定子侧)，励磁绕组电抗x_m(已折算到定子侧)。定子漏磁通

定子和转子间的互感磁通

转子漏磁通

电阻r₂/s(它表示转子上吸收了从风力发电机G轮浆上传输过来的有功功率，其中s是转差率，可由

求得)。I₁为发电机定子电流，I₂发电机转子电流(已折算到定子侧)，I_m为发电机定、转子励磁绕组电流(已折算到定子侧)，N为发电机的中性点。

由于电机运行在发电机状态，ω_s＜ω_Gr，则s＜0。由电机学可知，当发电机G运行在稳定状态时，发电机定子的合成旋转磁通与转子的相对速度为常数，即合成旋转磁通与转子之间相对切割的磁通为常数，也就是

为常数。另外我们知道发电机G定子的电压E_G为：

式(12)中：f为电网S或发电机G定子频率，N为定子绕组每相匝数，当磁通

为常数时E_G∝f，

ω_s为发电机G角频率或同步角速度，ω_s＝2πf，n_s为发电机G的同步速度，

这里ρ是发电机G的极对数，于是有f∝ω_s∝n_s。所以发电机G定子电压在稳定运行时有E_G∝f∝ω_s∝n_s。

如图7所示，由电机学可知，图7中的

为定子合成旋转磁场的磁通，等于图6中和

的矢量和，

是通过定子电抗x₁的自感磁通，是通过励磁电抗x_m的互感磁通。即是：

永磁风力发电机G的单相功率和三相所表示的总的转矩可由式(6b)和式(6c)表示：

P_r＝E_2NI₁cosθ_s       (6b)，

式(6b)、(6c)中：P_r是发电机转子从风力轮浆上获得的每相功率，E_2N是定子等效电压，I₁是定子电流，θ_s是E_2N和I₁两者间的夹角，T_m是永磁风力发电机转子的电磁转矩，n_s是发电机的同步速度。

从图6中可知，E_2N是由

感应的电压，I₁是定子电流。θ_s是E_2N和I₁两者间的夹角，即发电机G的功率因数角，在忽略定子电阻的情况下与θ_G相同，θ_G是在忽略定子电阻的情况下实时采集计算图6中发电机G定子电压E_G及定子电流I₁获得。

电压E_2N是不能够直接测量的，但是它的数值是容易计算的，通过在定子端测量E_G然后加上I₁R_G上的电压降而得到。

图7中磁通

是和电压E_2N成正比并落后其90°，图7向量图标注了定子电流电压和I₁R_G之间的关系。可以实时采集计算定子电流I₁和电压E_G而决定功率因数cosθ_s(此处忽略I₁R_G)，进而得到θ_s，磁通

的大小可从式(6a)中得到，而

位置总是落后E_2N 90°，从而磁通

的大小和方向即可确定。因而可得到式(6b)及式(6c)，也即在风力发电机直接转矩控制方法中的重要参数T_m得到了解决。

式(6b)中：E_2N是由

感应的电压；I₁是定子电流；θ_s是发电机G的功率因数角，可通过实时采集计算定子电压E_G及电流I₁获得；电压E_2N通过在定子端测量E_1N或E_G然后加上I₁R_G上的电压降而得到；

式(6c)中：n_s是发电机G的同步转速，在稳定运行时可根据ω_s求出；

如前所述，n_s是转子的每分钟的同步转速，在稳定运行时可根据ω_s求出。而ω_s是合成旋转磁通的角速度，在稳定运行时，根据ω_s与电压E_G成比例的关系求得。

式(6b)中：功率P_r是在图6中点④和N之间吸收的有功功率，即转子上吸收的有功功率，这一功率是和流入点②和N之间的有功功率一致的。因为无功原件x₁、x_m不消耗有功功率，因此可得式(6b)。

如图8所示，E_GL是风力发电机G的定子线电压，E_SL是与变压器T相连的电网S的线电压；T是升压变压器；BBC是背对背双变换器，

是从风力发电机G到电网S之间的等效电抗，它包括发电机G定子电抗和转子电抗(已折算到定子侧)、变换器等效电抗及变压器的电抗，P_e是风力发电机G向电网S输出的有功电磁功率。

P_e＝P_r-P_jr             (14)

P_jr是发电机G转子上有功铜耗，P_jr＝sP_r(s为转差率，如前述)。

若假设图5中的变换器由理想开关组成(无有功损耗)，同时忽略变压器中的有功损耗，则在图8中风力发电机G向电网S输出的有功功率为：

$p_e=\frac{E_{\mathrm{GL}}{E}_{\mathrm{SL}}}{X_T^{\′}}\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{GS}}---\left(7a\right)$

θ_GS是发电机G线电压E_GL与电网S线电压E_SL之间的相位角。

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{GS}}={\sin }^{-1}\left[\frac{P_e}{\frac{E_{\mathrm{GL}}{E}_{\mathrm{SL}}}{X_T^{\′}}}\right]---\left(7b\right)$

从图7中知，由于

是向量，而由式(6a)求得的

值是标量，为便于在风力发电机直接转矩控制方法中实时追踪

的方向，可在图7的向量图中将

任意时刻的方向求出如前述。

本发明永磁风力发电机直接转矩控制(WGDTC)方法是根据著名的六角形磁通运行轨迹图而建立的数学模型，如图10所示。

如图9所示，一个由直流电压E_d通过无规则脉冲宽度调制(PWM)方法将直流电压E_d转化成发电机G三相a、b、c交流电压电路，或六脉冲的变换器。在任何时刻都可以通过控制脉冲宽度调制(PWM)去控制绝缘栅双极三极管(IGBT)开关a₁、a₂、b₁、b₂、c₁、c₂的位置，从而产生不断变化的磁通

和转矩T_m。此处开关a₁、a₂、b₁、b₂、c₁、c₂是与图5中发电机侧G的变换器的绝缘栅双极三极管(IGBT)开关相适应的。

图9中磁通

可以被控制在

的区间内。同理，转矩T_m可以被控制在T_B＜T_m＜T_A的区间内。图10中

是着重强调发电机定子的合成旋转磁通

为矢量，既有大小又有方向。同理适用于

根据图9中的六脉冲变换器，通过不同的开关组合可以得到不同的磁通方向。例如：对于图10中矢量的磁通方向的获得，是通过将绕组a连接到直流电源E_d的正极端。而将b、c绕组连接到E_d的负极端。其他依此类推。

如图10所示，三相风力发电机在任意时刻的发电机定子的合成旋转磁通

是和图9所示的用脉冲宽度调制(PWM)变换通过控制绝缘栅双极三极管(IGBT)开关控制直流电压E_d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E_d的不同连接方式可产生六个方向的磁通，

假设三相发电机G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从图形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。

假设在磁通的起始方向是由向量0-1即

通过应用在1点上叠加

矢量的这个组合，磁通

将从1点向2点行进。也就是磁通从1点移到2点。在到达2点后，再继续用

矢量的叠加组合，然后磁通

将继续向3点行进。到达3点后，继续应用

矢量磁通组合，将磁通

移到点4，依此类推。

如图11所示，

所示位置为从参考横轴起θ′角度，θ′角度是在

任意时刻的初始角。又假设磁通以逆时针方向旋转，设置一个磁通控制区间来控制磁通

的调节范围。此图中磁通的调节范围是1.0-1.1p.u，图中的黑体点表明磁通在某一时刻空中被冻结或成为零点，也就是在那一瞬时，磁通运行的速度是零。造成这一结果的直接原因是在某一时刻将直流电源E_d连接的三相交流绕组线圈短接。很显然，在磁通运行的一个周期内，冻结点越多，磁通速度越慢，反之则越快。

如图12所示，在此图中设置了磁通控制区域

及转矩控制区域T_A、T_B。假设磁通

在某一时刻运行在图中所示位置。显然

比最小磁通

要小。为使

进入磁通控制区域，必须对直流电源E_d与交流绕组的连接方式进行控制。如前所述，有七种方式去控制磁通的运行轨迹，即

及特殊点-零点。这样，选择

矢量将产生一个指向水平右侧的磁通，而选择

矢量又会产生一个与水平方向成120°的磁通，而瞬时将三相定子绕组与直流电源E_d短路会产生一个零点，依此类推。下面重要的是如何决定磁通运行的轨迹以达到同时控制磁通和转矩的目的。显然，在图12中所示的位置中，

和零点不是合适的选择，因为它们会使磁通

保持不变，或者变得更小。进一步分析，很容易注意到，是可能的选择。但如何确定最佳的选择，这就取决于这个瞬间转矩T_m的位置。如果T_m＜T_B，就选择

矢量，这样如图10中由于合成旋转磁通和转子之间的夹角α或θ_GS的增大可以增加发电机G输出的电磁转矩。同理，矢量

也是可能的选择，因为它可以使合成旋转磁通

尽快的进入调节范围的区间并同时产生一个使发电机电磁转矩增加的输出量。但到底是选择矢量

或它们之间的逻辑和，则取决于模糊数学的逻辑结构来决定，进而调节相应的绝缘栅双极三极管(IGBT)开关。

如果T_m＞T_A，这说明转子和合成旋转磁通之间的夹角α或θ_GS有增大的趋势，这样控制矢量

或

或

和

模糊数学的逻辑和都是可能的选择。但到底是选择矢量或它们之间的逻辑和，则取决于模糊数学的逻辑结构来决定，进而调节相应的绝缘栅双极三极管(IGBT)开关。同理，如果T_m＞T_A的绝对值超出限定范围，那么选择

比较合适(但此时限定条件是磁通

的位置决不可超前转子)。否则选择

或

和

模糊数学的逻辑和。

简言之，永磁风力发电机直接转矩控制方法(WGDTC)核心是根据动态的脉冲宽度调制(PWM)调节使合成旋转磁通

总是在约束和控制变量θ_min≤θ_t≤θ_max，T_min≤T_t≤T_max，的条件下使发电机定子的合成旋转磁通

落后于转子而使风力发电机G输出与轮浆风力相适应的有功电磁功率。

如图12和图14所示，T_t、

是T_m、

的实时测量值，而T_A、T_B、

为控制方法的期望值。其两者的允许误差值即为图5及图9中相应绝缘栅双极三极管(IGBT)开关的控制量。

从电力系统稳定运行的理论可知，式(7a)、式(7b)中的θ_GS角应小于或等于30°，精确的角度应根据风力发电机G及电网S具体的运行情况来决定。又根据图13所示此处设转子和合成旋转磁通以逆时针同步速旋转，发电机G转子与合成旋转磁通

之间的机械角α与发电机G线电压E_GL和电网S线电压E_SL之间的夹角θ_GS之间的关系根据图14为：

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{GS}}=\frac{\mathrm{\α\ρ}}{2}---\left(15\right)$

式(15)中：ρ是发电机G的极对数。

这样，本发明的约束控制变量为：

式(16)中：θ_t、T_t、是实时采集计算的电压E_GL及E_SL的相位角θ_GS、转子的电磁转矩T_m以及发电机定子的合成旋转磁通时间变量；θ_min、T_min、是相应变量的下限最小值；θ_max、T_max、

是相应变量的上限最大值。本方法中实际上是实时计算合成旋转磁通

矢量的大小及方向，T_m的大小并在控制区间加以判别，进而通过用不规则的脉冲宽度调制(PWM)方法去控制绝缘栅极三极管(IGBT)开关的栅极来实现永磁风力发电机的直接转矩控制(WGDTC)方法，简言之，通过对绝缘栅极三极管(IGBT)开关栅极的控制使合成旋转磁通总是落后转子的角度满足θ_min≤θ_t≤θ_max、

在每个时间段的控制内还应满足T_min≤T_t≤T_max的约束条件。

下面用模糊数学的方法对图12中的所有矢量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θ_GS，发电机定子的合成旋转磁通

及风力发电机的电磁转矩T_t变化范围。

同理，有

的模糊数学定义。

合成旋转磁通的模糊集合的瞬间位置如图12所示，但θ_GS角的运行区间为θ_min≤θ_t≤θ_max，则本方法的策略控制模糊集合

为图12中磁通模糊集合

和磁通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

通过式(18)所得到的模糊集合

与合成旋转磁通模糊集合

不断进行比较，寻找其模糊集合差，使其逼近空模糊集合，即为最终的策略控制模糊集合

式(17)和式(18)中磁通模糊集合

和磁通模糊集合

以及策略控制模糊集合

是通过如前所述的对原理图1中相应绝缘栅双极三极管(IGBT)开关的控制来实现的。

如果θ_t＞θ_max，则如前所述合成旋转磁通

需加速进入θ_GS角的调节范围。另外此时还需选择在θ_min与θ_max区间内的基准矢量

一般选择在(θ_max-θ_min)区间内的中点，并将其替换为模糊集合

则策略控制模糊集合

可能是

或

或

具体大小及方向取决于|θ_max-θ_t|，此处可用模糊数学的方法并根据电磁转矩的判别条件T_min≤T_t≤T_max来确定策略控制模糊集合

具体大小及方向，同理，模糊集合

需与合成旋转磁通模糊集合

不断进行比较，寻找其模糊集合差，使其逼近空模糊集合，即为最终的策略控制模糊集合

磁通模糊集合

和磁通模糊集合以及策略控制模糊集合

是通过如前所述的对图1中相应绝缘栅双极三极管(IGBT)开关的控制来实现的。

如果θ_t＜θ_min，则如前所述合成旋转磁通

需减速进入θ_GS角的调节范围。另外此时还需选择在θ_min与θ_max区间内的基准矢量

如前所述

仍选择在(θ_max-θ_min)区间内的中点，并将其替换为模糊集合

则策略控制模糊集合

可能是

或

或具体大小及方向取决于|θ_min-θ_t|，此处可用模糊数学的方法并根据电磁转矩的判别条件T_min≤T_t≤T_max来确定策略控制模糊集合

具体大小及方向，同理，模糊集合

需与合成旋转磁通模糊集合不断进行比较，寻找其模糊集合差，使其逼近空模糊集合，即为最终的控制模糊集合

磁通模糊集合

和磁通模糊集合

以及策略控制模糊集合

是通过如前所述的对图5中相应绝缘栅双极三极管(IGBT)开关的控制来实现的。

Claims (1)

1.一种永磁风力发电机矢量及直接转矩控制综合方法，其特征是：包括下列步骤：

a)在稳定运行状态下建立永磁风力发电机矢量控制数学模型，实时采集永磁风力发电机定子三相a、b、c交流电流及电压并依据该矢量控制数学模型将电流电压转换成控制永磁风力发电机定子的d、q轴电流电压分量；通过脉冲宽度调制对d、q轴分量电压电流的控制，调节变换器中的相应绝缘栅双极三极管开关的栅极去控制永磁风力发电机的交流励磁电流频率，实现永磁风力发电机稳态风力状态下的控制；该矢量控制数学模型为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{Gd}}=R_G{i}_{\mathrm{Gd}}+L_{\mathrm{Gd}}\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{Gd}}}{\mathrm{dt}}-{\mathrm{\ω}}_s{L}_{\mathrm{Gq}}{i}_{\mathrm{Gq}}\\ u_{\mathrm{Gq}}=R_G{i}_{\mathrm{Gq}}+L_{\mathrm{Gq}}\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{Gq}}}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{\ω}}_s{L}_{\mathrm{Gd}}{i}_{\mathrm{Gd}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

式(1)中：u_Gd为永磁风力发电机定子d轴的电压，可实时采集计算求出；R_G为永磁风力发电机定子电阻；i_Gd为永磁风力发电机定子d轴的电流，可实时采集计算求出；L_Gd为永磁风力发电机定子d轴的等效电感，可由电机实验得出；ω_s为永磁风力发电机同步角频率，可由风力发电机直接转矩控制方法实时求出；L_Gq为永磁风力发电机定子q轴的等效电感，可由电机实验得出；i_Gq为永磁风力发电机定子q轴的电流，可实时采集计算求出；u_Gq为永磁风力发电机定子q轴的电压，可实时采集计算求出；永磁风力发电机磁场对称时，L_Gd＝L_Gq＝L，L为永磁风力发电机定子等效电感；

实时采集计算永磁风力发电机定子端的电流、电压值，并将实时采集计算的电流、电压值与前一时间段的电流、电压值进行比较，其差值为控制绝缘栅双极三极管栅极的电压控制量进而对永磁发电机进行实时控制；其差分控制方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{Gd}\left(t\right)}^{*}=(R_G{i}_{\mathrm{Gd}\left(t\right)}+L\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{Gd}\left(t\right)}}{\mathrm{dt}}-{\mathrm{\ω}}_s{\mathrm{Li}}_{\mathrm{Gq}\left(t\right)})-u_{\mathrm{Gd}\left(t\right)}\\ u_{\mathrm{Gq}\left(t\right)}^{*}=(R_G{i}_{\mathrm{Gq}\left(t\right)}+L\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{Gq}\left(t\right)}}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{\ω}}_s{\mathrm{Li}}_{\mathrm{Gd}\left(t\right)})-u_{\mathrm{Gq}\left(t\right)}\end{array}\right.---\left(2\right)$

式(2)中：为永磁风力发电机某一时间段控制绝缘栅双极三极管栅极的定子电压d轴控制量；

为永磁风力发电机某一时间段控制绝缘栅双极三极管栅极的定子电压q轴控制量；其它所有具有时间下标的电流电压量均为某一时间段实时采集计算的相应的电流电压时间变量；u_Gd(t)、u_Gq(t)为实时采集计算电压u_Ga(t)、u_Gb(t)、u_Gc(t)经过角度θ₁由三相交流向两相相对静止的α、β转换，然后再由静止的两相向旋转的两相d、q轴转换获得实时采集计算的当前时间段的d、q轴定子电压分量；

通过调节定子电压d、q轴控制量，对永磁风力发电机侧有功功率P_G和无功功率Q_G进行解耦控制，其控制方程为：

$P_G=\frac{3}{2}{u}_{\mathrm{Gd}}{i}_{\mathrm{Gd}}$ $Q_G=-\frac{3}{2}{u}_{\mathrm{Gd}}{i}_{\mathrm{Gq}}---\left(3\right)$

通过电网侧d、q轴电压和电流的采集计算，对电网侧有功功率P_S和无功功率Q_S进行解耦控制，其控制方程为：

P_S＝u_Sdi_Sd+u_Sqi_Sq        Q_S＝u_Sdi_Sq+u_Sqi_Sd       (4)

式(4)中：u_Sd为电网侧的d轴电压，u_Sq为电网侧的q轴电压，i_Sd为电网侧的d轴电流，i_Sq为电网侧的q轴电流；

在d、q同步旋转坐标系下，通过控制直流电压E_d和变频器与电网交换的无功功率Q_S，实现电网侧有功功率P_S和无功功率Q_S的单独解耦控制；

u_Sq＝0时，电网侧变频器控制电压的方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{u_{\mathrm{Sd}\left(t\right)}}^{*}=-(L_S\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{Sd}\left(t\right)}}{\mathrm{dt}}+R_S{i}_{\mathrm{Sd}\left(t\right)})+{\mathrm{\ω}}_{s1}{L}_S{i}_{\mathrm{Sq}\left(t\right)}+u_{\mathrm{Sd}\left(t\right)}\\ {u_{\mathrm{Sq}\left(t\right)}}^{*}=-(L_S\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{Sq}\left(t\right)}}{\mathrm{dt}}+R_S{i}_{\mathrm{Sq}\left(t\right)})+{\mathrm{\ω}}_{s1}{L}_S{i}_{\mathrm{Sd}\left(t\right)}\end{array}\right.---\left(5\right)$

式(5)中：

为电网S侧d轴电压实时采集计算的控制量，L_S为电网S侧的等效电感，i_Sd(t)为实时采集计算的电网侧电流d轴的电流分量，R_S为电网S侧的等效电阻，ω_s1为电网S侧电流、电压角频率，i_Sq(t)为实时采集计算的电网侧电流q轴的电流分量，u_Sd(t)为实时采集计算的电网侧电压d轴的电压分量，

为电网S侧q轴电压实时采集计算的控制量；上述控制量经过脉冲宽度调制被送去作为调节相应的绝缘栅双极三极管开关栅极的控制信息；

b)在风力发电暂态过程中采用风力发电机直接转矩控制的方法控制的永磁风力发电机：即根据测定的永磁风力发电机转子转速和风机轮浆转速，通过动态的脉冲宽度调制将直流电压E_d转化成发电机三相a、b、c交流电压电路，从而对永磁风力发电机的定子合成旋转磁通

进行控制，使定子合成旋转磁通在约束和控制变量

T_min≤T_t≤T_max和θ_min≤θ_t≤θ_max的条件下，控制该合成旋转磁通落后于转子而使永磁风力发电机输出与轮浆风力相适应的有功电磁功率，T_t、θ_t是实时采集计算的风力发电机定子的合成旋转磁通

转子的电磁转矩T_m、以及风力发电机定子线电压E_GL与电力电网线电压E_SL的相位角θ_GS的时间变量，可通过下列公式求得：

P_r＝E_2NI₁cosθ_s，

$p_e=\frac{E_{\mathrm{GL}}{E}_{\mathrm{SL}}}{X_T^{\′}}\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{GS}},$ ${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{GS}}={\sin }^{-1}\left[\frac{P_e}{\frac{E_{\mathrm{GL}}{E}_{\mathrm{SL}}}{X_T^{\′}}}\right]---\left(7\right)$

式(6)、(7)中：

是永磁风力发电机定子的合成旋转磁通，k是常数，E_d是用于风力发电机系统连接两侧变换器的直流链上的直流电源，ω_Gr是转子角速度，P_r是发电机转子从风力轮浆上获得的每相功率，E_2N是定子等效电压，I₁是定子电流，θ_s是E_2N和I₁两者间的夹角，T_m是永磁风力发电机转子的电磁转矩，n_s是发电机的同步速度，P_e是风力发电机向电网输出的三相有功电磁功率P_e＝3×(P_r-P_jr)，P_jr是转子上每相消耗的有功功率，E_GL是发电机定子线电压，E_SL是电力电网线电压，θ_GS是永磁风力发电机G线电压E_GL与电网S线电压E_SL之间的相位角，

是发电机定子线电压E_GL与电力电网线电压E_SL之间的等效电抗；

所述风力发电机直接转矩控制的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，即通过对永磁风力发电机直接转矩控制控制装置中相应的绝缘栅双极三极管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永磁风力发电机定子的合成旋转磁通完成对永磁风力发电机直接转矩控制。

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