[发明专利]消除双馈感应电机转矩脉动的磁场重构方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种消除双馈感应电机转矩脉动的磁场重构方法，具体涉及一种使用磁场重构方法(Field Reconstruction Method，FRM)解决风力发电用双馈感应电机由于电网电压不平衡或者电网电压谐波引起的振动问题的方法。

背景技术

双馈感应电机(Doubly Fed Induction Generator，DFIG)具有有功、无功功率独立调节能力，可实现最大风能追踪的变速恒频运行，并且由于其励磁用变流器容量小于风电机组额定容量，降低了成本，成为当前风能开发利用中的主流发电机类型。但由于电网造成的系统不平衡和系统谐波会恶化电机的性能，产生不希望的转矩脉动。这些转矩脉动将使得发电机输向电网的功率出现震荡的情况，也使得塔筒的机械可靠性遭到潜在地恶化，减少附在发电机转轴上的运动部件的寿命，并且会产生比较大的噪音。随着风力发电机组功率等级的提升，风力涡轮机尺寸在不断增加，机械共振的固有频率也随之减小，因此更容易受到由系统问题引起的机械共振的影响。系统不平衡和系统谐波引起的这种现象已经越来越引起人们的关注。

通常来说，减小转矩脉动的方法主要有两种：

1、机械设计方法在前期机械设计中对电机结构进行优化设计，包括倾斜转子或定子槽、分数槽距绕组等，从而达到限制或补偿的目的。尽管这是目前减少转矩脉动的最有效的方法之一，但是其在一些应用场合并不适当。特别是，倾斜和分数槽绕组将会引起平均转矩的减少。另外，还有一些设计方法则需要高度精密的制造业，成本显著增加。

2、电机控制方法

通过对电机的优化控制达到减小转矩脉动的目的是一种比较好的方法，传统的感应电机控制方法(例如磁场定向矢量、直接转矩、每安培最大转矩、V/F等)大都基于电机的集总参数模型。

有的研究采用磁场定向矢量控制方法，根据转矩脉动的二次谐波特性，在转子侧变流器经典控制算法中的d轴和q轴电流环中分别增加了d轴转子电压和q轴转子电压补偿分量，这种方法类似于增加了一个向转子电路中注入负序量的控制环，通过这种方式来补偿定子电路中的负序分量，从而补偿在不平衡电网电压下转矩及无功功率的脉动。

有的研究在传统直接转矩控制的基础上，为进一步提高转矩响应速度和减小转矩脉动，在全速度磁链观测数学模型中引入了模糊逻辑思想，提出了全速度模糊模型直接转矩控制。该模型把磁链相位角、磁链误差和转矩误差作为模糊变量，并对其进行合理的模糊分级来优化电压空间矢量的选择，有效地解决了转矩脉动问题。

另外，有的文献提出了优化的双馈异步风力发电机转子侧逆变器或者电网侧整流器控制方法，通过将传统的PI调节器改为PIR调节器，并将PIR调节器中的设定频率设定为二倍同步旋转角速度，对扰动量中的二倍频的负序分量进行完全的抑制，从而避免不平衡电网电压引起的发电机电磁转矩的脉动情况。

尽管上述基于集总参数模型的方法在实践中证明是有效的，但是他们是以一些假设为前提的，包括定、转子三相绕组完全对称，定转子每相气隙磁动势在空间呈正弦分布，忽略定子槽和转子槽引起的谐波因素(齿槽效应)等。实际上，电机绕组(尤其是转子绕组)很少是完全对称的，气隙磁动势在空间的分布可能并不是正弦的，而且齿槽谐波也是现实存在的。另外，电机控制的精度受电机模型参数精度影响大，使得对电机的控制过度依赖于对电机等效电路的精确理解。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种消除双馈感应电机转矩脉动的磁场重构方法，通过对转子电流的谨慎选择消除这些不希望的振动。

为了最大限度的消除由电网电压不平衡和电网电压谐波引起的双馈异步感应发电机的转矩脉动问题，并且减小由于电机模型参数精度对电机控制的影响，本发明提出了一种电机磁场重构方法，基于实际电机的结构、尺寸、材料以及电气参数等，从磁场角度研究力矩的产生，并通过对转子电流的优化去消除这些不希望的转矩脉动，作为一种替代励磁方案，该方法避免了由于电机等效模型的不精确所带来的控制精度问题。

通过计算得到最优的转子电流，可以有效地减弱系统引入的转矩振动现象，从而最大限度的降低系统不平衡和系统谐波对风力发电用双馈感应电机性能的影响。

附图说明

图1为磁场重构方法示意图；

图2为双馈感应电机电路图；

图3为双馈感应电机在风力发电中的应用；

图4为A相电网电压跌落20％时的三相电网电压波形；

图5为由20％的电网电压不平衡状况引起的转矩脉动波形图；

图6为DFIG模型及其坐标系统示意图；