[发明专利]改进T型三电平永磁直驱风电系统预测直接功率的方法

权利要求书

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e_α、e_β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u_α和u_β，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：

$\left[\begin{array}{c}p\\ q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{u}_{\mathrm{\α}}& u_{\mathrm{\β}}\\ u_{\mathrm{\β}}& -u_{\mathrm{\α}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]$

式中，u_α、u_β——静止αβ坐标系下的瞬时电压(V)；

i_α，i_β——静止αβ坐标系下的瞬时电流(A)；

假设采样周期T_s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

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}(k+1)\\ u_{\mathrm{\β}}(k+1)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\left(k\right)\\ u_{\mathrm{\β}}\left(k\right)\end{array}\right]$

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:

$\left[\begin{array}{c}p(k+1)-p\left(k\right)\\ q(k+1)-q\left(k\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{u}_{\mathrm{\α}}\left(k\right)& u_{\mathrm{\β}}\left(k\right)\\ u_{\mathrm{\β}}\left(k\right)& -u_{\mathrm{\α}}\left(k\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}(k+1)-i_{\mathrm{\α}}\left(k\right)\\ i_{\mathrm{\β}}(k+1)-i_{\mathrm{\β}}\left(k\right)\end{array}\right]$

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：

$L\frac{d}{dt}\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]-R\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}{u}_{s\mathrm{\α}}\\ u_{s\mathrm{\β}}\end{array}\right]$

式中，u_sα、u_sβ——参考空间电压矢量u_s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

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}(k+1)-i_{\mathrm{\α}}\left(k\right)\\ i_{\mathrm{\β}}(k+1)-i_{\mathrm{\β}}\left(k\right)\end{array}\right]=\frac{T_s}{L}(\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\left(k\right)\\ u_{\mathrm{\β}}\left(k\right)\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}{u}_{s\mathrm{\α}}\left(k\right)\\ u_{s\mathrm{\β}}\left(k\right)\end{array}\right])$

将该式代入可得：

$\left[\begin{array}{c}p(k+1)-p\left(k\right)\\ q(k+1)-q\left(k\right)\end{array}\right]=\frac{T_s}{L}\left[\begin{array}{cc}{u}_{\mathrm{\α}}\left(k\right)& u_{\mathrm{\β}}\left(k\right)\\ u_{\mathrm{\β}}\left(k\right)& -u_{\mathrm{\α}}\left(k\right)\end{array}\right](\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\left(k\right)\\ u_{\mathrm{\β}}\left(k\right)\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}{u}_{s\mathrm{\α}}\left(k\right)\\ u_{s\mathrm{\β}}\left(k\right)\end{array}\right])$

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

$\left[\begin{array}{c}p(k+1)\\ q(k+1)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{p}^{*}(k+1)\\ q^{*}(k+1)\end{array}\right]$

将代入式可得：

$\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}{u}_{s\mathrm{\α}}\left(k\right)\\ u_{s\mathrm{\β}}\left(k\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\left(k\right)\\ u_{\mathrm{\β}}\left(k\right)\end{array}\right]-\frac{L}{T_s\left(u_{\mathrm{\α}}^2\right(k)+u_{\mathrm{\β}}^2(k\left)\right)}\×\\ \left[\begin{array}{cc}{u}_{\mathrm{\α}}\left(k\right)& u_{\mathrm{\β}}\left(k\right)\\ u_{\mathrm{\β}}\left(k\right)& -u_{\mathrm{\α}}\left(k\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{p}^{*}(k+1)-p\left(k\right)\\ q^{*}(k+1)-q\left(k\right)\end{array}\right]\end{array}$

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e_α、e_β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u_α和u_β，然后与三电平SVPWM相结合，输出开关信号驱动三电平整流器。