[发明专利]无刷双馈发电机的功率模型预测控制系统及其控制方法

权利要求书

1.一种无刷双馈发电机的功率模型预测控制系统，其特征在于：包括三相电网(1)、无刷双馈电机(2)、控制绕组侧功率变换器(3)、直流侧电容(4)、功率绕组侧功率变换器(5)、功率绕组电压测量元件(6)、功率绕组电流测量元件(7)、控制绕组电流测量元件(8)、直流侧电压测量元件(9)、无刷双馈电机转速测量元件(10)、功率绕组复功率估算模块(11)、电压矢量构建模块(12)、功率预测模块(13)和价值函数优化模块(14)；

所述功率绕组连接至三相电网(1)，控制绕组接入控制绕组侧功率变换器(3)，控制绕组侧功率变换器(3)通过直流侧电容(4)与功率绕组侧功率变换器(5)相连，功率绕组侧功率变换器(5)连接至功率绕组；

所述功率绕组电压测量元件(6)和功率绕组电流测量元件(7)设置在功率绕组和三相电网(1)之间，分别用来测量功率绕组电压和电流，且该功率绕组电压测量元件(6)和功率绕组电流测量元件(7)的输出接入功率绕组复功率估算模块(11)；

所述控制绕组电流测量元件(8)设置在控制绕组和控制绕组侧功率变换器(3)之间，用来测量控制绕组电流；

所述直流侧电压测量元件(9)设置在控制绕组侧功率变换器(3)和功率绕组侧功率变换器(5)之间，用来测量直流侧电压，且该直流侧电压测量元件(9)的输出作为电压矢量构建模块(12)的输入；

所述无刷双馈电机转速测量元件(12)设置在无刷双馈电机(2)转轴上，用来测量电机的转速；

所述控制绕组电流测量元件(8)、无刷双馈电机转速测量元件(10)、功率估算模块(11)和电压矢量构建模块(12)的输出端均连接至功率预测模块(13)的输入端；功率预测模块(13)的输出接入价值函数优化模块(14)，同时输入价值函数优化模块(14)的还包括功率绕组复功率给定值，价值函数优化模块(14)得到的开关状态作为最优输出来驱动控制绕组侧功率变换器(3)，实现对无刷双馈发电机的控制。

2.基于权利要求1所述的一种无刷双馈发电机功率模型预测控制系统的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：测量k时刻功率绕组电压u_sp(k)和电流i_sp(k)、控制绕组电流i_sc(k)、直流侧电压u_dc(k)和转速信息ω_m(k)；

步骤二：由步骤一中测量得的k时刻功率绕组电压u_sp(k)和电流i_sp(k)，根据式(1)估算k时刻功率绕组复功率S_p(k)：

Sp(k)=32isp*(k)usp(k)---(1)]]>

式中，u_sp(k)和i_sp(k)分别表示k时刻功率绕组的电压和电流，S_p(k)表示k时刻功率绕组的复功率；

步骤三：由步骤一中测量得的k时刻直流侧电压u_dc(k)，结合控制绕组侧功率变换器的开关管状态，构建输入到功率预测模型的电压矢量v_i(k)：

vi(k)=23udc(k)sa,b,c---(2)]]>

式中，s_a,b,c表示控制绕组侧功率变换器的开关管状态，u_dc(k)表示k时刻直流侧电压，v_i(k)表示构建的k时刻电压矢量；

步骤四：由步骤一中测量得的功率绕组电压u_sp(k)和电流i_sp(k)、控制绕组电流i_sc(k)、直流侧电压u_dc(k)和转速信息ω_m(k)，步骤二中k时刻功率绕组复功率S_p(k)和步骤三中构建的电压矢量v_i(k)，预测k+1时刻功率绕组的复功率S_p(k+1)_i；

步骤五：无刷双馈发电机功率模型预测控制算法的价值函数优化，具体包括以下步骤：

1、无刷双馈电机并网发电运行时的控制目标为功率绕组的有功功率和无功功率，将期望的控制目标通过权重系数的制约转换为单一的价值函数如下：

Ci=|Ppref-Pp(k+1)i|+δ|Qpref-Qp(k+1)i|---(6)]]>

式中，k∈N为采样时刻；有功功率给定值P_p^ref和无功功率给定值Q_p^ref的选取由电网需求决定；k+1时刻有功功率的预测值P_p(k+1)_i和无功功率的预测值Q_p(k+1)_i可由步骤四中预测得的S_p(k+1)_i进行实部和虚部的分解得到；δ是衡量有功功率和无功功率控制权重的系数；

2、以价值函数最小为优化指标，使得价值函数C_i最小的电压矢量v_i即为最优电压矢量；

步骤六：依据步骤五中定义的价值函数最小优化指标选取出的电压矢量作为控制器的输出，得到相应的驱动信号对控制绕组侧变换器的开关管进行驱动。

3.根据权利要求2所述的一种无刷双馈发电机功率模型预测控制方法，其特征在于：所述步骤四具体包括以下步骤：

a、选取功率绕组电流i_sp、控制绕组电流i_sc和功率绕组磁链ψ_sp为状态变量，建立无刷双馈电机数学模型的空间状态方程为：

sX＝AX+BV(3)

式中，s是微分算子；X＝[i_spi_scψ_sp]^T，其中，i_sp,i_sc,ψ_sp分别是功率绕组电流、控制绕组电流和功率绕组磁链；V＝[u_spu_scu_r]^T，其中，u_sp,u_sc,u_r分别是功率绕组电压、控制绕组电压和转子电压；A和B是3×3矩阵，包括无刷双馈电机功率绕组、控制绕组和转子绕组的电阻和电感参数及转速信息；

b、基于步骤a中得到的无刷双馈电机的空间状态方程，并结合功率绕组复功率表达式得到无刷双馈电机的功率模型为：

sSp=Λ1Sp+Λ2isc*usp+Λ3usc*usp+Λ4|usp|2---(4)]]>

式中，s是微分算子；u_sp和u_sc分别表示功率绕组电压和控制绕组电压；i_sc表示控制绕组电流；S_p表示功率绕组的复功率；Λ₁、Λ₂、Λ₃和Λ₄是与无刷双馈电机的电阻、电感和转速信息相关的系数项；

c、将步骤b中得到的无刷双馈电机的功率模型进行一阶前向欧拉离散化处理，得到与输入电压矢量v_i(k)对应的k+1时刻复功率的预测公式为：

Sp(k+1)i=Sp(k)+Ts(Λ1Sp(k)+Λ2isc*(k)usp(k)+Λ3vi*(k)usp(k)+Λ4|usp(k)|2)---(5)]]>

式中，k∈N为采样时刻；T_s为采样周期；u_sp和u_sc分别表示功率绕组电压和控制绕组电压；i_sc表示控制绕组电流；S_p表示功率绕组的复功率；v_i表示输入电压矢量；系数项Λ₁、Λ₂、Λ₃和Λ₄同式(4)。