[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

说明书

技术领域

本发明涉及一种无刷双馈发电机的功率模型预测控制系统及其控制方法，属于无刷双馈电机发电控制技术领域。

背景技术

随着需求的增加和能源产业的发展，变速恒频发电系统逐渐朝着大容量系统发展，且更倾向于安装在海上、山区等偏远地区。因此，高可靠性、低成本的变速恒频发电系统将更具竞争力。无刷双馈电机具有两个交流馈电端口和一个机械端口，通过定子励磁的方式实现无刷化，具有可靠性高、维护成本低、所需功率变换器容量小等优点，成为近年来变恒频发电领域重点关注的一种新型交流电机。但是由于无刷双馈电机较为复杂的电磁关系，其控制难度较大，这也是制约其发展的主要壁垒。对无刷双馈电机控制性能的研究成为一项亟待突破的课题。

目前已出现针对无刷双馈电机并网发电运行的控制方法主要有：

1.矢量控制方法。无刷双馈发电机的矢量控制具有控制绕组电流内环，有功功率和无功功率外环的级联控制结构，通常基于功率绕组的电压/磁链定向，将控制绕组电流线性分解成有功和无功电流分量进行独立控制。该矢量控制方法基于调制器计算功率器件在一个控制周期的开通和关断时间，通常将功率变换器理想化成独立的连续电压源。此外，这种线性化的双闭环控制结构需要在稳定性和动态响应之间做出调和，动态性能大大受限，且难于实现有功功率和无功功率的完全解耦控制。

2.直接功率控制方法。无刷双馈发电机的直接功率控制通过选择合适的变换器状态将控制变量给定值和反馈值的误差限制在给定的带宽范围内，不需要电流调节器、坐标变换和PWM信号发生器，可以建立控制变量和功率器件开关状态之间的直接联系，更贴切功率变换器的离散特性。相比于矢量控制策略，直接功率控制方法的控制结构简单、鲁棒性强、暂态性能大大提高。但是直接功率控制中采用的是一个启发式矢量表，在某些区域选择的矢量是无效甚至错误的，无法保证功率的精确控制，因此功率脉动较大。

发明内容

本发明为克服现有技术中存在的技术缺陷，提出一种无刷双馈发电机的功率模型预测控制系统及其预测控制方法，建立的功率模型更贴切于无刷双馈电机高阶、非线性、强耦合的特性，实现了无刷双馈发电机有功功率和无功功率的精确控制和解耦控制。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种无刷双馈发电机的功率模型预测控制系统，包括三相电网、无刷双馈电机、控制绕组侧功率变换器、直流侧电容、功率绕组侧功率变换器、功率绕组电压测量元件、功率绕组电流测量元件、控制绕组电流测量元件、直流侧电压测量元件、无刷双馈电机转速测量元件、功率绕组复功率估算模块、电压矢量构建模块、功率预测模块和价值函数优化模块；

功率绕组连接至三相电网，控制绕组接入控制绕组侧功率变换器，控制绕组侧功率变换器通过直流侧电容与功率绕组侧功率变换器相连，功率绕组侧功率变换器连接至功率绕组；

功率绕组电压测量元件和功率绕组电流测量元件设置在功率绕组和三相电网之间，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和功率绕组电流测量元件的输出接入功率绕组复功率估算模块；

控制绕组电流测量元件设置在控制绕组和控制绕组侧功率变换器之间，用来测量控制绕组电流；

直流侧电压测量元件设置在控制绕组侧功率变换器和功率绕组侧功率变换器之间，用来测量直流侧电压，且该直流侧电压测量元件的输出作为电压矢量构建模块的输入；

无刷双馈电机转速测量元件设置在无刷双馈电机转轴上，用来测量电机的转速；

控制绕组电流测量元件、无刷双馈电机转速测量元件、功率估算模块和电压矢量构建模块的输出端均连接至功率预测模块的输入端；功率预测模块的输出接入价值函数优化模块，同时输入价值函数优化模块的还包括功率绕组复功率给定值，价值函数优化模块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，实现对无刷双馈发电机的控制。

本发明还提供了一种无刷双馈发电机功率模型预测控制方法，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)：