CN100416970C - 一种变速恒频双馈发电机系统及其并网控制方法 - Google Patents

Abstract

一种采用双馈感应电机作为发电机的变速恒频风力发电系统及其并网控制方法。包括双馈感应电机[1]，励磁变换器[2]，DSP单元[5]，电量采集单元[6]，速度、位置测量单元[7]以及驱动单元[8]。它对励磁变换器进行控制，利用励磁变换器[2]控制双馈发电机[1]定子产生电压，对电机定子电压相位、幅值和频率同时控制，无需单独进行电网电压与电机定子电压同步；在电机速度范围在0～0.5转差率范围内时，驱动单元开始驱动励磁变换器，这样，电机并网的转速速度范围很宽，并网控制对速度要求不严格，同时，控制过程采用电流开环控制，简化了系统，减轻了系统处理器的负担，使得电流控制变得简单，易行，使得双馈电机易于并网。

Description

一种变速恒频双馈发电机系统及其并网控制方法

技术领域

本发明涉及风力发电机系统及其并网控制方法，特别涉及采用双馈感应电机作为发电机的变速恒频风力发电机系统及其并网控制方法。

背景技术

目前，世界上主要的风力发电技术中，变速恒频风力发电技术是最优化的技术，将成为风力发电技术的发展方向。变速恒频双馈发电机组，只有先经过并网过程，才能向电网发送能量，因此，变速恒频双馈电机并网控制至关重要。

在传统的恒速恒频发电方式下，发电机输出频率完全取决于原动机的速度，与电网和发电机励磁无关。发电机并网前必须经过严格的同步，并网后也必须严格的控制转速恒定。因此，同步机的并网非常严格并且复杂，处理不好可能导致系统的瘫痪或崩溃。

异步发电机并网的方式中的直接并网，准同期并网和降压并网，都要求在转速接近同步速时并网，对转速有一定的限制，而且冲击电流较大。近来用的比较多的异步机软并网技术，是通过控制发电机与电网之间用作并网开关的双向可控硅的触发角来减小冲击电流，但需要大功率开关器件，成本较高。

在现有变速恒频双馈电机并网中，首先控制电机的定子电压幅值，当电压幅值达到额定时，再进行定子电压与电网同步控制，不断地进行相位角的调节，等到两者实现同步后，再进行并网操作。而且，在并网控制过程中，采用电流闭环控制，这就增加了系统的复杂程度，不但要增加电网和电机取样，增加了成本，还加重了系统处理器的负担。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的并网冲击电流大，并网时对电机速度要求严格，以及并网控制系统复杂的缺点，提供一种变速恒频双馈发电机系统及其并网控制方法，电流采用开环控制，对定子电压的频率、幅值及相位同时进行控制，实现双馈感应电机组顺利并网。

为实现本发明的目的，本发明提供一种变速恒频风力双馈发电机系统及其并网控制方法。该变速恒频风力双馈发电机系统主要包括：

一个双馈感应电机作为发电机；一个装在发电机转子侧的励磁变换器，该励磁变换器能够四象限工作；拖动风轮机、DSP单元，电量测量单元，速度、位置测量单元，驱动单元，以及并网接触器控制单元。所述DSP单元采用TI公司的TMS320LF2407；一个用于连接电网与双馈电机定子的接触器。

拖动风轮机与双馈感应电机的转动轴承连接；双馈感应电机的转子励磁端子与励磁变换器连接，该励磁变换器采用双PWM三相全桥拓扑结构；励磁变换器的输入侧与电网连接；双馈感应电机的定子与接触器连接；接触器的另外一端与电网相连；DSP单元的AD采样单元、正交解码器单元及PWM发生器分别与电量测量单元、速度、位置测量单元及驱动单元的信号线相连接；电量测量单元的输入与三相电网电压连接；速度、位置测量单元与双馈感应电机转子侧的光电码盘的输出信号相连接；驱动单元与强电部分励磁变换器的功率开关器件的基极驱动端子相连接；并网接触器控制单元与接触器连接。

本发明的变速恒频风力双馈发电机系统的并网控制方法主要是利用励磁变换器控制双馈感应电机定子产生电压，按以下步骤进行控制：

(1)利用速度、位置测量单元检测转子位置，该转子位置条件为双馈感应电机转子旋转到转子三相绕组轴线与定子绕组的轴线重合的位置，若检测结果为否，则继续检测；

(2)若步骤(1)中，检测结果为是，则DSP单元和电量测量单元立即实时地测量电网的相位；

(3)检测电机速度是否达到0.5转差率以上，若检测结果为否，则继续检测电机速度；

(4)若步骤(3)的检测结果为是，则驱动单元进行对励磁变换器的驱动，以使电机的转子产生励磁电流，所述励磁电流产生的方法，应用转子电流开环控制，所产生励磁电流对电机定子电压的相位，幅值，频率同时进行控制；

(5)检测电机速度是否达到0.3转差率，若检测结果为否，则继续进行检测等待；

(6)若步骤(5)的检测结果为是，则控制接触器闭合，完成电机与电网的连接。

本发明的有益效果：

本发明的并网控制方法能够对双馈感应电机定子电压相位、幅值和频率同时进行控制，不需要单独进行电网电压和电机定子电压的同步控制；在电机速度范围在0~0.5转差率范围之内时，驱动单元开始驱动励磁变换器，这样，电机并网的转速速度范围很宽，对速度要求不严格，而且，电机转子需要的驱动电压较小，大大减少了变换器的容量，本发明的控制过程采用了电流开环控制，减小了系统的复杂程度，减轻了系统处理器的负担，使得电流控制变得简单，易行，使双馈感应电机易于并网。

附图说明

图1是并网系统的强电部分框图。

图2是并网系统的弱电部分框图。

图3是驱动单元中一路驱动电路图。

图4是电量测量单元中一路电量调理电路图。

图5是速度位置测量单元电路图。

图6是并网接触器控制单元电路图。

图7是双馈感应电机进行并网控制方法的流程图。

图8是转子电流开环控制原理框图。

图9是并网实验图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1是变速恒频风力双馈发电机系统的强电部分框图，图2是其弱电部分框图。在由图1、2组成的系统中采用本发明并网方法。图1中强电部分主要包括：励磁变换器1，双馈感应电机2，拖动风轮机3，接触器4。其具体连接方式是：拖动风轮机3与双馈感应电机2的转动轴承连接；双馈感应电机2的转子励磁端子与励磁变换器1连接，该励磁变换器1采用双PWM三相全桥拓扑结构，能够实现双馈感应电机转子侧能量的双向流动；励磁变换器1的输入侧与电网连接；双馈感应电机2的定子与一个接触器4连接；接触器4的另外一端与电网相连接。

图2中弱电部分主要包括：DSP单元5，电量测量单元6，速度、位置测量单元7，驱动单元8，并网接触器控制单元9。DSP单元5的控制器采用TI公司的TMS320LF2407，该控制器具有强大的处理功能，内部包含AD转换器、正交解码器、PWM发生器及控制用的IO管脚。

其连接方式是：DSP单元5内部AD转换器、正交解码器及PWM发生器分别与电量测量单元6、速度、位置测量单元7及驱动单元8的信号线相连接；电量测量单元6的输入与三相电网电压连接；速度、位置测量单元7与双馈感应电机转子侧的光电码盘的输出信号相连接；驱动单元8与强电部分励磁变换器1的功率开关器件的基极驱动端子相连接；并网接触器控制单元9与接触器连接，对接触器的通断进行控制。

AD转换器把电量测量单元6的模拟信号转换成数字信号，电量测量单元6中的一路测量调理电路如图4所示，其连接及工作过程是：首先强电部分的电压、电流经过电压电流传感器变换为正、负1.65V的交流电压信号Vout输入到电量测量单元6；Vout信号及一个1.65V的直流偏置信号分别经过10k的电阻R21、R22与运算放大器U1C的反相端相连，运算放大器U1C的正相端经过10k的电阻R23接地，运算放大器U1C的输出经过10k的反馈电阻R24反馈到U1C的反相输入端，；这样构成了反相加法运算电路，将输入正、负1.65V交流电压信号加上1.65V偏置电压后取反变换成0V到负3.3V的交流信号；其次运算放大器U1C的输出信号经过10k的电阻R25连接到运算放大器U1D的反相输入端，运算放大器U1D的正相输入端经过10k的电阻R27与地相连，运算放大器U1D的输出端经过10k的反馈电阻R26反馈到运算放大器U1D的反相输入端，这样构成了一个反相运算电路，能够将输入的0V到负3.3V的交流信号变换成0V到3.3V的信号；最后运算放大器U1D的输出信号经过电阻R28，电容C22组成的RC低通滤波电路进行滤波，以及经过二极管D21、D22组成的限幅电路处理，输出给DSP单元的AD转换器，进行采样。

正交解码器通过信号线，接收来自速度、位置测量单元7的电机码盘的信号，速度、位置测量单元7的电路图如图5所示，固定在双馈感应电机2转子上的光电码盘输出的脉冲信号A、B、Z连接到速度、位置测量单元7的J18接口，A、B、Z信号分别经过1k的上拉电阻R162、R172、R182与12V供电电源相连接；当双馈感应电机2转子每旋转到某一个固定位置时，Z信号产生一个脉冲；为增强速度、位置测量单元7的抗干扰能力，A、B、Z信号分别通过高速光耦U16、U17、U18进行隔离处理，高速光耦的隔离副边CONA、CONB信号经过2k的上拉电阻R161、R171与5V电源相连接，高速光耦的隔离副边CONA、CONB的输出信号与DSP单元5的正交解码单元连接，用来测量双馈感应电机的速度，高速光耦的隔离副边CONZ信号经过2k的上拉电阻R181与5V电源相连接，CONZ的输出信号与DSP单元5的IO口相连，用来检测电机转子位置。特别指出，通过该信号的测量可以确定电机转子的绝对位置。

PWM发生器与驱动单元8相连接，为励磁变换器1的功率管提供驱动信号。驱动单元8的一路驱动如图3所示。首先经过330欧姆的电阻R3与3.3V电源VCC相连，然后经过驱动放大器7407进行驱动信号的放大，驱动信号的输出经过高速光耦OPT1进行驱动信号的隔离，高速光耦OPT1的隔离副边输出信号与励磁变换器1的功率管的驱动管脚相连，其中输出的驱动信号CP11经过一个6.8k的电阻R1与DSP单元5的SPR1管脚相连，完成励磁变换器1的驱动。

图6是并网接触器控制单元9的电路图，DSP单元5的IO驱动管脚OPOUT4经过驱动放大器U19C进行驱动放大，在经过光耦U20隔离，光耦U20副边输出的隔离信号驱动接触器，其中，副边输出信号SW经过2k的上拉电阻R202与5V的电源连接，该信号与接触器4相连接，控制接触器触点的吸合与断开。

图7表示了本发明的双馈感应发电机并网控制方法在上述系统实现的详细过程。

如图7所示，在步骤101，当拖动风轮机3拖动双馈感应电机2转动时，利用DSP单元5和速度、位置测量单元7的光电码盘z道测量双馈感应电机转子位置是否满足条件。应当指出，该条件发生在转子三相绕组轴线与定子绕组的轴线重合的位置。若步骤101的判断结果是“是”，控制流程进入步骤102，在该步骤中，DSP单元5和电量测量单元6立即实时地观测电网电压综合矢量的位置，具体地讲，就是电量测量单元6采样三相电网电压的瞬时值，瞬时值模拟量经过电量测量单元调理电路传递到DSP单元5，经过坐标变换，得到电网电压综合矢量的位置。随后，控制流程进入步骤103。另一方面，如果在步骤101中的判断结果是“非”，则控制流程重新回到步骤101，继续判断转子三相绕组轴线是否与定子绕组的轴线重合。

在步骤103，利用速度、位置测量单元7测量双馈感应电机2的转速是否0~0.5转差率。如果在步骤103的判断结果是“是”，也就是说，电机转速在0~0.5转差率，则控制流程进入步骤104，此时驱动单元8对励磁变换器1进行驱动，在双馈感应电机2的转子侧产生励磁电流，其中，该励磁电流对双馈感应电机2定子电压的相位、幅值、频率同时进行控制。特别指出，产生驱动电流的方法采用了转子电流开环控制，其控制框图见图8。另一方面，若在步骤103的判断结果是“非”，则重新进入步骤103，判断双馈感应电机2的转速是否在0~0.5转差率。

步骤104之后的步骤105，判断双馈感应电机2的转速是否为0.3转差率。在步骤105的判断结果是“非”，则控制流程继续进入步骤105，进行转速的检测判断。若在步骤105的判断结果是“是”，则利用并网接触器控制单元9的电路，控制双馈感应电机2与电网相连接的接触器4吸合，接通电网，完成并网。

图8表示了转子电流开环控制框图。它是步骤104的具体实现方法：

定子电压频率给定值f1为电网的频率，当双馈感应电机转子频率f2(电角度频率)发生变化时，只要相应的调整转子逆变器的供电频率fs，使其满足关系式fs＝f1-f2即可控制双馈感应电机供电电压频率与电网相同。利用电量测量单元6测量到的电网电压综合矢量位置角度，减去速度、位置测量单元7测量的双馈感应电机转子位置的角度，可以得到矢量控制中坐标变换的旋转角度，对该角度的进行导数运算得出逆变器的交流电压输出频率。

双馈感应电机2的定子电压幅值受定子磁链控制，根据电网电压幅值DSP单元5可以计算出定子磁链给定值，然后由ψ_ds＝L_mi_dr求出转子励磁电流给定i_dr，按照此时电机转子的电压稳态方程

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{dr}}=R_r{i}_{\mathrm{dr}}\\ u_{\mathrm{qr}}=L_r{\mathrm{\ω}}_s{i}_{\mathrm{dr}}\end{array}\right.$

直接计算出旋转坐标系中的转子电压给定值。

定子电压相位的控制由电量测量单元6观测到的定子三相电压经过3/2变换，得到静止两项坐标系定子电压u_α，u_β，然后计算出定子电压矢量位置给定θ，则定子磁链矢量位置为θ₁＝θ-90°，这样得出坐标系d轴的位置，用来控制定子电压的相位。

具体实现过程如下：首先利用电量测量单元6测量三相电网电压的瞬时值，电网电压测量值经过坐标变换，得到电网电压综合矢量的模值和角度；其次，利用速度、位置测量单元7测量来自双馈感应电机转子上光电码盘的信号，测量双馈感应电机2的转子位置角度，将电网电压综合矢量的角度减去90度后，再与转子位置角度相减，得到坐标变换所需的旋转角度；然后，进行求导数运算，计算出旋转速度，即滑差角速度；然后，根据三相电网电压模值，计算出双馈感应电机的定子磁链幅值给定值，根据双馈感应电机的互感计算两相旋转坐标系下的转子电流励磁分量给定值；再次，利用滑差角速度按照双馈感应电机的稳态电压方程计算出同步旋转坐标系下的转子电压给定值；最后，利用坐标变换得到三相转子电压给定值，应用正弦波脉宽调制产生PWM信号，通过驱动单元8，驱动励磁变换器1。

尽管以上通过最佳实例叙述了本发明，但本发明并不限于该实例。在不脱离本发明精神的前提下，还可以做出各种变化和变换。例如，本例是在变速恒频风力双馈发电机系统实施的，作为一种替代方案，本例也可在水力双馈发电机并网发电系统中实施。

图9为采用本发明所述方法进行并网的实验波形，包括电网电压，定子电压，定子电流，转子电流。可见，在并网过程中，定子没有冲击电流，转子电流也能够稳定过渡，实现了变速恒频双馈发电机组顺利并网。

Claims (6)

1. 一种变速恒频双馈发电机系统，包括一个双馈感应电机(2)，一个装在双馈感应电机转子侧、能够四象限工作的励磁变换器(1)，拖动风轮机(3)，接触器(4)；拖动风轮机(3)与双馈感应电机(2)的转动轴承连接；双馈感应电机(2)的转子励磁端子与励磁变换器(1)连接，该励磁变换器(1)采用双PWM三相全桥拓扑结构；励磁变换器(1)的输入侧与电网连接；双馈感应电机(2)的定子与接触器(4)连接；接触器(4)的另外一端与电网相连，其特征在于还包括：DSP单元(5)，电量测量单元(6)，速度、位置测量单元(7)以及驱动单元(8)，并网接触器控制单元(9)；DSP单元(5)的AD转换器、正交解码器单元及PWM发生器分别与电量测量单元(6)、速度、位置测量单元(7)及驱动单元(8)的信号线相连接；电量测量单元(6)的输入与三相电网电压连接；速度、位置测量单元(7)与双馈感应电机转子侧的光电码盘的输出信号相连接；驱动单元(8)与强电部分励磁变换器(1)的功率开关器件的基极驱动端子相连接；并网接触器控制单元(9)与接触器(4)连接。

2. 如权利要求1所述的变速恒频双馈发电机系统，其特征在于DSP单元(5)的正交解码器接收来自速度、位置测量单元(7)的双馈感应电机转子上的光电码盘信号，固定在双馈感应电机(2)转子上的光电码盘输出的脉冲信号A、B、Z连接到速度、位置测量单元(7)的J18接口，A、B、Z信号分别经过1k的上拉电阻R162、R172、R182与12V供电电源相连接；当双馈感应电机(2)转子每旋转到某一个固定位置时，Z信号产生一个脉冲；为增强速度、位置测量单元(7)的抗干扰能力，A、B、Z信号分别通过高速光耦U16、U17、U18进行隔离处理；高速光耦U16、U17的隔离副边CONA、CONB信号经过2k的上拉电阻R161、R171与5V电源相连接，高速光耦U16、U17的隔离副边CONA、CONB的输出信号与DSP单元(5)的正交解码单元连接，用来测量双馈感应电机速度；高速光耦U18的隔离副边CONZ信号经过2k的上拉电阻R181与5V电源相连接，高速光耦U18的隔离副边CONZ的输出信号与DSP单元(5)的IO口相连，用来检测双馈感应电机转子位置。

3. 如权利要求1所述的变速恒频双馈发电机系统，其特征在于：强电部分的电压、电流经过电压电流传感器变换为正、负1.65V的交流电压信号Vout输入到电量测量单元(6)；Vout信号及一个1.65V的直流偏置信号分别经过10k的电阻R21、R22与运算放大器U1C的反相输入端相连，运算放大器U1C的正相输入端经过10k的电阻R23接地，运算放大器U1C的输出经过10k的反馈电阻R24反馈到运算放大器U1C的反相输入端，这样构成了反相加法运算电路，将输入正、负1.65V交流电压信号加上1.65V偏置电压后取反变换成0V到负3.3V的交流信号；其次运算放大器U1C的输出信号经过10k的电阻R25连接到运算放大器U1D的反相输入端，运算放大器U1D的正相输入端经过10k的电阻R27与地相连，运算放大器U1D的输出端经过10k的反馈电阻R26反馈到运算放大器U1D的反相输入端，这样构成了一个反相运算电路，能够将输入的0V到负3.3V的交流信号变换成0V到3.3V的信号；最后运算放大器U1D的输出信号经过电阻R28，电容C22组成的RC低通滤波电路进行滤波，以及经过二极管D21、D22组成的限幅电路处理，输出给DSP单元的AD转换器，进行采样。

4. 如权利要求1所述的变速恒频双馈发电机系统，其特征在于DSP单元(5)的PWM发生器的驱动信号首先经过330欧姆的电阻R3与3.3V电源VCC相连，然后经过驱动放大器7407进行驱动信号的放大，驱动信号的输出经过高速光耦OPT1进行驱动信号的隔离，高速光耦OPT1的隔离副边输出信号与励磁变换器(1)的功率管的驱动管脚相连，其中输出的驱动信号CP11经过一个6.8k的电阻R1与DSP单元(5)的SPR1管脚相连，完成励磁变换器(1)的驱动。

5. 按照权利要求1所述的变速恒频双馈发电机系统的并网控制方法，其特征在于按以下步骤对双馈感应电机系统进行并网控制：

(1)当拖动风轮机(3)拖动双馈感应电机(2)转动时，DSP单元(5)和速度、位置测量单元(7)利用光电码盘输出的脉冲信号Z测量双馈感应电机转子位置是否旋转到转子三相绕组轴线与定子绕组的轴线重合的位置，若检测结果为否，则继续检测转子三相绕组轴线是否与定子绕组的轴线重合；

(2)若步骤(1)的检测结果为是，则DSP单元(5)和电量测量单元(6)立即实时地观测电网电压综合矢量的位置，即电量测量单元(6)采样三相电网电压的瞬时值，瞬时值模拟量经过电量测量单元(6)调理电路传递到DSP单元(5)，经过坐标变换，得到电网电压综合矢量的位置；

(3)利用速度、位置测量单元(7)测量双馈感应电机(2)的转速是否在0~0.5转差率范围之内，若检测结果为否，则继续检测双馈感应电机速度；

(4)若步骤(3)的检测结果为是，则驱动单元(8)对励磁变换器(1)进行驱动，在双馈感应电机(2)的转子侧产生励磁电流，该励磁电流对双馈感应电机(2)定子电压的相位、幅值、频率同时进行控制；

(5)检测双馈感应电机速度是否达到0.3转差率，若检测结果为否，则继续进行检测等待；

(6)若步骤(5)的检测结果为是，利用并网接触器控制单元(9)控制双馈感应电机(2)与电网相连接的接触器(4)吸合，接通电网，完成并网。

6. 按照权利要求5所述的变速恒频双馈发电机系统的并网控制方法，其特征在于应用转子电流开环控制所述励磁电流的产生；具体实现过程如下：

首先利用电量测量单元(6)测量三相电网电压的瞬时值，电网电压测量值经过坐标变换，得到电网电压综合矢量的模值和角度；

其次，利用速度、位置测量单元(7)测量来自双馈感应电机转子上的光电码盘的信号，测量双馈感应电机(2)的转子位置角度，将电网电压综合矢量的角度减去90度后，再与转子位置角度相减，得到坐标变换所需的旋转角度；

然后，进行求导数运算，计算出旋转速度，即滑差角速度；然后，根据三相电网电压模值，计算出双馈感应电机的定子磁链幅值给定值，根据双馈感应电机的互感计算两相旋转坐标系下的转子电流励磁分量给定值；

再次，利用滑差角速度按照电机的稳态电压方程计算出同步旋转坐标系下的转子电压给定值；

最后，利用坐标变换得到三相转子电压给定值，应用正弦波脉宽调制产生PWM信号，通过驱动单元(8)，驱动励磁变换器(1)。

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