CN101267117A - 一种变速恒频双馈风力发电系统及其并网控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种变速恒频双馈风力发电系统，其特征在于：包括定子并网装置、发电机、控制板、双PWM变频器、码盘；所述发电机的定子通过所述定子并网装置与电网相连；所述发电机的转子通过双PWM变频器与电网相连；所述控制板与电网、发电机、双PWM变频器、定子并网装置相连；所述控制板还通过所述码盘与转子相连。该系统通过在控制板内设计有电压幅值补偿器和转子位置角补偿器，消除了发电系统因某些参数偏差所造成的影响。

Description

一种变速恒频双馈风力发电系统及其并网控制方法

技术领域

本发明涉及一种变速恒频双馈风力发电系统及其并网控制方法，属于风力发电技术领域。

背景技术

能源问题是当今世界的一个焦点问题。在煤炭、石油、天然气等传统能源面临枯竭的今天，对于可再生能源的开发和利用就变得尤为重要。风能作为一种具有大规模开发利用前景的可再生无污染的新能源，自然成为了研究的热点。我国是一个风能资源丰富的国家，目前已探明的可利用风能储量约为253GW，大致与2000年底我国总发电装机容量相当。因此，对风能发电技术的研究和开发对我国具有十分重要的战略意义。

目前，风力发电技术主要分为恒速恒频风力发电机系统和变速恒频风力发电机系统两大类。恒速恒频风力发电系统一般使用同步电机或者鼠笼式异步电机作为发电机，通过定桨距失速控制的风轮机使发电机的转速保持在恒定的数值继而保证发电机端输出电压的频率和幅值的恒定，其运行范围比较窄，只能在一定风速下捕获风能，发电效率较低。变速恒频风力发电系统一般采用永磁同步电机或者双馈电机作为发电机，通过变桨距控制风轮使整个系统在很大的速度范围内按照最佳的效率运行，是目前风力发电技术的发展方向。

而在变速恒频风力发电系统中，变速恒频双馈风力发电系统更是以其成本低廉成为了现今风力发电技术发展的主流。变速恒频双馈风力发电系统主要由绕线式感应电机和接在转子绕组上的励磁变频器以及一些检测保护装置组成。其中，发电机的定子绕组直接与电网连接，转子侧利用变频器控制转子励磁电流的频率、幅值和相位实现交流励磁，通过转子侧的交流励磁实现定子侧的恒频运行，使定子的输出电能可以直接与电网实现并网。

由上述变速恒频双馈风力发电系统的结构特点可知，该发电系统能否良好运行的前提条件是发电机组是否能够顺利并网。而发电机组的顺利并网是通过系统对转子侧的变频器实施相应的并网算法，控制转子励磁电流的频率、幅值和相位来实现的。可见，这一并网算法的设计是影响变速恒频双馈发电系统性能的关键。现有变速恒频双馈风力发电系统并网算法的基本思路是根据发电机的工作原理来设计控制规律，通过设定转子电流的大小，来控制定子电压的幅值，当电压幅值达到额定时，进行定子电压与电网的同步控制，通过调节转子电流的相位角来改变定子电压的相位，等到定子电压与电网电压相位相同后，再进行并网操作。这种方法实现简单，响应速度快，在电机参数准确的情况下能够有效的控制电机定子电压跟踪电网电压，是一种比较理想的并网方案。但是，经过实际使用发现，这种算法的可靠性是建立在并网算法的初始设定参数可靠的前提下的。然而，当这种并网算法的初始设定参数不准确或是由于长期使用造成相应参数改变时，现有的并网算法不具备对这些参数的校正能力，往往会造成系统发电性能下降甚至无法实现并网的严重后果。

另外，由于发电系统的并网冲击电流比较大，会对电网及发电机组本身造成损坏。尤其是近年来兆瓦级风力发电系统特别是兆瓦级双馈风力发电系统已经成为风力发电场的主力机型，单机容量比较大，而且风电厂一般建立在比较偏远的地区，电网结构比较薄弱。机组并网时的并网电流冲击所引起的电网电压波动和闪变已经不能忽视，严重的情况下还可能会导致电网电压的大幅度跌落甚至电网的崩溃。因此，最大限度的抑制发电机组并网冲击电流，提高并网的可靠性，保障发电机组和电网的安全运行也成为并网技术中的一个重要问题。

发明内容

本发明的发明目的在于解决上述现有技术中的问题，提供一种能够对并网算法中的易偏离的电机参数实施闭环控制的变速恒频双馈风力发电系统及其并网控制方法。

本发明的发明目的还提供了一种能够抑制发电机组并网冲击电流的变速恒频双馈风力发电系统。

本发明的发明目的是通过下述技术方案予以实现的：

一种变速恒频双馈风力发电系统，其特征在于：包括定子并网装置、发电机、控制板、双PWM变频器、码盘；

所述发电机的定子通过所述定子并网装置与电网相连；所述发电机的转子通过双PWM变频器与电网相连；所述控制板与电网、发电机、双PWM变频器、定子并网装置相连；所述控制板还通过所述码盘与转子相连。

所述控制板内包括转子位置检测器、定子电压检测器、电网电压检测器、控制参考值计算器、电压幅值补偿器、转子电流闭环控制器、PWM发生器；

所述转子位置检测器与所述码盘相连；所述定子电压检测器与发电机的定子相连；所述电网电压检测器与电网相连；所述控制参考值计算器与该电网电压检测器相连；

所述电压幅值补偿器与该定子电压检测器、电网电压检测器相连；所述控制参考值计算器的输出信号经电压幅值补偿器补偿后输入所述转子电流闭环控制器；

所述转子电流闭环控制器与所述发电机的转子、转子位置检测器、控制参考值计算器相连；

所述PWM发生器与转子电流闭环控制器以及所述双PWM变频器相连。

所述控制板内还包括转子位置角补偿器；

所述转子位置角补偿器与所述发电机的转子、转子位置检测器、定子电压检测器相连；所述转子位置检测器的输出信号经转子位置角补偿器补偿后输入所述转子电流闭环控制器。

所述定子并网装置由断路器和接触器串联构成。

在所述双PWM变频器与电网之间串接有网侧断路器；在所述双PWM变频器与发电机的转子之间串接有机侧断路器；所述控制板与机侧断路器相连。

一种变速恒频双馈风力发电系统的并网控制方法，基于权利要求2所述的发电系统实现，其特征在于：包括如下步骤：

(1)变速恒频双馈风力发电系统在定子并网装置断开情况下，启动发电机；

(2)转子位置检测器检测码盘得到转子位置角的测量值θ_r ^m；定子电压检测器检测定子电压得到定子相电压幅值U_s和定子磁链矢量位置角

电网电压检测器检测电网电压得到电网电压相电压幅值U_n和电网电压矢量位置角θ_n；

(3)控制参考值计算器根据电网电压检测器所输入的电网电压相电压幅值U_n和电网电压矢量位置角θ_n，计算得到定子磁链矢量位置角参考值

和励磁电流参考值i_rdn ^ref；

(4)电压幅值补偿器根据电网电压检测器输入的电网电压相电压幅值U_n和定子电压检测器输入的定子相电压幅值U_s，计算得到补偿信号励磁电流补偿参考值i_rdc ^ref；

(5)控制参考值计算器输出的励磁电流参考值i_rdn ^ref经励磁电流补偿参考值i_rdc ^ref补偿后得到励磁电流i_rd ^ref输入转子电流闭环控制器；

(6)转子电流闭环控制器根据转子输入的转子三相交流电流i_ra和i_rb、转子位置检测器输入的转子位置角的测量值θ_r ^m、控制参考值计算器输入的定子磁链矢量位置角参考值

经补偿后的励磁电流i_rd ^ref，计算得到两相静止坐标系下的转子电压u_rα、u_rβ；

(7)PWM发生器以双PWM变频器5输入的直流母线电压U_dc为变换参考值，将转子电流闭环控制器输入的u_rα、u_rβ经电压空间矢量SVPWM调制，产生对双PWM变频器5的驱动控制信号，并控制双PWM变频器5对转子实现交流励磁；

(8)当定子的输出电能的与电网相匹配时，闭合定子并网装置，实现并网。

所述步骤(4)还包括下述具体步骤：

(4a)电压幅值补偿器将电网电压检测器输入的电网电压相电压幅值U_n和定子电压检测器输入的定子相电压幅值U_s进行比较求差；

(4b)电压幅值补偿器将电网电压相电压幅值U_n和定子相电压幅值U_s的差值经PI调制器得到励磁电流补偿参考值i_rdc ^ref。

在所述步骤(5)和(6)之间增加如下步骤：

(9)转子位置角补偿器根据转子输入的三相交流电流i_ra、i_rb；定子电压检测器输入的定子磁链矢量位置角计算得到转子位置角增量参考值Δθ_r ^ref；以该转子位置角增量参考值Δθ_r ^ref补偿转子位置检测器输入的转子位置角的测量值θ_r ^m，得到转子位置角参考值θ_r ^ref；

所述步骤(6)中所述的转子位置检测器输入的转子位置角的测量值θ_r ^m，替换为所述转子位置角补偿器输入的转子位置角参考值θ_r ^ref。

所述步骤(9)还包括下述具体步骤：

(9a)转子位置角补偿器将转子输入的转子三相交流电流i_ra、i_rb经过3/2变换得到两相静止坐标系电流i_rα、i_rβ，再经过Park变换旋转坐标系下的转距电流参考值i_rq ^ref；

(9b)转距电流参考值i_rq ^ref求反后，经PI调制器得到转子旋转角速度参考值ω_r ^ref，该转子旋转角速度参考值ω_r ^ref再经积分变换后得到转子位置角增量参考值Δθ_r ^ref；

(9c)该转子位置角增量参考值Δθ_r ^ref补偿转子位置检测器输入的转子位置角的测量值θ_r ^m，得到转子位置角参考值θ_r ^ref；

(9d)该转子位置角参考值θ_r ^ref加上定子电压检测器输入的定子磁链矢量位置角

反馈回所述步骤(9a)的Park变换，作为进行Park变换的旋转参考角。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过在控制板中引入电压幅值补偿器，从而消除了变速恒频双馈风力发电系统因电机互感参数偏差所造成的影响。

2、本发明通过在控制板中引入转子位置角补偿器，从而消除了变速恒频双馈风力发电系统因码盘初始位置偏差所造成的影响。

3、本发明通过由断路器和接触器串联构成定子并网装置在很大程度上提高了发电系统并网的可靠性，同时还减少了并网设备的维护成本。

附图说明

图1是变速恒频双馈风力发电系统的结构框图；

图2是发电系统第一实施例的控制板功能模块的结构示意图；

图3是发电系统第一实施例的控制板控制原理框图；

图4是发电系统第二实施例的控制板功能模块的结构示意图；

图5是发电系统第二实施例的控制板控制原理框图；

图6是电压幅值补偿器的原理框图；

图7是转子位置角补偿器的原理框图；

图8是发电系统第一实施例的并网控制方法流程图；

图9是发电系统第二实施例的并网控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

图1是本发明变速恒频双馈风力发电系统的结构框图。如图所示，该系统主要包括定子并网装置1、发电机2、机侧断路器3、控制板4、双PWM变频器5、网侧断路器6、码盘7。该发电机2为双馈发电机，即通过发电机的定子和转子两侧向电网馈电。在发电机2的定子侧，定子通过定子并网装置1与电网相连。在发电机2的转子侧，转子通过双PWM变频器5与电网相连。为了保证电路的安全，在双PWM变频器5与电网之间串接有网侧断路器6，在其与发电机2的转子之间串接有机侧断路器3。控制板4与电网、发电机2、双PWM变频器5相连，以获得电网电压、定子电压、转子电流以及双PWM变频器5中的直流母线电压。控制板4还通过码盘7与转子相连，获得转子位置增量。控制板4通过这些参数判断当前电网和发电机2的状况，并实施相应的控制策略。该双PWM变频器5在控制板4的控制下，控制转子励磁电流的频率、幅值和相位实现交流励磁，通过转子侧的交流励磁实现定子侧的恒频运行，进而调整定子电压，使得定子电压幅值和相位与电网电压相同，以实现安全并网。当定子和转子的输出电流符合安全并网的要求时，控制板4则控制定子并网装置1和机侧断路器3闭合，完成并网。

由上可知，控制板4为变速恒频双馈风力发电系统的核心控制部件，其对各个输入参数的分析判断和对双PWM变频器5的控制决定了整个发电系统的性能。本发明的变速恒频双馈风力发电系统即是对控制板4内的模块结构及控制流程进行了改进，以使控制板4能够对发电系统中一些易偏离的电机参数实施闭环控制。

图2是本发明第一实施例的控制板功能模块的结构示意图，图3是本发明第一实施例的控制板控制原理框图。如图2、图3所示，该控制板内包括：转子位置检测器、定子电压检测器、电网电压检测器、控制参考值计算器、电压幅值补偿器、转子电流闭环控制器、PWM发生器。

该转子位置检测器与码盘7相连，用以将码盘7输入的转子位置增量Δθ_r和控制板初始记录的转子位置角初始值θ_r0相加得到转子位置角的测量值θ_r ^m。

该定子电压检测器与发电机2的定子相连，用以将检测到的的定子三相交流电压u_sa、u_sb经过3/2变换(三相静止坐标系转换为两相静止坐标系)得到两相静止坐标系下的定子电压u_sα、u_sβ，再经过电压计算得到定子相电压幅值U_s和定子磁链矢量位置角

该电网电压检测器与电网相连，用以将电网输入的电网三相交流电压u_na、u_nb经过3/2变换得到两相静止坐标系下的电网电压u_nα、u_nβ，再经过电压计算得到电网电压相电压幅值U_n和电网电压矢量位置角θ_n。

该控制参考值计算器与该电网电压检测器相连。该控制参考值计算器将电网电压检测器输入的电网电压矢量位置角θ_n减90°得到定子磁链矢量位置角参考值将电网电压相电压幅值U_n与电网电压矢量位置角θ_n进行微分变换后得到的同步旋转角速度ω_n相除得到额定磁通ψ_n，再将额定磁通ψ_n与控制板初始给定的电机互感参数L_m相除得到励磁电流参考值i_rdn ^ref。

该电压幅值补偿器的原理框图如图6所示。电压幅值补偿电路与定子电压检测器、电网电压检测器相连，将电网电压相电压幅值U_n和定子相电压幅值U_s进行比较，并将它们的差值经PI调制器得到一个励磁电流补偿参考值i_rdc ^ref。

该转子电流闭环控制器与转子、转子位置检测器、控制参考值计算器相连。转子电流闭环控制器将控制参考值计算器输入的定子磁链矢量位置角参考值

与转子位置检测器输入的转子位置角的测量值θ_r ^m的差作为进行Park变换(两相静止坐标系转换为两相旋转坐标系)和反Park变换(两相旋转坐标系转换为两相静止坐标系)的旋转参考角。转子电流闭环控制器将转子输入的转子三相交流电流i_ra、i_rb经过3/2变换得到两相静止坐标系下的转子电流i_rα、i_rβ，再经过Park变换旋转坐标系下的励磁反馈电流i_rd、转矩反馈电流i_rq。转矩反馈电流i_rq求反后经PI调制器得到旋转坐标系下转子电压q轴分量U_rq。控制参考值计算器输出的励磁电流参考值i_rdn ^ref经励磁电流补偿参考值i_rdc ^ref补偿后输入转子电流闭环控制器。转子电流闭环控制器将其输入值与励磁反馈电流i_rd进行比较，并将它们的差值经PI调制器得到旋转坐标系下转子电压d轴分量U_rd。U_rq、U_rd经反Park变换得到两相静止坐标系下的转子电压u_rα、u_rβ。

PWM发生器与转子电流闭环控制器以及双PWM变频器5相连。PWM发生器以双PWM变频器5输入的直流母线电压为变换参考值，将转子电流闭环控制器输入的u_rα、u_rβ经电压空间矢量SVPWM调制，产生对双PWM变频器5的驱动控制信号，使双PWM变频器5完成对转子实现交流励磁。

上述模块结构的控制板4相较于现有变速恒频双馈风力发电系统中的控制板主要设计核心在于增设了电压幅值补偿器。这是由于现有控制板控制策略中无法对某些参数的偏差进行校正而设计的。

现有控制策略中，是将励磁电流参考值i_rdn ^ref设计为

$i_{\mathrm{rdn}}^{\mathrm{ref}}=U_n/\left({\mathrm{\ω}}_n{L}_m\right)$

当转子的励磁电流 $i_r=i_{\mathrm{rdn}}^{\mathrm{ref}}$ 时，

根据现已熟知的并网前定子磁链定向旋转坐标系下双馈异步发电机的基本方程：

u_sd＝pψ_sd

u_sq＝ω_sψ_sd

u_rd＝R_ri_rd+pψ_rd-ω_slψ_rq

u_rq＝R_ri_rq+pψ_rq+ω_slψ_rd

ψ_sd＝L_mi_rd

ψ_sq＝L_mi_rq＝0

ψ_rd＝L_ri_rd

ψ_rq＝L_mi_sq+L_ri_rq

T_e＝n_p(i_sqψ_sd-i_sdψ_sq)

可以推得，定子相电压幅值：

$U_s={\mathrm{\ω}}_n{\mathrm{\ψ}}_s={\mathrm{\ω}}_n{L}_m{i}_r={\mathrm{\ω}}_n{L}_m{i}_{\mathrm{rdn}}^{\mathrm{ref}}={\mathrm{\ω}}_n{L}_m\frac{U_n}{{\mathrm{\ω}}_n{L}_m}=U_n$

即实现了定子相电压幅值与电网相电压幅值的一致。

然而，我们不难看出式中用以计算i_rdn ^ref的电机互感参数L_m与用以计算定子相电压幅值U_s的电机互感参数L_m所指并不相同。前者是控制板初始给定的固定参数，而后者是电机中实际存在的定子与转子之间的互感参数。两者如果一致，则现有控制板调制产生的定子电压幅值则是准确的。但是，如果由于初始测量误差或是由于长期使用造成参数改变，则现有的控制板无法对这一参数偏差所造成的影响进行校正。

而，本发明所设计的电压幅值补偿器通过对电网电压相电压幅值U_n与定子相电压幅值U_s之间的差进行补偿。当定子相电压幅值U_s小于电网相电压幅值U_n时，差值经PI调解器，产生一个正的励磁电流补偿参考值i_rdc ^ref，增加转子励磁电流设定i_rd ^ref的幅值，使得定子电压增加；当定子相电压幅值U_s大于电网相电压幅值U_n时，则产生一个负的励磁电流补偿参考值i_rdc ^ref，减小转子励磁电流设定i_rd ^ref的幅值，使得定子电压减小。从而实现发电系统对电机互感参数L_m误差的纠正。

图4是本发明第二实施例的控制板功能模块的结构示意图，图5是本发明第二实施例的控制板控制原理框图。本实施例是在前述第一实施例的基础上，在控制板4中进一步增设一个转子位置角补偿器。本实施例中与第一实施例相同的结构在此就不再重复叙述，仅对所增设的转子位置角补偿器进行说明。

图7是转子位置角补偿器的原理框图。如图4、图5、图7所示，该转子位置角补偿器与转子、转子位置检测器、定子电压检测器、转子电流闭环控制器相连。转子位置角补偿器将转子输入的转子三相交流电流i_ra、i_rb经过3/2变换得到两相静止坐标系电流i_rα、i_rβ，再经过Park变换旋转坐标系下的转距电流参考值i_rq ^ref。i_rq ^ref求反后经PI调制器得到转子旋转角速度参考值ω_r ^ref。ω_r ^ref经积分变换后得到转子位置角增量参考值Δθ_r ^ref，加上转子位置角的测量值θ_r ^m，得到转子位置角参考值θ_r ^ref。由定子电压检测器输入的定子磁链矢量位置角

与θ_r ^ref的差作为前述PI调制器的旋转变换角。而所得到的转子位置角参考值θ_r ^ref输入转子电流闭环控制器，用以替换第一实施例中输入转子电流闭环控制器的转子位置角的测量值θ_r ^m。

与前述电机互感参数L_m存在偏差类似，现有技术中对定子电压的相位控制有赖于，转子位置角初始值θ_r0的准确性。如果转子位置角初始值θ_r0的给定值与实际值一致时，则按现有技术所控制的定子电压的相位与电网相匹配。但是，随着长期使用造成参数改变或是该参数的初始给定值即已存在误差，则现有的控制板无法对这一参数偏差所造成的影响进行校正。

本实施例即根据这一实际问题设计了转子位置角补偿器，对转子位置角初始值θ_r0所存在的误差进行补偿，并以补偿后得到的转子位置角参考值θ_r ^ref替换第一实施例中输入转子电流闭环控制器的转子位置角的测量值θ_r ^m。

另外，由于发电系统的并网冲击电流比较大，现有由单个断路器或单个接触器构成的定子并网装置，会对电网及发电机组本身造成损坏。因此，本发明对定子并网装置1的结构进行了改进。如图1所示，定子并网装置1是由一个断路器K1和一个接触器Q1串联构成。正常运行时，断路器K1保持闭合，定子并网装置1接收来自控制板4发出的并网或者解列信号，通过其中的接触器Q1实现正常并网或解列。如果双馈发电机组或者电网发生严重故障，需要强制发电机脱离电网时，定子并网装置1就通过断开断路器K1来实现解列。这种采取断路器K1与接触器Q1串联的定子并网装置，既能弥补常规设计中只用接触器带来的灭弧能力不足的问题，又能弥补断路器使用寿命过短的问题，在很大程度上提高了并网的可靠性，减少了并网设备的维护成本。

本发明变速恒频双馈风力发电系统第一实施例的并网控制方法流程如图8所示，该并网控制方法是基于图2所示第一实施例的控制板所设计的其具体步骤为：

(1)变速恒频双馈风力发电系统在定子并网装置断开情况下，启动发电机；

(2)转子位置检测器检测码盘得到转子位置角的测量值θ_r ^m；定子电压检测器检测定子电压得到定子相电压幅值U_s和定子磁链矢量位置角

电网电压检测器检测电网电压得到电网电压相电压幅值U_n和电网电压矢量位置角θ_n；

(3)控制参考值计算器根据电网电压检测器所输入的电网电压相电压幅值U_n和电网电压矢量位置角θ_n，计算得到定子磁链矢量位置角参考值

和励磁电流参考值i_rdn ^ref；

(4)电压幅值补偿器根据电网电压检测器输入的电网电压相电压幅值U_n和定子电压检测器输入的定子相电压幅值U_s，计算得到励磁电流补偿参考值i_rdc ^ref；

(5)控制参考值计算器输出的励磁电流参考值i_rdn ^ref经励磁电流补偿参考值i_rdc ^ref补偿后得到励磁电流i_rd ^ref输入转子电流闭环控制器；

(6)转子电流闭环控制器根据转子输入的转子三相交流电流i_ra和i_rb、转子位置检测器输入的转子位置角的测量值θ_r ^m、控制参考值计算器输入的定子磁链矢量位置角参考值

经补偿后的励磁电流i_rd ^ref，计算得到两相静止坐标系下的转子电压u_rα、u_rβ；

(7)PWM发生器以双PWM变频器5输入的直流母线电压U_dc为变换参考值，将转子电流闭环控制器输入的u_rα、u_rβ经电压空间矢量SVPWM调制，产生对双PWM变频器5的驱动控制信号，并控制双PWM变频器5对转子侧交流励磁的控制；

(8)当定子的电压幅值与相位与电网相匹配时，闭合定子并网装置，实现并网。

参见图3、图6，所述步骤(2)还包括下述具体步骤：

(2a)转子位置检测器将码盘7输入的转子位置增量Δθ_r和控制板初始记录的转子位置角初始值θ_r0相加得到转子位置角的测量值θ_r ^m；

(2b)定子电压检测器将定子输入的定子三相交流电压u_sa、u_sb经过3/2变换得到两相静止坐标系下的定子电压u_sα、u_sβ；

(2b’)两相静止坐标系下的定子电压u_sα、u_sβ经过电压计算得到定子相电压幅值U_s和定子磁链矢量位置角

(2c)电网电压检测器将电网输入的电网三相交流电压u_na、u_nb经过3/2变换得到两相静止坐标系下的电网电压u_nα、u_nβ；

(2c’)两相静止坐标系电压u_nα、u_nβ经过电压计算得到电网电压相电压幅值U_n和电网电压矢量位置角θ_n。

所述步骤(3)还包括下述具体步骤：

(3a)控制参考值计算器将电网电压检测器输入的电网电压矢量位置角θ_n减90°得到定子磁链矢量位置角参考值

(3b)控制参考值计算器将电网电压检测器输入的电网电压矢量位置角θ_n进行微分变换得到的同步旋转角速度ω_n；

(3c)控制参考值计算器将电网电压检测器输入的电网电压相电压幅值U_n与同步旋转角速度ω_n相除得到额定磁通ψ_n；

(3d)控制参考值计算器将额定磁通ψ_n与控制板初始给定的电机互感参数L_m相除得到励磁电流参考值i_rdnref。

所述步骤(4)还包括下述具体步骤：

(4a)电压幅值补偿器将电网电压检测器输入的电网电压相电压幅值U_n和定子电压检测器输入的定子相电压幅值U_s进行比较求差；

(4b)电压幅值补偿器将电网电压相电压幅值U_n和定子相电压幅值U_s的差值经PI调制器得到励磁电流补偿参考值i_rdc ^ref。

所述步骤(6)还包括下述具体步骤：

(6a)转子电流闭环控制器将控制参考值计算器输入的定子磁链矢量位置角参考值

与转子位置检测器输入的转子位置角的测量值θ_r ^m的差作为进行Park变换和反Park变换的旋转参考角；

(6b)转子电流闭环控制器将转子输入的转子三相交流电流i_ra、i_rb经过3/2变换得到两相静止坐标系下的转子电流i_rα、i_rβ

(6c)转子电流闭环控制器将两相静止坐标系电流i_rα、i_rβ经过Park变换旋转坐标系下的励磁反馈电流i_rd、转矩反馈电流i_rq；

(6d)转矩反馈电流i_rq求反后经PI调制器得到旋转坐标系下转子电压q轴分量U_rq；

(6e)转子电流闭环控制器将经补偿后的励磁电流i_rd ^ref与励磁反馈电流i_rd进行比较求差；并将它们的差值经PI调制器得到旋转坐标系下转子电压d轴分量U_rd；

(6f)旋转坐标系下的U_rq、U_rd经反Park变换得到两相静止坐标系下的转子电压u_rα、u_rβ。

图9为基于图4所示第二实施例的控制板所设计的变速恒频双馈风力发电系统并网控制方法的流程图，其具体步骤是在上述图8所示并网控制方法的步骤(5)和(6)之间增加了：

(9)转子位置角补偿器根据转子输入的三相交流电流i_ra、i_rb；定子电压检测器输入的定子磁链矢量位置角

计算得到转子位置角增量参考值Δθ_r ^ref，并以该转子位置角增量参考值Δθ_r ^ref补偿转子位置检测器输入的转子位置角的测量值θ_r ^m，得到转子位置角参考值θ_r ^ref。

同时，所述步骤(6)中的转子位置检测器输入的转子位置角的测量值θ_r ^m，替换为转子位置角补偿器输入的转子位置角参考值θ_r ^ref。

所述步骤(9)还包括下述具体步骤：

(9a)转子位置角补偿器将转子输入的转子三相交流电流i_ra、i_rb经过3/2变换得到两相静止坐标系电流i_rα、i_rβ，再经过Park变换旋转坐标系下的转距电流参考值i_rq ^ref；

(9b)转距电流参考值i_rq ^ref求反后，经PI调制器得到转子旋转角速度参考值ω_r ^ref，该转子旋转角速度参考值ω_r ^ref再经积分变换后得到转子位置角增量参考值Δθ_r ^ref；

(9c)该转子位置角增量参考值Δθ_r ^ref补偿转子位置检测器输入的转子位置角的测量值θ_r ^m，得到转子位置角参考值θ_r ^ref；

(9d)该转子位置角参考值θ_r ^ref加上定子电压检测器输入的定子磁链矢量位置角

反馈回步骤(9a)所述的Park变换，作为进行Park变换的旋转参考角。

Claims (9)

1、一种变速恒频双馈风力发电系统，其特征在于：包括定子并网装置、发电机、控制板、双PWM变频器、码盘；

所述发电机的定子通过所述定子并网装置与电网相连；所述发电机的转子通过双PWM变频器与电网相连；所述控制板与电网、发电机、双PWM变频器、定子并网装置相连；所述控制板还通过所述码盘与转子相连。

2、如权利要求1所述的变速恒频双馈风力发电系统，其特征在于：所述控制板内包括转子位置检测器、定子电压检测器、电网电压检测器、控制参考值计算器、电压幅值补偿器、转子电流闭环控制器、PWM发生器；

所述转子位置检测器与所述码盘相连；所述定子电压检测器与发电机的定子相连；所述电网电压检测器与电网相连；所述控制参考值计算器与该电网电压检测器相连；

所述电压幅值补偿器与该定子电压检测器、电网电压检测器相连；所述控制参考值计算器的输出信号经电压幅值补偿器补偿后输入所述转子电流闭环控制器；

所述转子电流闭环控制器与所述发电机的转子、转子位置检测器、控制参考值计算器相连；

所述PWM发生器与转子电流闭环控制器以及所述双PWM变频器相连。

3、如权利要求1或2所述的变速恒频双馈风力发电系统，其特征在于：所述控制板内还包括转子位置角补偿器；

所述转子位置角补偿器与所述发电机的转子、转子位置检测器、定子电压检测器相连；所述转子位置检测器的输出信号经转子位置角补偿器补偿后输入所述转子电流闭环控制器。

4、如权利要求1所述的变速恒频双馈风力发电系统，其特征在于：所述定子并网装置由断路器和接触器串联构成。

5、如权利要求1所述的变速恒频双馈风力发电系统，其特征在于：在所述双PWM变频器与电网之间串接有网侧断路器；在所述双PWM变频器与发电机的转子之间串接有机侧断路器；所述控制板与机侧断路器相连。

6、一种变速恒频双馈风力发电系统的并网控制方法，基于权利要求2所述的发电系统实现，其特征在于：包括如下步骤：

(1)变速恒频双馈风力发电系统在定子并网装置断开情况下，启动发电机；

(2)转子位置检测器检测码盘得到转子位置角的测量值θ_r ^m；定子电压检测器检测定子电压得到定子相电压幅值U_s和定子磁链矢量位置角

电网电压检测器检测电网电压得到电网电压相电压幅值U_n和电网电压矢量位置角θ_n；

(3)控制参考值计算器根据电网电压检测器所输入的电网电压相电压幅值U_n和电网电压矢量位置角θ_n，计算得到定子磁链矢量位置角参考值

和励磁电流参考值i_rdn ^ref；

(4)电压幅值补偿器根据电网电压检测器输入的电网电压相电压幅值U_n和定子电压检测器输入的定子相电压幅值U_s，计算得到补偿信号励磁电流补偿参考值i_rdc ^ref；

(5)控制参考值计算器输出的励磁电流参考值i_rdn ^ref经励磁电流补偿参考值i_rdc ^ref补偿后得到励磁电流i_rd ^ref输入转子电流闭环控制器；

(6)转子电流闭环控制器根据转子输入的转子三相交流电流i_ra和i_rb、转子位置检测器输入的转子位置角的测量值θ_r ^m、控制参考值计算器输入的定子磁链矢量位置角参考值

经补偿后的励磁电流i_rd ^ref，计算得到两相静止坐标系下的转子电压u_rα、u_rβ；

(7)PWM发生器以双PWM变频器5输入的直流母线电压U_dc为变换参考值，将转子电流闭环控制器输入的u_rα、u_rβ经电压空间矢量SVPWM调制，产生对双PWM变频器5的驱动控制信号，并控制双PWM变频器5对转子实现交流励磁；

(8)当定子的输出电能的与电网相匹配时，闭合定子并网装置，实现并网。

7、如权利要求6所述的一种变速恒频双馈风力发电系统的并网控制方法，其特征在于：所述步骤(4)还包括下述具体步骤：

(4a)电压幅值补偿器将电网电压检测器输入的电网电压相电压幅值U_n和定子电压检测器输入的定子相电压幅值U_s进行比较求差；

(4b)电压幅值补偿器将电网电压相电压幅值U_n和定子相电压幅值U_s的差值经PI调制器得到励磁电流补偿参考值i_rdc ^ref。

8、如权利要求6或7所述的一种变速恒频双馈风力发电系统的并网控制方法，基于权利要求3所述的发电系统实现，其特征在于：在所述步骤(5)和(6)之间增加如下步骤：

(9)转子位置角补偿器根据转子输入的三相交流电流i_ra、i_rb；定子电压检测器输入的定子磁链矢量位置角

计算得到转子位置角增量参考值Δθ_r ^ref；以该转子位置角增量参考值Δθ_r ^ref补偿转子位置检测器输入的转子位置角的测量值θ_r ^m，得到转子位置角参考值θ_r ^ref；

所述步骤(6)中所述的转子位置检测器输入的转子位置角的测量值θ_r ^m，替换为所述转子位置角补偿器输入的转子位置角参考值θ_r ^ref。

9、如权利要求8所述的一种变速恒频双馈风力发电系统的并网控制方法，其特征在于：所述步骤(9)还包括下述具体步骤：

(9a)转子位置角补偿器将转子输入的转子三相交流电流i_ra、i_rb经过3/2变换得到两相静止坐标系电流i_rα、i_rβ，再经过Park变换旋转坐标系下的转距电流参考值i_rq ^ref；

(9b)转距电流参考值i_rq ^ref求反后，经PI调制器得到转子旋转角速度参考值ω_r ^ref，该转子旋转角速度参考值ω_r ^ref再经积分变换后得到转子位置角增量参考值Δθ_r ^ref ；

(9c)该转子位置角增量参考值Δθ_r ^ref补偿转子位置检测器输入的转子位置角的测量值θ_r ^m，得到转子位置角参考值θ_r ^ref；

(9d)该转子位置角参考值θ_r ^ref加上定子电压检测器输入的定子磁链矢量位置角

反馈回所述步骤(9a)的Park变换，作为进行Park变换的旋转参考角。

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