CN102651630B - 一种双馈交流励磁发电机定子磁链测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于风力发电变流器控制领域，具体为一种双馈交流励磁发电机定子磁链测量方法。双馈风力发电系统中交流励磁发电机的定子绕组直接接在大电网的低压侧，可以近似地认为定子电压幅值、频率都是恒定的，为电网电压幅值、频率。本发明利用三相软件锁相环，通过锁相得到定子电压矢量相角θ_u和定子电压矢量幅值u₁，从而得到定子磁链相角θ_s=θ_u+90°，定子磁链幅值ψ₁=u₁/ω₁，其中ω₁=100π。本发明锁相环内部采用了闭环结构，可以有效抑制电网轻微扰动对相位观测带来的干扰，这种方法也适合用于电网质量稍差的情况，准确而又快速地获得定子磁链的相角和幅值，对风电变流器的设计具有非常重要的意义。

Description

一种双馈交流励磁发电机定子磁链测量方法

技术领域

本发明属于风力发电变流器控制领域，具体为一种双馈交流励磁发电机定子磁链测量方法。

背景技术

磁链观测一般采用的模型有三种形式：u-i模型、i-w模型、u-w模型。u-i模型法是用定子电压与定子电流来确定定子磁链的方法，此方法计算时包含有电机参数定子电阻R_s,在转速很低时，电阻上的压降就不能忽视，使电压测量误差偏大，磁链观测不准确；此外，i-w模型也受转子电阻、漏电感、主电感等电机参数的影响，尤其是转子时间常数，它们也随转速的变化而变化，高速时此模型观测不如电压模型准确；u-w模型，早期是用积分的方式实现，电压、电流信号中微小的直流偏差仍会产生较大的累计误差而导致积分结果偏移甚至饱和，而影响观测精度，现一般通过直角坐标系与极坐标的变换，将磁链的幅和相位信息进行分离，这种方法在一定程度上避免了积分器的饱和，但却由于惯性环节的引入而增加了延时，同时导致系统变得复杂。一般的定子磁链观测器依赖于电机参数，受电机参数影响比较大，而影响观测精度。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种双馈交流励磁发电机定子磁链测量方法的技术方案。

所述的一种双馈交流励磁发电机定子磁链测量方法，其特征在于利用三相软件锁相环，通过锁相得到定子电压矢量相角θ_u和定子电压矢量幅值u₁，从而得到定子磁链相角

θ_s=θ_u+90°，定子磁链幅值ψ₁= u₁/ω₁，其中ω₁=100π。

所述的一种双馈交流励磁发电机定子磁链测量方法，其特征在于所述的三相软件锁相环由鉴相器、环路滤波器、压控振荡器组成，三相软件锁相环首先通过坐标变换将三相电网电压转换到dq坐标系下，采用电网电压定向矢量控制，将同步旋转dq坐标系d轴定向于电网电压矢量u_s的方向上，为使d轴分量u_sd与电压矢量完全同相，设定q轴电压参考值u_{sq_ref}=0,将q轴电压偏差值u_{sq_err}作为鉴相器输出的角度偏差，经过环路滤波器输出得到频率，再经过压控振荡器得到角度值，实现相位频率锁定，当d轴与u_s 完全同相时，u_sq =0，u_sd  = u_s。

本发明锁相环内部采用了闭环结构，可以有效抑制电网轻微扰动对相位观测带来的干扰，这种方法也适合用于电网质量稍差的情况，准确而又快速地获得定子磁链的相角和幅值，对风电变流器的设计具有非常重要的意义。

附图说明

图1为本发明的结构图；

图2矢量相位差示意图；

图3三相软件锁相环的结构图；

图4三相软件锁相环的非线性数学模型；

图5三相软件锁相环的线性数学模型。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明做进一步说明：

双馈风力发电系统中交流励磁发电机的定子绕组直接接在电网侧，因电网容量无穷大，电网电压矢量角观测较为简易且不受参数的影响，在分析电网电压与定子磁链之间关系的基础上，提出了一种双馈交流励磁发电机定子磁链测量方法。

如图1所示，一种双馈交流励磁发电机定子磁链测量方法，利用三相软件锁相环（SPLL）的方法，通过锁相得到定子电压矢量相角θ_u和定子电压矢量幅值u₁，从而得到定子磁链相角θ_s=θ_u+90°，定子磁链幅值ψ₁= u₁/ω₁，ω₁=100π（电网额定频率）。

三相软件锁相环（SPLL）由鉴相器（图1虚线框内的坐标变换）、环路滤波器（C_pll）、压控振荡器（积分环节1/S）组成。三相软件锁相环首先通过坐标变换（鉴相器）将三相电网电压转换到dq坐标系下，采用电网电压定向矢量控制，将同步旋转dq坐标系d轴定向于电网电压矢量u_s的方向上，为使d轴分量u_sd与电压矢量完全同相，设定q轴电压参考值u_{sq_ref}=0,将q轴电压偏差值u_{sq_err}作为鉴相器输出的角度偏差，经过环路滤波器输出得到频率，再经过（积分环节）压控振荡器得到角度值，实现相位频率锁定，当d轴与u_s 完全同相时，u_sq =0，u_sd  = u_s。

双馈风力发电系统中励磁发电机定子绕组直接接在大电网的低压侧，可以近似地认为定子的电压幅值、频率都是恒定的，即为电网电压幅值和频率，所以交流励磁双馈发电机多选择定子电压或定子磁场定向方式。这里采用定子磁链定向，将同步旋转dq坐标系的d轴定向在定子磁链Ψ₁方向上，d、q轴上的磁链分量分别是：ψ_ds=ψ₁，ψ_qs=0，由于电机定子侧频率为工频，定子绕组电阻远小于定子绕组电抗，可以忽略，即R_s=0,感应电动势近似等于定子电压，按发电机惯例，感应电动势滞后磁链90°，有u_ds =0,u_qs =-u₁, u₁为定子电压矢量的幅值，当定子端并入理想电网时，u₁等于电网电压矢量的幅值，为常数。根据R_s=0，u_ds=0,u_qs=-u₁, ψ_ds=ψ₁，ψ_qs=0，及定子绕组磁链方程和电压方程，得定子磁链幅值ψ₁= u₁/ω₁，ω₁=100π（电网额定频率）。

对于三相电网，如图2所示，当电网电压幅值，即电压合成矢量u_s的幅值不变时，u_s的q轴分量u_sq反映了d轴与电网电压u_s的相位关系。u_sq>0时,d轴滞后u_s，应增大同步信号频率； u_sq<0时，d轴超前u_s，应减小同步信号频率；u_sq=0时，d轴与u_s同相, u_sd  =u_s。因此，可以通过控制u_sq，使u_sq =0来实现两者之间的同相，基于这一思想，设计了一种三相软件锁相环（SPLL）得到电网电压相角θ_u 。

三相软件锁相环（SPLL）的基本结构如图3所示，包括：鉴相器（图中虚线框内的坐标变换），环路滤波器（C_pll），压控振荡器（积分环节1/S）。ω_ff为压控振荡器的固有频率，此处ω_ff =100π（电网额定频率）。

设平衡三相电压为：

                                                    （1）

经过坐标变换后，可得：

                                                  （2）

由式（2）可知，当d轴与u_s 完全同相时，u_sq =0，u_sd  =U _sm。

由式（2）和图2可得三相SPLL的非线性数学模型，如图4所示。

当θ^*- θ 很小时（一般认为小于π/6），有：

                                   （3）                                        令u_sq ^* =0，，并将U _sm合并到C_pll中，可得三相SPLL的线性化数学模型，如图5所示。

本发明中各个参数定义如下：θ_u：电网电压相角，u_s：电网电压幅值，u_sd：电网电压d坐标轴分量，u_sq：电网电压q坐标轴分量，ω₁：电网电压额定频率，θ_s：定子磁链相角，ψ₁：定子磁链幅值，ψ_ds：定子磁链d坐标轴分量，ψ_qs：定子磁链q坐标轴分量，R_s：定子电阻。

Claims (1)

1. 一种双馈交流励磁发电机定子磁链测量方法，其特征在于利用三相软件锁相环，通过锁相得到定子电压矢量相角θ_u和定子电压矢量幅值u₁，从而得到定子磁链相角θ_s=θ_u+90°，定子磁链幅值ψ₁= u₁/ω₁，其中ω₁=100π；所述的三相软件锁相环由鉴相器、环路滤波器、压控振荡器组成，三相软件锁相环首先通过坐标变换将三相电网电压转换到dq坐标系下，采用电网电压定向矢量控制，将同步旋转dq坐标系d轴定向于电网电压矢量u_s的方向上，为使d轴分量u_sd与电压矢量完全同相，设定q轴电压参考值u_{sq_ref}=0,将q轴电压偏差值u_{sq_err}作为鉴相器输出的角度偏差，经过环路滤波器输出得到频率，再经过压控振荡器得到角度值，实现相位频率锁定，当d轴与u_s 完全同相时，u_sq =0，u_sd  = u_s；

双馈风力发电系统中励磁发电机定子绕组直接接在大电网的低压侧，近似地认为定子的电压幅值、频率都是恒定的，即为电网电压幅值和频率，所以交流励磁双馈发电机多选择定子电压或定子磁场定向方式，这里采用定子磁链定向，将同步旋转dq坐标系的d轴定向在定子磁链Ψ₁方向上，d、q轴上的磁链分量分别是：ψ_ds=ψ₁，ψ_qs=0，由于电机定子侧频率为工频，定子绕组电阻远小于定子绕组电抗，可以忽略，即R_s=0,感应电动势近似等于定子电压，按发电机惯例，感应电动势滞后磁链90°，有u_ds =0,u_qs =-u₁, u₁为定子电压矢量的幅值，当定子端并入理想电网时，u₁等于电网电压矢量的幅值，为常数，根据R_s=0，u_ds=0,u_qs=-u₁, ψ_ds=ψ₁，ψ_qs=0，及定子绕组磁链方程和电压方程，得定子磁链幅值ψ₁= u₁/ω₁，ω₁=100π；

对于三相电网，当电网电压幅值，即电压合成矢量u_s的幅值不变时，u_s的q轴分量u_sq反映了d轴与电网电压u_s的相位关系，u_sq>0时,d轴滞后u_s，应增大同步信号频率； u_sq<0时，d轴超前u_s，应减小同步信号频率；u_sq=0时，d轴与u_s同相, u_sd  =u_s。