CN102868353A - 用于双馈感应机器的控制系统 - Google Patents

Abstract

一种用于通过变频器控制双馈感应机器的方法和设备，该变频器包括：转子侧变换器（INU），该转子侧变换器连接至双馈感应机器（DFIG）的转子电路并且具有利用转子磁链作为反馈变量的控制系统；电网侧变换器（ISU），该电网侧变换器连接至交流电力网络；以及直流电压中间电路（DC），该直流电压中间电路连接在转子侧变换器（INU）与电网侧变换器（ISU）之间。该方法包括：形成转子磁链参考（ψ_r,ref），形成阻尼信号（ψ_ref,D），对阻尼信号与转子磁链参考求和以获得经修改的转子磁链参考（ψ_ref），以及将所述经修改的转子磁链参考馈送至转子侧变换器（INU）的控制器以对次同步谐振进行阻尼。

Description

用于双馈感应机器的控制系统

技术领域

本发明涉及双馈机器，尤其涉及通过双馈机器的控制对交流（AC）电力网络的次谐波振荡进行阻尼。

背景技术

双馈感应机器用在各种发电机和马达驱动器中。一种包括变换器的这样的电机驱动器是双馈滑环发电机配置，其转子电路包括两个变换器，在两个变换器之间具有直流电压中间电路。一个变换器电气地位于直流电压中间电路与转子之间，而另一个变换器电气地位于直流电压中间电路与要被供给的电网之间。

这样的双馈滑环发电机通常用于风轮机中。有时，这些种类的风轮机中的许多风轮机位于以下地方：其中到电网的连接需要长传输线。长线具有趋于限制所生成的电力的传输的相当大的电感。惯例是通过使用与传输线串联连接的电容来减轻该问题。然而，这种对电感的串联补偿具有下述缺点：电容器与线和供电网络的电感形成谐振频率低于电网的标称频率（50Hz或60Hz）的谐振电路。

这种次同步谐振的激励引起电压幅值和相位的快速变化，这会引起对连接至网络的设备的机械和电应力，有时会导致永久损害。

例如，在文件“Jindal,A.,Irwin,G.and Woodford,D.:Sub-Synchronous Interactions with Wind Farms Connected Near SeriesCompensated AC Lines.Proceedings of 9th International Workshop onLarge-Scale Integration of Wind Power into Power Systems as well as onTransmission Networks for Offshore Wind Power Plants,Oct.18-19,2010,Québec City,Canada”中，描述了通过双馈发电机的次同步谐振的激励。

然而，在该文件中未给出用于对谐振进行阻尼的明确装置。

在文件“Hughes,M.,Anaya-Lara,O.,Jenkins,N.and Strbac,G.:APower System Stabilizer for DFIG-Based Wind Generation.IEEETransactions on Power Systems,Vol.21,No.2,May 2006,pp.763-772”中，提出了测量定子中的有功功率并且在对转子变换器的相位角参考进行高通滤波之后馈送信号。该方法的问题是当发电机速度接近于同步速度时，转子电压非常低，由此其相位角的变化具有小的阻尼效应。为此，如果网络中存在谐振，则不可以以该速度范围操作变换器。

发明内容

本发明的目的是提供一种方法以及用于实施该方法的设备以解决与双馈感应发电机关联的上述问题。本发明的目的是通过以独立权利要求中所陈述的内容为特征的方法和设备来实现的。在从属权利要求中公开了本发明的优选实施例。

本发明基于以下构思：对控制转子磁链的控制系统中的转子磁链参考进行修改。经修改的转子磁链参考是通过对阻尼信号与通常用作转子磁链参考的信号求和而获得的。然后在控制中将经修改的转子磁链信号作为参考信号来使用。

优选地，基于估计的机器转矩或者具有类似特性的其它信号来形成阻尼信号。

本方法和设备的优点是：其高效地对次同步振荡进行阻尼，以使得可以安全地使用电网并且电力产生稳定。

本发明的另外的优点是：其可以遍及整个速度范围来使用，用于使操作稳定。本发明的方法和设备需要对电流控制结构的最小改变，因此容易实现本发明。

附图说明

以下将参照附图借助于优选实施例更详细地描述本发明，在附图中：

图1示出了当次同步谐振被激励时利用现有技术控制系统的网络电压振荡的模拟；

图2示出了根据本发明的实施例的包括阻尼控制的控制系统；

图3示出了阻尼信号的形成的框图；

图4示出了利用根据本发明的阻尼控制的、与图1中的模拟相同的模拟；以及

图5示出了在电网中发生故障从而引起电压暂降时根据本发明的阻尼控制的性能。

具体实施方式

图2示出了根据本发明的实施例的控制系统连同用于控制双馈感应发电机（DFIG）的变频器的示例。图2中的控制系统是基于直接转矩控制的。发现直接转矩控制易于激励已处于传输线电感的适中补偿水平的次同步谐振。

例如在美国专利6,741,059中公开了传统的现有技术直接转矩受控系统的示例。在直接转矩受控系统中，例如在上述美国专利中的直接转矩受控系统中，机器转矩和转子磁链是受控变量。根据测量的定子电流矢量、测量的转子电流矢量和定子磁链矢量来估计转矩和转子磁链矢量的实际值。通过对定子电压矢量进行积分来估计定子磁链矢量。

在图2中，双馈感应发电机的定子连接至具有相A、相B、相C的供电网络。此外，电网侧变换器（ISU）连接至网络并且连接至直流中间电路（DC）。转子侧变换器（INU）连接至具有相a、相b、相c的DFIG的转子。图2还示出了连接至转子电路的撬棒电路20。

测量定子电流i_sA、i_sB和电压V_sA、V_sB，将这些值馈送至转矩和磁链估计器块21。转矩和磁链估计器块21从定子磁链计算块30接收另外计算的定子磁链矢量以及该定子磁链的幅值根据测量的定子电压、定子电流并且根据定子电阻来计算定子磁链。转矩和磁链估计器块21还接收无功功率参考Q_ref。

转矩和转子磁链估计器块21估计机器的转矩T_e1、T_e2和转子磁链估计的转矩T_e1与转矩参考T_ref一起被馈送至三级滞环控制块26。估计的转子磁链矢量被馈送至磁链扇区识别块（flux sector identification block）23以及ABS块22，该ABS块22计算转子磁链矢量的长度并将其进一步馈送至DTC控制块25内部的二级滞环控制块24。二级滞环控制块24还接收转子磁链的参考ψ_ref。

在传统的DTC控制中，磁链参考ψ_ref直接从转矩和转子磁链估计器块21获得。然而，在本发明中，供应给DTC调制器的磁链参考是通过对来自转矩和转子磁链估计器21的参考ψ_r,ref与来自阻尼块29的阻尼信号求和而获得的经修改的磁链参考。根据图2的实施例，阻尼信号是使用转矩参考T_ref和转矩估计T_e2而获得的。在图2的示例中，在估计器块21中计算用于阻尼的转矩估计。

二级滞环控制块24和三级滞环控制块26还接收来自滞环带控制块27的输入。滞环带控制块27控制滞环带的宽度并且由此影响切换频率。因此，滞环带控制块接收来自对切换频率f_SW进行控制的切换状态逻辑和切换频率计算块28的输入。滞环控制块输出用于切换状态逻辑块28的磁链位和转矩位，切换状态逻辑块28还接收来自磁链扇区识别块23的关于转子磁链的扇区的信息。

切换状态逻辑和切换频率计算块28向转子侧变换器输出切换指令s_a、S_b、S_c。

如上所述，在调制器中使用经修改的转子磁链参考。图3示出了该经修改的信号的计算的示例。从转矩估计T_e中减去31转矩参考T_e ref。对该减法的结果进行高通滤波32和低通滤波33二者，用于将可能的偏移和高频噪声从差信号中移除。滤波后的信号进一步与放大因子K_D相乘，该放大因子K_D可以用于限定与如图2所示的磁链参考相加的阻尼信号的校正幅值。应清楚，可以将低通滤波器和高通滤波器组合以形成带通滤波器。

如果需要，除了放大调整之外，还可以使用合适的相移调整以进一步增强阻尼。相移调整可以结合到滤波部分中。

一旦使用经修改的转子磁链参考来替代直接从转矩和转子磁链估计器获得的参考，就大大降低了震荡。经修改的转子磁链参考与由于电网中的电压震荡而产生的转矩震荡成比例。

还可以使用其它信号，而不是使用转矩用于生成如图2和图3所示的阻尼信号。包含震荡并由此可用于阻尼震荡的信号包括估计的定子功率和测量的DC中间链路电压，即DC总线电压。因为震荡被反映到这些信号，所以这些信号也可用于补偿。如果例如使用测量的DC链路电压，则可以从DC电压参考中减去该测量的DC链路电压并且过程会与图3中结合转矩的过程相同。

以上结合图2用基于直接转矩控制（DTC）的控制系统描述了本发明。然而，本发明不限于DTC。本方法可应用的其它控制方案包括矢量控制，在矢量控制中，使用马达模型来估计磁链并且将磁链用作反馈变量。在不同的控制系统中，以与结合图2所使用的方式类似的方式修改磁链参考。

可以以若干方式估计图2中的估计的转矩Te，以下，这里列出了这些方式中的一些。

$T_{\mathrm{est}}=\frac{1}{\mathrm{siglm}}\mathrm{Im}\{{\mathrm{\Ψ}}_{\mathrm{stator}}^{*}*{\mathrm{\Ψ}}_{\mathrm{rotor}}\}$

$T_{\mathrm{est}}=L_m\mathrm{Im}\{{\mathrm{\Ψ}}_{\mathrm{stator}}^{*}*i_s\}$

$T_{\mathrm{est}}=L_m\mathrm{Im}\{i_r^{*}*i_s\}$

$T_{\mathrm{est}}=-\mathrm{Im}\{{\mathrm{\Ψ}}_{\mathrm{rotor}}^{*}*i_r\}$

因此，可以使用定子磁链ψ_stator和转子磁链ψ_rotor、定子电流i_s和转子电流i_r以及磁化电感L_m以不同的方式来估计转矩。

可以以彼此不同的方式计算由阻尼块29使用的估计的转矩以及被馈送至转矩控制器26的估计的转矩。优选地，可以仅使用磁链和/或电流的正序分量来计算用于转矩控制的转矩。在图2中，示出了同一转矩信号被馈送至块26和块29。

甚至在故障期间和故障之后，使用根据本发明的阻尼装置也确保AC电力网络的稳定操作，如图4和图5所示。图4示出了模拟的电压波形。在图4中，进行与结合图1的模拟相同的模拟。图4的稳定波形是通过模拟中使用的本发明的方法来实现的。可以看出，电压波形不含有震荡。

在图5中，对网络电压骤降的情形进行模拟。模拟的波形示出：一旦网络电压恢复，有功功率能快速地稳定。在故障期间，系统将无功功率馈送至网络用于支持电压。

对于本领域技术人员而言，显然，可以以许多不同的方式实现本发明的基本构思。因此，本发明及其实施例不限于以上描述的示例，而是可以在权利要求的范围内变化。

Claims (15)

1.一种通过变频器控制双馈感应机器的方法，所述变频器包括：

转子侧变换器（INU），所述转子侧变换器连接至所述双馈感应机器（DFIG）的转子电路并且具有利用转子磁链作为反馈变量的控制系统，

电网侧变换器（ISU），所述电网侧变换器连接至交流电力网络，以及

直流电压中间电路（DC），所述直流电压中间电路连接在所述转子侧变换器（INU）与所述电网侧变换器（ISU）之间，

所述方法包括：

形成转子磁链参考（ψ_r,ref），

其特征在于，所述方法包括：

形成阻尼信号（ψ_ref,D），

对所述阻尼信号与所述转子磁链参考求和，以获得经修改的转子磁链参考（ψ_ref），以及

将所述经修改的转子磁链参考馈送至所述转子侧变换器（INU）的控制器，以对次同步谐振进行阻尼。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制系统是基于直接转矩控制的。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制系统是基于矢量控制的。

4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，所述阻尼信号与估计的转矩的振荡成比例。

5.根据前述权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述阻尼信号与估计的定子功率的振荡成比例。

6.根据前述权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述阻尼信号与测量的中间直流电路电压的振荡成比例。

7.根据前述权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，通过用低通滤波器和高通滤波器或者带通滤波器对振荡信号进行滤波来从所述振荡信号获得所述阻尼信号。

8.根据前述权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，能够调整阻尼信号幅度。

9.根据前述权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，能够调整阻尼信号相位。

10.一种用于利用变频器控制双馈感应机器的设备，所述变频器包括：

转子侧变换器（INU），所述转子侧变换器连接至所述双馈感应机器（DFIG）的转子电路并且具有利用转子磁链作为反馈变量的控制系统，

电网侧变换器（ISU），所述电网侧变换器连接至交流电力网络，以及

直流电压中间电路（DC），所述直流电压中间电路连接在所述转子侧变换器（INU）与所述电网侧变换器（ISU）之间，

所述设备包括：

用于形成转子磁链参考（ψ_r,ref）的装置，

其特征在于，所述设备包括：

用于形成阻尼信号（ψ_ref,D）的装置，

用于对所述阻尼信号与所述转子磁链参考求和以获得经修改的转子磁链参考（ψ_ref）的装置，以及

用于将所述经修改的转子磁链参考馈送至所述转子侧变换器（INU）的控制器以对次同步谐振进行阻尼的装置。

11.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，所述控制系统是基于直接转矩控制的。

12.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，所述控制系统是基于矢量控制的。

13.根据权利要求10、11或12所述的设备，其特征在于，所述阻尼信号与估计的转矩的振荡成比例。

14.根据前述权利要求10至13中任一项所述的设备，其特征在于，所述阻尼信号与估计的定子功率的振荡成比例。

15.根据前述权利要求10至13中任一项所述的设备，其特征在于，所述阻尼信号与测量的中间直流电路电压的振荡成比例。

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