CN103259475A - 基于功率平衡的双馈感应发电机内频率同步方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于功率平衡的双馈感应发电机内频率同步控制方法及装置。参考同步发电机内同步机理，将有功功率偏差经过调节直接产生转子侧励磁电压的滑差角频率，并积分获得相位；参考同步发电机的励磁系统，将无功功率偏差或端电压偏差经过调节直接产生转子侧励磁电压的幅值，由获得的相位和幅值得到转子侧励磁电压矢量，实现对双馈感应发电机的内频率同步控制。基于本发明，可使双馈感应发电机具有内频率，对外表现为幅值、频率受控的电压源，为电网提供较强的电压支撑，增大电网短路容量，提高电网稳定性。内频率同步控制可使双馈感应发电机运行不依赖于电网强弱，为其独立运行提供一种可能，并为电力系统的安全运行提供一定的保障。

Description

基于功率平衡的双馈感应发电机内频率同步方法及装置

技术领域

本发明属于电机控制领域及电力系统发电领域，更具体地，涉及一种基于功率平衡的双馈感应发电机内频率同步控制方法及装置。

背景技术

传统电力系统中发电单元基本是由常规同步电源构成，即同步发电机。常规同步电源是幅值、频率受控的电压源，可为电网尤其是弱电网提供较强的电压支撑，提高电网短路容量，增强电网稳定性；并为电网提供惯性，增强频率稳定性；同时常规同步电源可独立运行，为电网的安全防御提供一定的保障，例如自动重合闸、解列运行、黑启动等能力。随着近年来新能源发电的飞速发展，风电、光伏等在电网中所占份量快速增加，风力发电系统及光伏发电系统等新能源发电系统作为新的发电成员为传统电力系统带来清洁能源的同时也带来了新的问题。

以风电为例，风电作为一种清洁、友好型能源已成为近年来发展最快的可再生能源之一。在各种类型的风力发电机中，双馈型风力发电机以其调速范围宽、可实现有功和无功功率的独立调节以及所需励磁变流器容量小、成本低等优点，已成为当前市场的主流机型。双馈型风力发电机当前控制是基于锁相同步的电流矢量控制，以转子侧变流器控制为例说明，电流矢量控制采用双闭环结构，即外环为定子输出有功功率和无功功率控制环，内环为转子d、q轴电流控制环。利用锁相环(PLL)快速检测电网频率，与转子电角速度做差，获得转子侧变流器励磁的滑差角频率，并通过两个电流内环分别调节转子电流的转矩分量和励磁分量，以此实现双馈型风力发电机的变速恒频运行、以及有功和无功功率的独立调节。

在强电网下，上述基于锁相同步的电流矢量控制具有有功、无功功率独立调节的优越性能，所谓强电网即电网电压足够坚强，电网几乎不受风电功率波动等其他因素的影响。而当前我国规划的大规模风电基地均处于电网末端，电网结构普遍比较薄弱，电压具有易变特性，随着风电容量的快速增长，大规模风电高度集中并入弱电网，风电功率波动将对并网点电压产生较大的影响，不容忽视。由于采用锁相同步，受到风电或其他因素扰动的电网电压又将作为锁相环及电流环的输入，将进一步引起输出风电功率的波动，影响电网的安全与稳定。

基于锁相同步的电流矢量控制方法，使双馈型风力发电机对外表现为幅值、频率受控的电流源，使风机无法作为电压源为电网提供一定的电压支撑作用，同时也不能增加电网的短路容量。

基于锁相同步的传统矢量控制方法使风机不表现惯性，对电网的频率波动不作响应。当基于此控制的新能源发电大量取代常规同步电源时，系统的惯性将大大降低，影响系统的频率稳定。

另外，锁相同步方式使风力发电机完全依赖于电网，因为需要电网频率或相位作为自身的控制基准，使风机不能像同步发电机一样可以脱离于电网独立运行。这就导致风机不能与高压直流输电系统直接相连，同时也导致风机不具有自动重合闸，不能支持解列运行，不具备黑启动能力等，即不具备电力系统安全防御能力，无法为电网的安全稳定提供一定的保障。

综上所述，现有技术存在下述问题：弱电网下锁相环所引起的不稳定问题；基于锁相同步的电流矢量控制使双馈风力发电机对外表现为幅值、频率受控的电流源，不能为电网提供一定的电压支撑；使其不具有内频率，无法脱离电网独立运行(解列运行、黑启动等)，不能为电网的安全防御提供保障；使系统不具惯性响应，不利于电网的频率稳定等问题。

除双馈型风力发电机之外，针对基于双馈感应发电机的其他能源发电领域，基于现有控制同样存在着类似的问题，尤其在弱电网下更为显著。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种基于功率平衡的双馈感应发电机内频率同步控制方法，旨在解决现有技术采用基于锁相同步的电流矢量控制造成的上述问题。

本发明提供了一种基于功率平衡的双馈感应发电机内频率同步控制方法，包括下述步骤：

S1：采集并网侧的电网电压信号和电网电流信号；

S2：根据所述电网电压信号和所述电网电流信号计算双馈感应发电机实际输出的有功功率、无功功率及并网侧的端电压幅值；

S3：根据有功功率基准值和所述有功功率获得双馈感应发电机的滑差角频率，并将滑差角频率进行积分处理获得双馈感应发电机转子侧励磁电压的相位；根据无功功率基准值和所述无功功率或根据端电压基准值和所述端电压幅值获得双馈感应发电机转子侧励磁电压的幅值；

S4：将所述相位和所述幅值进行矢量合成获得励磁电压矢量；

S5：将励磁电压矢量经过调制后输出开关控制信号，并通过开关控制信号控制双馈感应发电机转子侧变流器，实现双馈感应发电机内频率与电网频率的同步。

基于上述内频率同步控制方法使双馈感应发电机具有独立于电网的内频率，避免了锁相环在弱电网下带来的稳定性问题；使双馈感应发电机对外表现为幅值、频率受控的电压源，为电网提供较强的电压支撑作用，增强电网稳定性；并为双馈感应发电机的独立运行(解列运行、黑启动等)提供一种可能，为电网的安全运行提供一定的保障。

本发明还提供了一种基于功率平衡的双馈感应发电机内频率同步控制系统，包括：计算模块，其输入端连接电网，用于根据并网侧的电网电压信号和电网电流信号计算并输出并网侧实际输出的有功功率、无功功率和端电压幅值；内频率控制器，其第一输入端用于接收有功功率基准值，所述内频率控制器的第二输入端所述计算模块输出的有功功率，用于根据有功功率基准值和所述有功功率获得双馈感应发电机的滑差角频率；积分器，其输入端连接至所述内频率控制器的输出端，用于将所述滑差角频率进行积分处理获得转子侧励磁电压的相位；励磁调节器，其第一输入端用于接收无功功率基准值或端电压基准值，所述励磁调节器的第二输入端用于接收所述计算模块输出的无功功率或端电压幅值，用于根据无功功率基准值和所述无功功率或根据端电压基准值和所述端电压幅值获得双馈感应发电机转子侧励磁电压的幅值；矢量合成器，其第一输入端连接至所述积分器的输出端，所述矢量合成器的第二输入端连接至所述励磁调节器的输出端，用于将所述相位和所述幅值进行矢量合成获得励磁电压矢量；PWM发生器，其输入端连接至所述矢量合成器的输出端，PWM发生器的输出端连接至转子侧变流器的控制端，用于将所述的励磁电压矢量经过调制输出开关控制信号，开关控制信号控制双馈感应发电机转子侧变流器，实现双馈感应发电机内频率与电网频率的同步。

内频率同步控制系统结构简单，无需锁相环和复杂的电流内环，使双馈感应发电机具有内频率，使其对外表现为幅值、频率受控的电压源，为电网提供较强的电压支撑，增强电网稳定性，并为其独立运行提供一种可能。

本发明还提供了一种基于内频率同步控制的双馈风力发电系统，其特征在于，包括转子侧变流器、网侧变流器、直流母线电容、控制器和变速变桨控制器，转子侧变流器与网侧变流器经过直流母线电容耦合，网侧变流器经滤波器与电网相连，所述控制器用于控制网侧变流器；所述变速变桨控制器用于产生有功功率基准值；还包括：计算模块，其输入端连接电网，用于根据并网侧的电网电压信号和电网电流信号计算并输出并网侧实际输出的有功功率、无功功率和端电压幅值；内频率控制器，其第一输入端用于接收有功功率基准值，所述内频率控制器的第二输入端连接至所述计算模块的第一输出端，用于根据有功功率基准值和所述有功功率获得双馈感应发电机的滑差角频率；积分器，其输入端连接至所述内频率控制器的输出端，用于将所述滑差角频率进行积分处理获得转子侧励磁电压的相位；励磁调节器，其第一输入端用于接收无功功率基准值或端电压基准值，所述励磁调节器的第二输入端连接至所述计算模块的第二输出端，用于根据无功功率基准值和所述无功功率或根据端电压基准值和所述端电压幅值获得双馈感应发电机转子侧励磁电压的幅值；矢量合成器，其第一输入端连接至所述积分器的输出端，所述矢量合成器的第二输入端连接至所述励磁调节器的输出端，用于将所述相位和所述幅值进行矢量合成获得励磁电压矢量；PWM发生器，其输入端连接至所述矢量合成器的输出端，PWM发生器的输出端连接至转子侧变流器的控制端，用于将所述的励磁电压矢量经过调制输出开关控制信号，开关控制信号控制双馈感应发电机转子侧变流器，实现双馈感应发电机内频率与电网频率的同步。

更进一步地，所述内频率控制器包括：第一加法器，其第一输入端用于接收所述有功功率基准值，其第二输入端用于接收所述有功功率，用于将所述有功功率基准值减去所述有功功率并输出功率误差；控制器，其输入端连接至所述第一加法器的输出端，所述控制器的输出端作为所述内频率控制器的输出端，用于根据所述功率误差输出转子侧励磁电压的滑差角频率；第一阻尼器，其输入端连接至所述控制器的输出端，所述第一阻尼器的输出端连接至所述第一加法器的第三输入端，用于根据所述滑差角频率获得阻尼功率；第二加法器，其第一输入端连接至所述控制器的输出端，其第二输入端用于接收双馈感应发电机转子电角频率，其第三输入端用于接收电网频率，用于将所述滑差角频率与转子电角频率相加后再减去电网频率获得频率误差；第二阻尼器，其输入端连接至所述第二加法器的输出端，所述第二阻尼器的输出端连接至所述第一加法器的第四输入端，用于根据所述频率误差获得阻尼功率；所述第一加法器根据所述第一阻尼器和所述第二阻尼器提供的阻尼功率对所述控制器输出的滑差角频率进行修正。

更进一步地，所述控制器为积分器、PI控制器或自适应控制器。

更进一步地，励磁调节器包括：加法器，其第一输入端用于接收无功功率基准值，第二输入端用于接收无功功率，用于根据所述无功功率基准值和无功功率得到无功功率偏差；无功控制器，其输入端连接至加法器输出端，用于根据所述无功功率偏差得到转子侧变流器励磁电压的幅值。

更进一步地，励磁调节器包括：加法器，其第一输入端用于接收端电压基准值，第二输入端用于接收端电压幅值，用于根据所述端电压基准值和端电压幅值得到端电压偏差；电压控制器，其输入端连接至加法器的输出端，用于根据所述端电压偏差得到转子侧变流器励磁电压的幅值。

更进一步地，励磁调节器包括：第一加法器，其第一输入端用于接收无功功率基准值，第二输入端用于接收无功功率，用于根据所述无功功率基准值和无功功率得到无功功率偏差；无功控制器，其输入端连接至第一加法器输出端，用于根据无功功率偏差得到端电压基准值；第二加法器，其第一输入端连接至无功控制器的输出端，第二输入端用于接收端电压幅值，用于根据端电压基准值和端电压幅值得到电压偏差；电压控制器，其输入端连接至第二加法器输出端，用于根据电压偏差得到转子侧变流器励磁电压的幅值。

更进一步地，励磁调节器包括：第一加法器，其第一输入端用于接收端电压基准值，第二输入端用于接收端电压幅值，用于根据所述端电压基准值和端电压幅值得到电压偏差；电压控制器，其输入端连接至第一加法器的输出端，用于根据电压偏差得到无功功率基准值；第二加法器，其第一输入端连接至电压控制器输出端，第二输入端用于接收无功功率，用于根据所述无功功率基准值和无功功率得到无功功率偏差；无功控制器，其输入端连接至第二加法器的输出端，用于根据无功功率偏差得到转子侧变流器励磁电压的幅值。

基于内频率同步控制下的双馈风机不需要锁相环检测电网的频率及相位作为控制的基准，以内频率与电网频率的交互作用实现与电网的同步运行，从而避免了锁相环在弱电网下可引起的不稳定问题。使双馈风机对外表现为幅值、频率受控的电压源的形式，类似于常规同步电源，为电网提供较强的电压支撑，并提高短路容量，增大系统惯性，极大地增强电网稳定性。同时可以实现双馈风机的独立运行，使风机可具备自动重合闸，支持解列运行，甚至可作为黑启动电源，为电网的安全运行提供一定的保障作用。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于功率平衡的双馈感应发电机内频率同步控制方法的实现流程图；

图2是本发明实施例提供的基于功率平衡的双馈感应发电机内频率同步控制系统的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的双馈型风力发电机基于内频率同步控制的原理框图；

图4是本发明实施例提供的双馈型风力发电机中内频率控制器的模块结构示意图；

图5是本发明实施例提供的双馈型风力发电机中励磁调节器的模块结构示意图；其中图5(a)是基于无功控制的励磁调节；图5(b)是基于端电压控制的励磁调节；图5(c)是由无功外环电压内环双环结构进行励磁调节；图5(d)是由电压外环无功内环双环结构进行励磁调节。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明旨在解决现有技术由于采用基于锁相同步的电流矢量控制使含双馈异步发电机系统不具有内频率，导致其不能为电网提供一定的电压支撑、无法脱离电网独立运行(孤岛运行、黑启动等)等缺陷，以及弱电网下锁相环所引起的稳定性问题等。提出一种基于功率平衡的内频率同步控制方法，所谓内频率，是指含双馈异步发电机系统的频率完全由自身控制产生，独立于电网。有效的避免了弱电网下锁相环引起的不稳定，同时可使其对外表现为电压源，为电网提供一定的电压支撑，提高电网短路容量。同时充分利用系统自身的惯性，增强电网的频率稳定性，更重要的为实现系统脱离电网独立运行提供一种方法，使其具有一定的安全防御能力，为电网的安全与稳定提供一定的保障。

此内频率同步控制方法效仿同步发电机的内同步机理，即由机械转矩与电磁转矩误差经过机电方程(摇摆方程)得到同步发电机转子的转速(即内频率)，再经过积分获得内电势的相位，同步发电机机端电压的控制是由励磁系统通过对励磁电压幅值的调节实现的。本发明提出的基于功率平衡的内频率同步控制方法最终目标是要控制含双馈异步发电机系统自身的内电势，使其对电网表现为幅值、频率受控的电压源的形式，类似于同步发电机，其频率由自身控制产生，独立于电网，内电势幅值受励磁的调节。

如图1所示，是本发明实施例提供的基于功率平衡的双馈感应发电机内频率同步控制方法的实现流程图，包括以下内容：

(i)采集并网侧电网电压、电网电流计算得到双馈异步发电机实际输出的有功功率、无功功率，并可获得端电压幅值。

(ii)将有功功率基准值和所述有功功率通过内频率控制器产生双馈感应发电机转子侧励磁电压的频率，即滑差角频率，再经过积分器得到转子侧励磁电压的相位；内频率控制器可以是积分器、PI控制器或自适应控制等其他任意形式的控制器，控制器参数设计是关键，其响应速度的快慢直接决定双馈感应发电机产生的内电势的惯性大小。

(iii)将无功功率基准值和所述无功功率经过励磁调节器直接产生双馈感应发电机转子侧励磁电压的幅值，或将端电压基准值和所述端电压幅值经过励磁调节器产生双馈感应发电机转子侧励磁电压的幅值，或者无功控制与端电压控制相结合实现对转子侧励磁电压幅值的调节作用。励磁调节器可以是积分器、PI控制器、自适应控制等任意形式的控制器。

(iv)由上述(ii)中获得的相位与(iii)中获得的幅值合成得到励磁电压矢量，即三相交流励磁电压。

(v)将(iv)中获得励磁电压矢量经过空间矢量调制或其他调制方式最终产生控制转子侧变流器开关器件开通与关断的开关信号，此信号控制转子侧变流器使其输出相应的励磁电压。

图2是本发明实施例提供的基于功率平衡的双馈感应发电机内频率同步控制系统的结构示意图；1表示含双馈感应发电机系统，例如双馈型风力发电系统、双馈水轮发电机系统、基于双馈异步发电机的潮汐发电系统等。其中101表示能源动力系统，例如风力机、水轮机等，102为双馈感应发电机，103为转子侧变流器，104为直流母线电容，105为网侧变流器。3表示电网。能源动力系统101经过传动轴与双馈感应发电机102转子相连，双馈感应发电机定子直接与电网3相连，转子接转子侧变流器103，转子侧变流器103与网侧变流器105通过直流母线电容104耦合在一起，网侧变流器105与电网3相连，电压控制器106用于控制网侧变流器105。

基于功率平衡的内频率同步控制系统2包括：计算模块21、内频率控制器22、励磁调节器23、积分器24、矢量合成器25和PWM发生器26；计算模块21，其输入端连接电网，用于根据并网侧的电网电压信号和电网电流信号计算并网侧实际输出的有功功率和无功功率，并获得端电压幅值；内频率控制器22，其第一输入端用于接收有功功率基准值，其第二输入端用于接收有功功率，用于根据有功功率基准值和所述有功功率获得转子侧励磁电压的频率，即滑差角频率；积分器24，其输入端连接至所述内频率控制器的输出端，用于将所述滑差角频率进行积分处理获得转子侧励磁电压的相位；励磁调节器23，其第一输入端用于接收无功功率基准值或端电压基准值，其第二输入端用于接收无功功率或端电压幅值，用于根据无功功率基准值和所述无功功率或端电压基准值和所述端电压幅值获得转子侧励磁电压的幅值；矢量合成器25，其第一输入端连接至所述积分器的输出端，其第二输入端连接至所述励磁调节器的输出端，用于将所述相位和所述幅值进行矢量合成获得励磁电压矢量，即三相交流励磁电压；PWM发生器26，其输入端连接至所述矢量合成器的输出端，用于将所述的励磁电压矢量经过空间矢量调制或其他调制方式产生控制转子侧变流器103的开关信号，PWM发生器的输出端连接至转子侧变流器103的控制端，所述开关信号控制转子侧变流器103输出相应的励磁电压，实现双馈感应发电机与电网同步的运行。

基于功率平衡的双馈感应发电机内频率同步控制系统的工作原理如下：

采集并网侧电网电压、电网电流经过计算模块21计算得到系统实际输出的有功功率、无功功率，并获得端电压幅值。将有功功率基准值和所述有功功率通过内频率控制器22直接产生双馈感应发电机转子侧励磁电压的频率，即滑差角频率，再经过积分器24得到转子侧励磁电压的相位。其中有功功率基准值由其他外部控制环路产生。内频率控制器22可以是积分器、PI控制器、自适应控制等其他任意形式的控制器，其响应速度的快慢直接决定双馈感应发电机定子内电势的惯性大小。将无功功率基准值和所述无功功率经过励磁调节器23直接产生转子侧励磁电压的幅值或将端电压基准值和所述端电压幅值经过励磁调节器23产生转子侧励磁电压的幅值，或者由无功控制与端电压控制相结合实现对励磁电压幅值的调节作用。无功功率基准值或端电压基准值可以直接给定，或由其他外部控制环路产生。其中，励磁调节器23可以是积分器、PI控制器、自适应控制等其他任意形式的控制器。由上述获得的相位与幅值经过适量合成器25得到励磁电压矢量，即三相交流励磁电压。将获得励磁电压矢量经过PWM发生器26最终产生控制转子侧变流器103中开关器件开通与关断的开关信号，此信号控制103使其输出相应的励磁电压，实现双馈感应发电机与电网的同步运行。其中，PWM发生器26可以是空间矢量调制或其他调制方式。

图3是本发明实施例提供的双馈风力发电机基于内频率同步控制的原理框图。10表示风轮(由叶片和轮毂组成)，11表示多级齿轮箱，12是双馈感应发电机，双馈感应发电机定子直接与电网相连，转子接变流器，即转子侧变流器13，转子侧变流器13与网侧变流器15经过直流母线电容14耦合在一起，网侧变流器15经滤波器与电网相连，图中滤波器未画出，18表示电网阻抗，19表示电网。

基于功率平衡的内频率同步控制方法具体实施步骤如下：

(i)用一组电压传感器17和一组电流霍尔传感器16分别采集得到并网点的三相交流电压和三相交流电流，将三相电压和三相电流经过计算模块21，获得双馈风机输出的有功功率、无功功率，并可获得端电压幅值；

(ii)将有功功率基准值与所述有功功率经过内频率控制器22得到转子侧变流器13所需励磁电压的滑差角频率，将所述滑差角频率经过积分器24得到转子侧变流器13所需励磁电压的相位，此相位为基于转子速度旋转的αβ坐标系下励磁电压矢量相对于α轴的位置角，其中，有功功率基准值由变速变桨控制20产生；

(iii)将无功功率基准值和所述无功功率或将端电压基准值和所述端电压幅值经过励磁调节器23产生转子侧变流器13所需励磁电压的幅值，其中无功功率基准值或端电压基准值可以直接给定，也可由风电场管理系统产生。励磁调节器23的作用类似于同步发电机的励磁系统，可根据不同控制目标采取不同的励磁措施，例如由无功功率控制进行励磁调节，或由端电压控制进行励磁调节，或者由无功控制和端电压控制共同实现励磁调节。

(iv)将(ii)中获得的相位和(iii)中获得的幅值经过矢量合成器25得到励磁电压矢量，即转子侧变流器13所需的三相交流励磁电压。

(v)将(iv)中获得的励磁电压矢量经过PWM发生器26产生控制转子侧变流器13的开关信号，使其输出相应的励磁电压，其中，PWM发生器可以是空间矢量调制或其他调制方式。

图4是本发明实施例提供的双馈风力发电机中内频率控制器的模块结构示意图。如图中虚线框所示，内频率控制器22包括：第一加法器201、第二加法器204、控制器202、第一阻尼器203、第二阻尼器205；第一加法器201，其第一输入端用于接收所述有功功率基准值，其第二输入端用于接收所述有功功率，用于将所述有功功率基准值减去所述有功功率并输出功率误差；控制器202，其输入端连接至所述第一加法器的输出端，所述控制器的输出端作为所述内频率控制器的输出端，用于根据所述功率误差输出转子侧励磁电压的滑差角频率；第一阻尼器203，其输入端连接至所述控制器的输出端，所述第一阻尼器的输出端连接至所述第一加法器的第三输入端，用于根据所述滑差角频率获得阻尼功率；第二加法器204，其第一输入端连接至所述控制器的输出端，其第二输入端用于接收双馈感应发电机转子电角频率，其第三输入端用于接收电网频率，用于将所述滑差角频率与转子电角频率相加后再减去电网频率获得频率误差；第二阻尼器205，其输入端连接至所述第二加法器的输出端，所述第二阻尼器的输出端连接至所述第一加法器的第四输入端，用于根据所述频率误差获得阻尼功率；第一加法器201根据所述第一阻尼器和所述第二阻尼器提供的阻尼功率对所述控制器输出的滑差角频率进行修正。

其中，控制器202可以是积分器、PI控制器或自适应控制器等其他任意形式的控制器，控制器202的响应速度直接决定了双馈感应发电机定子内电势的惯性大小，响应速度越慢，内电势惯性越大。控制器参数需根据不同的工况进行相应的调整，以满足不同工况下不同程度的惯性响应的需要，同时应避免在低风速时过度的惯性响应导致风机失速。图4中给出增大系统阻尼的两种方法：所述滑差角频率经过第一阻尼器203得到阻尼功率；所述滑差角频率与双馈电机转子电角频率相加再减去电网频率获得频率偏差，经过第二阻尼器205得到阻尼功率，两部分阻尼功率分别连接至第一加法器201的第三输入端和第四输入端，对所述控制器202输出的滑差角频率进行修正，有效增大系统阻尼。所述两种增大阻尼的方法仅为本发明提出的两种方案，不用于限定本发明。

图5是本发明实施例提供的双馈风力发电机中励磁调节器的模块结构示意图。所述励磁调节器与传统的基于锁相同步的电流矢量控制中无功控制或端电压控制形式类似，不同之处在于本发明实施例中经过无功控制或端电压控制直接产生的是转子侧变流器13所需励磁电压的幅值，而不是转子电流励磁分量的基准值。

图5(a)是基于无功控制的励磁调节。如图中虚线框23所示，励磁调节器包括：加法器301、无功控制器302；加法器301，其第一输入端用于接收无功功率基准值，第二输入端用于接收所述无功功率，用于根据无功功率基准值和所述无功功率得到无功功率偏差；无功控制器302，其输入端连接至加法器输出端，用于根据所述无功功率偏差得到转子侧变流器13励磁电压的幅值。其中，无功功率基准值可以直接给定，也可由风电场管理系统产生，无功控制器302可以是PI控制器或自适应控制器等其他任意形式的控制器。

图5(b)是基于端电压控制的励磁调节。如图中虚线框23所示，励磁调节器包括：加法器401、电压控制器402；加法器401，其第一输入端用于接收端电压基准值，第二输入端用于接收所述端电压幅值，用于根据端电压基准值和所述端电压幅值得到电压偏差；电压控制器402，其输入端连接至加法器401输出端，用于根据所述电压偏差得到转子侧变流器13励磁电压的幅值。其中，端电压基准值可以直接给定，也可由风电场管理系统产生，电压控制器402可以是PI控制器或自适应控制器等其他任意形式的控制器。

图5(c)是由无功外环电压内环双环结构进行励磁调节。如图中虚线框23所示，励磁调节器包括：第一加法器501、第二加法器503、无功控制器502、电压控制器504；第一加法器501，其第一输入端用于接收无功功率基准值，第二输入端用于接收所述无功功率，用于根据无功功率基准值和所述无功功率得到无功功率偏差；无功控制器502，其输入端连接至第一加法器输出端，用于根据所述无功功率偏差得到端电压基准值；第二加法器503，其第一输入端连接至无功控制器的输出端，第二输入端用于接收端电压幅值，用于根据端电压基准值和所述端电压幅值得到电压偏差；电压控制器504，其输入端连接至第二加法器输出端，用于根据所述电压偏差得到转子侧变流器13励磁电压的幅值。其中，无功功率基准值可以直接给定，也可由风电场管理系统产生。所述无功控制器和电压控制器可以是PI控制器等其他任意形式的控制器。无功控制器502输出的上限505和下限506取决于风机并网点电压所能允许的最大值和最小值。

图5(d)是由电压外环无功内环双环结构进行励磁调节。如图中虚线框23所示，励磁调节器包括：第一加法器601、第二加法器603、电压控制器602、无功控制器604；第一加法器601，其第一输入端用于接收端电压基准值，第二输入端用于接收所述端电压幅值，用于根据端电压基准值和所述端电压幅值得到电压偏差；电压控制器602，其输入端连接至第一加法器的输出端，用于根据所述电压偏差得到无功功率基准值；第二加法器603，其第一输入端连接至电压控制器输出端，第二输入端用于接收所述无功功率，用于根据无功功率基准值和所述无功功率得到无功功率偏差；无功控制器604，其输入端连接至第二加法器的输出端，用于根据所述无功功率偏差得到转子侧变流器13励磁电压的幅值。其中，端电压基准值可以直接给定，或者由风电场管理系统产生。所述电压控制器和无功控制器可以是PI控制器等其他任意形式的控制器。电压控制器602输出的上限605和下限606取决于风机所能允许输出的无功功率的最大值和最小值。

通过上述步骤，使双馈风机具有内频率，不需锁相环检测电网频率或相位作为自身控制基准，从而避免了弱电网下锁相环可引起的不稳定问题。双馈风机对外表现为幅值、频率受控的电压源的形式，为电网提供较强的电压支撑，增大电网短路容量，提高电网稳定性。且内频率同步控制使双馈风机有效的利用自身的惯性，增大电网的惯性，增强电网频率稳定性。更重要的，内频率同步控制使双馈风机不依赖于电网，为其独立运行提供一种可能，基于此，双馈风机可以与HVDC直接相连接，可以具有自动重合闸，可以支持解列运行，甚至可以具备黑启动能力等，为电力系统的安全运行提供一定的保障作用。

本发明提出的基于功率平衡的内频率同步控制方法尤其适用于弱电网，同样也适用于强电网，除了可以应用于双馈型风力发电机之外，同样可应用于基于双馈异步发电机的其他能源发电领域，以及其他一切包含电压源型或电流源型并网变流器的系统或装置，包括全功率型风力发电系统、静止同步补偿器、轻型高压直流输电系统、电励磁同步发电机的励磁系统及带储能的并网变流器装置等。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于功率平衡的双馈感应发电机内频率同步控制方法，其特征在于，包括下述步骤：

S1：采集并网侧的电网电压信号和电网电流信号；

S2：根据所述电网电压信号和所述电网电流信号计算双馈感应发电机实际输出的有功功率、无功功率及并网侧的端电压幅值；

S3：根据有功功率基准值和所述有功功率获得双馈感应发电机的滑差角频率，并将滑差角频率进行积分处理获得双馈感应发电机转子侧励磁电压的相位；根据无功功率基准值和所述无功功率或根据端电压基准值和所述端电压幅值获得双馈感应发电机转子侧励磁电压的幅值；

S4：将所述相位和所述幅值进行矢量合成获得励磁电压矢量；

S5：将励磁电压矢量经过调制后输出开关控制信号，并通过开关控制信号控制双馈感应发电机转子侧变流器，实现双馈感应发电机内频率与电网频率的同步。

2.一种基于功率平衡的双馈感应发电机内频率同步控制系统，其特征在于，包括：

计算模块（21），其输入端连接电网，用于根据并网侧的电网电压信号和电网电流信号计算并网侧实际输出的有功功率、无功功率和端电压幅值；

内频率控制器（22），其第一输入端用于接收有功功率基准值，所述内频率控制器的第二输入端用于接收所述计算模块输出的有功功率，用于根据有功功率基准值和所述有功功率获得双馈感应发电机的滑差角频率；

积分器（24），其输入端连接至所述内频率控制器的输出端，用于将所述滑差角频率进行积分处理获得转子侧励磁电压的相位；

励磁调节器（23），其第一输入端用于接收无功功率基准值或端电压基准值，所述励磁调节器的第二输入端用于接收所述计算模块输出的无功功率或端电压幅值，用于根据无功功率基准值和所述无功功率或根据端电压基准值和所述端电压幅值获得双馈感应发电机转子侧励磁电压的幅值；

矢量合成器（25），其第一输入端连接至所述积分器的输出端，所述矢量合成器的第二输入端连接至所述励磁调节器的输出端，用于将所述相位和所述幅值进行矢量合成获得励磁电压矢量；以及

PWM发生器（26），其输入端连接至所述矢量合成器的输出端，PWM发生器的输出端连接至转子侧变流器（103）的控制端，用于将所述的励磁电压矢量经过调制输出开关控制信号，开关控制信号控制双馈感应发电机转子侧变流器，实现双馈感应发电机内频率与电网频率的同步。

3.一种基于内频率同步控制的双馈风力发电系统，其特征在于，包括转子侧变流器（13）、网侧变流器（15）、直流母线电容（14）、控制器（27）和变速变桨控制器（20），转子侧变流器（13）与网侧变流器（15）经过直流母线电容（14）耦合，网侧变流器（15）经滤波器与电网相连，所述控制器（27）用于控制网侧变流器（15）；所述变速变桨控制器（20）用于产生有功功率基准值；其特征在于，还包括：

计算模块（21），其输入端连接电网，用于根据并网侧的电网电压信号和电网电流信号计算并输出并网侧实际输出的有功功率、无功功率和端电压幅值；

内频率控制器（22），其第一输入端用于接收有功功率基准值，所述内频率控制器的第二输入端用于接收所述计算模块输出的有功功率，用于根据有功功率基准值和所述有功功率获得双馈感应发电机的滑差角频率；

积分器（24），其输入端连接至所述内频率控制器的输出端，用于将所述滑差角频率进行积分处理获得转子侧励磁电压的相位；

励磁调节器（23），其第一输入端用于接收无功功率基准值或端电压基准值，所述励磁调节器的第二输入端用于接收所述计算模块输出的无功功率或端电压幅值，用于根据无功功率基准值和所述无功功率或根据端电压基准值和所述端电压幅值获得双馈感应发电机转子侧励磁电压的幅值；

矢量合成器（25），其第一输入端连接至所述积分器的输出端，所述矢量合成器的第二输入端连接至所述励磁调节器的输出端，用于将所述相位和所述幅值进行矢量合成获得励磁电压矢量；以及

PWM发生器（26），其输入端连接至所述矢量合成器的输出端，PWM发生器的输出端连接至转子侧变流器（13）的控制端，用于将所述的励磁电压矢量经过调制输出开关控制信号，开关控制信号控制双馈感应发电机转子侧变流器，实现双馈感应发电机内频率与电网频率的同步。

4.如权利要求2或3所述的系统，其特征在于，所述内频率控制器包括：

第一加法器（201），其第一输入端用于接收所述有功功率基准值，其第二输入端用于接收所述有功功率，用于将所述有功功率基准值减去所述有功功率并输出功率误差；

控制器（202），其输入端连接至所述第一加法器的输出端，所述控制器的输出端作为所述内频率控制器的输出端，用于根据所述功率误差输出转子侧励磁电压的滑差角频率；

第一阻尼器（203），其输入端连接至所述控制器的输出端，所述第一阻尼器的输出端连接至所述第一加法器的第三输入端，用于根据所述滑差角频率获得阻尼功率；

第二加法器（204），其第一输入端连接至所述控制器的输出端，其第二输入端用于接收双馈感应发电机转子电角频率，其第三输入端用于接收电网频率，用于将所述滑差角频率与转子电角频率相加后再减去电网频率获得频率误差；

第二阻尼器（205），其输入端连接至所述第二加法器的输出端，所述第二阻尼器的输出端连接至所述第一加法器的第四输入端，用于根据所述频率误差获得阻尼功率；以及

所述第一加法器（201）根据所述第一阻尼器和所述第二阻尼器提供的阻尼功率对所述控制器输出的滑差角频率进行修正。

5.如权利要求4所述的内频率控制器，所述控制器（202）为积分器、PI控制器或自适应控制器等。

6.如权利要求2或3所述的系统，其特征在于，励磁调节器包括：

加法器（301），其第一输入端用于接收无功功率基准值，第二输入端用于接收无功功率，用于根据所述无功功率基准值和无功功率得到无功功率偏差；以及

无功控制器（302），其输入端连接至加法器输出端，用于根据所述无功功率偏差得到转子侧变流器励磁电压的幅值。

7.如权利要求2或3所述的系统，其特征在于，励磁调节器包括：

加法器（401），其第一输入端用于接收端电压基准值，第二输入端用于接收端电压幅值，用于根据所述端电压基准值和端电压幅值得到端电压偏差；以及

电压控制器（402），其输入端连接至加法器的输出端，用于根据所述端电压偏差得到转子侧变流器励磁电压的幅值。

8.如权利要求2或3所述的系统，其特征在于，励磁调节器包括：

第一加法器（501），其第一输入端用于接收无功功率基准值，第二输入端用于接收无功功率，用于根据所述无功功率基准值和无功功率得到无功功率偏差；

无功控制器（502），其输入端连接至第一加法器输出端，用于根据无功功率偏差得到端电压基准值；

第二加法器（503），其第一输入端连接至无功控制器的输出端，第二输入端用于接收端电压幅值，用于根据端电压基准值和端电压幅值得到电压偏差；以及

电压控制器（504），其输入端连接至第二加法器输出端，用于根据电压偏差得到转子侧变流器励磁电压的幅值。

9.如权利要求2或3所述的系统，其特征在于，励磁调节器包括：

第一加法器（601），其第一输入端用于接收端电压基准值，第二输入端用于接收端电压幅值，用于根据所述端电压基准值和端电压幅值得到电压偏差；

电压控制器（602），其输入端连接至第一加法器的输出端，用于根据电压偏差得到无功功率基准值；

第二加法器（603），其第一输入端连接至电压控制器输出端，第二输入端用于接收无功功率，用于根据所述无功功率基准值和无功功率得到无功功率偏差；以及

无功控制器（604），其输入端连接至第二加法器的输出端，用于根据无功功率偏差得到转子侧变流器励磁电压的幅值。

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