CN103312251A - 定子双绕组异步电机发电系统定频发电的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种定子双绕组异步电机发电系统定频发电的方法，属于发电机控制领域。本方法中定子双绕组发电机控制侧变换器同时调节蓄电池有功和电机的励磁无功，通过两套绕组间的电磁关系耦合，实现了有功功率在控制侧和功率侧间双向流动，在功率侧输出工频交流电，省去了全功率交流逆变器，节约了系统成本。

Description

定子双绕组异步电机发电系统定频发电的方法

技术领域

本发明所涉及一种定子双绕组异步电机发电系统定频发电的方法，属于发电机控制领域。

背景技术

独立发电系统主要为偏远地区的用户提供电能供应，较为常见的电能获取来源有风能，太阳能，水力以及沼气能等。独立发电系统结构由能量源，储能单元，控制器和负载四部分构成。其中，能量源由发电机组或太阳能电池板构成，储能单元多为蓄电池组，亦可为电解制氢等其他方式，控制器用以调整发电系统的发电和供电之间的时间差，起到控制能量源，储能单元以及负载三者间的能量流动的作用。若系统为交流负载供电，一般还需配置全功率交流逆变器，因此系统结构复杂，成本昂贵。典型的带发电机组的独立发电系统如图1所示。为克服上述问题，针对使用发电机组作为能量源的独立发电系统，将定子双绕组异步发电机（DWIG）系统应用其中，为独立发电提供一种新颖的形式。

从国内外文献来看，定子双绕组异步发电机系统的研究已经有了一定程度的积累，DWIG的目前主要控制方法是通过控制侧变换器对电机励磁无功进行控制，进而调节功率侧输出的有功分量。该控制方法可以实现有功和无功分量的解耦，提高了系统的稳态特性，但是却浪费了控制侧变换器调节有功的能力。因此，有必要对DWIG发电系统的控制策略进行研究和改进，使得DWIG的控制侧参与有功分量调节。

发明内容

本发明克服了典型独立发电系统结构复杂，成本昂贵的缺点，提出了一种定子双绕组异步电机发电系统定频发电的方法。本方法中定子双绕组发电机控制侧变换器同时调节蓄电池有功和电机的励磁无功，通过两套绕组间的电磁关系耦合，实现了有功功率在控制侧和功率侧间双向流动，在功率侧输出工频交流电，省去了全功率交流逆变器，节约了系统成本。

本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：

一种定子双绕组异步电机发电系统定频发电的方法，包括如下步骤：

    步骤1, 根据控制侧电压传感器、电流传感器的测量值得到蓄电池端电压和电流，据此判断出蓄电池当前的状态，即蓄电池过冲，蓄电池过放两种非正常工作状态及正常工作状态，其中当蓄电池充满或瞬时充电电流过大则判定为蓄电池过充，当蓄电池端电压过低或瞬时放电电流过大则判定为蓄电池过放，对于正常工作状态下的蓄电池，针对不同的蓄电池端电压，将其分为恒流充电，恒压充电以及浮充三种状态进行控制；

步骤2, 根据控制侧和功率侧电压传感器、电流传感器的测量值计算得到电机定子磁链和定子电流，计算出电机的电磁转矩，并结合当前转速传感器的数值计算出此时的原动机功率，根据如下公式计算出功率变换器输出电压的频率给定值：

其中

为功率变换器输出频率给定值，根据GB/T 20321中对独立逆变器电频率的要求，

被限制在47.5HZ至52.5HZ之间，

为转子转速

对应的电频率，

为原动机检测功率，为第一比例系数，

为第一积分系数，

为原动机功率给定，由当前蓄电池状态给出，当蓄电池处于恒流充电时有：

其中

为控制绕组母线电流的给定，

为控制绕组母线电流，

为第二比例系数，

为第二积分系数，

为整式求导标志；

当蓄电池处于恒压充电或浮充充电时，电机功率给定由双比例积分调节器，即PI调节器构成，其中蓄电池恒压充电或浮充充电的目标电压值与蓄电池端电压之差的PI调节器输出值构成蓄电池电流给定，再由蓄电池电流给定与蓄电池电流之差的PI调节器输出值计算得出发电机的功率给定：

式中

为蓄电池恒压充电或浮充充电的端电压给定，

为控制侧母线测量电压，

为第三比例系数，

为第三积分系数；当蓄电池处于过冲状态，则蓄电池保护单元将定子频率快速上升，减少原动机输入功率；

    步骤3, 根据功率侧电压传感器的测量值计算得到功率绕组侧输出工频交流电压的幅值，根据当前蓄电池状态和负载状态决定当前电压幅值的给定值，利用如下公式计算出功率变换器输出电压的幅值给定值：

    其中，

为当前功率变换器输出电压的幅值给定，

和

分别为功率绕组的交流电压给定幅值和当前幅值，

为第四比例系数，

为第四积分系数；若此时蓄电池处于过放状态，则蓄电池保护单元作用，功率变换器输出电压的幅值给定快速下降，降低负载功率；

    步骤4, 根据步骤3和步骤4求出的变换器输出电压的给定频率和幅值，采用空间电压矢量调制，通过驱动电路驱动功率变换器开关管，由功率变换器控制定子双绕组异步发电机的定子旋转磁场的大小和转速。

本发明的有益效果如下：

此方法利用控制绕组侧小容量功率变换器将蓄电池能量管理和发电机控制进行集成，直接在功率侧输出工频交流电，因此省去了全功率交流逆变器，不仅实现了拓扑和控制策略的优化，而且带来较大的经济和社会效益。 

 附图说明  

图1典型的带发电机组的独立发电系统示意图。

图2 定子双绕组异步电机独立发电系统示意图，其中：1、定子双绕组异步电机；2、滤波电感；3、控制变换器；4、励磁电容；5、蓄电池组；6、直流电容；7、第一电流传感器；8、第二电流传感器；9、第三电流传感器；10、第一电压传感器；11、第二电压传感器；12、第三电压传感器；13、限流电阻；14、接触器；15、数字信号处理器；16、控制变换器的驱动电路。 

图3 定子双绕组异步电机独立发电系统控制示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明创造做进一步详细说明。

如图2所示，定子双绕组异步电机发电系统由定子双绕组异步电机1、滤波电感2、控制变换器3、励磁电容4、蓄电池组5、直流电容6、第一电流传感器7、第二电流传感器8、第三电流传感器9、第一电压传感器10、第二电压传感器11、第三电压传感器12、限流电阻13、接触器14、数字信号处理器15和控制变换器的驱动电路16构成。定子双绕组电机的控制绕组通过滤波电感2与控制变换器3相连，电机的功率绕组与励磁电容4相连，控制变换器3的母线上接有直流电容6，蓄电池组5通过限流电阻13和接触器14并在母线上。在蓄电池接入母线的瞬间，电流通过限流电阻13向母线电容充电，当母线电压和蓄电池端电压基本相同时，闭合接触器14，将限流电阻13短接，此时蓄电池通过接触器直接与控制绕组母线相连。电机的控制系统由数字信号处理器15，驱动电路16以及检测电路第一电流传感器7、第二电流传感器8、第三电流传感器9、第一电压传感器10、第二电压传感器11、第三电压传感器12、限流电阻13构成，控制变换器3的开关管可以采用IGBT或者智能功率模块(IPM)。

本发明的工作原理描述如下：

定子双绕组电机中，两套定子绕组共享同一气隙磁场，两者的关系相当于变压器的原边和副边，它们之间可以通过变压器原理相互传递能量，转子采用笼型绕组，当转子频率大于定子频率时，电机处于超同步发电，原动机对外输出能量。当发电机发出的能量大于负载所需的能量时，能量一部分消耗在负载上，另一部分则通过电机控制侧变换器向蓄电池中充电。此时，控制器根据当前蓄电池的状态计算出最佳的电机功率给定，根据该功率给定，功率变换器调节电机的转差频率，实现电机电磁转矩的控制，进而对蓄电池能量进行管理。而当负载突然增加时，由于原动机能量变换缓慢，无法跟随电负荷的变化，如需维持功率绕组输出电压幅值不变，则需通过功率变换器改变控制绕组的输出电压幅值使得蓄电池能量向外释放，通过电机内部磁路耦合至功率绕组侧，此时负载的能量由原动机和蓄电池联合提供。在该状态下，蓄电池能量管理单元重新计算出电机功率给定，根据新的电机给定功率，定子频率随之降低，发电机输出能量提高。如果此时定子频率已经降至47.5HZ，即GB/T 20321规定的逆变器工作时最低频率，而发电机的功率依然小于负载功率，此时控制器将进行判断，若蓄电池依然有电，则系统可以正常输出功率，否则将降低功率侧输出的电压幅值来对蓄电池进行保护。对于突卸负载的状态，蓄电池的能量将瞬间增加，若此时控制器判断电池处于正常充电状态，则将重新计算出适合的发电机功率给定值，功率变换器调节电机功率，使得蓄电池工作在最优状态。通过若此时蓄电池处于过冲状态，则蓄电池保护模块将快速提高定子频率，使得原动机能量迅速减少，以达到保护蓄电池的目的。

综上所述，根据图3所示，定子双绕组异步电机定频发电控制方法可以通过如下具体步骤实现：

步骤1, 根据控制侧电压传感器、电流传感器的测量值得到蓄电池端电压和电流，据此判断出蓄电池当前的状态，即蓄电池过冲，蓄电池过放两种非正常工作状态及正常工作状态，其中当蓄电池充满或瞬时充电电流过大则判定为蓄电池过充，当蓄电池端电压过低或瞬时放电电流过大则判定为蓄电池过放，对于正常工作状态下的蓄电池，针对不同的蓄电池端电压，将其分为恒流充电，恒压充电以及浮充三种状态进行控制。

步骤2, 根据控制侧和功率侧电压传感器、电流传感器的测量值计算得到电机定子磁链和定子电流，计算出电机的电磁转矩，并结合当前转速传感器的数值计算出此时的原动机功率，根据如下公式计算出功率变换器输出电压的频率给定值：

其中

为功率变换器输出频率给定值，根据GB/T 20321中对于独立逆变器电频率的要求，

被限制在47.5HZ至52.5HZ之间，

为转子转速

对应的电频率，

为原动机检测功率，

为第一比例系数，

为第一积分系数，为原动机功率给定，由当前蓄电池状态给出，当蓄电池处于恒流充电时有：

其中

为控制绕组母线电流的给定，

为控制绕组母线电流，

为第二比例系数，

为第二积分系数，

为整式求导标志；

当蓄电池处于恒压充电或浮充充电时，电机功率给定由双比例积分调节器（PI调节器）构成，其中蓄电池恒压充电或浮充充电的目标电压值与蓄电池端电压之差的PI值构成蓄电池电流给定，再由蓄电池电流给定与蓄电池电流之差的PI值计算得出发电机的功率给定：

式中

为蓄电池恒压充电或浮充充电的端电压给定，

为控制侧母线测量电压，

为第三比例系数，为第三积分系数。如果蓄电池处于过冲状态，则蓄电池保护单元将定子频率快速上升，减少原动机输入功率。

步骤3, 根据功率侧电压传感器的测量值计算得到功率绕组侧输出工频交流电压的幅值，根据当前蓄电池状态和负载状态决定当前电压幅值的给定值，利用如下公式计算出功率变换器输出电压的幅值给定值：

其中，

为当前功率变换器输出电压的复制给定，和

分别为功率绕组的交流电压给定幅值和当前幅值。

为第四比例系数，为第四积分系数。若此时蓄电池处于过放状态，则蓄电池保护单元作用，功率变换器输出电压的幅值给定快速下降，降低负载功率。

步骤4, 根据步骤3和4求出的变换器输出电压的给定频率和幅值，采用空间电压矢量调制，通过驱动电路驱动功率变换器开关管，由功率变换器控制定子双绕组异步发电机的定子旋转磁场的大小和转速。

Claims (1)

1.一种定子双绕组异步电机发电系统定频发电的方法，其特征在于，包括如下步骤：

    步骤1, 根据控制侧电压传感器、电流传感器的测量值得到蓄电池端电压和电流，据此判断出蓄电池当前的状态，即蓄电池过冲，蓄电池过放两种非正常工作状态及正常工作状态，其中当蓄电池充满或瞬时充电电流过大则判定为蓄电池过充，当蓄电池端电压过低或瞬时放电电流过大则判定为蓄电池过放，对于正常工作状态下的蓄电池，针对不同的蓄电池端电压，将其分为恒流充电，恒压充电以及浮充三种状态进行控制；

步骤2, 根据控制侧和功率侧电压传感器、电流传感器的测量值计算得到电机定子磁链和定子电流，计算出电机的电磁转矩，并结合当前转速传感器的数值计算出此时的原动机功率，根据如下公式计算出功率变换器输出电压的频率给定值：

其中

为功率变换器输出频率给定值，根据GB/T 20321中对独立逆变器电频率的要求，

被限制在47.5HZ至52.5HZ之间，

为转子转速

对应的电频率，

为原动机检测功率，

为第一比例系数，

为第一积分系数，

为原动机功率给定，由当前蓄电池状态给出，当蓄电池处于恒流充电时有：

其中为控制绕组母线电流的给定，

为控制绕组母线电流，

为第二比例系数，

为第二积分系数，

为整式求导标志；

当蓄电池处于恒压充电或浮充充电时，电机功率给定由双比例积分调节器，即PI调节器构成，其中蓄电池恒压充电或浮充充电的目标电压值与蓄电池端电压之差的PI调节器输出值构成蓄电池电流给定，再由蓄电池电流给定与蓄电池电流之差的PI调节器输出值计算得出发电机的功率给定：

式中为蓄电池恒压充电或浮充充电的端电压给定，

为控制侧母线测量电压，

为第三比例系数，

为第三积分系数；当蓄电池处于过冲状态，则蓄电池保护单元将定子频率快速上升，减少原动机输入功率；

    步骤3, 根据功率侧电压传感器的测量值计算得到功率绕组侧输出工频交流电压的幅值，根据当前蓄电池状态和负载状态决定当前电压幅值的给定值，利用如下公式计算出功率变换器输出电压的幅值给定值：

       其中，

为当前功率变换器输出电压的幅值给定，

和分别为功率绕组的交流电压给定幅值和当前幅值，

为第四比例系数，

为第四积分系数；若此时蓄电池处于过放状态，则蓄电池保护单元作用，功率变换器输出电压的幅值给定快速下降，降低负载功率；

    步骤4, 根据步骤3和步骤4求出的变换器输出电压的给定频率和幅值，采用空间电压矢量调制，通过驱动电路驱动功率变换器开关管，由功率变换器控制定子双绕组异步发电机的定子旋转磁场的大小和转速。

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