CN105811822A - 笼型异步发电机带异步电动机直接启动装置及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了笼型异步发电机带异步电动机直接启动装置，包括原动机，笼型异步发电机，励磁电容，DSTATCOM，异步电动机及DSP控制器；原动机与笼型异步发电机连接，笼型异步发电机与励磁电容并联，DSTATCOM与异步电动机并接于笼型异步发电机机端的公共耦合点，DSP控制器与DSTATCOM连接，执行实施控制算法。本发明还公开了上述装置的控制方法，采用双闭环控制策略，并引入瞬时功率平衡理论和耦合点谐波电压前馈控制，抑制异步电动机这种非线性负载的谐波干扰，实现笼型异步发电机带大容量异步电动机直接启动。

Description

笼型异步发电机带异步电动机直接启动装置及控制方法
技术领域
本发明涉及电能质量和分布式发电技术领域，特别涉及一种笼型异步发电机带异步电动机直接启动装置及控制方法。
背景技术
在我国许多偏远地区，电网的延伸需要很大的投入，而往往这些地区有着丰富风能，水能，特别是有很大的石油及矿物储藏；石油及矿物勘探的许多设备都需要电能。利用这些地方的风能或水能发电供这一地区负荷用电，是较为经济可行的方案。
在众多分布式发电用发电机中，笼型异步发电机具有结构简单、坚固耐用、价格便宜、维护简单等优点，在独立发电系统广泛应用。笼型异步发电机在独立需要外接励磁电容才能自激建压。且带载能力差，通常其带能力为其额定容量的25％。特别是在油气勘探中需要用到较大容量的异步电动机，其启动电流通常为自身额定电流的4-7倍，这对于笼型异步发电机有很大的冲击造成电压大幅跌落甚至出现电压崩溃。异步电动机为阻感非线性动态负载，运行时会带来很大成分的谐波，这对发电机系统是非常不利的；谐波会造成发电机输出波形的畸变，且增加发电机的电磁损耗、降低了发电机系统的能量转换效率。
因此研究一种可提高发电机的带载能力、实现异步电动机直接启动的装置及方法十分必要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可提高发电机的带载能力、实现异步电动机直接启动的装置及控制方法，为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
笼型异步发电机带异步电动机直接启动装置，包括原动机，笼型异步发电机，励磁电容，DSTATCOM，异步电动机及DSP控制器。所述的原动机与笼型异步发电机连接，所述的笼型异步发电机与励磁电容并联，所述的励磁电容为笼型异步发电机保证自激建压。所述的DSTATCOM与异步电动机并接于笼型异步发电机机端的公共耦合点，所述的DSTATCOM为笼型异步发电机的无功补偿稳压装置及异步电动机的起动装置。所述的DSP控制器与DSTATCOM连接，执行实施控制算法。
本发明还公开了笼型异步发电机带异步电动机直接启动装置的控制方法，采用瞬时功率平衡原理，DSP控制器通过采集模块和计算模块计算合成三相电流参考指令，实现三相电流内环控制；分离公共耦合点电压的谐波分量，计算公共耦合点的电压幅值，实现DSTATCOM直流侧电压外环及公共耦合点电压幅值外环控制；通过公共耦合点的谐波电压前馈控制方法控制DSTATCOM进行无功补偿，抑制异步电动机非线性负载的谐波干扰；同时合成调制波信号再经SPWM调制得到驱动信号，直接启动笼型异步发电机。
进一步地，所述的计算模块包括瞬时有功功率计算模块，瞬时无功功率计算模块，正交相位计算模块及耦合点幅值计算模块，其控制过程包括以下步骤：
S1.数据采集：DSP控制器的采集模块实时对公共耦合点电压，笼型异步发电机输出电流，异步电动机定子电流，DSTATCOM直流侧电压进行采集。
S2.电动机功率计算：瞬时有功功率计算模块和瞬时无功功率计算模块分别计算异步电动机负载的瞬时有功功率，无功功率。
S3.公共耦合点电压幅值计算：耦合点幅值计算模块分离出公共耦合点电压的谐波分量，由耦合点电压计算出公共耦合点电压幅值。
S4.DSTATCOM内环有功无功电流分量计算：步骤S2得到的瞬时有功功率、无功功率经过LPF低通滤波器滤除交流波动分量，耦合点电压幅值参考值和实际值的偏差经过PI调节器输出，DSTATCOM直流侧电压采样值和指令值的偏差经直流侧电压PI调节器输出，计算内环有功电流分量、无功电流分量。
S5.三相电流参考值计算：正交相位计算模块根据公共耦合点电压计算出发电机单位有功分量和单位正交的无功分量，然后结合步骤S4得到的内环有功电流分量和无功电流分量计算合成内环三相内流的参考值。
S6.前馈控制：步骤S5得到的三相电流参考值和实际值的偏差经内环PI调节器输出得到调节电压，与步骤S3得到的公共耦合点电压的谐波分量合成调制波信号，以公共耦合点谐波电压前馈对谐波进行抑制。
S7.电路启动：步骤S6的调制波信号经SPWM调制得到开关管的驱动信号，直接启动笼型异步发电机。
采用上述技术方案后，本发明具有如下优点：
(1)本发明装置采用并接于发电机机端的静止同步补偿器(DSTATCOM)，既作为笼型异步发电机的无功补偿稳压装置，又兼作电动机的起动装置，提高异步发电机的带载能力和异步电动机直接启动系统的暂态稳定性。
(2)本发明控制方法采用DSTATCOM直流侧电压、公共耦合点电压幅值外环，电流内环双闭环控制策略；并引入瞬时功率平衡理论和耦合点谐波电压前馈控制，抑制异步电动机这种非线性负载的谐波干扰，实现笼型异步发电机带大容量异步电动机直接启动，并抑制发电机定子谐波的产生，减小大容量电动直接启动对发电的冲击，提高系统的动态响应速度和暂态特性。
(3)本发明的控制策略采用abc三相坐标系，无需任何坐标变换，物理意义明晰，相对于传统dq坐标系的矢量控制缩短了算法的微机代码执行时间。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图。
图2为本发明控制方法流程图。
图3为本发明的计算模块运行控制框图。
主要组件符号说明：
1：原动机，2：笼型异步发电机，3：励磁电容，4：DSTATCOM，5：异步电动机
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。
如图1所示，本发明公开了一种笼型异步发电机带异步电动机直接启动装置，包括原动机1，笼型异步发电机2，励磁电容3，DSTATCOM(静止同步补偿器4)，异步电动机5及DSP控制器。
原动机1与笼型异步发电机2连接，笼型异步发电机2与励磁电容3并联，励磁电容3为笼型异步发电机2保证自激建压。DSTATCOM与异步电动机5并接于笼型异步发电机2机端的公共耦合点，DSTATCOM为笼型异步发电机2的无功补偿稳压装置及异步电动机5的起动装置。DSP控制器与DSTATCOM连接，执行实施控制算法。
本发明还公开了上述笼型异步发电机带异步电动机直接启动装置的控制方法：
(1)采用瞬时功率平衡原理，DSP控制器通过采集模块和计算模块计算合成三相电流参考指令，实现三相电流内环控制；如图3示，计算模块包括瞬时有功功率计算模块，瞬时无功功率计算模块，正交相位计算模块及耦合点幅值计算模块。分离公共耦合点电压的谐波分量，计算公共耦合点的电压幅值，实现DSTATCOM直流侧电压外环及公共耦合点电压幅值外环控制。即DSTATCOM直流侧电压外环、公共耦合点电压幅值外环，电流内环双闭环控制策略。
(2)通过公共耦合点的谐波电压前馈控制方法控制DSTATCOM进行无功补偿，抑制异步电动机非线性负载的谐波干扰；同时合成调制波信号再经SPWM调制得到驱动信号，直接启动笼型异步发电机。
如图2～3所示，其控制计算过程详述如下：
S1.数据采集：DSP控制器的采集模块实时对公共耦合点电压upa，upb，upc，笼型异步发电机输出电流异步电动机定子电流ila，ilb，ilc，DSTATCOM直流侧电压进行采集。
S2.电动机功率计算：瞬时有功功率计算模块和瞬时无功功率计算模块分别计算异步电动机负载的瞬时有功功率无功功率
采用abc三相坐标系的异步电动机负载瞬时功率，按以下公式(1)计算：
S3.公共耦合点电压幅值计算：耦合点幅值计算模块分离出公共耦合点电压的谐波分量upa1，upb1，upc1，由耦合点电压upa，upb，upc据以下公式2计算出公共耦合点电压幅值up。
S4.DSTATCOM内环有功、无功电流分量计算：
(1)电动机瞬时有功功率pl，经过低通滤波器LPF，滤除因电动机定转子绕组引起的二倍频量得到有功直流分量进一步根据公式(3)计算出itp。
(2)电动机瞬时无功功率Ql经过低通滤波器LPF，滤除因二倍频非量得到有功直流分量进一步根据公式(4)计算出itq。
(3)由耦合点电压幅值参考值up *和实际值up的偏差经过机端电压幅值PI调节器输出电流根据DSTATCOM直流侧电压采样值和指令电流的偏差经电流侧电压PI调节器的输出电流
(4)按下列公式(5)计算有功电流分量ip *、无功电流分量iq *：
S5.三相电流参考值计算：正交相位计算模块根据公共耦合点电压upa、upb、upc按如下公式(6、7)计算出单位有功分量va、vb、vc和单位正交的无功分量wa、wb、wc，然后结合步骤S4得到的有功电流分量ip *和无功电流分量iq *按公式(8)计算合成内环三相内流的参考值
S6.前馈控制：步骤S5得到的三相电流参考值和实际值的偏差经内环PI调节器输出得到调节电压与步骤S3得到的公共耦合点电压的谐波分量upa1，upb1，upc1合成调制波信号，以公共耦合点谐波电压前馈对谐波进行抑制。
S7.电路启动：步骤S6的调制波信号经SPWM调制得到开关管的驱动信号，直接启动笼型异步发电机。
综上，本发明装置和方法实现了笼型异步发电机带大容量异步电动机直接启动，抑制了异步电动机非线性负载产生的谐波，提高了发电机系统的能量转换效率。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.笼型异步发电机带异步电动机直接启动装置，其特征在于：包括原动机，笼型异步发电机，励磁电容，DSTATCOM，异步电动机及DSP控制器；
所述的原动机与笼型异步发电机连接，所述的笼型异步发电机与励磁电容并联，所述的励磁电容为笼型异步发电机保证自激建压；
所述的DSTATCOM与异步电动机并接于笼型异步发电机机端的公共耦合点，所述的DSTATCOM为笼型异步发电机的无功补偿稳压装置及异步电动机的起动装置；
所述的DSP控制器与DSTATCOM连接，执行实施控制算法。
2.权利要求1所述的笼型异步发电机带异步电动机直接启动装置的控制方法，其特征在于：采用瞬时功率平衡原理，DSP控制器通过采集模块和计算模块计算合成三相电流参考指令，实现三相电流内环控制；分离公共耦合点电压的谐波分量，计算公共耦合点的电压幅值，实现DSTATCOM直流侧电压外环及公共耦合点电压幅值外环控制；通过公共耦合点的谐波电压前馈控制方法控制DSTATCOM进行无功补偿，抑制异步电动机非线性负载的谐波干扰；同时合成调制波信号再经SPWM调制得到驱动信号，直接启动笼型异步发电机。
3.根据权利要求2所述的笼型异步发电机带异步电动机直接启动装置的控制方法，其特征在于：所述的计算模块包括瞬时有功功率计算模块，瞬时无功功率计算模块，正交相位计算模块及耦合点幅值计算模块，其控制过程包括以下步骤：
S1.数据采集：DSP控制器的采集模块实时对公共耦合点电压，笼型异步发电机输出电流，异步电动机定子电流，DSTATCOM直流侧电压进行采集；
S2.电动机功率计算：瞬时有功功率计算模块和瞬时无功功率计算模块分别计算异步电动机负载的瞬时有功功率，无功功率；
S3.公共耦合点电压幅值计算：耦合点幅值计算模块分离出公共耦合点电压的谐波分量，由耦合点电压计算出公共耦合点电压幅值；
S4.DSTATCOM内环有功无功电流分量计算：步骤S2得到的瞬时有功功率、无功功率经过LPF低通滤波器滤除交流波动分量，耦合点电压幅值参考值和实际值的偏差经过PI调节器输出，DSTATCOM直流侧电压采样值和指令值的偏差经直流侧电压PI调节器输出，计算内环有功电流分量、无功电流分量；
S5.三相电流参考值计算：正交相位计算模块根据公共耦合点电压计算出发电机单位有功分量和单位正交的无功分量，然后结合步骤S4得到的内环有功电流分量和无功电流分量计算合成内环三相内流的参考值；
S6.前馈控制：步骤S5得到的三相电流参考值和实际值的偏差经内环PI调节器输出得到调节电压，与步骤S3得到的公共耦合点电压的谐波分量合成调制波信号，以公共耦合点谐波电压前馈对谐波进行抑制；
S7.电路启动：步骤S6的调制波信号经SPWM调制得到开关管的驱动信号，直接启动笼型异步发电机。
4.根据权利要求3所述的笼型异步发电机带异步电动机直接启动装置的控制方法，其特征在于：采用abc三相坐标系的矢量控制，步骤S1中公共耦合点电压upa，upb，upc，笼型异步发电机输出电流异步电动机定子电流ila，ilb，ilc，DSTATCOM直流侧电压步骤S2中异步电动机负载的瞬时有功功率无功功率按以下公式(1)计算：
5.根据权利要求4所述的笼型异步发电机带异步电动机直接启动装置的控制方法，其特征在于：步骤S3中分离出公共耦合点电压的谐波分量为upa1，upb1，upc1,由耦合点电压upa，upb，upc按下列公式2计算得到公共耦合点的电压幅值up：
6.根据权利要求5所述的笼型异步发电机带异步电动机直接启动装置的控制方法，其特征在于：步骤S4中有功电流分量ip *、无功电流分量iq *的计算过程为：
(1)电动机瞬时有功功率pl，经过低通滤波器LPF，滤除因电动机定转子绕组引起的二倍频量得到有功直流分量进一步计算出itp，计算公式为
(2)电动机瞬时无功功率Ql经过低通滤波器LPF，滤除因二倍频非量得到有功直流分量进一步计算出itq，计算公式为：
(3)由耦合点电压幅值参考值up *和实际值up的偏差经过机端电压幅值PI调节器输出电流根据DSTATCOM直流侧电压采样值和指令电流的偏差经电流侧电压PI调节器的输出电流
(4)按下列公式计算有功电流分量ip *、无功电流分量iq *：
7.根据权利要求6所述的笼型异步发电机带异步电动机直接启动装置的控制方法，其特征在于：步骤S5中，由公共耦合点电压upa、upb、upc计算出单位有功分量va、vb、vc，和单位正交的无功分量wa，wb，wc，进而得到合成内环三相电流的参考值 计算公式如下：
8.根据权利要求7所述的笼型异步发电机带异步电动机直接启动装置的控制方法，其特征在于：步骤S6中三相电流的参考值和其实际值isa，isb，isc的偏差经内环PI调节器输出得由公共耦合点的电压提取电压谐波分量upa1，upb1，upc1前馈，和合成调制波信号，以公共耦合点谐波电压前馈对谐波进行抑制。
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