CN106385050A - 双馈感应发电机低电压穿越控制系统 - Google Patents

Abstract

一种双馈感应电机低电压穿越控制系统，包括三相电网、双馈电机、变流器、锁相环、定子电压电流clarke变换单元、定子有功功率/无功功率计算单元、转子电流clarke/park变换单元、功率外环、转子电流内环、SVPWM调制计算单元和Crowbar电路，所述低电压穿越控制系统还包括定子阻尼电阻投切装置，所述双馈电机的定子绕组通过所述定子阻尼电阻投切装置与三相电网相接；所述定子阻尼电阻投切装置由双向晶闸管和阻尼电阻并联实现。本发明提供一种加快定子磁链去磁过程、改善机组在低电压穿越过程中的控制特性的双馈感应发电机低电压穿越控制系统。

Description

双馈感应发电机低电压穿越控制系统

技术领域

本发明涉及双馈感应发电机的控制技术，尤其是一种双馈感应发电机低电压穿越控制系统。

背景技术

随着风电渗透率的不断增加，大量机组从电网切出会导致电网有功功率和无功功率的严重不平衡，由此带来的扰动会使整个电网稳定性变差，严重时会由单一的故障发展为多重故障。因此，风电并网准则要求，当电网电压骤降时，风电机组需保持并网运行，并向电网提供一定的无功支撑，帮助电网电压抬升进而帮助电网电压的恢复；同时，在电网电压恢复后，风电机组要能够迅速恢复到正常运行状态，并向电网输出有功功率，从而“穿越”电网的低电压区域。

风电市场中，双馈型风电机组是主力机型之一，相比于直驱机型，由于双馈电机并网时定子直接连接电网，其低电压穿越控制相对复杂。

当电网因短路故障导致定子电压跌落时，由于电机磁链不能突变，此时定子磁链进入暂态过渡过程。若将定子磁链按照定子电压角频率进行定向分解，则在该旋转坐标系下，定子磁链暂态特性表现为持续较长时间的振荡衰减，该振荡磁链通过电机气隙磁场在定转子绕组上产生相应的感应电动势，随着电压跌落深度的增大，定子磁链振荡幅度也相应变大，感应电动势也随之增大，并在电机定转子绕组中产生大电流，严重时将导致风电机组因为过流保护而停机脱网。

目前，双馈风电机组大都采用了基于撬棒(Crowbar)电路的低电压穿越方案。当电网电压跌落时，通过Crowbar电路将转子变流器旁路，电机转子通过Crowbar电阻短接，定转子电流迅速减小，直到转子电流减小到可控范围后，恢复转子变流器控制并控制转子电压向电网发无功功率。然而，切入Crowbar电路容易引起机组并网点吸无功功率，对电网电压恢复产生不利影响；同时，由于定子磁链的欠阻尼特性，使得定子磁链的振荡衰减过程较长，采用传统的基于定子电压定向的矢量控制算法时很难较好的完成定转子电流在低电压穿越过程中的控制。

发明内容

为了克服已有双馈感应发电机低电压穿越控制方式的定子磁链去磁过程过长、控制特性较差的不足，本发明提供一种加快定子磁链去磁过程、改善机组在低电压穿越过程中的控制特性的双馈感应发电机低电压穿越控制系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种双馈感应电机低电压穿越控制系统，包括三相电网、双馈电机、变流器、锁相环、定子电压电流clarke变换单元、定子有功功率/无功功率计算单元、转子电流clarke/park变换单元、功率外环、转子电流内环、SVPWM调制计算单元和Crowbar电路，所述双馈电机的转子绕组同时与变流器的一端、Crowbar电路和转子电流clarke/park变换单元连接，所述变流器的另一端与所述三相电网相接，所述双馈电机的定子绕组同时与三相电网、定子电压电流clarke变换单元和锁相环相接，所述锁相环与转子电流clarke/park变换单元连接，所述转子电流clarke/park变换单元的输出端与转子电流内环的输入端相接；所述定子电压电流clarke变换单元与定子有功功率/无功功率计算单元连接，所述定子有功功率/无功功率计算单元与功率外环连接，所述功率外环与转子电流内环连接，所述转子电流内环与SVPWM调制计算单元连接，所述SVPWM调制计算单元的输出端与变流器的转子变流器件的开关器件连接，所述低电压穿越控制系统还包括定子阻尼电阻投切装置，所述双馈电机的定子绕组通过所述定子阻尼电阻投切装置与三相电网相接；所述定子阻尼电阻投切装置由双向晶闸管和阻尼电阻并联实现；正常并网运行时，驱动双向晶闸管导通，定子电流通过晶闸管注入电网；当电网电压跌落时，晶闸管断开，定子侧通过阻尼电阻并网。

进一步，所述定子阻尼电阻投切装置中，按设定的定子磁链衰减时间常数，选取所述定子电阻R_sd的大小，公式为：

$R_{sd}=\frac{L_s\·L_r-L_m^2}{0.5\·{\mathrm{\τ}}_s\·L_r}-R_s$

其中，τ_s为设计的定子磁链衰减时间常数，R_s为电机定子绕组电阻，L_m为电机励磁电感，L_s为电机定子电感，L_r为电机转子电感。

再进一步，在定子正序同步旋转坐标系中，采用比例积分控制器和比例谐振控制器并联的方式，实现对转子正负序电流的控制；

控制器G_controller(s)设计公式为：

$G_{controller}\left(s\right)=k_{p1}+\frac{k_{i1}}{s}+k_{p2}+\frac{k_{i2}\·s}{s^2+{\left(2{\mathrm{\ω}}_1\right)}^2}$

其中，k_p1,k_i1为比例积分控制器参数，k_p2,k_i2为比例谐振控制器参数，ω₁为定子电压旋转角频率。

更进一步，所述低电压穿越控制系统还包括转子前馈电压计算单元，所述转子前馈电压计算单元与定子电压电流clarke变换单元连接。

所述转子前馈电压计算单元中，改进的前馈电压Δu_{r_α},Δu_{r_β}，采用两相静止(αβ)坐标系下的定子电压u_{s_α}，u_{s_β}，定子电流i_{s_α}，i_{s_β}，转子电流i_{r_α}，i_{r_β}和电机旋转角频率ω_r计算得到

其中，L_m为电机励磁电感，L_s为电机定子电感，为αβ坐标系下的定子磁链，其计算公式为：

所述转子电流内环包括电流内环控制器、转子控制电压计算单元、控制器输出信号处理单元和转子控制电压反变换单元，所述转子电流clarke/park变换单元与所述电流内环控制器连接，所述电流内环控制器与所述控制器输出信号处理单元连接，所述控制器输出信号处理单元与所述转子控制电压计算单元连接，所述转子控制电压计算单元与转子控制电压反变换单元连接，所述转子控制电压反变换单元与SVPWM调制计算单元连接。

本发明的技术构思为：当电网短路故障导致定子电压跌落时，通过对定子磁链的暂态分析可知，为了加快低电压穿越期间定子振荡磁链的衰减速度，在电机定子侧串接一个可投切的阻尼电阻，该装置由双向晶闸管和阻尼电阻并联实现。正常并网运行时，驱动双向晶闸管导通，定子电流通过晶闸管注入电网；当电网电压跌落时，晶闸管断开，定子侧通过阻尼电阻并网。

分析可知，定子磁链暂态时间常数为：

${\mathrm{\τ}}_s=\frac{L_s\·L_r-L_m^2}{0.5\·R_s^{\′}\·L_r}$

其中，在低电压穿越期间，R_s′＝R_s+R_sd为电机定子电阻和定子阻尼电阻之和。

设定适当的衰减时间常数后可得所需的R_s′值，进而得到所需的阻尼电阻参数。

当电网电压出现大值跌落时，为了保护转子变流器，通常使用Crowbar电路将其旁路，待Crowbar切出后，转子电流控制器需要调整电流给定以满足向电网注入无功的要求。然而，Crowbar切入期间，经过短时间的放电去磁过程后，定子磁链虽然已经减小到较小值，但其振荡衰减过程仍未结束，绕组中的感应电动势仍然较大。此时，采用传统的定子电压定向的矢量控制算法时，受制于转子电流环控制器有限的控制能力，定转子电流中将含有大量的谐波分量，严重时将导致转子变流器过流保护进而导致机组低电压穿越失败。

若在转子控制电压中加入与该感应电动势反向的前馈电压，则可有效改善对定转子电流的控制。因此，采用定子磁链观测的方法对转子前馈电压算法进行优化改进。

传统的基于定子电压定向的转子电压控制算法可表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{rd}=(k_p+\frac{k_i}{s})\·{\mathrm{\Δi}}_{rd}-{\mathrm{\ω}}_s\·L_e\·i_{rq}+\frac{{\mathrm{\ω}}_s\·L_m}{{\mathrm{\ω}}_1\·L_s}{u}_s\\ u_{rq}=(k_p+\frac{k_i}{s})\·{\mathrm{\Δi}}_{rq}+{\mathrm{\ω}}_s\·L_e\·i_{rd}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，k_p,k_i为转子电流环比例积分(PI)调节器参数，Δi_rd,Δi_rq为dq轴转子电流误差，i_rd,i_rq为dq轴转子电流，L_e为转子等效电感，L_m为励磁电感，L_s为定子电感，L_r为转子电感，ω_s为转差频率，ω₁为电网电压角频率，u_s为定子正序电压峰值。

式(1)所示转子电压控制算法中的电压前馈项忽略了定子磁链动态过程对控制性能的影响。为此，采用定子磁链观测的方法，得到改进的转子电压控制算法为：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{r\mathrm{\α}}\\ u_{r\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}\\ \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}(k_p+\frac{k_i}{s})\·{\mathrm{\Δi}}_{rd}\\ (k_p+\frac{k_i}{s})\·{\mathrm{\Δi}}_{rq}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Δu}}_{r\mathrm{\α}}\\ {\mathrm{\Δu}}_{r\mathrm{\β}}\end{array}\right]---\left(2\right)$

其中，Δu_rα,Δu_rβ为改进的转子电压前馈项，结合电压方程可得

式(3)定子磁链的观测可由定子磁链方程得到，为了避免锁相环动态过程对前馈电压的影响，采用两相静止(αβ)坐标系下的电量计算该前馈电压。

当电网出现不对称故障时，定子电压将含有负序分量。此时，若分别按照正负序分离定向的方法对转子电流的正负序分量进行控制，则所需计算量大，转子电流环控制结构复杂；为此，将转子电流环设计为：在正序同步旋转坐标系的电流环比例积分调节器上并联接入比例谐振调节器，并将谐振频率设计为正序电压频率的2倍，用于控制转子电流中的负序分量。

本发明的有益效果主要表现在：1、低电压穿越期间，定子接入阻尼电阻，加快定子磁链的去磁过程，改善了机组在低电压穿越过程中的控制特性。2、转子电流环路的设计考虑了电网电压负序分量，将电流环控制器设计为比例积分控制器和比例谐振控制器并联的方式，使得在正序同步旋转坐标系下完成对负序分量的控制，避免了对转子电流进行正负序分离的运算，简化了算法程序；3、改进的转子电压前馈算法，考虑了定子磁链的动态过程，同时避免了锁相环动态过程对前馈电压的影响，大大提高控制精度。

附图说明

图1是双馈感应电机低电压穿越控制系统的原理框图。

图2是转子电流环控制框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1和图2，一种双馈感应电机低电压穿越控制系统，包括三相电网100、双馈电机101、变流器102、定子阻尼电阻投切装置103、锁相环104、定子电压电流clarke变换单元105、定子有功功率/无功功率计算单元106、转子电流clarke/park变换单元107、功率外环108、转子电流内环109、转子前馈电压计算单元110、SVPWM调制计算单元111和Crowbar电路112。

三相电网100是电网35KV母线经35KV/690V变压器后的三相交流电源。双馈感应发电机101的转子绕组接变流器102的转子变流器，定子绕组通过定子电阻投切装置103接三相电网100，三相电网100同时接变流器102的网侧变流器。

定子阻尼电阻投切装置103中阻尼电阻的设计公式为：

$R_{sd}=\frac{L_s\·L_r-L_m^2}{0.5\·{\mathrm{\τ}}_s\·L_r}-R_s$

其中，τ_s为设计的定子磁链衰减时间常数。

PLL锁相环104对双馈感应电机101定子电压进行锁相跟踪，得到电网正序电压旋转角频率ω₁，减去电机转子旋转角速度ω_r后得到转差角频率和角度θ_r。

定子电压/电流clarke变换单元105将采样得到的三相定子电压和定子电流通过坐标变换得到到两相静止(αβ)坐标系中两相电压和电流值u_{s_α},u_{s_β}及i_{s_α},i_{s_β}。

定子有功功率/无功功率计算单元106利用定子电压/电流clarke105得到的电压电流值，实时计算定子有功功率和无功功率，计算式为：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_s=u_{s\_\mathrm{\α}}\·i_{s\_\mathrm{\α}}+u_{s\_\mathrm{\β}}\·i_{s\_\mathrm{\β}}\\ Q_s=u_{s\_\mathrm{\β}}\·i_{s\_\mathrm{\α}}-u_{s\_\mathrm{\α}}\·i_{s\_\mathrm{\β}}\end{array}\right.$

转子电流clarke/park变换单元107将采样得到的三相转子电流经过clarke变换到两相静止坐标系下得到两相转子电流i_{r_α},i_{r_β}，结合PLL锁相环104得到的转差角度θ_r，利用park变换将转子电流变换到正序同步旋转dq坐标系下，得到dq轴转子电流i_rd,i_rq。

将定子电压/电流clarke变换单元105得到的定子电压和定子电流信号及转子电流clarke/park变换单元107得到的转子电流信号传入转子前馈电压计算单元110，结合电机转子旋转角速度ω_r得到两相静止(alpha-beta)坐标系下改进的转子电压前馈信号Δu_{r_α},Δu_{r_β}，计算式为：

其中，

功率外环108将功率给定信号P_ref,Q_ref与有功功率/无功功率计算106得到的实时有功功率和无功功率值分别相减后得到定子有功功率和无功功率的误差信号。

功率外环108使用比例积分控制器(PI)对定子有功功率和无功功率的误差信号进行比例积分控制，控制器输出的信号乘以系数Ls/Lm后得到转子电流的给定信号，并和转子电流clarke/park变换107得到的转子电流i_rd,i_rq相减得到转子电流误差。转子电流误差经转子电流内环109控制器controller计算后得到转子控制电压。

SVPWM调制计算111将转子控制电压u_{r_abc}调制生成PWM调制信号，通过驱动电路来控制变流器102的转子变流器中开关器件的导通。

系统正常并网运行时，功率外环108输出作为转子电流内环109给定；当电网电压大值跌落时，为了保护变流器102中转子变流器不过流，Crowbar电路112将变流器102中转子变流器旁路，使得电机定转子绕组快速放电；待转子电流减小到较小时，切出Crowbar电路，转子变流器恢复控制，变流器进入低电压穿越控制状态，期间功率外环108将被屏蔽，只有转子电流内环109工作直到电网电压恢复后再切换到功率外环控制模式。

图2转子电流环控制框图中，包括电流内环控制器201；转子控制电压计算单元202；控制器输出信号处理单元203；转子控制电压反变换单元204。

转子电流clarke/park变换单元107将转子电流进行坐标变换得到正序同步旋转坐标系下的转子电流信号i_rd,i_rq，同转子电流给定信号I_{rd_ref},I_{rq_ref}分别相减得到转子电流误差信号。

电流内环控制器201中，首先对转子电流误差进行比例积分控制，控制器表达式为：

$G_{PI}\left(s\right)=k_p+\frac{k_i}{s}$

为了对转子电流负序分量的进行控制，在以上比例积分控制器中并联一个比例谐振控制器，并将比例谐振控制器中谐振频率设计为正序电压频率的2倍，控制器表达式为：

$G_{PR}\left(s\right)=k_p+\frac{k_i\·s}{s^2+{\left(2{\mathrm{\ω}}_1\right)}^2}$

转子电流误差经过比例积分(PI)控制器和比例谐振(PR)控制器后得到转子电压调节信号。

控制器输出信号处理单元203利用PLL锁相环104得到的转差角度θ_r将电流内环控制器201得到的转子电压调节信号变换到两相静止坐标系下。

转子控制电压计算单元202将控制器输出信号处理单元203得到的信号同转子前馈电压计算单元110的输出结果相加，经由转子控制电压反变换单元205从两相静止(αβ)坐标系变换到三相自然坐标系后，得到转子控制电压u_ra,u_rb,u_rc。根据以上方法可以有效改善双馈电机在低电压穿越过程中的控制特性。

本实施例中，可投切的定子阻尼电阻，在机组低电压穿越期间加速定子磁链去磁，避免转子变流器在低电压穿越过程中过调制；正序同步旋转坐标系下的转子电流环和并联结构的电流环控制器，实现对转子正负序电流的有效控制；改进的转子前馈电压算法，采用定子磁链观测，在两相静止坐标系下对转子电压进行补偿，改善对转子电流的控制特性，提升系统的低穿性能。

Claims (6)

1.一种双馈感应电机低电压穿越控制系统，包括三相电网、双馈电机、变流器、锁相环、定子电压电流clarke变换单元、定子有功功率/无功功率计算单元、转子电流clarke/park变换单元、功率外环、转子电流内环、SVPWM调制计算单元和Crowbar电路，所述双馈电机的转子绕组同时与变流器的一端、Crowbar电路和转子电流clarke/park变换单元连接，所述变流器的另一端与所述三相电网相接，所述双馈电机的定子绕组同时与三相电网、定子电压电流clarke变换单元和锁相环相接，所述锁相环与转子电流clarke/park变换单元连接，所述转子电流clarke/park变换单元的输出端与转子电流内环的输入端相接；所述定子电压电流clarke变换单元与定子有功功率/无功功率计算单元连接，所述定子有功功率/无功功率计算单元与功率外环连接，所述功率外环与转子电流内环连接，所述转子电流内环与SVPWM调制计算单元连接，所述SVPWM调制计算单元的输出端与变流器的转子变流器件的开关器件连接，其特征在于：所述低电压穿越控制系统还包括定子阻尼电阻投切装置，所述双馈电机的定子绕组通过所述定子阻尼电阻投切装置与三相电网相接；所述定子阻尼电阻投切装置由双向晶闸管和阻尼电阻并联实现；正常并网运行时，驱动双向晶闸管导通，定子电流通过晶闸管注入电网；当电网电压跌落时，晶闸管断开，定子侧通过阻尼电阻并网。

2.如权利要求1所述的双馈感应电机低电压穿越控制系统，其特征在于：所述定子阻尼电阻投切装置中，按设定的定子磁链衰减时间常数，选取所述定子电阻R_sd的大小，公式为：

$R_{sd}=\frac{L_s\·L_r-L_m^2}{0.5\·{\mathrm{\τ}}_s\·L_r}-R_s$

其中，τ_s为设计的定子磁链衰减时间常数，R_s为电机定子绕组电阻，L_m为电机励磁电感，L_s为电机定子电感，L_r为电机转子电感。

3.如权利要求1或2所述的双馈感应电机低电压穿越控制系统，其特征在于：在定子正序同步旋转坐标系中，采用比例积分控制器和比例谐振控制器并联的方式，实现对转子正负序电流的控制；

控制器G_controller(s)设计公式为：

$G_{controller}\left(s\right)=k_{p1}+\frac{k_{i1}}{s}+k_{p2}+\frac{k_{i2}\·s}{s^2+{\left(2{\mathrm{\ω}}_1\right)}^2}$

其中，k_p1,k_i1为比例积分控制器参数，k_p2,k_i2为比例谐振控制器参数，ω₁为定子电压旋转角频率。

4.如权利要求1或2所述的双馈感应电机低电压穿越控制系统，其特征在于：所述低电压穿越控制系统还包括转子前馈电压计算单元，所述转子前馈电压计算单元与定子电压电流clarke变换单元连接。

5.如权利要求1或2所述的双馈感应电机低电压穿越控制系统，其特征在于：所述转子前馈电压计算单元中，改进的前馈电压Δu_{r_α},Δu_{r_β}，采用两相静止(αβ)坐标系下的定子电压u_{s_α}，u_{s_β}，定子电流i_{s_α}，i_{s_β}，转子电流i_{r_α}，i_{r_β}和电机旋转角频率ω_r计算得到

其中，L_m为电机励磁电感，L_s为电机定子电感，为αβ坐标系下的定子磁链，其计算公式为：

6.如权利要求3所述的双馈感应电机低电压穿越控制系统，其特征在于：所述转子电流内环包括电流内环控制器、转子控制电压计算单元、控制器输出信号处理单元和转子控制电压反变换单元，所述转子电流clarke/park变换单元与所述电流内环控制器连接，所述电流内环控制器与所述控制器输出信号处理单元连接，所述控制器输出信号处理单元与所述转子控制电压计算单元连接，所述转子控制电压计算单元与转子控制电压反变换单元连接，所述转子控制电压反变换单元与SVPWM调制计算单元连接。