CN108397242B - 基于异步电机全功率变流器调速小汽轮机控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于异步电机全功率变流器调速小汽轮机控制系统及其控制方法，包括全功率变流器、异步发电机、小汽轮机和控制器，所述异步发电机与小汽轮机相连以匹配转速参数，所述异步发电机与全功率变流器连接进行电压电流等级匹配；所述的全功率变流器与电网相连进行电压等级匹配，异步发电机通过全功率变流器进行转速控制和将多余小汽轮机功率发电上网，所述控制器通过控制全功率变流器从而控制异步发电机的转速控制。本发明的有益效果为：回热小汽机带发电机的技术方案可以极大提高回热系统的热效率，减少机组损耗。发电机发出的电量可以用来减小厂用电率，增加售电收益。

Description

基于异步电机全功率变流器调速小汽轮机控制系统和方法

技术领域

本发明涉及火力发电中，汽轮机的控制方法和控制系统，具体涉及一种基于异步电机全功率变流器调速的回热小汽轮机控制系统和方法。

背景技术

火力发电在我国的发电格局中占主导地位，降低发电煤耗可以节约有限的煤炭资源，同时减少对大气的排放污染。机组的大容量高参数可提高热循环效率，满足机组经济性要求。随着国内外最新的耐高温材料的研制成功，中国神华能源股份有限公司、中国能源建设集团有限公司(由其下属华东电力设计院有限公司负责开展具体业务)和上海电气集团股份公司三方共同实施了“超620℃高效超超临界1000MW二次再热燃煤发电机组示范项目关键技术研究”，使机组发电效率有望提高至50％以上，发电煤耗降至248g/kwh以下。为提高热效率，节省燃料，华东院提出了一种新型的配回热小汽轮机的二次再热机组回热系统，且已获得专利。申请号为“201310352601.4”、申请公布号为“CN103362770A”、名称为“工频发电机调速的背压式小汽轮机驱动给水泵系统”的发明中，公开了回热小汽轮机1’用一次再热冷段蒸汽作为汽源推动同轴的给水泵2’或风机转动，供足够的水量或风量给后续工艺系统使用，过热度较低的回热小汽轮机抽汽和排汽通过加热器加热给水，通过调节阀3’对开度进行调节。同时，为减小回热小汽轮机进汽阀的节流损失，使进汽阀运行在全开或较大开度工况，汽量平衡要求回热小汽轮机带发电机，将多余功率发电上网，实现功率平衡的同时完成转速控制，匹配用户的用量需求。在公开的专利中，无法对汽轮机侧的发电机进行功率调节，也没有公开其具体的控制策略。

现有的大容量高参数机组多采用再热和回热技术以提高经济效益，而随着再热蒸汽温度的不断提高，再热后抽汽过热度过高的现象也增加了回热加热器内的不可逆损失，削弱了回热的效果。回热小汽轮机可以将再热冷段蒸汽作为汽源做功，同时小机中过热度较低的抽汽和排汽作为加热器的汽源，可减小加热器中的不可逆损失，提高机组热效率。回热小汽轮机还可带动给水泵或风机运行以提供用户用水或用风，类似于常规的汽动给水泵和汽动风机。图1展示了回热小汽轮机带给水泵运行的配置图。

与常规带汽动给水泵的机组相比，应用回热小汽轮机的机组减少了对再热后的抽汽，更多过热度较高的蒸汽参与汽轮机做功，使得整体机组的运行效率得到提高。

回热小汽轮机的转速可以通过调节小汽轮机入口调节门的开度来控制，控制回路可选择简单的单闭环PID控制，如图2。

给水泵作为一个发电厂的心脏，其本身需要消耗很多能量来带动水从低压侧流向高压侧，供给足量的水给用户。给水泵可分为电动给水泵和汽动给水泵。

电动给水泵可通过液力耦合器或变频装置调速，但由于需要消耗大量厂用电，其经济性较汽动给水泵差。

汽动给水泵通过一个独立的小汽轮机来驱动给水泵，汽源来自汽轮机某一级抽汽，排汽进入主凝汽器或自带凝汽器，转速通过进汽门开度调节，结构与图1类似，无抽汽环节。对于大容量高参数机组来说，回热系统的再热后抽汽过热度较高，需额外增加外置蒸汽冷却器以提高机组经济性。且通过进汽门开度调节给水泵转速，增加了进汽工质的节流损失。

为提高过热度较高抽汽的利用效率，回热小汽轮机应运而生。它利用过热度较低的小汽轮机抽汽和排汽来加热给水，而过热度较高的再热蒸汽回到主汽轮机参与做功，能很大程度提高机组的运行效率，降低发电煤耗。同样地，给水泵的转速需要通过调节进汽阀开度进行控制。为满足长期夏季机组满发，小汽轮机的额定出力通常比给水泵的额定出力大，而给水泵的额定出力比机组额定负荷所需要的出力大，故小汽轮机的额定出力有较大裕量，小汽轮机的进汽阀大部分运行时间开度较小，造成较大的节流损失。

电动风机与电动给水泵有相同的耗电问题，汽动风机与汽动给水泵也有相同的效率问题，而通过调节风机动叶来调节风量的方法也存在节流损失。这些应用降低了电厂的发电效率。从提高效率的角度出发，如果能避免小汽轮机的节流损失，同时小汽轮机转速可调以适应负荷变化，则能提高机组效率。

为避免小汽轮机进汽阀的节流损失，必须找到一种使进汽阀大部分运行时间全开或保持较大开度的方法。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提出一种小汽轮机带发电机的技术方案。通过调节发电机出力来控制小汽轮机转速，使小汽轮机进汽阀保持较大开度或全开，减少节流损失。同时能充分利用小汽轮机的出力，通过发电机向厂用电网供电，减小厂用电率，提高电厂的售电收益。

为了达到上述目的，提供一种基于异步电机全功率变流器调速小汽轮机控制系统，包括全功率变流器、异步发电机、小汽轮机和控制器，所述异步发电机与小汽轮机相连以匹配转速参数，所述异步发电机与全功率变流器连接进行电压电流等级匹配；所述的全功率变流器与电网相连进行电压等级匹配，异步发电机通过全功率变流器进行转速控制和将多余小汽轮机功率发电上网，所述控制器通过控制全功率变流器从而控制异步发电机的转速控制。

还包括给水泵，所述给水泵、小汽轮机、异步发电机同轴相连，通过控制异步发电机的输出，从而控制所述小汽轮机的转速，进而控制所述给水泵的转速。

所述小汽轮机设有进气管道，所述进气管道上设有调节阀。

所述给水泵和异步发电机分别与所述小汽轮机两侧的轴端相连。

设置的全功率变流器具有调节电机功率的作用。

进一步地，所述的全功率变流器包括两个电压源型变流器，分别为网侧变流器和机侧变流器，两者通过共用直流侧电容形成背靠背结构。

全功率变流器由两个背靠背的共用直流侧的电压源型变流器组成，机侧变流器实现异步发电机的转速控制，并进行异步发电机和变流器直流侧的能量转动，网侧变流器实现直流侧电压的稳定，并实现电网和变流器直流侧之间的能量传动，如此全功率变流器即可实现异步发电机的转速控制，同时实现多余功率的发电上网。

保证了多余功率发电上网的技术难题后，小汽轮机的进气阀可以保持较大开度或全开，减少近期的节流损失，保证机组全负荷范围内BEST小机的工作效率，提高机组发电效率和上网竞争力。

所述的异步发电机与小汽轮机同轴连接或所述的异步发电机与小汽轮机通过齿轮箱连接。其主要目的是为了匹配转速参数。

所述的异步发电机与全功率变流器直接连接或配置有变压器。其目的是为了进行电压电流等级匹配。

所述全功率变流器与电网通过平波电抗器相连或所述的全功率变流器与电网间配置有变压器。其目的是为了实现电压电流等级匹配。

不调节小汽轮机进气阀开度的情况下，BEST小机系统可以控制的部分只有全功率变流器，分为网侧变流器和机侧变流器，两个变流器分别通过两种控制器进行控制。

优选的，所述的控制器包括网侧变流器控制器，所述网侧变流器控制器包括：

电流采集模块，用于采集全功率变流器交流侧电流i_a、i_b、i_c；

电压采集模块，用于采集全功率变流器直流侧电压v_dc；

电压闭环控制模块，所述电压采集模块输出端接入电压闭环控制模块的输入端，用于将给定电压v_dc ^*和实测电压v_dc之差转化成d轴电流分量指令i_rd ^*；

Clarke变换模块和Park变换模块，所述的电流采集模块的输出端接入Clarke变换模块的输入端，Clarke变换模块的输出端接入Park模块的输入端，用于将交流电流i_a、i_b、i_c变换为d-q坐标下的值i_rd和i_rq；

电流闭环控制模块，所述的电流闭环控制模块包括d轴电流闭环控制模块、q轴电流闭环控制模块，所述电压闭环控制模块的输出指令i_rd ^*接入d轴电流闭环控制模块的输入端，用于将d轴电流分量指令i_rd ^*与实际i_rd的差转化为d轴电压指令v_d，并将q轴电流分量指令i_rq ^*与实际i_rq的差转化为q轴电压指令v_q；

Park逆变换模块，用于将电压指令v_d和v_q转化为静止坐标系下的两相电压；

SVPWM模块，所述的Park逆变换器的输出端接入SVPWM模块的输入端，所述的SVPWM模块的输出端接入网侧变流器。

网侧变流器可以采用定直流侧电压控制，保证直流侧电压的稳定。从异步发电机传输来的有功功率如果不及时消纳，将造成直流侧电压的突升，影响器件的安全运行。

i_rd和i_rq为网侧电流i_a，i_b和i_c在d-q坐标系下的值，v_d和v_q为变流器输出电压v_a，v_b和v_c在d-q坐标系下的值；ω₁为d-q同步旋转坐标系的角频率。取d轴为网侧电压矢量的方向，q轴为逆时针旋转90°。

网侧变流器VSC1的控制策：外环为直流侧电压环，稳定直流侧电压和进行功率传输，内环为电流环，保证网侧电流与实际指令相符，实现单位功率因数控制。

优选的，所述控制器包括机侧变流器控制器，所述机侧变流器控制器包括：

电流采集模块，用于采集电机定子电流i_A、i_B、i_C；

转速测量模块，用于测量电机转速ω_m；

Clarke变换模块和Park变换模块，所述的电流采集模块的输出端接入Clarke变换模块的输入端，Clarke变换模块的输出端接入Park模块的输入端，用于将电流i_A、i_B、i_C变换为M-T坐标下的值M轴分量i_sm和T轴分量i_st；

磁链位置观测模块，所述的Park变换模块的输出端和转速测量模块的输出端接入磁链位置观测模块的输入端，所述的磁链位置观测模块输出转子磁链φ_r；

转速闭环控制模块，所述转速测量模块的输出端接入转速闭环控制模块的输入端，用于将给定转速ω_m ^*和实测转速ω_m之差转化成转矩参考指令T_e ^*，并通过磁链位置观测模块输出的磁链φ_r解耦得到定子电流的T轴分量指令i_st ^*；

磁链闭环控制模块，磁链位置观测模块的输出端接入磁链闭环控制模块，用于将给定转子磁链φ_r ^*与磁链位置观测模块输出的转子磁链φ_r的差转化成M轴分量指令i_sm ^*；

电流闭环控制模块，所述的电流闭环控制模块包括M轴电流闭环控制模块、T轴电流闭环控制模块，用于将M轴电流分量指令i_sm ^*与实际i_sm的差转化为M轴电压指令u_sm ^*，并将T轴电流分量指令i_st ^*与实际i_st的差转化为T轴电压指令u_st ^*；

Park逆变换模块，用于将电压指令u_st ^*和u_sm ^*转化为电压u_sα和u_sβ；

SVPWM模块，所述的Park逆变换器的输出端接入SVPWM模块的输入端，所述的SVPWM模块的输出端接入机侧变流器。

取d轴为转子总磁链矢量的方向，定义为M轴，q轴为逆时针转90°，称之为T轴。

机侧变流器的控制策略为外环采用转速闭环加磁链闭环的双闭环策略，内环采用定子电流M轴分量闭环控制和定子电流T轴分量闭环控制的控制策略。

通过对网侧变流器和机侧变流器的控制，异步发电机可以工作在电动机状态，也可以工作在发电机状态。在机组启动阶段，回热小汽机汽源尚未满足条件，而给水泵或风机需要带负荷运行。此时，异步发电机可以工作在电动机状态，由网侧变流器实现稳定直流侧电压，机侧变流器实现电机的转速控制，由电网的供电来驱动给水泵或风机带负荷运行。在机组正常运行阶段，回热小汽机进汽阀全开，小汽轮机的多余功率需要发电上网。此时，异步发电机工作在发电机状态，机侧变流器实现电机的转速控制，以满足负荷需求，网侧变流器稳定直流侧电压，将多余的功率发电上网。采用异步发电机加全功率变流器的技术方案，通过合适的控制策略，可以实现回热小汽机和电网之间的能量双向流动，满足回热小汽机转速可控的需求，同时符合发电机组启停和正常运行工况的特点。

更优的实施方式为，所述的控制器包括网侧变流器控制器和机侧变流器控制器，所述网侧变流器控制器包括：

网侧电流采集模块，用于采集全功率变流器交流侧电流i_a、i_b、i_c；

网侧电压采集模块，用于采集全功率变流器直流侧电压v_dc；

网侧电压闭环控制模块，所述网侧电压采集模块输出端接入电压闭环控制模块的输入端，用于将给定电压v_dc ^*和实测电压v_dc之差转化成d轴电流分量指令i_rd ^*；

网侧Clarke变换模块和机侧Park变换模块，所述的网侧电流采集模块的输出端接入Clarke变换模块的输入端，Clarke变换模块的输出端接入Park模块的输入端，用于将交流电流i_a、i_b、i_c变换为d-q坐标下的值i_rd和i_rq；

网侧电流闭环控制模块，所述的电流闭环控制模块包括d轴电流闭环控制模块、q轴电流闭环控制模块，所述电压闭环控制模块的输出指令i_rd ^*接入d轴电流闭环控制模块的输入端，用于将d轴电流分量指令i_rd ^*与实际i_rd的差转化为d轴电压指令v_d，并将q轴电流分量指令i_rq ^*与实际i_rq的差转化为q轴电压指令v_q；

网侧Park逆变换模块，用于将电压指令v_d和v_q转化为静止坐标系下的两相电压；

网侧SVPWM模块，所述的网侧Park逆变换器的输出端接入SVPWM模块的输入端，所述的网侧SVPWM模块的输出端接入网侧变流器；和所述机侧变流器控制器包括：

机侧电流采集模块，用于采集电机定子电流i_A、i_B、i_C；

机侧转速测量模块，用于测量电机转速ω_m；

机侧Clarke变换模块和机侧Park变换模块，所述的机侧电流采集模块的输出端接入Clarke变换模块的输入端，Clarke变换模块的输出端接入Park模块的输入端，用于将电流i_A、i_B、i_C变换为M-T坐标下的值M轴分量i_sm和T轴分量i_st；

磁链位置观测模块，所述的Park变换模块的输出端和转速测量模块的输出端接入磁链位置观测模块的输入端，所述的磁链位置观测模块输出转子磁链φ_r；

转速闭环控制模块，所述转速测量模块的输出端接入转速闭环控制模块的输入端，用于将给定转速ω_m ^*和实测转速ω_m之差转化成转矩参考指令T_e ^*，并通过磁链位置观测模块输出的磁链φ_r解耦得到定子电流的T轴分量指令i_st ^*；

磁链闭环控制模块，磁链位置观测模块的输出端接入磁链闭环控制模块，用于将给定转子磁链φ_r ^*与磁链位置观测模块输出的转子磁链φ_r的差转化成M轴分量指令i_sm ^*；

机侧电流闭环控制模块，所述的机侧电流闭环控制模块包括M轴电流闭环控制模块、T轴电流闭环控制模块，用于将M轴电流分量指令i_sm ^*与实际i_sm的差转化为M轴电压指令u_sm ^*，并将T轴电流分量指令i_st ^*与实际i_st的差转化为T轴电压指令u_st ^*；

机侧Park逆变换模块，用于将电压指令u_st ^*和u_sm ^*转化为电压u_sα和u_sβ；

机侧SVPWM模块，所述的机侧Park逆变换器的输出端接入机侧SVPWM模块的输入端，所述的机侧SVPWM模块的输出端接入机侧变流器。

一种采用基于异步电机全功率变流器调速小汽轮机控制系统的控制方法，对设置在小汽轮机和电网之间的背靠背布置的全功率变流器分别采用以下控制策略：

对机侧变流器的控制外环采用转速闭环和磁链闭环的双闭环控制策略；

对机侧变流器的控制内环采用定子电流M轴分量闭环控制和定子电流T轴分量闭环控制的控制策略；

对网侧变流器的控制外环采用直流侧电压闭环控制策略；

对网侧变流器的控制内环采用网侧电流d轴分量闭环控制和网侧电流q轴分量闭环控制的控制策略。

优选的，所述网侧变流器控制包括以下步骤：

采集全功率变流器交流侧电流i_a、i_b、i_c和变流器直流侧电压v_dc；

交流侧电流信号经过Clarke变换和Park变换，将i_a、i_b、i_c变换为d-q坐标下的值i_rd和i_rq；

将给定电压v_dc ^*和实测电压v_dc之差转化成d轴电流分量指令i_rd ^*；

设定q轴电流分量质量i_rq ^*＝0；

将d轴电流分量指令i_rd ^*与实际i_rd的差转化为d轴电压指令v_d，将q轴电流分量指令i_rq ^*与实际i_rq的差转化为q轴电压指令v_q；

电压指令v_d和v_q通过Park逆变换模块转化为两相旋转电压并发送至SVPWM信号发生模块，利用输出的三组SVPWM信号驱动电网侧PWM变换器。

进一步地，给定电压v_dc ^*和实测电压v_dc的差通过PI调节器的调节，得到i_rd ^*，其方程为：其中k_p1为PI调节器的比例参数，k_i1为PI调节器的积分参数；

d轴电流分量指令i_rd ^*与实际i_rd的差通过PI调节器的调节，得到d轴电压指令v_d，其方程为：其中e_d和e_q为网侧电压e_a，e_b，e_c在d-q坐标系下的值；v_d和v_q为变流器输出电压v_a，v_b和v_c在d-q坐标系下的值，ω₁为d-q同步旋转坐标系的角频率，L₁为平波电抗器的等效电感，其中k_p2为PI调节器的比例参数，k_i2为PI调节器的积分参数；

q轴电流分量指令i_rq ^*与实际i_rq的差通过PI调节器的调节，得到q轴电压指令v_q，其方程为：其中k_p3为PI调节器的比例参数，k_i3为PI调节器的积分参数。

优选的，所述机侧变流器控制包括以下步骤：

采集电机定子电流i_A、i_B、i_C和电机转速ω_m；

电流信号经过Clarke变换和Park变换，将i_A、i_B、i_C变换为d-q坐标下M轴分量i_sm和T轴分量i_st；

M轴分量i_sm和T轴分量i_st和电机转速ω_m通过磁链位置观测模块后输出转子磁链φ_r

将给定转速ω_m ^*和实测转速ω_m之差转化成转矩参考指令T_e ^*，并通过磁链位置观测模块输出的磁链φ_r解耦得到定子电流的T轴分量指令i_st ^*；

将给定转子磁链φ_r ^*与磁链位置观测模块输出的转子磁链φ_r的差转化成M轴分量指令i_sm ^*；

将T轴电流分量指令i_st ^*与实际i_st的差转化为T轴电压指令u_st ^*，并将M轴电流分量指令i_sm ^*与实际i_sm的差转化为M轴电压指令u_sm ^*；

将电压指令u_st ^*和u_sm ^*通过Park逆变换模块转化为电压u_sα和u_sβ并发送至SVPWM信号发生模块。

进一步地，给定转速ω_m ^*和实测转速ω_m之差通过转速闭环的控制器ASR转化成转矩参考指令T_e ^*,控制器ASR设计为：

其中k_ps为PI调节器的比例参数，k_is为PI调节器的积分参数；

定转子磁链φ_r ^*与磁链位置观测模块输出的转子磁链φ_r的差通过磁链闭环的控制器AφR转化成M轴分量指令i_sm ^*，磁链闭环的控制器AφR设计为：

其中k_pφ为PI调节器的比例参数，k_iφ为PI调节器的积分参数；

T轴电流分量指令i_st ^*与实际i_st的差通过PI调节器的调节，转化为T轴电压指令u_st ^*，方程为：其中k_p4为PI调节器的比例参数，k_i4为PI调节器的积分参数；

M轴电流分量指令i_sm ^*与实际i_sm的差通过PI调节器的调节，转化为M轴电压指令u_sm ^*，方程为：其中k_p5为PI调节器的比例参数，k_i5为PI调节器的积分参数。

回热小汽机的技术难点在于避免小汽轮机节流损失的同时实现回热小汽机的转速调节以满足负荷需求，本发明提出了回热小汽机带异步发电机加全功率变流器技术方案的转速控制方法，保护点为回热小汽机的转速控制方法，具体如下：回热小汽机机侧变流器实现回热小汽机的转速控制；回热小汽机机侧变流器的控制外环采用转速闭环加磁链闭环的控制策略；回热小汽机机侧变流器的转速闭环通过磁链观测器实现与磁链闭环的解耦控制；回热小汽机机侧变流器的控制内环采用定子电流M轴分量闭环控制和定子电流T轴分量闭环控制的控制策略；回热小汽机网侧变流器实现直流侧电压稳定和多余功率发电上网的控制；回热小汽机网侧变流器采用单位功率因数控制；回热小汽机网侧变流器的控制外环采用直流侧电压闭环控制策略；回热小汽机网侧变流器的控制内环采用网侧电流d轴分量闭环控制和网侧电流q轴分量闭环控制的控制策略。

本发明的有益效果为：回热小汽机带发电机的技术方案可以极大提高回热系统的热效率，减少机组损耗。发电机发出的电量可以用来减小厂用电率，增加售电收益。尤其在高参数大容量机组中，回热小汽机能发挥更大的效率，进一步降低煤耗，符合国家节能减排战略。本发明针对回热小汽机带异步发电机加全功率变流器的技术方案，提出适用于本系统的控制方法，使回热小汽机能按设计需求运行。小汽轮机进汽阀可全开或大开度工作，降低节流损失；电网和回热小汽机之间能量可双向流动，电网可以驱动回热小汽机带泵或风机运行，回热小汽机多余功率也可以发电上网；回热小汽机转速可调，满足系统的变负荷需求。

应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施方式)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。

附图说明

图1是现有技术中回热小汽轮机带给水泵运行配置图；

图2是现有技术中回热小汽轮机转速控制框图；

图3是回热小汽机配置方案；

图4是全功率变流器简化模型；

图5为网侧变流器VSC1的控制策略图；

图6三相异步发电机的物理模型；

图7磁链观测器的示意图；

图8为机侧变流器VSC2的控制策略图。

其中：

1’-小汽轮机 2’-给水泵 3’-调节阀

1-小汽轮机 2-给水泵 3-调节阀

4-异步发电机 5-全功率变流器

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。

回热小汽机带发电机的技术方案由华东院提出，代表着世界领先的抽汽回热系统方案，应用在超临界、超超临界机组尤其是最新提出的35MPa/610～615℃/630℃/630℃参数等级机组中，能极大地提高机组的发电效率，使我国二次再热燃煤发电技术取得新的突破。

回热小汽机发电有多种配置方案，本发明针对的回热小汽机1为带异步发电机4加全功率变流器5的技术方案。其配置方案如图3。小汽轮机1、给水泵2、异步发电机4同轴相连。异步发电机4与小汽轮机1同轴连接，或通过齿轮箱与小汽轮机1连接以匹配转速参数。异步发电机4通过全功率变流器进行转速控制和将多余小汽轮机功率发电上网。异步发电机4和全功率变流器5之间直接连接或通过配置变压器进行电压电流等级匹配，全功率变流器5与电网通过平波电抗器相连或配置变压器进行电压等级匹配。小汽轮机设置进气管道，所述进气管道上设有调节阀3。全功率变流器5由两个背靠背的共用直流侧的电压源型变流器组成，机侧变流器实现异步发电机的转速控制，并进行异步发电机和变流器直流侧之间的能量传动；网侧变流器实现直流侧电压的稳定，并进行电网和变流器直流侧之间的能量传动。如此，全功率变流器即可以实现异步发电机的转速控制，同时实现多余功率的发电上网。

小汽轮机1的进气口与进气管道连接，进气管道的蒸汽来自发电机组热力系统的高压蒸汽，小汽轮机的排气口与排气管道连接，排气管道与低温热源加热器或热交换器连接。在进气管道处安装调节阀，用于调节高压蒸汽的通气量。给水泵位于背压式小汽轮机一侧的轴端，给水泵与小汽轮机同轴连接，给水泵的输入端与小汽轮机一侧的轴端相连。异步发电机位于背压小汽轮机另一端的轴端。

保证了多余功率发电上网的技术难题后，小汽轮机的进汽阀可以保持较大开度或全开，减少进汽的节流损失，保证机组全负荷范围内回热小汽机的工作效率，提高机组发电效率和上网竞争力。

在不调节小汽轮机进汽阀开度的情况下，回热小汽机系统可以控制的部分只有全功率变流器，分为网侧变流器VSC1和机侧变流器VSC2。

网侧变流器VSC1可以采用定直流侧电压控制，保证直流侧电压的稳定。从异步发电机传输过来的有功功率如果不及时消纳，将造成直流侧电压的突升，影响器件的安全运行。网侧变流器的模型如图4所示。电网等效为一个三相交流电压源e_a，e_b，e_c，平波电抗器和变流器开关损耗等效为电感L₁和电阻R₁，变流器交流侧为脉宽调制电压，直流侧电容C提供电压支撑和减小电压纹波。

网侧变流器VSC1在abc三相静止坐标系下的数学模型经过Clarke变换和Park变换为d-q两相同步旋转坐标系下的数学模型为

式中，i_rd和i_rq为网侧电流i_a，i_b和i_c在d-q坐标系下的值；e_d和e_q为网侧电压e_a，e_b，e_c在d-q坐标系下的值；v_d和v_q为变流器输出电压v_a，v_b和v_c在d-q坐标系下的值；ω₁为d-q同步旋转坐标系的角频率。取d轴为网侧电压矢量的方向，q轴为逆时针旋转90°，则

设定期望的无功电流使网侧变流器的功率因数为1。忽略变流器开关的功率损耗，则直流侧传输的功率表示为

式2可以发现，电流有功分量i_rd的大小反应了进入直流侧功率的大小，网侧变流器的直流侧电压外环可以设计为

其中，k_p1为PI调节器的比例参数，k_i1为PI调节器的积分参数。

式1可以发现网侧电流d轴分量和q轴分量相互耦合，需要在闭环中对其解耦，电流内环的控制器可以设计为

其中，k_p2为PI调节器的比例参数，k_i2为PI调节器的积分参数。

网侧变流器VSC1的控制策略如图5所示，外环为直流侧电压环，稳定直流侧电压和进行功率传输，内环为电流环，保证网侧电流与实际指令相符，实现单位功率因数控制。

完成网侧变流器的控制后，需要对机侧变流器进行控制设计，其拖动的为异步发电机。异步发电机经过合理假设和等效后，模型如图6。

异步发电机的数学模型由下述电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程组成。

电压方程：

式中u_A，u_B，u_C，u_a，u_b，u_c为定子和转子相电压的瞬时值；i_A，i_B，i_C，i_a',i_b',i_c'为定子和转子相电流的瞬时值；φ_A，φ_B，φ_C，φ_a，φ_b，φ_c为各相绕组的全磁链；R_s，R_r为定子和转子的绕组电阻，p为微分算子。

磁链方程：

或写成Ψ＝Li。式中，L是6×6电感矩阵，其中对角元素L_AA，L_BB，L_CC，L_aa，L_bb，L_cc是各绕组的自感，其余为绕组间的互感。

转矩方程：

T_e＝n_pL_ms[(i_Ai_a'+i_Bi_b'+i_Ci_c')sinθ+(i_Ai_b'+i_Bi_c'+i_Ci_a')sin(θ+120°)+(i_Ai_c'+i_Bi_a'+i_Ci_b')sin(θ-120°)]

(8)

其中T_e是电磁转矩，n_p是定子极对数，L_ms是定子互感。

运动方程：

其中T_L是负载阻转矩，J是回热小汽机的转动惯量。

将上述三相静止坐标系中的变量放在两相旋转坐标系中进行数学分析。取d轴为转子总磁链矢量的方向，定义为M轴，q轴为逆时针转90°，称之为T轴。可以得到异步发电机在M-T两相旋转坐标系下的数学模型。

电压方程：

式中，u_sm，u_st，u_rm，u_rt为MT坐标系下的定子电压和转子电压，由于异步发电机转子内部短路，u_rm＝u_rt＝0；i_sm，i_st，i_rm，i_rt为MT坐标系下的定子电流和转子电流；L_m是M-T坐标系下同轴等效绕组间的互感，L_s是MT坐标系下定子等效绕组的自感，L_r是MT坐标系下转子等效绕组的自感；ω_1'是定子同步角速度，ω_s为转差。

磁链方程：

由于采用转子全磁链定向，所以转子磁链的T轴分量φ_rt为0，φ_rm＝φ_r。

电磁转矩方程：

转子磁链的计算模块为：

式中，T_r为转子电磁时间常数，T_r＝L_r/R_r。

转速计算模块为：

式中，ω为转子的转速，且与转子机械转速ω_m存在关系ω＝n_pω_m。

由式(13)可知，转子的磁链只与定子电流的M轴分量有关，实现了解耦；式(12)可知，电磁转矩与定子电流的T轴分量有关，也与转子磁链有关，仍然是耦合的。为实现解耦，消除转子磁链φ_r对转子转速ω的影响，需要观测转子磁链，这可以通过磁链观测器实现，如图7。

磁链能观，则可以将磁链控制和转速控制看做两个独立的线性系统。外环设转速闭环和磁链闭环。

转速闭环的控制器ASR设计为：

磁链闭环的控制器AφR设计为：

式(15)通过解耦可以得到定子电流的T轴分量指令i_st ^*，式(16)可以得到定子电流的M轴分量指令i_sm ^*。设计电流内环以保证定子电流对指令的相应，分别设计定子电流T轴分量i_st控制闭环和M轴分量i_sm控制闭环:

机侧变流器VSC2拖动异步发电机的控制策略如图8。

通过对VSC1和VSC2的控制，异步发电机可以工作在电动机状态，也可以工作在发电机状态。在机组启动阶段，回热小汽机汽源尚未满足条件，而给水泵或风机需要带负荷运行。此时，异步发电机可以工作在电动机状态，由VSC1实现稳定直流侧电压，VSC2实现电机的转速控制，由电网的供电来驱动给水泵或风机带负荷运行。在机组正常运行阶段，回热小汽机进汽阀全开，小汽轮机的多余功率需要发电上网。此时，异步发电机工作在发电机状态，VSC2实现电机的转速控制，以满足负荷需求，VSC1稳定直流侧电压，将多余的功率发电上网。采用异步发电机加全功率变流器的技术方案，通过合适的控制策略，可以实现回热小汽机和电网之间的能量双向流动，满足回热小汽机转速可控的需求，同时符合发电机组启停和正常运行工况的特点。

以上已详细描述了本发明的较佳实施例，但应理解到，在阅读了解本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (3)

1.一种基于异步电机全功率变流器调速小汽轮机控制系统，其特征在于，包括全功率变流器、异步发电机、小汽轮机和控制器，所述异步发电机与小汽轮机相连以匹配转速参数，所述异步发电机与全功率变流器连接进行电压电流等级匹配；所述的全功率变流器与电网相连进行电压等级匹配，异步发电机通过全功率变流器进行转速控制和将多余小汽轮机功率发电上网，所述控制器通过控制全功率变流器从而控制异步发电机的转速；

所述的全功率变流器包括两个电压源型变流器，分别为网侧变流器和机侧变流器，两者通过共用直流侧电容形成背靠背结构；

所述的控制器包括网侧变流器控制器和机侧变流器控制器，所述网侧变流器控制器包括：

网侧电流采集模块，用于采集全功率变流器交流侧电流i_a、i_b、i_c；

网侧电压采集模块，用于采集全功率变流器直流侧电压ν_dc；

网侧电压闭环控制模块，所述网侧电压采集模块输出端接入电压闭环控制模块的输入端，用于将给定电压ν_dc ^*和实测电压ν_dc之差转化成d轴电流分量指令i_rd ^*；

网侧Clarke变换模块和机侧Park变换模块，所述的网侧电流采集模块的输出端接入Clarke变换模块的输入端，Clarke变换模块的输出端接入Park模块的输入端，用于将交流电流i_a、i_b、i_c变换为d-q坐标下的值i_rd和i_rq；

网侧电流闭环控制模块，所述的电流闭环控制模块包括d轴电流闭环控制模块、q轴电流闭环控制模块，所述电压闭环控制模块的输出指令i_rd ^*接入d轴电流闭环控制模块的输入端，用于将d轴电流分量指令i_rd ^*与实际i_rd的差转化为d轴电压指令ν_d，并将q轴电流分量指令i_rq ^*与实际i_rq的差转化为q轴电压指令ν_q；

网侧Park逆变换模块，用于将电压指令ν_d和ν_q转化为静止坐标系下的两相电压；

网侧SVPWM模块，所述的网侧Park逆变换模块的输出端接入SVPWM模块的输入端，所述的网侧SVPWM模块的输出端接入网侧变流器；所述机侧变流器控制器包括：

机侧电流采集模块，用于采集电机定子电流i_A、i_B、i_C；

机侧转速测量模块，用于测量电机转速ω_m；

机侧Clarke变换模块和机侧Park变换模块，所述的机侧电流采集模块的输出端接入Clarke变换模块的输入端，Clarke变换模块的输出端接入Park模块的输入端，用于将电流i_A、i_B、i_C变换为M-T坐标下的值M轴分量i_sm和T轴分量i_st；

磁链位置观测模块，所述的Park变换模块的输出端和转速测量模块的输出端接入磁链位置观测模块的输入端，所述的磁链位置观测模块输出转子磁链φ_r；

转速闭环控制模块，所述转速测量模块的输出端接入转速闭环控制模块的输入端，用于将给定转速ω_m ^*和实测转速ω_m之差转化成转矩参考指令T_e ^*，并通过磁链位置观测模块输出的磁链φ_r解耦得到定子电流的T轴电流分量指令i_st ^*；

磁链闭环控制模块，磁链位置观测模块的输出端接入磁链闭环控制模块，用于将给定转子磁链φ_r ^*与磁链位置观测模块输出的转子磁链φ_r的差转化成M轴电流分量指令i_sm ^*；

机侧电流闭环控制模块，所述的机侧电流闭环控制模块包括M轴电流闭环控制模块、T轴电流闭环控制模块，用于将M轴电流分量指令i_sm ^*与实际i_sm的差转化为M轴电压指令u_sm ^*，并将T轴电流分量指令i_st ^*与实际i_st的差转化为T轴电压指令u_st ^*；

机侧Park逆变换模块，用于将电压指令u_st ^*和u_sm ^*转化为电压u_sα和u_sβ；机侧SVPWM模块，所述的机侧Park逆变换模块的输出端接入机侧SVPWM模块的输入端，所述的机侧SVPWM模块的输出端接入机侧变流器。

2.根据权利要求1所述的基于异步电机全功率变流器调速小汽轮机控制系统，其特征在于，所述全功率变流器与电网通过平波电抗器或变压器相连。

3.一种采用权利要求1或2所述的基于异步电机全功率变流器调速小汽轮机控制系统的控制方法，其特征在于，对设置在小汽轮机和电网之间的背靠背布置的全功率变流器分别采用以下控制策略：

对机侧变流器的控制外环采用转速闭环和磁链闭环的双闭环控制策略；

对机侧变流器的控制内环采用定子电流M轴分量闭环控制和定子电流T轴分量闭环控制的控制策略；

对网侧变流器的控制外环采用直流侧电压闭环控制策略；

对网侧变流器的控制内环采用网侧电流d轴分量闭环控制和网侧电流q轴分量闭环控制的控制策略；

所述网侧变流器控制包括以下步骤：

采集全功率变流器交流侧电流i_a、i_b、i_c和变流器直流侧电压ν_dc；

交流侧电流信号经过Clarke变换和Park变换，将i_a、i_b、i_c变换为d-q坐标下的值i_rd和i_rq；

将给定电压ν_dc ^*和实测电压ν_dc之差转化成d轴电流分量指令i_rd ^*；

设定q轴电流分量质量i_rq ^*＝0；

将d轴电流分量指令i_rd ^*与实际i_rd的差转化为d轴电压指令ν_d，将q轴电流分量指令i_rq ^*与实际i_rq的差转化为q轴电压指令ν_q；

电压指令ν_d和ν_q通过Park逆变换模块转化为两相旋转电压并发送至SVPWM信号发生模块，利用输出的三组SVPWM信号驱动电网侧PWM变换器；

给定电压ν_dc ^*和实测电压ν_dc的差通过PI调节器的调节，得到i_rd ^*，其方程为：其中k_p1为PI调节器的比例参数，k_i1为PI调节器的积分参数；

d轴电流分量指令i_rd ^*与实际i_rd的差通过PI调节器的调节，得到d轴电压指令ν_d，其方程为：

q轴电流分量指令i_rq ^*与实际i_rq的差通过PI调节器的调节，得到q轴电压指令ν_q，其方程为：

在上述方程中，e_d和e_q为网侧电压e_a，e_b，e_c在d-q坐标系下的值；ν_d和ν_q为变流器输出电压ν_a，ν_b和ν_c在d-q坐标系下的值，ω₁为d-q同步旋转坐标系的角频率，L₁为平波电抗器的等效电感，其中k_p2为PI调节器的比例参数，k_i2为PI调节器的积分参数，k_p3为PI调节器的比例参数，k_i3为PI调节器的积分参数；

所述机侧变流器控制包括以下步骤：

采集电机定子电流i_A、i_B、i_C和电机转速ω_m；

电流信号经过Clarke变换和Park变换，将i_A、i_B、i_C变换为M-T坐标下M轴分量i_sm和T轴分量i_st；

M轴分量i_sm和T轴分量i_st和电机转速ω_m通过磁链位置观测模块后输出转子磁链φ_r；

将给定转速ω_m ^*和实测转速ω_m之差转化成转矩参考指令T_e ^*，并通过磁链位置观测模块输出的磁链φ_r解耦得到定子电流的T轴电流分量指令i_st ^*；

将给定转子磁链φ_r ^*与磁链位置观测模块输出的转子磁链φ_r的差转化成M轴电流分量指令i_sm ^*；

将T轴电流分量指令i_st ^*与实际i_st的差转化为T轴电压指令u_st ^*，并将M轴电流分量指令i_sm ^*与实际i_sm的差转化为M轴电压指令u_sm ^*；

将电压指令u_st ^*和u_sm ^*通过Park逆变换模块转化为电压u_sα和u_sβ并发送至SVPWM信号发生模块；

给定转速ω_m ^*和实测转速ω_m之差通过转速闭环的控制器ASR转化成转矩参考指令T_e ^*,控制器ASR设计为：

其中k_ps为PI调节器的比例参数，k_is为PI调节器的积分参数；

给定转子磁链φ_r ^*与磁链位置观测模块输出的转子磁链φ_r的差通过磁链闭环的控制器AφR转化成M轴电流分量指令i_sm ^*，磁链闭环的控制器AφR设计为：

其中k_pφ为PI调节器的比例参数，k_iφ为PI调节器的积分参数；

T轴电流分量指令i_st ^*与实际i_st的差通过PI调节器的调节，转化为T轴电压指令u_st ^*，方程为：其中k_p4为PI调节器的比例参数，k_i4为PI调节器的积分参数；

M轴电流分量指令i_sm ^*与实际i_sm的差通过PI调节器的调节，转化为M轴电压指令u_sm ^*，方程为：其中k_p5为PI调节器的比例参数，k_i5为PI调节器的积分参数。