CN109217365A - 一种无刷双馈电机虚拟同步控制方法 - Google Patents

Abstract

无刷双馈电机由于既具有双馈电机的特性同时省去了电刷和滑环，有望在风力发电中广泛使用。双馈型风机在通过电力电子接口并网时对系统稳定性有较大影响，特别是风电渗透率较高的电网。若能使风电机组具有传统能源的友好特性，将大大提高系统运行稳定性。为此，本发明基于虚拟同步发电机控制原理提出了一种针对于无刷双馈电机的虚拟同步控制方法，模拟同步发电机的运行特性。该方法通过有功和无功功率分别控制控制绕组相角和电流，模拟同步电机运行特性。通过控制系统实现对同步发电机组惯性特性、频率响应特性及调压特性的有效模拟。

Description

一种无刷双馈电机虚拟同步控制方法

技术领域

本发明涉及无刷双馈电机技术领域，特别涉及一种无刷双馈电机虚拟同步控制方法。

背景技术

无刷双馈电机在双馈电机的基础上由于取消了滑环和电刷，维护成本下降，可靠性提高，适合于比较恶劣的环境，尤其适用于大规模风电场。但是随着新能源渗透率不断提高，电网中的惯性逐渐下降，带来的结果就是电网系统的稳定性和可靠性下降。无刷双馈电机通过电力电子接口并网时对电网系统稳定性有较大影响，特别是风电渗透率较高的电网，若能使无刷双馈电机具有传统能源的友好特性，将大大提高系统运行稳定性。

发明内容

本发明基于虚拟同步发电机(VSG)控制原理提出了一种无刷双馈电机虚拟同步控制方法，通过有功和无功功率分别控制控制绕组相角和电流，模拟同步电机运行特性，实现对同步发电机惯性特性、频率响应特性及调压特性的有效模拟。

本发明无刷双馈电机虚拟同步控制方法，包括以下内容：在无刷双馈电机的数学建模中，对功率绕组和控制绕组取发电机惯例，转子绕组取电动机惯例，采用功率绕组统一同步坐标系，功率绕组电压定向，根据无刷双馈电机的控制特点，由控制绕组电流控制电机，并考虑转子电压和磁链方程，得到：

此处

同步电机二阶的数学模型为：

式中，e₀为发电机内电势，M_f为互感系数，i_f为励磁电流，θ为转子相角，T_m为发电机机械转矩，T_e为发电机电磁转矩，J为发电机转动惯量，ω为发电机电气角速度，ω_ref为额定电气角速度，

将式(5)改写为：

v_s＝-R_si_s-L_ssi_s+e₀ (6)

其中e₀＝L_adsi_f+jω_s(-L_si_s+L_adi_f)

根据式(4)、(5)以及无刷双馈电机与同步电机的等效模拟，可得到：

通过式(7)，由于功率绕组电流可直接测量，将功率绕组电流看作已知量，e₀对应同步电机中内电势项，则e₀的大小在电机参数和转速一定的情况下，仅与控制绕组电流有关，可通过改变控制绕组电流来控制e₀；

通过对同步电机内电势的模拟和阻抗特性的模拟，实现无刷双馈电机对同步电机的模拟，并进而实现无刷双馈电机的虚拟同步控制。

进一步所述的无刷双馈电机虚拟同步控制方法，内电势的模拟：

根据式(7)可以得到：

进一步所述的无刷双馈电机虚拟同步控制方法，阻抗特性的模拟：

设置虚拟阻抗，

e_vir＝(R_vir+sL_vir)i_p (9)

此时，功率绕组电压表达式为：

v_p-(e₀+e_vir)＝[R_p+s(L_p-L_s1rk₁)]i_p+(R_vir+L_vir)i_p＝(R_s+sL_s)i_s (10)

因此，设置的虚拟阻抗为：

同步电机的时间尺度比无刷双馈电机大很多，因此可以忽略式(12)中的微分项，可得：

式(13)可以写为dq轴形式：

即

式(15)即为无刷双馈电机模拟同步电机的控制绕组电流给定值。

本发明的有益效果在于：

1、内电势通过测量实际同步电机的数值得到，意味着当同步电机和无刷双馈电机并联运行时，若无刷双馈电机需要实施虚拟同步控制，则需要测量其余某台实际运行同步电机的内电势数值作为无刷双馈电机的电流给定值的计算，此时，是不需要设定经典虚拟同步控制中的参数的，例如虚拟惯量，阻尼系统数等，因为直接取自实际同步电机，参数就是取值的同步电机参数；

2、通过对同步电机内电势和虚拟阻抗的模拟，从电气端口看入，无刷双馈电机的电气特性完全是一台同步电机，即可以实现电机同步机制的自动模拟，对并联运行没有影响，而不是像目前的虚拟同步控制，需要借助于虚拟同步算法计算出频率和端口电压值来进行控制。

3、此时，如果某台同步电机运行发生故障，虚拟同步控制的无刷双馈电机的电气特性完全相同，则可以直接取代故障电机继续运行。

附图说明

图1为本发明实施例无刷双馈电机的结构图。

图2为本发明实施例无刷双馈电机与同步发电机等效示意图。

图3为本发明实施例无刷双馈电机模拟同步发电机运行的控制框图。

图4为本发明实施例电机特性验证示意图。

图5为本发明实施例两个电机运行的波形图。

图6为本发明实施例系统频率支撑验证图。

图7为本发明实施例虚拟同步控制的频率图形。

图8为本发明实施例突加负载时机组的频率响应。

具体实施方式

本发明通过具体实施例对无刷双馈电机虚拟同步控制方法作进一步阐述：

如图1所示的无刷双馈电机的结构图，无刷双馈电机采用两个极对数不同且互不耦合的双定子绕组结构，即功率绕组(PW)和控制绕组(CW)。

其中功率绕组在并网运行时与电网相连，单机运行时与负载连接；控制绕组连接背靠背变流器，通过控制变流器可以使控制绕组实现变压变频(VVVF)，能量能够双向流动，使电机可工作在次同步，同步和超同步等模式。电机转子的转速为：

其中ω_p和ω_c分别为功率绕组和控制绕组的角频率，p_p和p_c分别为功率绕组和控制绕组的极对数。

2.2无刷双馈电机的数学模型

无刷双馈电机的数学模型如下式所示，其中对功率绕组和控制绕组取发电机惯例，转子绕组取电动机惯例，采用功率绕组统一同步坐标系，意为两相旋转坐标系的旋转速度是功率绕组的旋转速度。功率绕组电压定向，可得：

其中ω_pc＝ω_p-(p_p+p_c)ω_r，ω_pr＝ω_p-p_pω_r

根据式(2)可以得到：

v_p＝-R_pi_p-L_psi_p+L_s1rsi_r+jω_p(L_pi_p+L_s1ri_r) (3)

根据无刷双馈电机的控制特点，由控制绕组电流控制电机，并考虑转子电压和磁链方程可以得到：

此处

同步发电机二阶的数学模型为：

式(5)中，V_s为发电机端口电压，D为固有阻尼系数，e₀为发电机内电势，M_f为互感系数，i_f为励磁电流，θ为转子相角，T_m为发电机机械转矩，T_e为发电机电磁转矩，J为发电机转动惯量，ω为发电机电气角速度，ω_ref为额定电气角速度，

通过对同步发电机数学模型的描述可以得到同步发电机重要的工作特性，即同步发电机在发生功率变化时，系统角频率会随之变化，内电势变化，由于J的存在，使同步发电机在功率和频率动态过程中具有惯性，对系统的一次调频给予响应；而D则使得同步发电机具备阻尼功率振荡的能力，这正是虚拟同步需要模拟的特性，一般通过有功-频率，无功-电压特性体现。

将同步发电机和无刷双馈电机按照对应特性等效，可得如图2所示的无刷双馈电机与同步发电机等效示意图。

将式(5)改写为：

v_s＝-R_si_s-L_ssi_s+e₀ (6)

其中e₀＝L_adsi_f+jω_s(-L_si_s+L_adi_f)

根据式(4)、(6)以及图2，可得到：

通过观察电压方程中e₀的表达式可以发现，由于功率绕组电流可直接测量，将功率绕组电流项看作已知量，则e₀的大小在电机参数和转速一定的情况下，仅与控制绕组电流有关，控制绕组电流进入变流器，得到变流器输出电压，进而控制功率绕组电压电流。可以看出，e₀即对应同步发电机中内电势项，可通过改变控制绕组电流(励磁电流)来控制e₀大小。因此，对e₀的控制转换为对控制绕组电流的控制。

2.3无刷双馈电机对同步发电机的完全模拟

为了实现无刷双馈电机对同步发电机的完全模拟，将无刷双馈电机的虚拟同步控制分为两份部分：

1、内电势的模拟

根据式(7)可以得到：

无刷双馈电机按照式(8)的算法进行控制，可以模拟同步发电机的内电势的工作特征，使无刷双馈电机具有同步发电机的特征。

2、阻抗特性的模拟

比较式(6)与(7)可以发现当系统中阻抗不相同时，会出现不同的模拟曲线。为了能够完全模拟同步发电机的工作特征，需要设置虚拟阻抗:

e_vir＝(R_vir+sL_vir)i_p (9)

此时，系统的功率绕组电压表达式为：

v_p-(e₀+e_vir)＝[R_p+s(L_p-L_s1rk₁)]i_p+(R_vir+L_vir)i_p＝(R_s+sL_s)i_s (10)

因此，设置的虚拟阻抗为：

同步发电机的时间尺度比无刷双馈电机大很多，因此可以忽略上式中的微分项，可得：

式(13)可以写为d-q轴形式，意为：式(13)是矢量表达式，就是d-q轴写在一起的，式(14)就将其拆开成d轴和q轴。就是将式(13)中的电势和电流都一起展开，然后按照d-q轴分开写。

即

式(15)即为无刷双馈电机完全模拟同步发电机的控制绕组电流给定值，当实际值在调节器的作用下跟随给定值变化时，无刷双馈电机从功率绕组端口看入，在电气特性上就是一台同步发电机，即实现了无刷双馈电机模拟同步发电机运行的目的，并进而实现无刷双馈电机的虚拟同步控制。控制框图如图3所示。

本发明无刷双馈电机虚拟同步控制方法的优点在于：1、内电势通过测量实际同步发电机的数值得到，意味着当同步发电机和无刷双馈电机并联运行时，若无刷双馈电机需要实施虚拟同步控制，则需要测量其余某台实际运行同步发电机的内电势数值作为无刷双馈电机的电流给定值的计算，此时，我是不需要设定经典虚拟同步控制中的参数的，例如虚拟惯量，阻尼系统数等，因为我直接取自实际同步发电机，参数就是取值的同步发电机参数；2、通过内电势和虚拟阻抗的模拟，从电气端口看入，无刷双馈电机的电气特性完全是一台同步发电机，即可以实现电机同步机制的自动模拟，对并联运行没有影响，而不是像目前的虚拟同步控制，需要借助与虚拟同步算法计算出频率和端口电压值来进行控制。3、此时，如果某台同步发电机运行发生故障，虚拟同步控制的无刷双馈电机的电气特性完全相同，则可以直接取代故障电机继续运行。

电机特性验证示意图如图4所示。无刷双馈电机和同步发电机接于同样一个电网中，即输入机械功率相同，输出接的电网相同，在相同的时间点，输入功率发生变化，两个电机运行的波形图如图5所示。从图5可看出，在输入功率发生变化时，同步发电机定子和无刷双馈电机功率绕组d-q轴的电流都发生了变化，变化趋势和大小基本相同，通过放大波形可以看出，在波形变化时有些微小的变化，这是由于控制方法中忽略了微分项所致。因此可以得出，此种方法使无刷双馈电机在电气特性上完全模拟了同步发电机。

系统频率支撑验证如图6所示。系统频率支撑验证仿真模型采用四机两区域模型。在8节点20秒时突加50MW的负载，如图所示的SG1-SG3,无刷双馈电机采用经典矢量控制和本文提出的虚拟同步控制的频率图形如图7所示。从图7可以看出，三个同步发电机按正常的同步机制运行，采用经典矢量控制的无刷双馈电机，由于变流器中的直流母线将功率和频率之间的耦合解开，因此当系统输入功率发生变化时，变流器开始根据算法自己调整，对功率基本没有响应，采用虚拟同步控制的无刷双馈电机由于具有同步发电机的电气特性，对功率产生主动支撑，提高系统惯性效果明显。突加负载时机组的频率响应如图8所示。从图7和图8可以看出，本发明的虚拟同步控制方法对系统中负载突变具有较好的功率响应和主动的频率支撑，验证了提出的虚拟同步控制方法的正确性和有效性。

Claims (3)

1.一种无刷双馈电机虚拟同步控制方法，其特征在于，包括以下内容：在无刷双馈电机的数学建模中，对功率绕组和控制绕组取发电机惯例，转子绕组取电动机惯例，采用功率绕组统一同步坐标系，功率绕组电压定向，根据无刷双馈电机的控制特点，由控制绕组电流控制电机，并考虑转子电压和磁链方程，得到：

此处

同步电机二阶的数学模型为：

式中，e₀为发电机内电势，M_f为互感系数，i_f为励磁电流，θ为转子相角，T_m为发电机机械转矩，T_e为发电机电磁转矩，J为发电机转动惯量，ω为发电机电气角速度，ω_ref为额定电气角速度，

将式(5)改写为：

v_s＝-R_si_s-L_ssi_s+e₀ (6)

其中e₀＝L_adsi_f+jω_s(-L_si_s+L_adi_f)

根据式(4)、(5)以及无刷双馈电机与同步电机的等效模拟，可得到：

通过式(7)，由于功率绕组电流可直接测量，将功率绕组电流看作已知量，e₀对应同步电机中内电势项，则e₀的大小在电机参数和转速一定的情况下，仅与控制绕组电流有关，可通过改变控制绕组电流来控制e₀；

通过对同步电机内电势的模拟和阻抗特性的模拟，实现无刷双馈电机对同步电机的模拟，并进而实现无刷双馈电机的虚拟同步控制。

2.根据权利要求1所述的一种无刷双馈电机虚拟同步控制方法，其特征在于对内电势的模拟：

根据式(7)可以得到：

3.根据权利要求1所述的一种无刷双馈电机虚拟同步控制方法，其特征在于对阻抗特性的模拟：

设置虚拟阻抗，

e_vir＝(R_vir+sL_vir)i_p (9)

此时，功率绕组电压表达式为：

v_p-(e₀+e_vir)＝[R_p+s(L_p-L_s1rk₁)]i_p+(R_vir+L_vir)i_p＝(R_s+sL_s)i_s (10)

因此，设置的虚拟阻抗为：

同步电机的时间尺度比无刷双馈电机大很多，因此可以忽略式(12)中的微分项，可得：

式(13)可以写为dq轴形式：

即

式(15)即为无刷双馈电机模拟同步电机的控制绕组电流给定值。