CN110545055A - 可变速抽水蓄能电站的发电电动机的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可变速抽水蓄能电站的发电电动机的控制方法，其特征在于包括以下步骤：发电电动机在抽水工况下，由发电电动机的数学模型和设计参数，得到电磁转矩的数值，再与电磁转矩的给定值进行滞环比较，得到差值ΔTe；通过控制绕组磁链的计算，得到一个位置角度θs2；通过控制绕组磁链与给定磁链的滞环比较，得到差值ΔΨs2；ΔTe、ΔΨs2、θs2再用于控制绕组电压矢量的给定；发电电动机在发电工况下，由给定的有功和无功经过闭环PI调节，得到控制绕组电流的给定值，再经过电流内环PI调节，计算出控制绕组电压直接输入电机控制绕组。

Description

可变速抽水蓄能电站的发电电动机的控制方法

技术领域

本发明涉及可变速抽水蓄能发电电动机的技术领域，具体涉及一种可变速抽水蓄能电站的发电电动机的控制方法。

背景技术

风力发电和太阳能发电虽然是无污染能源，但是它们是不稳定的电源。一定规模的风电、光伏接入电网后，会因为不稳定的发电量导致电力系统的电压和频率发生波动，影响电能质量和电力系统的安全。

可变速抽水蓄能系统由于其具有转速响应快和柔性调节的特点，引起越来越多人的重视。相对于常规抽水蓄能机组，可变速机组的转速在一定范围内可动态调节，功率和水头变幅范围可以更广，且能一直保持在较高效率和稳定状态运行。

在接入电网及与新能源联合运行方面，由于可变速抽水蓄能机组除了可以承担削峰填谷的常规作用外，还可以灵活地调节发出的有功功率和无功功率，有利于提高电网的稳定性；此外，可变速抽水蓄能机组采用的是电力电子器件控制，响应速度快，其转速和功率可根据新能源的发电量动态调节，进而可以提高电网系统中新能源电源的利用率，客观上可以促进风电、光伏等新能源电源的消纳。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种可变速抽水蓄能电站的发电电动机的控制方法。

本发明提供了一种可变速抽水蓄能电站的发电电动机的控制方法，其特征在于包括以下步骤：

发电电动机在抽水工况下，由发电电动机的数学模型和设计参数，得到电磁转矩的数值，再与电磁转矩的给定值进行滞环比较，得到差值ΔTe；通过控制绕组磁链的计算，得到一个位置角度θs2；通过控制绕组磁链与给定磁链的滞环比较，得到差值ΔΨs2；ΔTe、ΔΨs2、θs2再用于控制绕组电压矢量的给定；

发电电动机在发电工况下，由给定的有功和无功经过闭环PI调节，得到控制绕组电流的给定值，再经过电流内环PI调节，计算出控制绕组电压直接输入电机控制绕组。

上述技术方案中，在抽水工况下，设计一个发电电动机控制绕组的磁链计算器，用于直接计算得到控制绕组的磁链的矢量信息，间接用于给出控制绕组的输出电压矢量；

设计一个发电电动机控制绕组的磁链滞环比较器，直接用于将计算得到的控制绕组的磁链矢量值与给定的控制绕组的磁链矢量值进行比较，间接使输出的控制绕组电压稳定在给定值；

设计一个发电电动机电磁转矩的滞环比较器，首先计算发电电动机的电磁转矩，而后与电磁转矩的给定值进行比较，达到将电机输出电磁转矩维持在给定水平的目的。

上述技术方案中，在发电工况下，设计一个有功控制环，用于控制电机系统定子功率绕组的有功功率；

设计一个无功控制环，用于控制电机系统定子功率绕组的无功功率；

设计一个功率计算器，用的动态计算机组实时的有功功率和无功功率数值；

设计一个转子角速度的关系换算器，用于动态计算并给定控制绕组电压电流变换的坐标系以及给定控制绕组电压的频率。

上述技术方案中，在抽水工况下通过电机模型得到的关系间接计算T_em，在转子同步速坐标系的电磁转矩转化到两相dq坐标系下：

T_e＝p₁(i_qs1ψ_ds1-i_ds1ψ_qs1)+p₂(i_qs2ψ_ds2-i_ds2ψ_qs2)

其中，L_sr1、L_sr2是功率绕组、控制绕组和转子绕组的互感，i_ds1、i_qs1、i_ds2、i_qs2、i_dr、i_qr是功率绕组、控制绕组以及转子绕组在转子同步速坐标系中得电流分量，p₁是定子功率绕组，p₂是定子控制绕组；

上式中均为dq坐标系下变量且可计算得到，功率绕组磁链的测定采取与控制绕组磁链计算类似的办法，在计算结果后加入高通滤波环节消除积分漂移，再通过低通滤波的闭环反馈调整幅值和相位。

上述技术方案中，在抽水工况下，令控制绕组磁链沿着电压矢量轨迹，在可容许的误差范围内按圆形旋转，则在任意时刻，根据控制绕组磁链Ψ_s2的矢量，分别对电磁转矩和磁链幅值进行滞环控制从而对开关状态做出合理的选择，就可以使Ψ_s2幅值维持在基本不变的滞环带宽内，并有目的地调整Ψ_s2旋转速度从而控制定转子磁链夹角的大小，完成对输出转矩和磁链幅值的调节；

系统给定控制绕组磁链幅值Ψ_s2 ^*，通过滞环比较器对电磁转矩和控制绕组磁链进行闭环控制，实现对给定转速的实时跟踪。

上述技术方案中，在发电工况下，控制绕组侧变流器输出的电流相位给定值θ_s2 ^*可表示为，

θ_s2 ^*＝θ_s1-(p₁+p2)*θ_m

其中，θ_m是转子的机械位置，它可由转子位置编码器获得。功率绕组输出的电流角速度可表示为2π*f_s1 rad/s，也可以通过锁相环获得；而控制绕组输出电压的给定角速度由磁链计算器计算得出。

上述技术方案中，在发电工况下，在q方向的有功控制环中，控制的输入为参考有功功率值和系统总功率值的误差，控制器为比例积分PI控制器，控制器的输出为q方向的控制绕组电压；

在d方向的无功控制环中，控制的输入为功率绕组的参考无功功率值和功率绕组无功功率的误差，控制器为比例积分PI控制器，控制器的输出为d方向的控制绕组电压。

上述技术方案中，在发电工况下，功率计算器对功率绕组的三相电压和三相电流进行采集，有功功率和无功功率的计算公式如下：

控制绕组电流的脉动将会通过一阶LC低通滤波器加以消除，从而提高功率绕组输出电压的质量。

本发明主要解决的技术问题是提供一种适合与风电、光伏联合运行的可变速抽水蓄能发电电动机的控制策略，能够解决海岛电网、区域电网或独立电网中，风电、光伏发电量波动以及由此带来的电力系统不稳定的难题；同时，本发明介绍的发电电动机还有利于实现电网对于新能源电源接入时，抽蓄电站机组应具备能量双向流动、有功/无功动态调节的要求。本发明所介绍的发电电动机控制策略不仅能够使得发电电动机变速恒频恒压发电的要求，同时具备对输出功率的有功/无功解耦控制、动态匹配电网功率需求等特点。

附图说明

图1是本发明一种适合抽水蓄能电站的发电电动机的系统工作示意图；

图2是本发明并网运行的可变速发电电动机的每相等效电路及其折算；

图3是本发明抽水蓄能发电电动机的有限元分析结果：(a)磁密图；(b)气隙磁密波形；(c)气隙磁密的谐波分析结果；

图4是本发明在抽水工况下的发电电动机的控制绕组侧变流器控制方框图；

图5是本发明控制策略中滞环控制器的计算模型；

图6是本发明在发电工况下的发电电动机的控制绕组侧变流器控制方框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

在可变速抽水蓄能发电电动机中，功率绕组和控制绕组是没有直接耦合关系的，因为我们可以将发电电动机拆分成两部分：功率和转子耦合电路、转子和控制耦合电路，再通过其转子电流以及频率折算将这两部分合并，如图2所示。为了明确其各部分的意义，在此将发电电动机两部分的基本方程式列出。

在功率和转子耦合电路中，其基本方程式为：

在转子和控制耦合电路中，其基本方程式为：

其中，V、I、R、Λ、ω分别表示绕组的电压、电流、电阻、磁链和电气角频率，下标s₁、s₂、r₁、r₂、σ、m分别表示功率绕组、控制绕组、转子绕组功率部分、转子绕组控制部分、绕组漏感、绕组互感。

图2所示的发电电动机并网发电系统的稳态模型，发电电动机的有限元模型、气隙磁密及其谐波分析频谱也在图3中给出，能够清晰地观察到功率绕组和控制绕组的磁场。

并网运行抽水蓄能发电电动机的动态数学模型可按照转子同步速，以功率绕组、控制绕组和转子绕组的dq轴分量作为状态变量的动态数学模型可表示为：

其中，V、I、Ψ、R和L分别表示电压、电流、磁链、电阻和电感矩阵。并网运行时的模型功率绕组的电压直接由电网电压给定，式3中的L_dq和K_dq应改写为：

其中，L_s1＝L_σs1+3L_m1/2+L_l，L_s2＝L_σs2+3L_m2/2，L_r＝L_σr+3L_mr/2。L_sr1是功率绕组和转子绕组之间的互感，L_sr2是控制绕组和转子绕组之间的互感。

在抽水工况下，发电电动机的电磁转矩表达式可写为：

可以看出电磁转矩表达式由两个分量组成，分别是功率绕组与控制绕组分别与转子耦合产生的电磁转矩T_e1和T_e2。由于功率绕组直接与电网相联，所以只有控制绕组侧的电压矢量可控。控制绕组侧变流器选择合适的控制策略来调节控制绕组电压磁链Ψ_s2，从而实现对T_e2的控制，进而达到控制电磁转矩T_e和发电总功率的目的。

在实际控制系统中很难直接测得电磁转矩的幅值，因此需要通过电机模型得到的关系间接计算T_em。在转子同步速坐标系的电磁转矩为：

T_e＝p₁L_s1r(i_qs1i_dr-i_ds1i_qr)-p_s2L_s2r(i_qs2i_dr+i_ds2i_qr)

(式7)

其中，L_sr1、L_sr2是功率绕组、控制绕组和转子绕组的互感，i_ds1、i_qs1、i_ds2、i_qs2、i_dr、i_qr是功率绕组、控制绕组以及转子绕组在转子同步速坐标系中得电流分量。

为减少计算量从而使系统得到简化，将式7转化到两相dq坐标系下：

T_e＝p₁(i_qs1ψ_ds1-i_ds1ψ_qs1)+p₂(i_qs2ψ_ds2-i_ds2ψ_qs2)

(式8)

上式中均为dq坐标系下变量且可计算得到，功率绕组磁链的测定采取与控制绕组磁链计算类似的办法，在计算结果后加入高通滤波环节消除积分漂移，再通过低通滤波的闭环反馈调整幅值和相位。

功率绕组和控制绕组的电压与磁链关系可表示为：

由于功率绕组直接与电网相联，其电压幅值v_s1稳定，而转子绕组电阻r_s1很小，其影响可忽略不计，因此功率绕组磁链幅值Ψ_s1基本保持不变。控制绕组侧电压矢量由控制绕组侧变流器决定，当控制绕组侧电压维持在较高水平，其电阻影响可忽略，式9离散化等效为Ψ_s2＝v_s2+Ψ_s20，即控制绕组磁链下一时刻的大小和方向将由此刻施加的电压矢量决定。

若令控制绕组磁链沿着电压矢量轨迹，在可容许的误差范围内按圆形旋转。则在任意时刻，根据控制绕组磁链Ψ_s2的矢量，分别对电磁转矩和磁链幅值进行滞环控制从而对开关状态做出合理的选择，就可以使Ψ_s2幅值维持在基本不变的滞环带宽内，并有目的地调整Ψ_s2旋转速度从而控制定转子磁链夹角的大小，完成对输出转矩和磁链幅值的调节。

系统给定控制绕组磁链幅值Ψ_s2 ^*，通过滞环比较器对电磁转矩和控制绕组磁链进行闭环控制，实现对给定转速的实时跟踪。由控制系统框图可知，要提高系统运行的稳定性与控制精度，一方面可以调节滞环比较器的带宽，另一方面要保证控制绕组磁链与电磁转矩的精确计算。

综上可总结出发电电动机在抽水工况下的控制策略：由发电电动机的数学模型和设计参数，得到电磁转矩的数值，再与电磁转矩的给定值进行滞环比较，得到差值ΔT_e；通过控制绕组磁链的计算，得到一个位置角度θ_s2；通过控制绕组磁链与给定磁链的滞环比较，得到差值ΔΨ_s2；ΔT_e、ΔΨ_s2、θ_s2再用于控制绕组电压矢量的给定，发电电动机在抽水工况下控制原理框图4所示。

在发电工况下，并网运行的抽水蓄能发电电动机是供的是控制绕组电流的动态调节，以达到电机输出特定有功功率和无功功率的目的。

发电电动机在发电工况下的控制绕组侧变流器的控制方法如图6所示。这个控制方法包含有四个部分：有功功率输出闭环控制，无功功率输出闭环控制，功率计算器用于动态跟踪系统有功和无功和转子位置角计算。

根据发电电动机的运行原则，控制绕组侧变流器输出的电流相位给定值θ_s2 ^*可表示为，

θ_s2 ^*＝θ_s1-(p₁+p₂)*θ_m (式9)

其中，θ_m是转子的机械位置，它可由转子位置编码器获得。功率绕组输出的电流角速度可表示为2π*f_s1 rad/s，也可以通过锁相环获得；而控制绕组输出电压的给定角速度由磁链计算器计算得出。

在q方向的有功控制环中，控制的输入为参考有功功率值和系统总功率值的误差，控制器为比例积分PI控制器，控制器的输出为q方向的控制绕组电压。

在d方向的无功控制环中，控制的输入为功率绕组的参考无功功率值和功率绕组无功功率的误差，控制器为比例积分PI控制器，控制器的输出为d方向的控制绕组电压。

功率计算器对功率绕组的三相电压和三相电流进行采集，有功功率和无功功率的计算公式如下：

控制绕组电流的脉动将会通过一阶LC低通滤波器加以消除，从而提高功率绕组输出电压的质量。

综上可总结出发电电动机在发电工况下的控制策略：由给定的有功和无功经过闭环PI调节，得到控制绕组电流的给定值，再经过电流内环PI调节，计算出控制绕组电压直接输入电机控制绕组。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (8)

1.一种可变速抽水蓄能电站的发电电动机的控制方法，其特征在于包括以下步骤：

发电电动机在抽水工况下，由发电电动机的数学模型和设计参数，得到电磁转矩的数值，再与电磁转矩的给定值进行滞环比较，得到差值ΔTe；通过控制绕组磁链的计算，得到一个位置角度θs2；通过控制绕组磁链与给定磁链的滞环比较，得到差值ΔΨs2；ΔTe、ΔΨs2、θs2再用于控制绕组电压矢量的给定；

发电电动机在发电工况下，由给定的有功和无功经过闭环PI调节，得到控制绕组电流的给定值，再经过电流内环PI调节，计算出控制绕组电压直接输入电机控制绕组。

2.根据权利要求1所述的可变速抽水蓄能电站的发电电动机的控制方法，其特征在于

在抽水工况下，设计一个发电电动机控制绕组的磁链计算器，用于直接计算得到控制绕组的磁链的矢量信息，间接用于给出控制绕组的输出电压矢量；

设计一个发电电动机控制绕组的磁链滞环比较器，直接用于将计算得到的控制绕组的磁链矢量值与给定的控制绕组的磁链矢量值进行比较，间接使输出的控制绕组电压稳定在给定值；

设计一个发电电动机电磁转矩的滞环比较器，首先计算发电电动机的电磁转矩，而后与电磁转矩的给定值进行比较，达到将电机输出电磁转矩维持在给定水平的目的。

3.根据权利要求1所述的可变速抽水蓄能电站的发电电动机的控制方法，其特征在于

在发电工况下，设计一个有功控制环，用于控制电机系统定子功率绕组的有功功率；

设计一个无功控制环，用于控制电机系统定子功率绕组的无功功率；

设计一个功率计算器，用的动态计算机组实时的有功功率和无功功率数值；

设计一个转子角速度的关系换算器，用于动态计算并给定控制绕组电压电流变换的坐标系以及给定控制绕组电压的频率。

4.根据权利要求2所述的可变速抽水蓄能电站的发电电动机的控制方法，其特征在于在抽水工况下通过电机模型得到的关系间接计算T_em，在转子同步速坐标系的电磁转矩转化到两相dq坐标系下：

T_e＝p₁(i_qs1ψ_ds1-i_ds1ψ_qs1)+p₂(i_qs2ψ_ds2-i_ds2ψ_qs2)

其中，L_sr1、L_sr2是功率绕组、控制绕组和转子绕组的互感，i_ds1、i_qs1、i_ds2、i_qs2、i_dr、i_qr是功率绕组、控制绕组以及转子绕组在转子同步速坐标系中得电流分量，p₁是定子功率绕组，p₂是定子控制绕组；

上式中均为dq坐标系下变量且可计算得到，功率绕组磁链的测定采取与控制绕组磁链计算类似的办法，在计算结果后加入高通滤波环节消除积分漂移，再通过低通滤波的闭环反馈调整幅值和相位。

5.根据权利要求2所述的可变速抽水蓄能电站的发电电动机的控制方法，其特征在于在抽水工况下，令控制绕组磁链沿着电压矢量轨迹，在可容许的误差范围内按圆形旋转，则在任意时刻，根据控制绕组磁链Ψ_s2的矢量，分别对电磁转矩和磁链幅值进行滞环控制从而对开关状态做出合理的选择，就可以使Ψ_s2幅值维持在基本不变的滞环带宽内，并有目的地调整Ψ_s2旋转速度从而控制定转子磁链夹角的大小，完成对输出转矩和磁链幅值的调节；

系统给定控制绕组磁链幅值Ψ_s2 ^*，通过滞环比较器对电磁转矩和控制绕组磁链进行闭环控制，实现对给定转速的实时跟踪。

6.根据权利要求3所述的可变速抽水蓄能电站的发电电动机的控制方法，其特征在于在发电工况下，控制绕组侧变流器输出的电流相位给定值θ_s2 ^*可表示为，

θ_s2 ^*＝θ_s1-(p₁+p₂)*θ_m

其中，θ_m是转子的机械位置，它可由转子位置编码器获得；功率绕组输出的电流角速度可表示为2π*f_s1 rad/s，也可以通过锁相环获得；而控制绕组输出电压的给定角速度由磁链计算器计算得出。

7.根据权利要求3所述的可变速抽水蓄能电站的发电电动机的控制方法，其特征在于在发电工况下，在q方向的有功控制环中，控制的输入为参考有功功率值和系统总功率值的误差，控制器为比例积分PI控制器，控制器的输出为q方向的控制绕组电压；

在d方向的无功控制环中，控制的输入为功率绕组的参考无功功率值和功率绕组无功功率的误差，控制器为比例积分PI控制器，控制器的输出为d方向的控制绕组电压。

8.根据权利要求3所述的可变速抽水蓄能电站的发电电动机的控制方法，其特征在于在发电工况下，功率计算器对功率绕组的三相电压和三相电流进行采集，有功功率P和无功功率Q的计算公式如下：

式中，v_1d和v_1q分别为定子功率绕组在d轴和q轴的电压，i_1d和i_1q分别为定子功率绕组在d轴和q轴的电流，同理，v_2d和v_2q分别为定子控制绕组在d轴和q轴的电压，i_2d和i_2q分别为定子控制绕组在d轴和q轴的电流；

控制绕组电流的脉动将会通过一阶LC低通滤波器加以消除，从而提高功率绕组输出电压的质量。