CN110932311B - 一种静止同步发电机一次调节器控制方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种静止同步发电机一次调节器控制方法及系统，所述方法包括如下步骤：采集变流器的变流器三相输出电感电流、变流器网侧电压和变流器机侧电压；通过变流器三相输出电感电流及变流器网侧电压得到变流器输出有功功率、变流器输出无功功率、变流器网侧电压幅值和变流器网侧电压频率；通过变流器机侧电压、变流器输出有功功率、变流器输出无功功率、变流器网侧电压幅值和变流器网侧电压频率得到发电机功率开关的控制信号；通过变流器网侧电压频率得到桨距角指令信号；通过发电机功率开关的控制信号和桨距角指令信号对发电机进行控制，该方法使传统风电变流器也具备调频调压特性，极大提高了分布式发电系统和微电网的运行可靠性。

Description

一种静止同步发电机一次调节器控制方法及系统
技术领域
本发明属于同步发电机控制技术领域，具体涉及一种静止同步发电机一次调节器控制方法及系统。
背景技术：
随着风力发电在中国的大规模开发利用，尽管其在国内能源结构中的占比仍然较小，但在局部地区的渗透率，无论是装机容量还是发电量都达到了很高的水平。然而，风能源具有间歇性和不可控性，风电机组大多经电力电子逆变器接入电网，风力机转速与电网频率之间不存在直接耦合关系，未能体现常规电力系统固有的惯性和调频调压特性，对电力系统安全稳定运行提出了新的挑战。
发明内容
本发明的目的在于提供一种静止同步发电机一次调节器控制方法及系统，以解决现有技术中导致的分布式系统不稳定性的缺陷。
该技术方案主要由以下步骤实现：
第一方面，提供了一种静止同步发电机一次调节器控制方法，所述方法包括如下步骤：
采集变流器的变流器三相输出电感电流、变流器网侧电压和变流器机侧电压；
通过变流器三相输出电感电流及变流器网侧电压得到变流器输出有功功率、变流器输出无功功率、变流器网侧电压幅值和变流器网侧电压频率；
通过变流器机侧电压、变流器输出有功功率、变流器输出无功功率、变流器网侧电压幅值和变流器网侧电压频率得到发电机功率开关的控制信号；
通过变流器网侧电压频率得到桨距角指令信号；
通过发电机功率开关的控制信号和桨距角指令信号对发电机进行控制。
结合第一方面，所述发电机功率开关的控制信号的获取方法包括如下步骤：
通过变流器网侧电压得到变流器网侧电压幅值；
根据变流器网侧电压幅值、变流器输出无功功率和变流器机侧电压得到励磁电流；
根据励磁电流得到发电机模拟模型的转子转速；
根据转子转速和变流器输出有功功率得到机械功率；
根据机械功率得到变流器三相调制信号；
根据变流器三相调制信号和载波信号得到发电机功率开关的控制信号。
第二方面，提供了一种静止同步发电机一次调节器控制系统，所述系统包括：
用于控制同步发电机的变流器电路及电网模块；
与所述变流器电路及电网模块连接的数据采集模块；
与所述数据采集模块连接，用于对采集的数据进行运算的数据运算模块；
分别与所述数据运算模块和所述同步发电机连接，用于控制所述同步发电机的变桨距执行控制模块；
以及分别与所述数据运算模块和所述变流器电路及电网模块连接，用于模拟并控制所述同步发电机的发电机模拟机构。
结合第二方面，所述数据采集模块包括：
与所述变流器电路及电网模块连接，分别用于采集变流器机侧电压、变流器三相输出电感电流和变流器网侧电压的变流器机侧电压采集模块、变流器三相输出电流采集模块以及变流器网侧电压采集模块。
结合第二方面，所述数据运算模块包括：
分别与所述变流器网侧电压采集模块和所述变流器三相输出电流采集模块连接，用于计算变流器输出有功功率和变流器输出无功功率的逆变器输出功率计算模块；
以及与所述变流器网侧电压采集模块连接，用于获取变流器网侧电压幅值和变流器网侧电压频率的变流器输出电压幅值频率检测模块。
结合第二方面，所述变桨距执行控制模块包括：
与所述变流器输出电压幅值频率检测模块连接的静止同步发电机主控系统；
以及分别与所述静止同步发电机主控系统和同步发电机连接的用于获取桨距角指令信号的变桨距执行机构。
结合第二方面，所述发电机模拟机构包括：
与所述变流器输出电压幅值频率检测模块、所述逆变器输出功率计算模块和所述变流器机侧电压采集模块连的虚拟励磁调节器模块；
与所述虚拟励磁调节器模块连接的静止同步发电机本体模型；
分别与所述静止同步发电机本体模型和所述逆变器输出功率计算模块连接的虚拟调速器；
以及分别与所述静止同步发电机本体模型和所述同步发电机连接，用于产生驱动功率管控制信号的脉宽调制模块。
本发明的优点在于：本发明通过变桨距执行控制模块和发电机模拟机构的联合模拟控制，可使得新能源风力发电系统具有类似同步发电机的参与电网调频功能，提高风力发电的并网友好性。
附图说明
图1为本发明的结构控制示意图。
其中：1-变流器电路及电网，2-变流器机侧电压采集模块，3-变流器三相输出电流采集模块，4-变流器网侧电压采集模块，5-逆变器输出功率计算模块，6-变流器输出电压幅值频率检测模块，7-虚拟励磁调节器模块，8-静止同步发电机本体模型，9-虚拟调速器模块，10-脉宽调制模块，11-静止同步发电机主控系统，12-变桨距执行机构。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
如图1所示，本发明提出的一种静止同步发电机一次调节器系统，包括变流器电路及电网Grid 1、变流器机侧电压采集模块2、变流器三相输出电流采集模块3、变流器网侧电压采集模块4、用于计算逆变器输出功率模块5、网侧电压幅值频率检测模块6、虚拟励磁调节器模块7、静止同步发电机本体模型8、虚拟调速器模块9、用于产生驱动功率开关控制信号的脉宽调制模块10、静止同步发电机DFIG、静止同步发电机主控系统11以及产生叶轮控制信号的变桨距执行机构12。
虚拟调速器对应的是同步发电机调速器模型(传递函数)。
虚拟励磁调节器对应的是同步发电机励磁调节器模型(传递函数)。
静止同步发电机本体模型为静止同步发电机的缩小模拟版，用于模拟静止同步发电机的运动状态，并通过虚拟励磁调节器模块对其进行控制，通过对比得到静止同步发电机的控制参数。
该静止同步发电机一次调频器主要实施过程描述如下：首先通过变流器三相输出电流采集模块3获得的电流iABC和变流器网侧电压采集模块4所获得的变流器输出电压uoABC送入逆变器输出功率计算模块5计算获得相应的变流器输出有功功率po和无功功率qo，将变流器输出电压uoABC送入变流器输出电压幅值频率检测模块6获得输出电压幅值信号Vo和频率信号f，将电压幅值信号Vo、变流器机侧电压采集模块2获得的机侧电压usABC和变流器输出的无功功率qo送入虚拟励磁调节器获得静止发电机本体模型8所需励磁电流im，将静止发电机本体模型8输出的转子转速和变流器输出的有功功率po送到虚拟调速器模块9，并把虚拟调速器模块9输出机械功率反馈给静止发电机本体模型8，将静止发电机本体模型8输出的变流器三相调制信号vmABC与载波信号vc一同送入脉宽调制模块10产生控制静止同步发电机功率开关的控制信号。脉宽调制模块产生PWM脉冲信号驱动静止同步发电机的功率开关管。当PWM信号全部置0，则功率表开关管全部关断。
同时，将变流器输出电压幅值频率检测模块6输出的频率信号f送入静止同步发电机主控系统11获得桨距角指令信号，将桨距角指令信号送入变桨距执行机构12获得叶轮控制信号控制风机叶轮。
变桨距执行机构根据检测到的电网频率信息(检测到电网频率下降)，通过控制叶轮转速，进而释放叶轮的惯量，从而实现向电网增发有功功率。
其中，静止同步发电机本体模型8中电磁模型计算公式如式(1)所示：
机电模型计算公式如式(2)所示：
式中VVSG为静止同步发电机电枢端电压，e0为激磁电动势，R为电枢电阻，L为同步电感，T为原动机的机械转矩，T为原动机的，电磁转矩，D为阻尼系数，J为虚拟转动惯量，i为电感电流，ω为角速度，ω0为预设的角速度初始值，t为时间；
虚拟励磁电流与逆变器实际输出无功功率的关系：
式中im为虚拟励磁电流，Qref为无功功率指令值，qo为逆变器实际输出无功功率，K为积分系数，s为拉普拉斯算子；
预设的角速度初始值与功功率指令值和逆变器实际输出有功功率的关系：
式中Pref为有功功率指令值，po为逆变器实际输出有功功率，J为虚拟转动惯量，ωn为预设的额定电网角频率314rad/s；
三相调制信号的计算方法VmABC：
其中：θVSG＝ω0/s；VVSG由式(1)给出。
以上所涉及的变流器输出电压uoABC、输出电压幅值信号Vo、频率信号f、机侧电压usABC、载波信号vc、控制静止同步发电机功率开关的控制信号、桨距角指令信号、叶轮控制信号和电网频率信息均可通过现有仪器直接测量获得。有功功率po和无功功率qo均可通过上述参数计算得到。
一种静止同步发电机一次调节器控制方法，包括如下步骤：
采集变流器的变流器三相输出电感电流、变流器网侧电压和变流器机侧电压；
通过变流器三相输出电感电流及变流器网侧电压得到变流器输出有功功率、变流器输出无功功率、变流器网侧电压幅值和变流器网侧电压频率；
通过变流器机侧电压、变流器输出有功功率、变流器输出无功功率、变流器网侧电压幅值和变流器网侧电压频率得到发电机功率开关的控制信号；
通过变流器网侧电压频率得到桨距角指令信号；
通过发电机功率开关的控制信号和桨距角指令信号对发电机进行控制。
在本实施例中，所述发电机功率开关的控制信号的获取方法包括如下步骤：
通过变流器网侧电压得到变流器网侧电压幅值；
根据变流器网侧电压幅值、变流器输出无功功率和变流器机侧电压得到励磁电流；
根据励磁电流得到发电机模拟模型的转子转速；
根据转子转速和变流器输出有功功率得到机械功率；
根据机械功率得到变流器三相调制信号；
根据变流器三相调制信号和载波信号得到发电机功率开关的控制信号。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (6)

1.一种静止同步发电机一次调节器控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
采集变流器的变流器三相输出电感电流、变流器网侧电压和变流器机侧电压；
通过变流器三相输出电感电流及变流器网侧电压得到变流器输出有功功率、变流器输出无功功率、变流器网侧电压幅值和变流器网侧电压频率；
通过变流器机侧电压、变流器输出有功功率、变流器输出无功功率、变流器网侧电压幅值和变流器网侧电压频率得到发电机功率开关的控制信号；
通过变流器网侧电压频率得到桨距角指令信号；
通过发电机功率开关的控制信号和桨距角指令信号对发电机进行控制；
所述发电机功率开关的控制信号的获取方法包括如下步骤：
通过变流器网侧电压得到变流器网侧电压幅值；
根据变流器网侧电压幅值、变流器输出无功功率和变流器机侧电压得到励磁电流；
根据励磁电流得到发电机模拟模型的转子转速；
根据转子转速和变流器输出有功功率得到机械功率；
根据机械功率得到变流器三相调制信号；
根据变流器三相调制信号和载波信号得到发电机功率开关的控制信号。
2.一种基于权利要求1所述的静止同步发电机一次调节器控制方法的静止同步发电机一次调节器控制系统，其特征在于：系统包括：
用于控制同步发电机的变流器电路及电网模块；
与所述变流器电路及电网模块连接的数据采集模块；
与所述数据采集模块连接，用于对采集的数据进行运算的数据运算模块；
分别与所述数据运算模块和所述同步发电机连接，用于控制所述同步发电机的变桨距执行控制模块；
以及分别与所述数据运算模块、所述同步发电机和所述变流器电路及电网模块连接，用于模拟并控制所述同步发电机的发电机模拟机构。
3.根据权利要求2所述的一种静止同步发电机一次调节器控制系统，其特征在于：所述数据采集模块包括：
与所述变流器电路及电网模块连接，分别用于采集变流器机侧电压、变流器三相输出电感电流和变流器网侧电压的变流器机侧电压采集模块、变流器三相输出电流采集模块以及变流器网侧电压采集模块。
4.根据权利要求3所述的一种静止同步发电机一次调节器控制系统，其特征在于：所述数据运算模块包括：
分别与所述变流器网侧电压采集模块和所述变流器三相输出电流采集模块连接，用于计算变流器输出有功功率和变流器输出无功功率的逆变器输出功率计算模块；
以及与所述变流器网侧电压采集模块连接，用于获取变流器网侧电压幅值和变流器网侧电压频率的变流器输出电压幅值频率检测模块。
5.根据权利要求4所述的一种静止同步发电机一次调节器控制系统，其特征在于：所述变桨距执行控制模块包括：
与所述变流器输出电压幅值频率检测模块连接的静止同步发电机主控系统；
以及分别与所述静止同步发电机主控系统和同步发电机连接的用于获取桨距角指令信号的变桨距执行机构。
6.根据权利要求4所述的一种静止同步发电机一次调节器控制系统，其特征在于：所述发电机模拟机构包括：
与所述变流器输出电压幅值频率检测模块、所述逆变器输出功率计算模块和所述变流器机侧电压采集模块连的虚拟励磁调节器模块；
与所述虚拟励磁调节器模块连接的静止同步发电机本体模型；
分别与所述静止同步发电机本体模型和所述逆变器输出功率计算模块连接的虚拟调速器；
以及分别与所述静止同步发电机本体模型和所述同步发电机连接，用于产生驱动所述同步发电机功率管控制信号的脉宽调制模块。
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