CN110970917B - 一种发电系统 - Google Patents

Abstract

一种发电系统，其包括：内反馈发电机，其包括配置在转子上的转子绕组以及配置在定子上的主绕组和反馈绕组，其中，主绕组与电网电连接；双馈变流器，其连接在转子绕组与反馈绕组之间，用于控制主绕组所输出的有功功率和无功功率。本系统中定子主绕组直接连接高压电网，这样也就省去了常规的升压并网变压器，而发电机反馈绕组和转子绕组采用低压工作电压，以便于采用技术成熟且成本较低的低压型变流器。

Description

一种发电系统

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体地说，涉及一种发电系统，尤其涉及一种基于内反馈发电机的变速恒频风力发电系统。

背景技术

风能是一种清洁而稳定的新能源，风电也成为近年来世界上增长最快的能源之一。采用双馈发电机发电是目前并网型变速恒频风力发电的主流方式之一。

如图1所示，对于现有的基于双反馈发电机的并网型变速恒频风力发电系统而言，其电气部分主要由低压双馈发电机101、配套的低压双馈变流器102以及升压并网变压器103组成。该系统的变速恒频控制是由双馈发电机101转子侧的低压双馈变流器102实现的，流经低压双馈变流器102的有功功率只是双馈发电机101的转差功率，这样使得低压双馈变流器102的容量以及控制难度大幅降低。但是，该系统由于发电机定子和双馈变流器102都按低压设计，因此连接高压电网的升压并网变压器103也就是必不可少的。而由于并网变压器103通常需要安放在风机塔筒附近的地面，因此这样也就不仅增加了在风场的地面安放占地需求，还增加了整个风力发电系统的成本。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种发电系统，所述发电系统包括：

内反馈发电机，其包括配置在转子上的转子绕组以及配置在定子上的主绕组和反馈绕组，其中，所述主绕组与电网电连接；

双馈变流器，其连接在所述转子绕组与反馈绕组之间，用于控制所述主绕组所输出的有功功率和无功功率。

根据本发明的一个实施例，所述双馈变流器包括共直流母线的第一整流逆变电路和第二整流逆变电路，所述第一整流逆变电路与所述转子绕组电连接，所述第二整流逆变电路与所述反馈绕组电连接。

根据本发明的一个实施例，所述第一整流逆变电路和第二整流逆变电路包括功率能量能够双向流动的三相PWM整流逆变器。

根据本发明的一个实施例，所述第一整流逆变电路和第二整流逆变电路的正极直流母线以及负极直流母线之间连接有支撑电容。

根据本发明的一个实施例，所述内反馈发电机的额定转速大于同步转速。

根据本发明的一个实施例，所述发电系统还包括：

整机控制器，其与所述双馈变流器连接，用于控制所述双馈变流器的运行状态。

根据本发明的一个实施例，所述整机控制器配置为：

根据所述转子绕组在两相同步坐标系下的实际电流和转子绕组在两相同步坐标系下的参考电流，确定转子绕组的第一d轴参考电压u′_dr和第一q轴参考电压u′_qr；

根据所述第一d轴参考电压和第一q轴参考电压，引入第一前馈控制变量，得到转子绕组的第二d轴参考电压u_dr和第二q轴参考电压u_qr；

根据所述第二d轴参考电压u_dr和第二q轴参考电压u_qr生成相应的逆变器控制信号，以通过控制所述内反馈发电机的转子侧逆变器来控制所述内反馈发电机的转子绕组的有功电流分量和无功电流分量，进而间接实现对所述内反馈发电机的定子侧主绕组的输出有功功率和输出无功功率的控制。

根据本发明的一个实施例，所述整机控制器配置为根据如下表达式确定第二d轴参考电压u_dr和第二q轴参考电压u_qr：

其中，u_dr和u_qr分别表示转子绕组的第二d轴参考电压和第二q轴参考电压，u′_dr和u′_qr分别表示转子绕组的第一d轴参考电压和第一q轴参考电压，ω_slip表示滑差角速度，L_s1r表示主绕组与转子绕组的互感量，L_s1m和L_s1σ分别表示主绕组的主电感和漏电感，ψ_s1表示主绕组磁链，L_rλ表示转子漏电感，i_dr和i_qr分别表示转子绕组的d轴实际电流和q轴实际电流。

根据本发明的一个实施例，所述整机控制器配置为：

根据所述反馈绕组在两相同步坐标系下的实际电流和参考电流，分别确定第三d轴参考电压v_ds2和第三q轴参考电压v_qs2；

根据所述第三d轴参考电压v_ds2和第三q轴参考电压v_qs2，结合所述反馈绕组在两相同步坐标系下的实际电压，确定变流器控制d轴参考电压

和变流器控制q轴参考电压

根据所述变流器控制d轴参考电压

和变流器控制q轴参考电压

生成相应的整流器控制信号，以通过控制所述内反馈发电机的反馈侧整流器来实现变流器直流侧电压的稳定。

根据本发明的一个实施例，所述整机控制器配置为根据如下表达式确定变流器控制d轴参考电压

其中，u_ds2表示反馈绕组的d轴实际电压，ω_e表示反馈绕组的角频率，L表示反馈绕组的漏电感，i_qs2表示反馈绕组的q轴实际电流，v_ds2表示第三d轴参考电压。

根据本发明的一个实施例，所述整机控制器配置为根据如下表达式确定变流器控制q轴参考电压

其中，u_qs2表示反馈绕组的q轴实际电压，ω_e表示反馈绕组的角频率，L表示反馈绕组的漏电感，i_ds2表示反馈绕组的d轴实际电流，v_qs2表示第三q轴参考电压。

相较于现有的发电系统，本发明所提供的发电系统中定子主绕组直接连接高压电网，这样也就省去了常规的升压并网变压器，而发电机反馈绕组和转子绕组采用低压工作电压，以便于采用技术成熟且成本较低的低压型变流器。变流器接收风电机组整机控制装置的电磁转矩指令与功率指令,通过控制发电机的转子电流和定子反馈绕组电流，从而实现发电机电磁转矩的控制和通过定子主绕组并入电网的功率输出。

同时，本发明所提供的内反馈发电机并网发电控制方法通过在两相旋转dq同步坐标系中，控制发电机转子绕组的有功电流分量和无功电流分量，来间接实现对定子主绕组所输出的有功功率和无功功率的控制。在两相旋转dq同步坐标系中，该方法通过控制进入反馈绕组的有功电流分量来实现变流器直流侧电压的稳定，而该该有功电流分量的控制参考指令则来源于直流侧电压控制环的输出。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要的附图做简单的介绍：

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要的附图做简单的介绍：

图1是现有的基于双反馈发电机的并网型变速恒频风力发电系统的结构示意图；

图2现有的将双馈发电机定子绕组设计成高压直接并网的方式并网型变速恒频风力发电系统的结构示意图；

图3是根据本发明一个实施例的典型的内反馈电机的调速应用主电路的结构示意图；

图4是根据本发明一个实施例的发电系统的结构示意图；

图5是根据本发明一个实施例的发电系统的部分电路示意图；

图6是根据本发明一个实施例的内反馈发电机绕组位置关系示意图；

图7是根据本发明一个实施例的三相静止坐标系到两相同步坐标系变换示意图；

图8是根据本发明一个实施例的反馈绕组侧的变流器示意图；

图9是根据本发明一个实施例的内反馈发电机并网发电系统的控制方法的实现流程示意图；

图10是根据本发明一个实施例的内反馈发电机并网发电系统的控制方法的控制逻辑示意图；

图11是根据本发明一个实施例的确定第一d轴参考电压的实现流程示意图；

图12是根据本发明一个实施例的对内反馈发电机的反馈绕组的电流进行控制的实现流程示意图；

图13是根据本发明一个实施例的确定第三d轴参考电压的实现流程示意图；

图14是根据本发明一个实施例的确定转子绕组的无功电流和反馈绕组的无功电流的实现流程示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本发明实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本发明可以不用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。

另外，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

目前用于并网型风力发电的大功率双馈风力发电系统中，双馈发电机和变流器通常按低压设计。双馈发电机定子绕组和转子绕组输出额定电压通常为低压690Vac，双馈变流器连接在双馈发电机的转子输出侧与并网变压器之间，双馈变流器的额定工作电压也为低压690Vac。这种系统低压设计方案降低了系统绝缘要求，方便了风电变流器的开发和应用。但是，对于这种系统低压设计方案来说用于升压并网的并网变压器(其功率容量与双馈发电机容量相当)是不可缺少的，且由于并网变压器通常安放在风机塔筒附近的地面，因此将会增加发电系统在风场的地面安放占地需求。

为了降低风机的成本和线路损耗，国内已有风机整机厂家在传统的低压双馈风电机组方案基础上，将双馈发电机定子绕组设计成高压直接并网的方式。如图2所示，在该技术方案中，双馈发电机201的定子绕组按高压设计，而转子仍然维持低压设计，这样虽然可省去定子到电网间的全功率容量的升压变压器，但在双馈变流器202与电网间仍然需要配置一个升压变压器203，其功率容量约为发电机容量的30％。而同样容量的双馈发电机201在定子电压提高到高压后，电机成本增加甚微，因此该发电系统成本得到了一些降低，但是这种方案并没有彻底省去并网变压器(即升压变压器203)。

内反馈电动机是一种新型的绕线异步电动机，它是为内反馈串级交流调速装置而设计的特种绕线电机。内反馈电机定子上具有两套绕组，其中一套称为主绕组，与电网电压相连接；另一套绕组称为反馈绕组，与主绕组同槽布线并与主绕组在电气上相互绝缘。反馈绕组与有源逆变器的交流侧相连接，其能够接收源自转子绕组发出的转差功率。

图3示出了典型的内反馈电机的调速应用主电路，它是在传统串级调速系统的基础上发展起来的。变流器回路301主要由转子侧的二极管整流器302、IGBT斩波器303和反馈绕组侧的有源逆变器304组成。通过控制IGBT斩波器303中IGBT的通断也就可以控制直流电动势，从而达到调节电动机转速的目的。

现有的内反馈电机主要应用于传统串级调速系统上，在该系统中，内反馈电机作为电动机来使用。然而，对于风力发电应用场景来说，内反馈电机是需要作为发电机来使用的，而这也就使得如图3所示的现有的内反馈电机的调速应用主电路不再适用。

针对现有技术中所存在的上述问题，本发明提供了一种新的发电系统，该发电系统将现有的发电系统中所实用的双馈发电机改为内反馈电机(由于发电系统中的电机主要工作在发电模式，因此该内反馈电机也可以称为内馈发电机)，并且还对原有双馈变流器的电路结构以及控制方式进行了改进，以彻底去除用于升压的并网变压器，从而实现发电系统成本以及损耗的降低，并且还能够有效节约变压器的安装场地费用。

图4示出了本实施例所提供的发电系统的结构示意图。

如图4所示，本实施例所提供的发电系统优选地包括：内反馈电机401以及双馈变流器402。其中，内反馈电机401的转子与齿轮箱机械连接，齿轮箱能够将风机的动能传输至内反馈电机401，从而带动内反馈电机401的转子转动，这样内反馈电机也就可以作为发电机来生成相应的电能。

本实施例中，内反馈电机401包括配置为转子上的转子绕组以及配置在定子上的主绕组和反馈绕组，其中，主绕组与电网电连接。由于反馈电阻是镶嵌在内反馈电机401的定子中的，其相对于同样镶嵌在定子中的主绕组是不动的，因此内反馈电机401也就兼具了异步电动机和三相静止变压器的特性，这样也就可以将内反馈电动机(即内反馈电机401)近似简化为异步电动机与三相变压器的组合，即定子主绕组与反馈绕组可看成为三相静止变压器，定子主绕组与转子可看成为普通异步电动机。

相较于传统串级调速系统，内反馈电机401从物理结构上可以理解为将外接变压器绕组转移到了电动机的定子侧，由于取消了普通串级调速中的逆变变压器,不仅减少了调速装置的占地面积,调速系统也更紧凑简单。

如图4所示，本实施例中，内反馈电机401的主绕组与电网403连接，同时其转子绕组与Crowbar装置404连接。为了减小主绕组传输至电网的电流谐波，该发电系统所采用的变流器优选地采用了双馈变流器402，双馈变流器402连接在转子绕组与反馈绕组之间，其用于控制主绕组所输出的有功功率和无功功率。

具体地，本实施例中，双馈变流器402包括第一整流逆变电路402a和第二整流逆变电路402b。其中，第一整流逆变电路402a与第二整流逆变电路402b共直流母线，即第一整流逆变电路402a的直流端口分别与第二整流逆变电路402b的直流端口对应连接。第一整流逆变电路402a与第二整流逆变电路402b都能够四象限运行从而实现能量的双向流动。

第一整流逆变电路402a与内反馈电机401的转子绕组电连接，从而形成转子侧整流逆变电路。第二整流逆变电路402b与内反馈电机401的反馈绕组电连接，从而形成反馈绕组侧整流逆变电路。

本实施例中，上述第一整流逆变电路402a和第二整流逆变电路402b优选地均采用功率能量能够双向流动的三相PWM整流逆变器来实现。其中，该三相PWM整流逆变器为全控三相桥式整流逆变器，根据实际需要，三相PWM整流逆变器既可以作为整流器来实现对交流电的整流功能，也可以作为逆变器来实现对直流电的逆变功能。

需要指出的是，在本发明的不同实施例中，上述三相PWM整流逆变器中所使用的开关器件既可以为IGBT，也可以为其它能够实现高速开关控制的电力电子开关器件，本发明不限于此。

本实施例中，在发电系统发电过程中，第一整流逆变电路402a(即转子侧整流逆变电路)优选地作为逆变器来控制内反馈电机401的定子主绕组所输出的有功功率和无功功率，而第二整流逆变电路402b(即反馈绕组侧整流逆变电路)则优选地作为整流器来控制逆变器直流侧电压并位置该直流侧电压的稳定。

需要指出的是，根据实际需要，第二整流逆变电路402b还可以单独控制定子主绕组所输出的额外无功功率，该额外无功功率与第一整流逆变电路402a所控制形成的无功功率叠加作为电子总无功功率，并为电网403提供无功支持。

现有的内反馈式串级调速系统是以控制电动机转速为目的的，然而，本实施例所提供的发电系统是以控制定子绕组所输出的有功功率和无功功率为目的，为此，本实施例还提供了一种新的内反馈发电机并网发电系统的控制方法，该方法优选地由发电系统的整机控制器405来实施。

具体地，本实施例种，双馈变流器402优选地与整机控制器405连接，其能够接收来自整机控制器405的相关转矩指令和/或功率指令，从而根据该转矩指令和/或功率指令来调节内反馈电机401的定子绕组所输出的有功功率和无功功率。此外，双馈变流器402优选地还能够检测内反馈电机401的转速，并将该转速信息传输至整机控制器405，以由整机控制器405来根据转速信息来进行内反馈电机401的转速的控制。

假定内反馈发电机的定子与转子都按电动机惯例来确定电机的各物理量的参考正方向，那么a-b-c三相坐标系下内反馈发电机的电压方程式(其中，定子主绕组用s1表示，反馈绕组用s2表示，转子绕组用r来表示)为：

[u]＝[u_as1 u_bs1 u_cs1 u_as2 u_bs2 u_cs2 u_ar u_br u_cr]^T (2)

[ψ]＝[ψ_as1 ψ_bs1 ψ_cs1 ψ_as2 ψ_bs2 ψ_cs2 ψ_ar ψ_br ψ_cr]^T (3)

[i]＝[i_as1 i_bs1 i_cs1 i_as2 i_bs2 i_cs2 i_ar i_br i_cr]^T (4)

[r]＝diag[r_as1 r_bs1 r_cs1 r_as2 r_bs2 r_cs2 r_ar r_br r_cr] (5)

其中，u、ψ和i分别表示内反馈发电机的定子绕组、反馈绕组和转子绕组的三相电压、磁链和电流列向量，r表示内反馈发电机的定子绕组、反馈绕组和转子绕组的电阻的对角矩阵。u_as1、u_bs1、u_cs1分别表示定子主绕组a、b、c三相轴的电压，u_as2、u_bs2、u_cs2分别表示反馈绕组a、b、c三相轴的电压，u_ar、u_br和u_cr分别表示转子绕组a、b、c三相轴的电压。

磁链方程为：

其中，L_i,i表示相应绕组的自感量，L_i,j(i≠j)表示绕组间的互感量。

基于绕线式异步电机的特点，定子三相主绕组、反馈绕组和转子绕组的自感存在：

其中，L_s1m与L_s2m分别表示定子主绕组和反馈绕组的主电感，L_rm表示转子绕组的主电感，L_s1σ和L_s2σ分别表示定子主绕组和反馈绕组的漏电感，L_rσ表示转子绕组的漏电感。

定子三相主绕组、反馈三相绕组和转子三相绕组的互感：

考虑到各绕组之间的位置关系，存在：

图6示出了为内反馈发电机绕组位置关系示意图。其中，A、B、C为定子主绕组输出端，A'、B'、C'为反馈绕组输出端，a、b、c为转子绕组输出端。θ_k为定子主绕组和反馈绕组对应相轴线的空间位置夹角，由于定子主绕组与反馈绕组对应相在同一定子槽中，因此可认为θ_k＝0。

定子主绕组、反馈绕组和转子绕组对应相之间的互感如下：

为了实现发电机的功率控制，下面推导内反馈发电机在两相旋转坐标系下的数学模型：

将d-q-0坐标系的d轴定位在定子主绕组电压综合矢量上，q轴超前d轴90度。如图7所示，设d轴与定子主绕组的A相轴的夹角为θ，采用等幅值坐标变换，三相静止坐标系到两相同步坐标系的物理量变换矩阵则为：

而两相同步坐标系到三相静止坐标系的物理量坐标变换矩阵为则为T_ABC→dq ^-1(θ)。

经过坐标变换后，可得到d-q-0坐标系下的内反馈发电机磁链方程和电压方程式为：

其中，其中，u_ds1和u_qs1分别表示定子主绕组的d轴电压和q轴电压，u_ds2和u_qs2分别表示反馈绕组的d轴电压和q轴电压，u_dr和u_qr分别表示转子绕组的d轴电压和q轴电压，r_s1、r_s2和r_r分别表示定子主绕组、反馈绕组和转子绕组的电阻，i_ds1和i_qs1分别表示定子主绕组的d轴电流和q轴电流，i_ds2和i_qs2分别表示反馈绕组的d轴电流和q轴电流，i_dr和i_qr分别表示转子绕组的d轴电流和q轴电流，ψ_ds1和ψ_qs1分别表示定子主绕组的d轴磁链和q轴磁链，ψ_ds1和ψ_qs1分别表示定子主绕组的d轴磁链和q轴磁链，ψ_ds2和ψ_qs2分别表示反馈绕组的d轴磁链和q轴磁链，ψ_dr和ψ_qr分别表示转子绕组的d轴磁链和q轴磁链，ω₁表示定子磁链角频率，ω_r表示转子角速度。

消去磁链项，得到内反馈发电机的数学模型如下：

三相对称时，可认为定子主绕组输入有功功率P_s1和无功功率Q_s1为：

反馈绕组输入有功功率P_s2和无功功率Q_s2为：

转子绕组输入有功功率P_r为：

因定子绕组的漏感相对较小，在计算稳态功率时可忽略，将式(18)带入表达式(19)和(20)，并省去微分项，可得定子绕组稳态功率为：

由(22)可得：

同理，将式(18)带入表达式(21)，省去微分项，并利用转差率定义可化得转子绕组稳态功率P_r为：

根据表达式(23)和(24)可知转子绕组的功率与定子主绕组与反馈绕组的有功功率存在如下数量关系式：

P_r＝-s(P_s1+P_s2) (26)

如图4所示，如果忽略双PWM变流器的发热损耗的话，可认为：

P_r＝-P_s2 (27)

结合式(26)与(27)可得，

将d轴按定子主绕组电压综合矢量定向，则存在：

因为主绕组电阻相对较小，可以忽略其影响，则可认为定子主绕组电压综合矢量为常数，则有定子主绕组磁链Ψs1为大小保持不变，根据表达式(16)可得：

其中，u_s1m表达定子主绕组相电压峰值。

将表达式(30)代入表达式(20)可以得到：

将表达式(29)代入表达式(18)可以得到：

将表达式(33)代入表达式(32)中可以得到：

而对于定子主绕组的有功功率，可分解为两部分：

其中，P_{s1_dr}和P_{s1_ds2}分别表示受转子和反馈绕组电量影响的定子主绕组功率。

对于定子主绕组的无功功率，可分解为三部分：

其中，Q_{s1_ψs1}、Q_{s1_qr}和Q_{s1_qs2}分别表示受定子主绕组、转子绕组和反馈绕组电量影响的定子主绕组无功功率，u_s1m表示定子主绕组相电压峰值。

从表达式(34)～(36)可知，定子主绕组送到电网的有功由两部分构成，一部分(即P_{s1_dr})与转子绕组的有功分量i_dr成正比，另一部分(即P_{s1_ds2})与反馈绕组的电流有功分量i_ds2成正比。定子主绕组与电网交换的无功功率大小由三部分构成，一部分(即Q_{s1_ψs1})是电机励磁无功，大小取决于网压幅值，一部分(即Q_{s1_qr})与转子绕组的无功电流i_qr成正比,一部分(即Q_{s1_qs2})与反馈绕组的电流无功分量i_ds2成正比。

对表达式(35)进行分析，因定子绕组漏感远小于其自感，在忽略其影响的情况下，可得：

其中，P_{s1_dr}表示受转子电量影响的定子主绕组功率，P_{s1_ds2}表示受反馈绕组电量影响的定子主绕组功率，u_s1m和u_s2m分别表示定子主绕组和反馈绕组相电压峰值。

由于反馈绕组与主绕组同槽设计，类似于表达式(32)，可得反馈绕组的有功功率P_s2和无功功率Q_s2分别为：

另外，在忽略系统损耗的情况下，可认为反馈绕组与转子绕组的有功功率关系为：

P_s2＝-P_r (39)

根据式(28)、(34)、(37)、(38)和(39)可化得：

根据图5的参考正方向假设，当P_s1＞0时，发电机从电网吸收有功，发电机工作与电动机模式；当P_s1＜0时，发电机对电网输出有功功率，发电机工作于发电模式。

忽略电机损耗。可认为定子的有功功率与电磁转矩功率相等，即存在：

其中，n_syn表示同步转速(转/分)，M表示电磁转矩。

以转动方向为参考来确定转矩的正负，将正常运行发电时的转子转动方向为速度参考正方向，电磁转矩方向与该速度参考正方向相同时，该电磁转矩M＞0，其是驱动力矩，发电机工作于电动模式。根据图5的电流电压参考正方向，P_s1大于零，发电机从电网吸收有功功率。

电磁转矩方向与速度参考正方向相反时，该电磁转矩M＜0，它是制动力矩，发电机工作于发电模式，P_s1会小于零，发电机向电网发出有功功率。在正常并网发电时，M取负值，而ω_r取正直。

利用表达式(40)和式(41)可得稳态下转子侧有功电流分量i_dr ^*与电磁转矩指令M^*的关系式为：

定义定子主绕组相与转子绕组相的匝数比为K_N1/Nr，定义定子主绕组相与反馈绕组相的匝数比为K_N1/N2，则有：

设为加在定子主绕组上的电网电压为Us1，将式(43)带入式(41)并利用

可化得：

需要指出的是，如果定子主绕组采用三角形接法，而转子绕组和反馈绕组都采用星形接法，如果将电网额定电U_n施加在定子主绕组外接端子上，在转子静止不动时，设转子绕组输出端子测得的电压为U_kr，反馈绕组输出端子测得的电压为U_ks2，则可得到：

对于定子主绕组相与反馈绕组相的匝数比为K_N1/N2，有：

因漏感相对于自感较小，在忽略绕组漏感的情况下，利用式(34)可得到定子主绕组的无功指令(即并网无功功率参考值)Q_s1 ^*与转子绕组无功电流指令(即转子绕组的q轴电流参考值)i_qr ^*及反馈绕组无功电流指令(即反馈绕组的q轴电流参考值)i_qs2 ^*的大小关系式为：

其中，U_s1表示定子主绕组电压。Z_s1表示电机的主激磁阻抗，其可以根据如下表达式确定：

Z_s1＝ω₁L_s1m (49)

根据图5的参考正方向假设，当Q_s1＞0时，发电机从电网吸收无功，定子主绕组对外呈感性，当Q_s1＜0时，发电机对电网输出无功，定子主绕组对外呈容性。

将表达式(33)代入表达式(18)，转子电压方程可以简化为：

滑差角速度ω_slip可以根据如下表达式计算得到：

ω_slip＝ω₁-ω_r (51)

而对于转子绕组的漏电感L_rλ，存在：

其中，L_s1m和L_s1σ分别表示主绕组的主电感和漏电感。

因此表达式(50)可以改写为：

其中，r_r表示转子电阻，ω_slip表示滑差角速度，L_rλ表示转子漏电感。

根据表达式(53)可知，引入前馈控制量

和ω_slipL_rλi_dr可以实现转子电压对转子电流的解耦控制。

令

则存在：

表达式(54)是一阶惯性环节，在进行电流控制时，通过d轴指令参考电流i_dr ^*和反馈值i_dr进行PI调节可得到转子绕组的d轴参考电压u′_dr(即第一d轴参考电压)，通过q轴指令参考电流i_qr ^*和反馈值i_qr进行PI调节可得到转子绕组的q轴参考电压u′_qr(即第一q轴参考电压)。

而对于电机的反馈绕组，反馈绕组侧的变流器示意图可以如图8所示。从图8可以看出，反馈绕组侧的变流器是一个四象限变流器，根据图示的电气物理量参考正方向，可列出电压方程如下：

其中，v_A、v_B和v_C分别表示逆变器逆变输出的a相等效电压、b相等效电压和c相等效电压，R表示逆变器输出线路等效电阻，L表示逆变器输出电抗器电感。u_as2、u_bs2和u_cs2分别表示反馈绕组的a相电压、b相电压和c相电压，i_as2、i_bs2和i_cs2分别表示反馈绕组的a相电流、b相电流和c相电流。

在以反馈绕组电压综合矢量为d轴，q轴超前于d轴90度的两相dq同步坐标系内，上述方程可转换为：

其中，ω_e表示网压频率。

根据表达式(57)可得：

为实现电流解耦控制，可以令：

其中，v′_ds2和v′_qs2分别表示反馈绕组的d轴电压和q轴电压。

那么则存在：

因此引入补偿项，采用前馈控制后可得电流控制算法为：

其中，v_d ^*和v_q ^*分别表示变流器控制参考电压(即变流器控制d轴参考电压和变流器控制q轴参考电压)，K_pP和K_iP分别表示d轴电流控制PI调节器的比例系数和积分系数，K_pQ和K_iQ分别表示q轴电流控制PI调节器的比例系数和积分系数。

本实施例所提供的内反馈发电机并网发电系统正是基于上述分析来对内反馈发电系统进行调节，其中，图9示出了本实施例所提供的内反馈发电机并网发电系统的控制方法的实现流程示意图。

如图9所示，本实施例中，该控制方法在对内反馈式发电机并网发电系统的转子绕组的有功电流与无功电流进行控制时，首先会在步骤S901中获取内反馈电机的转子绕组在三相静止坐标系的实际电流i_ar、i_br和i_cr。在得到转子绕组在三相静止坐标系的实际电流i_ar、i_br和i_cr后，该方法会在步骤S902中根据转子绕组在三相静止坐标系的实际电流i_ar、i_br和i_cr对应得到转子绕组在两相同步坐标系下的实际电流，即转子绕组的d轴实际电流i_dr和q轴实际电流i_qr。

如图9所示，本实施例中，该方法在步骤S902中优选地基于表达式(15)所示的原理来通过对转子绕组在三相静止坐标系的实际电流i_ar、i_br和i_cr进行等幅值坐标变换来确定转子绕组的d轴实际电流i_dr和q轴实际电流i_qr。

本实施例中，该方法在对转子绕组在三相静止坐标系的实际电流i_ar、i_br和i_cr进行等幅值坐标变换的过程中，优选地会获取磁通角度θ_s和转子相位θ_r，随后基于磁通角度θ_s和转子相位θ_r的的差值θ_s-θ_r来根据转子绕组在三相静止坐标系的实际电流i_ar、i_br和i_cr对应得到转子绕组的d轴实际电流i_dr和q轴实际电流i_qr。

具体地，本实施例中，该方法优选地基于内反馈发电机的定子主绕组的实际电流(包括i_as1、i_bs1和i_cs1)和实际电压(包括u_as1、u_bs1和u_cs1)来确定磁通角度θ_s。同时，该方法优选地利用位置传感器来确定转子相位θ_r。

当然，在本发明的其他实施例中，根据实际需要，该方法还可以采用其他合理方式来确定磁通角度θ_s和/或转子相位θ_r，本发明不限于此。

再次如图9所示，在得到转子绕组的d轴实际电流i_dr和q轴实际电流i_qr后，该方法会在步骤S903中根据转子绕组的d轴实际电流i_dr和q轴实际电流i_qr以及转子绕组在两相同步坐标系下的参考电流(包括转子绕组的d轴参考电流i_dr ^*和q轴参考电流i_qr ^*)来得到第一d轴参考电压u′_dr和第一q轴参考电压u′_qr。

具体地，参照图10以及图11，本实施例中，该方法在确定第一d轴参考电压u′_dr时，首先会在步骤S1101中计算转子绕组的d轴参考电流i_dr ^*与d轴实际电流i_dr的差值，从而得到第一电流差值i_dr ^*-i_dr，随后再在步骤S1102中利用PI控制的方式来根据上述第一电流差值i_dr ^*-i_dr得到转子绕组的第一d轴参考电压u′_dr。

类似地，该方法在第一q轴参考电压u′_qr时，首先会计算转子绕组的q轴参考电流i_qr ^*与q轴实际电流i_qr的差值，从而得到第二电流差值i_qr ^*-i_qr，随后再再利用PI调节的方式来根据上述第二电流差值i_qr ^*-i_qr得到转子绕组的第一q轴参考电压u′_qr。

本实施例中，该方法优选地基于表达式(54)所示原理来确定第一d轴参考电压u′_dr和第一q轴参考电压u′_qr。当然，在本发明的其他实施例中，该方法还可以采用其他合理方式来确定第一d轴参考电压u′_dr和第一q轴参考电压u′_qr，本发明不限于此。

再次如图9所示，本实施例中，在得到第一d轴参考电压u′_dr和第一q轴参考电压u′_qr后，该方法会在步骤S904中来根据第一d轴参考电压u′_dr和第一q轴参考电压u′_qr，通过引入第一前馈控制变量，来对应得到转子绕组的第二d轴参考电压u_dr和第二q轴参考电压u_qr。

具体地，本实施例中，该方法优选地基于表达式(55)来根据第一d轴参考电压u′_dr和第一q轴参考电压u′_qr确定转子绕组的第二d轴参考电压u_dr和第二q轴参考电压u_qr。其中，在确定转子绕组的第二d轴参考电压u_dr和第二q轴参考电压u_qr时所引入的第一前馈控制变量即包括

和ω_slipL_rλi_dr。

本实施例中，如图9所示，该方法优选地根据如下表达式来确定滑差角速度ω_slip：

其中，ω₁表示定子磁链角速度，ω_r表示转子旋转角速度。

由于内反馈发电机的主绕组电阻相对较小，忽略其影响，那么则可以认定为主绕组电压综合矢量为常数，则有主绕组磁链ψ_s1为大小保持不变的常数。具体地，本实施例中，该方法优选地基于表达式(31)来确定主绕组磁链ψ_s1。

当然，在本发明的其他实施例中，该方法还可以采用其他合理方式来确定主绕组磁链ψ_s1，本发明不限于此。

如图9所示，在得到转子绕组的第二d轴参考电压u_dr和第二q轴参考电压u_qr后，该方法会在步骤S905中来根据转子绕组的第二d轴参考电压u_dr和第二q轴参考电压u_qr生成相应的逆变器控制信号，并将该逆变器控制信号发送至内反馈发电机的转子侧逆变器来控制内反馈发电机的转子绕组的有功电流分量和无功电流分量，进而间接地实现对内反馈发电机的定子主绕组的输出有功功率和输出无功功率的控制。

具体地，本实施例中，该方法在步骤S905中会将两相同步坐标系下的转子绕组的第二d轴参考电压u_dr和第二q轴参考电压u_qr转换为三相静止坐标系下的对应电压，并根据三相静止坐标系下的对应电压来生成相应的PWM控制信号，从而通过该PWM控制信号来控制内反馈发电机的转子侧逆变器。

根据表达式(44)可知，内反馈发电机的电磁转矩只由转子侧变流器的有功电流指令(即转子绕组的d轴参考电流i_dr ^*)决定，这也就意味着定子主绕组在某转速下的发电功率由该有功电流指令i_dr ^*决定，因此该方法也就可以通过调节有功电流指令i_dr ^*来准确控制发电机的并网功率。

本实施例所提供的方法还能够实现对内反馈发电机的反馈绕组的电流进行控制，其中，图12示出了本实施例中对内反馈发电机的反馈绕组的电流进行控制的实现流程示意图。

如图12所示，该方法在对内反馈发电机的反馈绕组的电流进行控制时，首先会在步骤S1201中获取内反馈发电机的反馈绕组在三相静止坐标系的实际电流(包括i_as2、i_bs2和i_cs2)和实际电压(包括u_as2、u_bs2和u_cs2)。

随后，该方法会在步骤S1202中根据反馈绕组在三相静止坐标系的实际电流和实际电压对应得到反馈绕组在两相同步坐标系下的实际电流(包括反馈绕组的d轴实际电流i_ds2和q轴实际电流i_qs2)和实际电压(包括反馈绕组的d轴实际电压u_ds2和q轴实际电压u_qs2)。

具体地，本实施例中，该方法在步骤S1202中优选地基于表达式(15)所示的原理来通过等幅值坐标变换来得到反馈绕组在两相同步坐标系下的实际电流和实际电压。

其中，该方法在对反馈绕组在三相静止坐标系的实际电流和实际电压进行等幅值坐标变换时所使用的夹角θ_e(即反馈绕组的电压相位)优选地通过对电网电压进行锁相来确定。

在步骤S1203中，该方法会根据反馈绕组在两相同步坐标系下的实际电流和参考电流，分别确定第三d轴参考电压v_ds2和第三q轴参考电压v_qs2。其中，图13示出了本实施例中确定第三d轴参考电压v_ds2的实现流程示意图。

结合图13和图10，本实施例中，该方法在确定第三d轴参考电压v_ds2时，会在步骤S1301中获取变流器直流侧的实际电压u_dc，并计算该实际电压u_dc与预设参考直流电压

的差值，从而得到得到第一电压差值

在得到第一电压差值

后，该方法会在步骤S1302中根据上述第一电压差值

来利用PI控制的方式确定反馈绕组的d轴电流参考值

随后，该方法会在步骤S1303中计算上述反馈绕组的d轴电流参考值

与反馈绕组的d轴实际电流(即d轴电流实际值)i_ds2的差值，从而得到第三电流差值

在得到第三电流差值

后，该方法会在步骤S1304中根据上述第三电流差值

来利用PI控制的方式确定第三d轴参考电压v_ds2。

当然，在本发明的其他实施例中，该方法还可以采用其他合理方式来确定第二d轴参考电压v_d1，本发明不限于此。

本实施例中，该方法会获取反馈绕组的q轴电流参考值

并计算上述反馈绕组的q轴电流参考值

与反馈绕组的q轴实际电流(即q轴电流实际值)i_qs2的差值，从而得到第四电流差值

随后，该方法会根据上述第四电流差值

来利用PI控制的方式确定第三q轴参考电压v_qs2。

根据表达式(48)可知，定子主绕组的并网无功功率Q_s1主要由转子绕组的无功电流指令(即转子绕组的d轴电流参考值)i_qr ^*和反馈绕组的无功电流指令(即反馈绕组的q轴电流参考值)i_qs2 ^*决定，因此本方法也就可以通过控制转子绕组的无功电流指令i_qr ^*和反馈绕组的无功电流指令i_qs2 ^*来准确控制并网并网无功的输出。

对于所需要的某无功输出值，转子绕组的d轴电流参考值i_qr ^*和反馈绕组的q轴电流参考值i_qs2 ^*分别配置为多大，本实施例所提供的方法除了参考表达式(48)外，还会参考转子侧变流器和反馈侧变流器的容量大小、开关器件的热损耗优化等条件来综合确定。

为了确定出给定无功功率指令(即无功功率参考值)Q_s1 ^*，本实施例所提供的方法公开了一种简单电流指令确定方法，图14示出了本实施例中确定转子绕组的无功电流i_qr ^*和反馈绕组的无功电流i_qs2 ^*的实现流程示意图。

如图14所示，本实施例中，该方法首先会在步骤S1401中将反馈绕组无功电流指令(即反馈绕组的q轴电流参考值)i_qs2 ^*的取值配置为0，随后根据反馈绕组无功电流指令(即反馈绕组的q轴电流参考值)i_qs2 ^*确定对应的转子绕组的无功电流指令i_qr ^*的取值。

具体地，本实施例中，该方法优选地根据如下表达式确定转子绕组的无功电流指令i_qr ^*的取值：

在得到反馈绕组的q轴电流参考值i_qs2 ^*的当前取值所对应的转子绕组的无功电流指令i_qr ^*后，如图14所示，该方法会在步骤S1402中判断下列条件是否成立：

其中，I_max表示转子变流器允许输出稳态电流幅值最大值。

如果表达式(64)被满足，那么如图14所示，本实施例中，该方法将会在步骤S1403中根据转子变流器允许输出稳态电流幅值最大值I_max和转子绕组的无功电流指令i_qr ^*的当前取值来对转子无功电流指令进行修正，并在步骤S1404中根据修正后的转子无功电流指令的取值重新确定反馈绕组无功电流指令(即反馈绕组的q轴电流参考值)i_qs2 ^*。

具体地，本实施例中，该方法在步骤S1403中优选地根据如下表达式对转子无功电流指令i_qr ^*进行修正：

其中，等式左边的转子无功电流指令i_qr ^*表示修正后的转子无功电流指令，等式右边的转子无功电流指令i_qr ^*表示修正前的转子无功电流指令。

在得到修正后的无功电流指令i_qr ^*后，该方法在步骤S1404中优选地根据如下表达式来确定此时的反馈绕组无功电流指令(即反馈绕组的q轴电流参考值)i_qs2 ^*的取值：

需要指出的是，在本发明的其他实施例中，根据实际需要，该方法还可以根据其他合理方式来确定转子绕组的无功电流指令i_qr ^*和反馈绕组的无功电流指令i_qs2 ^*，本发明不限于此。

本实施例中，如果q轴电流参考值i_qs2 ^*的取值为0是所对应的转子绕组的d轴电流参考值i_qr ^*的取值不满足预设条件不满足预设条件，该方法则会将0作为预设无功功率参考值

所需要的反馈绕组的q轴电流参考值i_qs2 ^*的取值，并将q轴电流参考值i_qs2 ^*取值为0时所对应的转子绕组的d轴电流参考值i_qr ^*的取值作为预设无功功率参考值

所需要的取值。

再次如图12所示，本实施例中，在确定出第三d轴参考电压v_ds2和第三q轴参考电压v_qs2后，本实施例中，该方法会在步骤S1204中根据第三d轴参考电压v_ds2和第三q轴参考电压v_qs2，结合反馈绕组的的实际电压来确定变流器控制d轴参考电压v_d ^*和变流器控制q轴参考电压v_q ^*。

具体地，本实施例中，该方法在步骤S1204中优选地基于表达式(61)来根据第三d轴参考电压v_ds2和第三q轴参考电压v_qs2确定变流器控制d轴参考电压v_d ^*和变流器控制q轴参考电压v_q ^*。其中，第三d轴参考电压v_ds2和第三q轴参考电压v_qs2可以采用如下表达式表示：

在得到变流器控制d轴参考电压v_d ^*和变流器控制q轴参考电压v_q ^*后，该方法也就可以在步骤S1205中根据上述变流器控制d轴参考电压

和变流器控制q轴参考电压

生成相应的整流器控制信号，以通过控制内反馈发电机的反馈侧整流器来实现变流器直流侧电压的稳定。

相较于现有的发电系统，本发明所提供的发电系统中定子主绕组直接连接高压电网，这样也就省去了常规的升压并网变压器，而发电机反馈绕组和转子绕组采用低压工作电压，以便于采用技术成熟且成本较低的低压型变流器。变流器接收风电机组整机控制装置的电磁转矩指令与功率指令,通过控制发电机的转子电流和定子反馈绕组电流，从而实现发电机电磁转矩的控制和通过定子主绕组并入电网的功率输出。

应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构或处理步骤，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

虽然上述示例用于说明本发明在一个或多个应用中的原理，但对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的原理和思想的情况下，明显可以在形式上、用法及实施的细节上作各种修改而不用付出创造性劳动。因此，本发明由所附的权利要求书来限定。

Claims (9)

1.一种发电系统，其特征在于，所述发电系统包括：

内反馈发电机，其包括配置在转子上的转子绕组以及配置在定子上的主绕组和反馈绕组，其中，所述主绕组与电网电连接；

双馈变流器，其连接在所述转子绕组与反馈绕组之间，用于控制所述主绕组所输出的有功功率和无功功率；

整机控制器，其与所述双馈变流器连接，用于控制所述双馈变流器的运行状态；

所述整机控制器配置为根据如下表达式确定第二d轴参考电压u_dr和第二q轴参考电压u_qr：

其中，u_dr和u_qr分别表示转子绕组的第二d轴参考电压和第二q轴参考电压，u′_dr和u′_qr分别表示转子绕组的第一d轴参考电压和第一q轴参考电压，ω_slip表示滑差角速度，L_s1r表示主绕组与转子绕组的互感量，L_s1m和L_s1σ分别表示主绕组的主电感和漏电感，ψ_s1表示主绕组磁链，L_rλ表示转子漏电感，i_dr和i_qr分别表示转子绕组的d轴实际电流和q轴实际电流；

设加在定子主绕组上的电网电压为U_s1，可得：

其中，i_dr ^*表示稳态下转子侧有功电流分量，n_syn表示同步转速(转/分)，K_N1/Nr表示定子主绕组相与转子绕组相的匝数比，M^*表示电磁转矩指令。

2.如权利要求1所述的发电系统，其特征在于，所述双馈变流器包括共直流母线的第一整流逆变电路和第二整流逆变电路，所述第一整流逆变电路与所述转子绕组电连接，所述第二整流逆变电路与所述反馈绕组电连接。

3.如权利要求2所述的发电系统，其特征在于，所述第一整流逆变电路和第二整流逆变电路包括功率能量能够双向流动的三相PWM整流逆变器。

4.如权利要求2所述的发电系统，其特征在于，所述第一整流逆变电路和第二整流逆变电路的正极直流母线以及负极直流母线之间连接有支撑电容。

5.如权利要求1～4中任一项所述的发电系统，其特征在于，所述内反馈发电机的额定转速大于同步转速。

6.如权利要求1所述的发电系统，其特征在于，所述整机控制器配置为：

根据所述转子绕组在两相同步坐标系下的实际电流和转子绕组在两相同步坐标系下的参考电流，确定转子绕组的第一d轴参考电压u′_dr和第一q轴参考电压u′_qr；

根据所述第一d轴参考电压和第一q轴参考电压，引入第一前馈控制变量，得到转子绕组的第二d轴参考电压u_dr和第二q轴参考电压u_qr；

根据所述第二d轴参考电压u_dr和第二q轴参考电压u_qr生成相应的逆变器控制信号，以通过控制所述内反馈发电机的转子侧逆变器来控制所述内反馈发电机的转子绕组的有功电流分量和无功电流分量，进而间接实现对所述内反馈发电机的定子侧主绕组的输出有功功率和输出无功功率的控制。

7.如权利要求6所述的发电系统，其特征在于，所述整机控制器配置为：

根据所述反馈绕组在两相同步坐标系下的实际电流和参考电流，分别确定第三d轴参考电压v_ds2和第三q轴参考电压v_qs2；

根据所述第三d轴参考电压v_ds2和第三q轴参考电压v_qs2，结合所述反馈绕组在两相同步坐标系下的实际电压，确定变流器控制d轴参考电压

和变流器控制q轴参考电压

根据所述变流器控制d轴参考电压

和变流器控制q轴参考电压

生成相应的整流器控制信号，以通过控制所述内反馈发电机的反馈侧整流器来实现变流器直流侧电压的稳定。

8.如权利要求7所述的发电系统，其特征在于，所述整机控制器配置为根据如下表达式确定变流器控制d轴参考电压

其中，u_ds2表示反馈绕组的d轴实际电压，ω_e表示反馈绕组的角频率，L表示反馈绕组的漏电感，i_qs2表示反馈绕组的q轴实际电流，v_ds2表示第三d轴参考电压。

9.如权利要求7或8所述的发电系统，其特征在于，所述整机控制器配置为根据如下表达式确定变流器控制q轴参考电压

其中，u_qs2表示反馈绕组的q轴实际电压，ω_e表示反馈绕组的角频率，L表示反馈绕组的漏电感，i_ds2表示反馈绕组的d轴实际电流，v_qs2表示第三q轴参考电压。

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