CN113013923A - 一种双馈异步发电机组的准最优控制方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双馈异步发电机组的准最优控制方法及系统。所述系统包括原动机、双馈异步发电机、双馈变流器和功率控制装置；原动机驱动双馈异步发电机旋转，双馈变流器根据双馈异步发电机的转速，输出不同频率、相序、大小及相位的励磁电流到双馈异步发电机的转子绕组，实现双馈异步发电机的变速恒频运行；功率控制装置用于调整输入到原动机的机械功率，使双馈异步发电机的转速随输入的机械功率的变化而变化，实现双馈异步发电机组的准最优控制。本发明技术手段简便易行，虽然不能使双馈异步发电机组时刻运行在最优转速，但却可降低常规双馈变流器在同步转速附近运行时所需的备用容量，提高变流器的运行稳定性与可靠性。

Description

一种双馈异步发电机组的准最优控制方法及系统
技术领域
本发明涉及双馈异步发电机的运行控制和电力电子领域，尤其涉及一种双馈异步发电机组的准最优控制方法及系统。
背景技术
双馈式异步发电机向电网输出的功率由两部分组成，即直接从定子输出的功率和通过变频器经转子与电网交换的功率。双馈异步发电机的转速允许随着原动机的工作状态而变化。当发电机的转速低于气隙旋转磁场的转速时，发电机处于亚同步速运行，为了保证发电机发出的频率与电网频率一致，需要变频器向发电机转子提供正相序励磁，给转子绕组输入一个其旋转磁场方向与转子机械方向相同的励磁电流，此时，转子的制动转矩与转子的机械转向相反，转子的电流必须与转子的感应反电动势反方向，转差率减小，定子向电网馈送电功率，而变流器向转子绕组输入功率；当发电机的转速高于气隙旋转磁场的转速时，发电机处于超同步速运行，为了保证发电机发出的频率与电网频率一致，需要给转子绕组输入一个其旋转磁场方向与转子机械方向相反的励磁电流，此时变频器向发电机转子提供负相序励磁，以加大转差率，变频器从转子绕组吸收功率；当发电机的转速等于气隙旋转磁场的转速时，发电机处于同步转速运行，变流器应向转子提供直流励磁。当双馈变流器中的机侧变流器以DC-AC的交流逆变方式运行时，若双馈异步发电机工作在同步转速附近，由于机侧变流器输出的电流频率很低，导致机侧变流器中的功率电子器件(如IGBT)需要很大的裕量，否则很容易使功率电子器件损坏，而导致机组故障。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点和不足，提供一种双馈异步发电机组的准最优控制方法及系统。通过将原动机的运行状态分区，在亚同步和超同步状态时，以双馈异步发电的方式运行，机侧变流器工作于DC-AC的模式；扩大同步发电的区间，使发电机以同步发电的方式运行，机侧变流器工作于DC-DC的模式，进而极大地降低双馈变流器的裕量，提高双馈变流器的可靠性与稳定性。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
一种双馈异步发电机组的准最优控制系统，其特征在于，包括原动机、双馈异步发电机、双馈变流器和功率控制装置；
原动机为机械能量转化装置，用于驱动双馈异步发电机旋转，双馈变流器根据双馈异步发电机的转速，输出不同频率、相序、大小及相位的励磁电流到双馈异步发电机的转子绕组，实现双馈异步发电机的变速恒频运行；功率控制装置用于调整输入到原动机的机械功率，使双馈异步发电机的转速随输入的机械功率的变化而变化，进而调整双馈异步发电机、双馈变流器的运行状态，实现双馈异步发电机组的准最优控制。
进一步地，双馈异步发电机在原动机的驱动下旋转，双馈异步发电机的转速由原动机输入的驱动转矩和双馈变流器输出的制动转矩共同控制。
进一步地，双馈变流器包括网侧变流器、直流母线及机侧变流器，构成交-直-交的结构。
进一步地，调整双馈异步发电机、双馈变流器的运行状态，具体如下：
将双馈异步发电机的运行状态分区，双馈异步发电机处于在亚同步和超同步状态时，以双馈异步发电的方式运行，机侧变流器工作于DC-AC的模式；
扩大双馈异步发电机处于同步发电状态的运行区间，使双馈异步发电机以同步发电的方式运行，机侧变流器工作于DC-DC的模式，向双馈异步发电机的转子绕组提供直流励磁电流。
进一步地，当双馈异步发电机的转速低于同步转速时，双馈变流器以常规亚同步方式运行；
当双馈异步发电机的转速高于同步转速时，双馈变流器以常规超同步方式运行；
当双馈异步发电机的转速等于同步转速时，双馈变流器机侧变流器工作于DC-DC变换模式，向双馈异步发电机的转子绕组提供直流励磁电流，网侧变流器工作于AC-DC变换模式；
双馈变流器能够跟据原动机的运行工况动态调整运行模式，使双馈异步发电机、双馈变流器在异步发电与同步发电之间灵活切换。
进一步地，功率控制装置用于调整输入到原动机的机械功率，使双馈异步发电机的转速随输入的机械功率的变化而变化，将原来按最优输入-转速曲线运行的双馈异步发电机的运行状态调整为根据原动机的输入状态，分区间以不同的转速运行。
进一步地，随原动机输入功率的增加，双馈异步发电机按常规亚同步状态运行；
当原动机输入增加到第一阈值后，双馈异步发电机的转速迅速增加到同步转速，在原动机输入继续增加到第二阈值之前，双馈异步发电机以直流励磁同步发电状态运行；
当原动机输入增加到第二阈值后，双馈异步发电机的转速迅速增加，双馈异步发电机运行于超同步状态，之后功率增加，双馈异步发电机运行于超同步状态；
原动机输入减少时，转换过程相反。
进一步地，第一阀值、第二阀值处按滞后区间设置。
一种双馈异步发电机组的准最优控制方法，包括以下步骤：
S1、构造双馈异步发电系统，包括双馈异步发电机和原动机；
S2、根据双馈异步发电机的转速等于、低于和高于同步转速时的状态，将双馈异步发电机的运行状态分为分为同步发电状态、亚同步状态和超同步状态；
S3、通过功率控制装置调整输入到原动机的机械功率，使双馈异步发电机的转速随输入的机械功率的变化而变化，将原来按最优输入-转速曲线运行的双馈异步发电机的运行状态调整为根据原动机的输入状态，分区间以不同的转速运行。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
本发明的控制过程简单，易于实现。
本发明根据原动机的运行状态，结合双馈变流器工作模式的调整，使双馈异步发电机工作于异步发电和同步发电模式下，降低常规双馈异步发电机对双馈变流器容量的要求，提高双馈异步发电机组的运行稳定性和可靠性。
如上所述，本发明技术手段简便易行，可结合AC(网侧)-DC(直流母线)-AC(机侧)与AC(网侧)-DC(直流母线)-DC(机侧)变换的优点，降低双馈变流器整体的变流容量，提高系统稳定性。
附图说明
图1为本发明的准最优控制系统结构示意图。
图2为本发明准最优控制方法示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的发明目的作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。
实施例：
一种双馈异步发电机组的准最优控制系统，如图1所示，包括原动机A、双馈异步发电机B、双馈变流器C和功率控制装置D；
原动机A为机械能量转化装置，用于驱动双馈异步发电机B旋转，双馈变流器C根据双馈异步发电机B的转速，输出不同频率、相序、大小及相位的励磁电流到双馈异步发电机B的转子绕组，实现双馈异步发电机B的变速恒频运行；功率控制装置D用于调整输入到原动机A的机械功率，使双馈异步发电机B的转速随输入的机械功率的变化而变化，进而调整双馈异步发电机B、双馈变流器C的运行状态，实现双馈异步发电机组的准最优控制。
双馈异步发电机B在原动机A的驱动下旋转，双馈异步发电机B的转速由原动机A输入的驱动转矩和双馈变流器C输出的制动转矩共同控制。
双馈变流器C包括网侧变流器、直流母线及机侧变流器，构成交-直-交的结构。
调整双馈异步发电机B、双馈变流器C的运行状态，具体如下：
将双馈异步发电机B的运行状态分区，双馈异步发电机B处于在亚同步和超同步状态时，以双馈异步发电的方式运行，机侧变流器工作于DC-AC的模式；
扩大双馈异步发电机B处于同步发电状态的运行区间，使双馈异步发电机B以同步发电的方式运行，机侧变流器工作于DC-DC的模式，向双馈异步发电机B的转子绕组提供直流励磁电流，虽然此运行方式降低了原动机A的能源转换效率，却可极大地降低双馈变流器C的裕量，提高双馈变流器的可靠性与稳定性。
当双馈异步发电机B的转速低于同步转速时，双馈变流器C以常规亚同步方式运行；
当双馈异步发电机B的转速高于同步转速时，双馈变流器C以常规超同步方式运行；
当双馈异步发电机B的转速等于同步转速时，双馈变流器C机侧变流器工作于DC-DC变换模式，向双馈异步发电机B的转子绕组提供直流励磁电流，网侧变流器工作于AC-DC变换模式；
双馈变流器C能够跟据原动机A的运行工况动态调整运行模式，使双馈异步发电机B、双馈变流器C在异步发电与同步发电之间灵活切换。
功率控制装置D用于调整输入到原动机A的机械功率，使双馈异步发电机B的转速随输入的机械功率的变化而变化，将原来按最优输入-转速曲线(图2中0-1-2-3-4-5-6-7-8曲线)运行的双馈异步发电机B的运行状态调整为根据原动机A的输入状态，分区间以不同的转速运行(图2中0-1-2-9-10-4-11-12-6-7-8曲线)。
本实施例中，如图2所示，随原动机输入的增加，在0-1-2区双馈异步发电机B按常规亚同步状态运行；
当原动机输入增加到到达2点后，按2-9-10曲线，双馈异步发电机B的转速迅速增加到同步转速，在原动机输入继续增加到11点之前，在10-4-11区间，双馈异步发电机B以直流励磁同步发电状态运行；
当原动机输入功率增加到11点后，双馈异步发电机B的转速迅速增加，双馈异步发电机B按11-12-6曲线运行于超同步状态，之后功率增加，双馈异步发电机B按6-7-8曲线运行于超同步状态；
原动机输入功率减少时，转换过程相反，按8-7-6-12-11-4-10-9-2-1-0曲线运行。
输入第一阀值点2(10)、第二阀值点11(6)处按滞后区间设置以减少在阀值附近频繁的状态转换，提高稳定性。
一种双馈异步发电机组的准最优控制方法，包括以下步骤：
S1、构造双馈异步发电系统，包括双馈异步发电机和原动机；
S2、根据双馈异步发电机的转速等于、低于和高于同步转速时的状态，将双馈异步发电机的运行状态分为分为同步发电状态、亚同步状态和超同步状态；
S3、通过功率控制装置调整输入到原动机的机械功率，使双馈异步发电机的转速随输入的机械功率的变化而变化，将原来按最优输入-转速曲线运行的双馈异步发电机B的运行状态调整为根据原动机A的输入状态，分区间以不同的转速运行。
本实施例中，如图2所示，对比于原来按最优输入-转速曲线0-1-2-3-4-5-6-7-8运行的双馈异步发电机组的转速，在曲线0-1-2部分，双馈异步发电机B运行于亚同步状态，在曲线2-9-10-4-11-12-6区间，双馈异步发电机B运行于同步发电状态，在曲线6-7-8区间，双馈异步发电机B运行于超同步状态。
如上所述，便可较好地实现本发明。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种双馈异步发电机组的准最优控制系统，其特征在于，包括原动机、双馈异步发电机、双馈变流器和功率控制装置；
原动机为机械能量转化装置，用于驱动双馈异步发电机旋转，双馈变流器根据双馈异步发电机的转速，输出不同频率、相序、大小及相位的励磁电流到双馈异步发电机的转子绕组，实现双馈异步发电机的变速恒频运行；功率控制装置用于调整输入到原动机的机械功率，使双馈异步发电机的转速随输入的机械功率的变化而变化，进而调整双馈异步发电机、双馈变流器的运行状态，实现双馈异步发电机组的准最优控制。
2.根据权利要求1所述的一种双馈异步发电机组的准最优控制系统，其特征在于，双馈异步发电机在原动机的驱动下旋转，双馈异步发电机的转速由原动机输入的驱动转矩和双馈变流器输出的制动转矩共同控制。
3.根据权利要求1所述的一种双馈异步发电机组的准最优控制系统，其特征在于，双馈变流器包括网侧变流器、直流母线及机侧变流器，构成交-直-交的结构。
4.根据权利要求3所述的一种双馈异步发电机组的准最优控制系统，其特征在于，调整双馈异步发电机、双馈变流器的运行状态，具体如下：
将双馈异步发电机的运行状态分区，双馈异步发电机处于在亚同步和超同步状态时，以双馈异步发电的方式运行，机侧变流器工作于DC-AC的模式；
扩大双馈异步发电机处于同步发电状态的运行区间，使双馈异步发电机以同步发电的方式运行，机侧变流器工作于DC-DC的模式，向双馈异步发电机的转子绕组提供直流励磁电流。
5.根据权利要求4所述的一种双馈异步发电机组的准最优控制系统，其特征在于，当双馈异步发电机的转速低于同步转速时，双馈变流器以常规亚同步方式运行；
当双馈异步发电机的转速高于同步转速时，双馈变流器以常规超同步方式运行；
当双馈异步发电机的转速等于同步转速时，双馈变流器机侧变流器工作于DC-DC变换模式，向双馈异步发电机的转子绕组提供直流励磁电流，网侧变流器工作于AC-DC变换模式；
双馈变流器能够跟据原动机的运行工况动态调整运行模式，使双馈异步发电机、双馈变流器在异步发电与同步发电之间灵活切换。
6.根据权利要求5所述的一种双馈异步发电机组的准最优控制系统，其特征在于，功率控制装置用于调整输入到原动机的机械功率，使双馈异步发电机的转速随输入的机械功率的变化而变化，将原来按最优输入-转速曲线运行的双馈异步发电机的运行状态调整为根据原动机的输入状态，分区间以不同的转速运行。
7.根据权利要求6所述的一种双馈异步发电机组的准最优控制系统，其特征在于，随原动机输入功率的增加，双馈异步发电机按常规亚同步状态运行；
当原动机输入增加到第一阈值后，双馈异步发电机的转速迅速增加到同步转速，在原动机输入继续增加到第二阈值之前，双馈异步发电机以直流励磁同步发电状态运行；
当原动机输入增加到第二阈值后，双馈异步发电机的转速迅速增加，双馈异步发电机运行于超同步状态，之后功率增加，双馈异步发电机运行于超同步状态；
原动机输入减少时，转换过程相反。
8.根据权利要求1～7任一项所述的一种双馈异步发电机组的准最优控制系统，其特征在于，第一阀值、第二阀值处按滞后区间设置。
9.一种双馈异步发电机组的准最优控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、构造双馈异步发电系统，包括双馈异步发电机和原动机；
S2、根据双馈异步发电机的转速等于、低于和高于同步转速时的状态，将双馈异步发电机的运行状态分为分为同步发电状态、亚同步状态和超同步状态；
S3、通过功率控制装置调整输入到原动机的机械功率，使双馈异步发电机的转速随输入的机械功率的变化而变化，将原来按最优输入-转速曲线运行的双馈异步发电机的运行状态调整为根据原动机的输入状态，分区间以不同的转速运行。
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