CN113033017A - 一种双转子永磁发电机电磁耦合损耗模拟装置和方法 - Google Patents

一种双转子永磁发电机电磁耦合损耗模拟装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双转子永磁发电机电磁耦合损耗模拟装置和方法，属于发电机控制仿真领域，本发明可以应用于接入电网的双转子永磁发电机电磁系统仿真中的损耗模拟，在仿真过程中，以基于双机侧变流器控制系统的磁链和频率系数折算模块，建立两套定子和转子之间的磁链耦合和电磁损耗耦合关系，输出准确的参考电压，实现双转子永磁发电机电磁耦合损耗的精确模拟。

Description

一种双转子永磁发电机电磁耦合损耗模拟装置和方法
技术领域
本发明涉及发电机控制仿真领域，具体涉及一种双转子永磁发电机电磁耦合损耗模拟装置和方法。
背景技术
双转子永磁发电机是指具有两套定子、两套转子的永磁发电机，发电机包括内定子，外定子，内转子和外转子。其中内、外转子具有独立的励磁材料层；内、外定子具有独立的线圈绕组。一般情况下，外定子位于外转子内侧，外电机永磁体位于外定子和外转子之间，外转子的励磁材料层与外定子的线圈绕组之间形成第一工作气隙；内转子位于内定子内侧，内电机永磁体位于内定子和内转子之间，内转子的励磁材料层与内定子的线圈绕组之间形成第二工作气隙。双转子永磁发电机的电磁耦合损耗是指其在运行过程中，内转子产生的磁通在外定子上产生的感应电动势所形成的电流，以及外转子产生的磁通在内定子上产生的感应电动势所形成的电流，在定子电阻上产生的功率损耗。
目前，已有多种双转子永磁发电机结构的设计匹配方案和参数配比。但在双转子永磁发电机的电磁环节仿真中，现有的针对两套定子和转子之间存在的电磁耦合损耗的模拟方法通常采用电机损耗率折合电阻的方法，不够精确，且无法反映实际电机的电磁损耗特性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双转子永磁发电机电磁耦合损耗模拟装置和方法，以克服现有技术存在的缺陷，本发明能够提高双转子永磁发电机电磁环节的仿真精度。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种双转子永磁发电机电磁耦合损耗模拟装置，包括双转子永磁发电机的内电机PMSG1、双转子永磁发电机的外电机PMSG2、第一机侧变流器、第二机侧变流器、网侧变流器及升压变压器；
所述双转子永磁发电机的内电机PMSG1的定子三相输出端经定子电感L1接入第一机侧变流器，所述双转子永磁发电机的外电机PMSG2的定子三相输出端经定子电感L2接入第二机侧变流器，所述第一机侧变流器和第二机侧变流器的直流输出端共同并联于直流母线正负两极，直流母线正负两极作为网侧变流器的直流输入端，网侧变流器三相输出端经并网电感Lgrid接入并联电容器Cf和升压变压器低压侧，升压变压器高压侧接入三相电力系统。
进一步地，所述第一机侧变流器和第二机侧变流器内部设置有机侧变流器损耗模拟控制器。
进一步地，所述机侧变流器损耗模拟控制器包括PI环节、坐标转换环节DQ/ABC1、坐标转换环节DQ/ABC2及损耗模拟环节。
进一步地，所述内电机PMSG1的内电机电角速度w1、内电机d轴电流Id1、内电机q轴当前电流Isq1通过机侧变流器损耗模拟控制器得到内电机PMSG1的输出参考电压Vabcout1，所述输出参考电压Vabcout1输入到第一机侧变流器内部的高速逻辑开关器件的开关驱动模块输入侧。
进一步地，所述外电机PMSG2的外电极电角速度w2、外电机q轴当前电流Isq2、外电机d轴电流Id2通过机侧变流器损耗模拟控制器得到外电机PMSG2的输出参考电压Vabcout2，所述输出参考电压Vabcout2输入到第二机侧变流器内部的高速逻辑开关器件的开关驱动模块输入侧。
进一步地，所述升压变压器的低压侧为0.69kV。
进一步地，所述升压变压器的高压侧为35kV。
一种双转子永磁发电机电磁耦合损耗模拟方法，在第一机侧变流器的q轴控制侧，将内电机电角速度w1与参考电角速度w1*作差，差值输入到PI环节中，得到内电机q轴参考电流Isp1*；内电机q轴参考电流Isq1*与内电机q轴当前电流Isq1作差，差值输入到PI环节中，得到内电机q轴参考电压Vq1*，内电机q轴参考电压Vq1*作为坐标转换环节DQ/ABC1的输入端；
在第一机侧变流器的d轴控制侧，将内电机d轴电流Id1与参考电电流0作差，差值输入到PI环节中，得到内电机d轴参考电压Vd1*，内电机d轴参考电压Vd1*作为内电机坐标转换环节DQ/ABC1的输入端；
在第二机侧变流器的q轴控制侧，将外电机电角速度w2与参考电角速度w2*作差，差值输入到PI环节中，得到外电机q轴参考电流Isp2*，外电机q轴参考电流Isq2*与外电机q轴当前电流Isq2作差，差值输入到PI环节中，得到外电机q轴参考电压Vq2*；外电机q轴参考电压Vq2*作为坐标转换环节DQ/ABC2的输入端；
在第二机侧变流器的d轴控制侧，将外电机d轴电流Id2与参考电电流0作差，差值输入到PI环节中，得到外电机d轴参考电压Vd2*，外电机d轴参考电压Vd2*作为外电机坐标转换环节DQ/ABC2的输入端；
通过经坐标转换环节DQ/ABC1输出的电压Vabc1经过损耗模拟叠加，得到最终内电机输出参考电压：
Figure BDA0003020916160000031
其中，L12为内、外电机之间的耦合电感，L22为外电机的自电感；
通过经坐标转换环节DQ/ABC2输出的电压Vabc2经过损耗模拟叠加，得到最终内电机输出参考电压：
Figure BDA0003020916160000032
其中，L21为外、内电机之间的耦合电感，L11为内电机的自电感。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明在一定程度上填补了双转子永磁同步发电机电磁仿真中对于电磁损耗精确模拟的空白，对于通过电磁仿真精准分析双转子永磁发电机的运行特性具有重要意义。相比于传统的粗放式损耗模拟方式，可以在保证仿真速度基本不变的同时，相比实际值提高20％以上的精确度。
本发明功能清晰、逻辑严谨且易于实现，在避免了使用难以获得的电机原始磁链参数以及复杂逻辑闭环的前提下，建立了双转子永磁发电机电磁耦合损耗的精准模拟体系。算法整体运行速度快，在不影响原有控制效果的同时，精确的针对电磁耦合损耗进行了模拟。
附图说明
图1是一种双转子永磁发电机电磁耦合损耗模拟装置的电气接线图；
图2是一种双转子永磁发电机电磁耦合损耗模拟方法的控制系统框图；
图3是一种双转子永磁发电机电磁耦合损耗模拟方法的装置示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施方式做进一步详细描述：
本发明属于发电机控制仿真领域，包括一种电气拓扑结构：双转子永磁发电机电气拓扑结构，一种模拟方法：双转子永磁发电机电磁耦合损耗模拟方法，一种装置：双转子永磁发电机电磁耦合损耗模拟装置。本发明可以应用于接入电网的双转子永磁发电机电磁系统仿真中的损耗模拟，在仿真过程中，以基于双机侧变流器控制系统的磁链和频率系数折算模块，建立两套定子和转子之间的磁链耦合和电磁损耗耦合关系，输出准确的参考电压，实现双转子永磁发电机电磁耦合损耗的精确模拟。
本发明将内电机机侧变流器输出的内电机参考电压与通过外电机机侧变流器输出的外电机参考电压生成的内电机参考电压修正量相叠加，生成修正后的内电机机侧变流器三相参考电压；将外电机机侧变流器输出的外电机参考电压与通过内电机机侧变流器输出的内电机参考电压生成的外电机参考电压修正量相叠加，生成修正后的外电机机侧变流器三相参考电压；输入端包括内电机实时电角速度，外电机实时电角速度，内电机d轴实时电流Id1，内电机q轴实时电流Isq1，外电机d轴实时电流Id2，外电机q轴实时电流Isq2；输出端包括内电机机侧变流器输出的三相参考电压Vabc1，外电机机侧变流器输出的三相参考电压Vabc2。
下面结合实施例对本发明做进一步详细描述：
参见图1，采用一种双转子永磁发电机电气接线图的方法，作为所述一种双转子永磁发电机电磁耦合损耗模拟方法及相关装置的底层物理基础，第一机侧变流器，是指用于双转子永磁发电机的内电机电能控制，将内电机外送的交流电能变换为直流电能的机侧变流器。
第二机侧变流器，是指用于双转子永磁发电机的外电机电能控制，将外电机外送的交流电能变换为直流电能的机侧变流器。
网侧变流器，是指用于双转子永磁发电机的电网侧电能控制，将直流母线上直流电能变换为交流电能的网侧变流器。
升压变压器，是指将网侧变流器输出的0.69kV交流电压变换为35kV交流电压的三相双绕组变压器。
参见图2，采用一种双转子永磁发电机机侧变流器控制逻辑框图的方法，作为一种双转子永磁发电机电磁耦合损耗的模拟方法。
损耗模拟环节，是指在传统永磁同步发电机机侧控制环节的基础上，加入的利用内外电机磁链耦合特性的损耗模拟环节，用于模拟因损耗产生的感应电压增量。
参见图3，采用一种双转子永磁发电机机侧变流器的装置输入输出框图，作为一种双转子永磁发电机电磁耦合损耗的装置示意图。
机侧变流器损耗模拟控制器，是指双转子永磁发电机内、外电机机侧变流器控制系统中具有模拟电机之间电磁损耗功能的机侧变流器控制装置。
以下详细介绍本发明一种双转子永磁发电机电磁耦合损耗模拟方法及相关装置的工作原理。针对双转子永磁发电机并网运行的场景，设计电磁耦合损耗模拟方法及其相关的装置。
所述双转子永磁发电机的内电机PMSG1的定子三相输出端经定子电感L1接入内电机第一机侧变流器。
所述双转子永磁发电机的外电机PMSG2的定子三相输出端经定子电感L2接入内电机第二机侧变流器。
第一机侧变流器和第二机侧变流器的直流输出端共同并联于直流母线正负两极，直流母线两极之间电压为Udc。
直流母线正负两极作为网侧变流器的直流输入端，网侧变流器三相输出端经并网电感Lgrid接入并联电容器Cf和升压变压器0.69kV侧。
升压变压器35kV高压侧接入三相电力系统。
在第一机侧变流器的q轴控制侧，内电机电角速度w1与参考电角速度w1*作差，差值输入到PI环节中，得到内电机q轴参考电流Isp1*。
内电机q轴参考电流Isq1*与内电机q轴当前电流Isq1作差，差值输入到PI环节中，得到内电机q轴参考电压Vq1*。
内电机q轴参考电压Vq1*作为坐标转换环节DQ/ABC1的输入端。
在第一机侧变流器的d轴控制侧，内电机d轴电流Id1与参考电电流0作差，差值输入到PI环节中，得到内电机d轴参考电压Vd1*。
内电机d轴参考电压Vd1*作为内电机坐标转换环节DQ/ABC1的输入端。
在第二机侧变流器的q轴控制侧，外电机电角速度w2与参考电角速度w2*作差，差值输入到PI环节中，得到外电机q轴参考电流Isp2*。
外电机q轴参考电流Isq2*与外电机q轴当前电流Isq2作差，差值输入到PI环节中，得到外电机q轴参考电压Vq2*。
外电机q轴参考电压Vq2*作为坐标转换环节DQ/ABC2的输入端。
在第二机侧变流器的d轴控制侧，外电机d轴电流Id2与参考电电流0作差，差值输入到PI环节中，得到外电机d轴参考电压Vd2*。
外电机d轴参考电压Vd2*作为外电机坐标转换环节DQ/ABC2的输入端。
通过经DQ/ABC1环节输出的电压Vabc1经过损耗模拟叠加，得到最终内电机输出参考电压
Figure BDA0003020916160000071
其中，L12为内、外电机之间的耦合电感，L22为外电机的自电感。
通过经DQ/ABC2环节输出的电压Vabc2经过损耗模拟叠加，得到最终内电机输出参考电压
Figure BDA0003020916160000072
其中，L21为外、内电机之间的耦合电感，L11为内电机的自电感。
本发明充分利用了内外电机的实时控制生成数据，在传统机侧变流器控制的框架外，通过感应电动势叠加的方式详细模拟了运行过程中内外电机间电磁耦合的损耗，同时规避了具体损耗计算中对于磁通量和损耗系数的原始数据的要求，降低了电磁损耗计算的难度，从而优化了双转子永磁发电机电磁损耗模拟的方法，填补了传统双转子永磁发电机电磁环节仿真中未涉及电磁耦合损耗的精确模拟方法的空白。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种双转子永磁发电机电磁耦合损耗模拟装置，其特征在于，包括双转子永磁发电机的内电机PMSG1、双转子永磁发电机的外电机PMSG2、第一机侧变流器、第二机侧变流器、网侧变流器及升压变压器；
所述双转子永磁发电机的内电机PMSG1的定子三相输出端经定子电感L1接入第一机侧变流器，所述双转子永磁发电机的外电机PMSG2的定子三相输出端经定子电感L2接入第二机侧变流器，所述第一机侧变流器和第二机侧变流器的直流输出端共同并联于直流母线正负两极，直流母线正负两极作为网侧变流器的直流输入端，网侧变流器三相输出端经并网电感Lgrid接入并联电容器Cf和升压变压器低压侧，升压变压器高压侧接入三相电力系统。
2.根据权利要求1所述的一种双转子永磁发电机电磁耦合损耗模拟装置，其特征在于，所述第一机侧变流器和第二机侧变流器内部设置有机侧变流器损耗模拟控制器。
3.根据权利要求2所述的一种双转子永磁发电机电磁耦合损耗模拟装置，其特征在于，所述机侧变流器损耗模拟控制器包括PI环节、坐标转换环节DQ/ABC1、坐标转换环节DQ/ABC2及损耗模拟环节。
4.根据权利要求3所述的一种双转子永磁发电机电磁耦合损耗模拟装置，其特征在于，所述内电机PMSG1的内电机电角速度w1、内电机d轴电流Id1、内电机q轴当前电流Isq1通过机侧变流器损耗模拟控制器得到内电机PMSG1的输出参考电压Vabcout1，所述输出参考电压Vabcout1输入到第一机侧变流器内部的高速逻辑开关器件的开关驱动模块输入侧。
5.根据权利要求3所述的一种双转子永磁发电机电磁耦合损耗模拟装置，其特征在于，所述外电机PMSG2的外电极电角速度w2、外电机q轴当前电流Isq2、外电机d轴电流Id2通过机侧变流器损耗模拟控制器得到外电机PMSG2的输出参考电压Vabcout2，所述输出参考电压Vabcout2输入到第二机侧变流器内部的高速逻辑开关器件的开关驱动模块输入侧。
6.根据权利要求1所述的一种双转子永磁发电机电磁耦合损耗模拟装置，其特征在于，所述升压变压器的低压侧为0.69kV。
7.根据权利要求1所述的一种双转子永磁发电机电磁耦合损耗模拟装置，其特征在于，所述升压变压器的高压侧为35kV。
8.一种双转子永磁发电机电磁耦合损耗模拟方法，采用权利要求1-7任一项所述的一种双转子永磁发电机电磁耦合损耗模拟装置，其特征在于，在第一机侧变流器的q轴控制侧，将内电机电角速度w1与参考电角速度w1*作差，差值输入到PI环节中，得到内电机q轴参考电流Isp1*；内电机q轴参考电流Isq1*与内电机q轴当前电流Isq1作差，差值输入到PI环节中，得到内电机q轴参考电压Vq1*，内电机q轴参考电压Vq1*作为坐标转换环节DQ/ABC1的输入端；
在第一机侧变流器的d轴控制侧，将内电机d轴电流Id1与参考电电流0作差，差值输入到PI环节中，得到内电机d轴参考电压Vd1*，内电机d轴参考电压Vd1*作为内电机坐标转换环节DQ/ABC1的输入端；
在第二机侧变流器的q轴控制侧，将外电机电角速度w2与参考电角速度w2*作差，差值输入到PI环节中，得到外电机q轴参考电流Isp2*，外电机q轴参考电流Isq2*与外电机q轴当前电流Isq2作差，差值输入到PI环节中，得到外电机q轴参考电压Vq2*；外电机q轴参考电压Vq2*作为坐标转换环节DQ/ABC2的输入端；
在第二机侧变流器的d轴控制侧，将外电机d轴电流Id2与参考电电流0作差，差值输入到PI环节中，得到外电机d轴参考电压Vd2*，外电机d轴参考电压Vd2*作为外电机坐标转换环节DQ/ABC2的输入端；
通过经坐标转换环节DQ/ABC1输出的电压Vabc1经过损耗模拟叠加，得到最终内电机输出参考电压：
Figure FDA0003020916150000021
其中，L12为内、外电机之间的耦合电感，L22为外电机的自电感；
通过经坐标转换环节DQ/ABC2输出的电压Vabc2经过损耗模拟叠加，得到最终内电机输出参考电压：
Figure FDA0003020916150000031
其中，L21为外、内电机之间的耦合电感，L11为内电机的自电感。
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