CN113113936A - 一种直流电站异步发电系统功率均衡控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种直流电站异步发电系统功率均衡控制方法,采用直流电流均流环+直流电压环+交流电流环的三闭环控制方式,并将发电机组功率调节过程分解为机组启动、并网过渡和功率均衡调节三个过程分别进行细化处理,可以有效解决直流电站异步发电系统发电机组之间功率均衡分配的问题;本发明控制方法可以很好地兼顾电机组启动并网时直流母线电压的大范围调节与多发电机组并联运行时直流母线电压的小范围精细调节,实现输出功率均衡控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种直流电站异步发电系统功率均衡控制方法,适用于陆上直流微电网、船舶直流电站等所有涉及直流电站异步发电系统功率均衡调节的应用场合。
背景技术
近年来,直流电站系统作为一种新型的船舶电网构成形式得到了较快的发展,装船数量、船型和电站容量都有所突破。与交流电网系统不同,该系统主电网采用直流电制,没有了频率的制约,发电机转速可以突破3000rpm的限制,机组可以采用变速发电技术,将配电与变频驱动集成到直流主配电板内部,提高船舶推进动力系统的效率和功率密度、系统配置多样性和灵活性。直流电站发电系统有同步发电和异步发电,两种发电方式都有自己的突出特点和应用场合,本发明主要讨论直流电站异步发电系统。
由于主电网采用的是直流电制,系统并联时只需要保证各台发电机组在直流侧的电压相一致即可,对频率和相位没有要求。进行功率调节时也只需要对各台发电机组直流侧电压进行调节即可实现发电机组之间的功率分配。因为直流电站系统设备高度集中于直流主配电板内,线路分布参数较小,发电机组功率调节对直流母线电压的变化非常敏感,系统鲁棒性较差。针对直流电站异步发电系统,直流母线电压调节范围过大或响应速度过慢容易导致直流电站系统出现较大功率振荡,系统不能稳定运行;直流母线电压调节范围过小时难以满足发电机组单机启动时直流母线电压输出的需求。
因此,系统功率控制策略需要兼顾发电机组启动并网时直流母线电压的大范围调节与多发电机组并联运行时直流母线电压的小范围精细调节。
发明内容
针对以上问题,本发明提出一种直流电站异步发电系统功率均衡控制方法,以实现直流电站异步发电系统各发电机组之间的功率均衡控制,系统稳定运行。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种直流电站异步发电系统功率均衡控制方法,基于发电变频器、三相异步发电机和柴油机顺序连接形成的柴油整流发电机组,所述的发电变频器与直流汇流排连接,多个柴油整流发电机组通过直流汇流排并联构成直流电站异步发电系统,采用直流电流均流环+直流电压环+交流电流环的三闭环控制方式对机组启动、并网过渡和功率均衡调节三个过程功率进行调节;功率调节控制的处理方法包括如下步骤
机组启动过程:柴油机运行至额定转速后发电变频器启动,只采用直流电压环+交流电流环的双闭环控制方式,直流电流均流环不参与控制,直到并网发电机组输出侧的直流电压斜坡上升至直流电网电压值,该过程限制转矩电流输出,将输出功率限制在较小范围;
并网过渡过程:采用直流电流均流环+直流电压环+交流电流环的三闭环控制方式,将除并网发电机组外的所有在网发电机组的实时直流电流加权平均值作为直流电流均流环的参考值,该过程逐渐增大转矩电流限制值直至额定值,并网发电机组输出功率逐渐增加,当并网发电机组直流电流与所有在网发电机组(不含并网发电机组)的实时直流电流加权平均值误差值在允许范围内时该过程结束,并网发电机组并网完成;
功率均衡调节过程:采用直流电流均流环+直流电压环+交流电流环的三闭环控制方式,将所有在网发电机组的实时直流电流加权平均值作为直流电流均流环的参考值,通过直流电流均流环的调节作用,使所有在网发电机组直流电流保持一致,以实现输出功率均衡。
进一步,当柴油整流发电机组有两台,其中一台发电机组G1已经正常运行,另一台发电机组G2启动并网时,直流母线电压参考值Udcref与直流母线电压实际反馈值Udc作差得到误差值Udc_delta,经PI调节器输出q轴电流参考值Iqref,函数如下:
G3(s)=K3+1/(T3S)
其中,K3为电压环比例调节参数,T3为电压环积分调节参数;
发电机组G2输出侧直流母线电压逐渐上升至额定值,直流电流均流环进行直流电流调节,将在网运行的发电机组G1直流电流Idc1作为参考值,将参考值与发电机组G2的直流电流Idc2作差进行PI调节得到直流母线电压附加参考值Udcref_add,函数如下:
G2(s)=K2+1/(T2S)
其中,K2为均流环比例调节参数,T2为均流环积分调节参数;
直流母线电压附加参考值与直流母线电压参考值相加作为实际需要的母线电压参考值,该参考值再与实际母线电压反馈值作差作为PI调节器的输入:
Udc_delta=Udcref+Udcref_add-Udc;
发电机组G2并网完成后,其直流母线电流Idc2与发电机组G1的直流母线电流Idc1共同参与直流电流均流环调节,将两台发电机组直流电流的加权平均值作为直流电流均流环的参考值
Idcref=(k1Idc1+k2Idc2)/2;
最终,通过直流电流均流环的调节,发电机组G1与发电机组G2的直流电流保持一致,即两台发电机组的输出功率均衡。
本发明的有益效果是:本发明采用直流电流均流环+直流电压环+交流电流环的三闭环控制方式,并将发电机组功率调节过程分解为机组启动、并网过渡和功率均衡调节三个过程分别进行细化处理,可以有效解决直流电站异步发电系统发电机组之间功率均衡分配的问题。
附图说明
图1为本发明发电系统组成框图;
图2为本发明的发电变频器原理框图;
图3为本发明功率均衡控制原理图。
各附图标记为:1—直流汇流排,2—发电变频器,3—三相异步发电机,4—柴油机。
具体实施方式
下面结合附图和实施例,对本发明进行清楚、完整地说明。
本发明主要针对直流电站异步发电系统功率均衡调节问题,采用直流电流均流环+直流电压环+交流电流环的三闭环控制方式,对异步发电机组直流侧电压进行调节,以达到功率均衡调节的目的。
系统功率控制策略需要兼顾发电机组启动并网时直流母线电压的大范围调节与多发电机组并联运行时直流母线电压的小范围精细调节,因此,控制方法将“柴油整流发电机组”的功率调节分为机组启动、并网过渡和功率均衡调节3个过程进行处理。
本发明以柴油机4、三相异步发电机3、发电变频器2组成的“柴油整流发电机组”为例研究直流电站异步发电系统功率均衡控制的方法。
参照图1、图2和图3所示,本发明公开的一种直流电站异步发电系统功率均衡控制方法,基于发电变频器2、三相异步发电机3和柴油机4顺序连接形成的柴油整流发电机组,所述的发电变频器2与直流汇流排1连接,多个柴油整流发电机组通过直流汇流排并联构成直流电站异步发电系统,采用直流电流均流环+直流电压环+交流电流环的三闭环控制方式对机组启动、并网过渡和功率均衡调节三个过程功率进行处理;功率调节控制的处理方法包括如下步骤
机组启动过程:柴油机4运行至额定转速后发电变频器2启动,只采用直流电压环+交流电流环的双闭环控制方式,直流电流均流环不参与控制,直到并网发电机组输出侧的直流电压斜坡上升至直流电网电压值,该过程限制转矩电流输出,将输出功率限制在较小范围。
并网过渡过程:采用直流电流均流环+直流电压环+交流电流环的三闭环控制方式,将除并网发电机组外的所有在网发电机组的实时直流电流加权平均值作为直流电流均流环的参考值,该过程逐渐增大转矩电流限制值直至额定值,并网发电机组输出功率逐渐增加,当并网发电机组直流电流与所有在网发电机组(不含并网发电机组)的实时直流电流加权平均值误差值在允许范围内时该过程结束,并网发电机组并网完成。
功率均衡调节过程:采用直流电流均流环+直流电压环+交流电流环的三闭环控制方式,将所有在网发电机组的实时直流电流加权平均值作为直流电流均流环的参考值,通过直流电流均流环的调节作用,使所有在网发电机组直流电流保持一致,以实现输出功率均衡。
以此,通过合理地运用直流电流均流环+直流电压环+交流电流环的三闭环控制方式,可以很好实现直流电站异步发电系统所有在网发电机组的功率均衡控制。
柴油机4作为原动机带着三相异步发电机3旋转,发电变频器2为三相异步发电机3提供励磁电流,并将其发出的三相交流电整流为直流电,多台“柴油整流发电机组”通过直流汇流排1连接在一起,并联运行共同构成直流电站异步发电系统。
直流电站系统设备高度集中于直流主配电板内,线路分布参数较小,发电机组功率调节对直流母线电压的变化非常敏感,系统鲁棒性较差。系统功率调节策略需要兼顾发电机组启动并网时直流母线电压的大范围调节与多发电机组并联运行时直流母线电压的小范围精细调节。
本发明采用直流电流均流环+直流电压环+交流电流环的三闭环控制方式,并将发电机组功率调节过程分解为机组启动、并网过渡和功率均衡调节3个过程分别进行细化处理,可以有效解决直流电站异步发电系统发电机组之间功率均衡分配的问题。
以两台“柴油整流发电机组”并联运行为例,假设其中一台发电机组G1已经正常运行,此时另一台发电机组G2启动并网,并进行功率均衡调节。
机组启动过程:柴油机4运行至额定转速后,发电变频器2启动运行,此时只采用直流电压环+交流电流环的双闭环控制方式,直流母线电压参考值Udcref与直流母线电压实际反馈值Udc作差得到误差值Udc_delta,经PI调节器输出q轴电流参考值Iqref,为了限制发电机组输出功率,q轴电流参考值被限制在较小范围内:
G3(s)=K3+1/(T3S)
其中,K3为电压环比例调节参数,T3为电压环积分调节参数。
三相交流电流iabc经过坐标变换得到电流d轴分量Id和q轴分量Iq,电流q轴分量与q轴电流参考值作差,经过PI调节器得到q轴电压参考值Vqref:
G4(s)=K4+1/(T4S)
其中,K4为电流环比例调节参数,T4为电流环积分调节参数。
磁链给定ψref作为函数G5(s)的输入,输出d轴电流参考值Idref,与电流d轴分量经PI调节器后得到d轴电压参考值Vdref。G5(s)包含磁链环、磁链观测、弱磁控制等功能,不属于本发明内容,故此不再赘述。q轴电压参考值Vqref和d轴电压参考值Vdref作为SVPWM控制输入,输出发电变频器2的脉冲驱动信号。
发电机组G2输出侧直流母线电压逐渐上升至额定值,然后直流电流均流环开始起作用,进行直流电流调节。直流电流参考值为所有在网运行发电机组直流电流平均值:
Idcref=∑kiIdci/N
其中,Idci为在网运行发电机组Gi直流电流,N为在网运行发电机组数量,ki为发电机组Gi直流电流的加权值,其取值与在网发电机组额定输出功率有关,且满足∑ki=1。
由于此时只有发电机组G1在网运行,于是其直流电流Idc1即为参考值。参考值与发电机组G2的直流电流Idc2作差,进行PI调节得到直流母线电压附加参考值Udcref_add,该附加参考值被限制在一定范围内,即与输出功率相对应的母线电压调节量范围,需根据实际情况进行设定:
G2(s)=K2+1/(T2S);
其中,K2为均流环比例调节参数,T2为均流环积分调节参数。
直流母线电压附加参考值与直流母线电压参考值相加作为实际需要的母线电压参考值,该参考值再与实际母线电压反馈值作差作为PI调节器的输入:
Udc_delta=Udcref+Udcref_add-Udc;
此后的控制过程与机组启动过程完全相同,不再赘述。该过程中q轴电流参考值Iqref的限制范围逐渐增大至额定输出功率对应的值,亦即输出功率逐渐增大。由于负载总功率一定,发电机组G2输出功率增大的过程中,发电机组G1的输出功率必然逐渐减小,当两者的输出功率比较接近时,即直流电流误差在允许范围内时,可判定发电机组G2并网完成。
发电机组G2并网完成后,其直流母线电流Idc2与发电机组G1的直流母线电流Idc1共同参与直流电流均流环调节,此时直流电流均流环的参考值为两台发电机组直流电流的加权平均值:
Idcref=(k1Idc1+k2Idc2)/2;
最终,通过直流电流均流环的调节,可使发电机组G1与发电机组G2的直流电流保持一致,即两台发电机组的输出功率均衡。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效,以及部分运用的实施例,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明创造构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种直流电站异步发电系统功率均衡控制方法,基于发电变频器(2)、三相异步发电机(3)和柴油机(4)顺序连接形成的柴油整流发电机组,所述的发电变频器(2)与直流汇流排(1)连接,多个柴油整流发电机组通过直流汇流排(1)并联构成直流电站异步发电系统,其特征在于:包括如下步骤
机组启动过程:柴油机(4)运行至额定转速后发电变频器(2)启动,采用直流电压环+交流电流环的双闭环控制方式,直到并网发电机组输出侧的直流电压斜坡上升至直流电网电压值,通过限制转矩电流输出将输出功率限制在较小范围;
并网过渡过程:采用直流电流均流环+直流电压环+交流电流环的三闭环控制方式,将除并网发电机组外的所有在网发电机组的实时直流电流加权平均值作为直流电流均流环的参考值,逐渐增大转矩电流限制值至额定值,并网发电机组输出功率逐渐增加,当并网发电机组直流电流与其余在网发电机组的实时直流电流加权平均值误差值在允许范围内时并网发电机组并网完成;
功率均衡调节过程:采用直流电流均流环+直流电压环+交流电流环的三闭环控制方式,将所有在网发电机组的实时直流电流加权平均值作为直流电流均流环的参考值,通过直流电流均流环的调节作用,使所有在网发电机组直流电流保持一致,以实现输出功率均衡。
2.根据权利要求1所述的一种直流电站异步发电系统功率均衡控制方法,其特征在于,当柴油整流发电机组有两台,其中一台发电机组G1已经正常运行,另一台发电机组G2启动并网时,直流母线电压参考值Udcref与直流母线电压实际反馈值Udc作差得到误差值Udc_delta,经PI调节器输出q轴电流参考值Iqref,函数如下:
G3(s)=K3+1/(T3S)
其中,K3为电压环比例调节参数,T3为电压环积分调节参数;
发电机组G2输出侧直流母线电压逐渐上升至额定值,直流电流均流环进行直流电流调节,将在网运行的发电机组G1直流电流Idc1作为参考值,将参考值与发电机组G2的直流电流Idc2作差进行PI调节得到直流母线电压附加参考值Udcref_add,函数如下:
G2(s)=K2+1/(T2S)
其中,K2为均流环比例调节参数,T2为均流环积分调节参数;
直流母线电压附加参考值与直流母线电压参考值相加作为实际需要的母线电压参考值,该参考值再与实际母线电压反馈值作差作为PI调节器的输入:
Udc_delta=Udcref+Udcref_add-Udc;
发电机组G2并网完成后,其直流母线电流Idc2与发电机组G1的直流母线电流Idc1共同参与直流电流均流环调节,将两台发电机组直流电流的加权平均值作为直流电流均流环的参考值
Idcref=(k1Idc1+k2Idc2)/2;
最终,通过直流电流均流环的调节,发电机组G1与发电机组G2的直流电流保持一致,即两台发电机组的输出功率均衡。
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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