CN207218582U - 双馈电机变频调速系统的直流母线电流控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种双馈电机变频调速系统的直流母线电流控制系统，具有较高的稳态性能，并且在不改变电网功率因数的条件下降低系统的直流电流，从而增加系统寿命。该系统包括机侧变流器，网侧变流器，机侧滤波器，网侧滤波器以及直流电感器。机侧滤波器连接在双馈电机的控制绕组和机侧变流器之间，网侧滤波器连接在三相交流电源与网侧变流器之间，机侧变流器与网侧变流器相连接并且直流电感器连接在机侧变流器的机侧发射极与网侧变流器的网侧集电极之间；而且，双馈电机的功率绕组被接入三相交流电源。该方法包括双馈电机的控制绕组提供励磁使得所述机侧电流降低并且所述网侧电流增大，所述控制器控制所述机侧电流等于所述网侧电流。

Description

双馈电机变频调速系统的直流母线电流控制系统

技术领域

本实用新型涉及异步电机，特别涉及一种基于电流源变流器的双馈电机变 频调速系统的直流母线电流控制系统。

背景技术

目前市场上的双馈电机变频调速系统使用的变流器多为晶闸管变流器或 者电压PWM变流器，但是这种变流器的电路拓扑结构存在局限性，这种局限 性表现在：不易实现多个变流器的并联，从而变流器的总容量受限；短路保护 不灵敏；和电压穿越能力欠佳。电流源变流器包括并联的RB-IGBT开关器结 构，逆阻型开关器RB-IGBT本身具有较高的开关频率，从而这种电流源变流 器具有较小的感抗和容抗，能实现更快的动态响应。

因此，对于采用电流源变流器的双馈电机变频调速系统，由于电流源变流 器自身的结构特性，还希望提出一种能够有效增加该系统稳态特性、增加系统 寿命的有效控制方法。

实用新型内容

在本实用新型中，本实用新型提供了一种基于电流源变流器的双馈电机变 频调速系统的直流母线电流控制系统，通过控制电机定子与网侧变流器交流侧 之间的无功环流，令双馈电机的定子绕组提供一部分励磁，使得所述机侧电流 降低并且所述网侧电流增大，从而将该系统的直流母线电流将至最小值，以减 小系统损耗。

为了达到上述目的，提供一种双馈电机变频调速系统的直流母线优化控制 方法，所述双馈电机变频调速系统包括：

双馈电机以及与所述双馈电机的转子相连的机械负载；

机侧变流器，与所述双馈电机的控制绕组相连；

机侧滤波器，连接在所述机侧变流器的交流侧端口并且位于所述双馈电机 的与所述机侧变流器之间；

网侧变流器，与所述机侧变流器相连并且接入交流电网；

网侧滤波器，连接在所述网侧变流器的交流侧端口并且位于所述交流电网 与所述网侧变流器之间；

直流电感器，连接在所述机侧滤波器与所述网侧滤波器之间；

所述双馈电机的功率绕组直接接入所述交流电网；

控制器，其输入量为系统测量单元得到的电气信号，通过本专利提出的控 制算法，输出机侧变流器和网侧变流器所需的PWM驱动信号，用于控制所述 机侧变流器的机侧电流与所述网侧变流器的网侧电流，机侧变流器和网侧变流 器均是电流源型变流器。

本专利提供了一种基于电流源变流器的双馈电机变频调速系统的直流母 线电流控制系统，通过控制电机定子与网侧变流器交流侧之间的无功环流，令 双馈电机的定子绕组提供一部分励磁，使得所述机侧电流降低并且所述网侧电 流增大，从而将该系统的直流母线电流将至最小值，以减小系统损耗。

优选的，所述机侧变流器使用定子磁链定向的矢量控制方法，用于实现对 定子有功和无功的解耦控制。

优选的，所述网侧变流器使用电网电压定向的矢量控制方法，用于维持直 流电流恒定。

优选的，所述系统还包括直流母线优化控制模块，所述直流母线优化控制 模块根据I_{dc_ref_gsc}＝I_{dc_ref_rsc}控制所述系统的直流电流，其中Idc_ref_rsc为所 述网侧变流器的直流电流参考值，Idc_ref_gsc为所述机侧变流器的直流电流的 参考值。

优选的，所述系统包括三相交流电源，所述双馈电机的功率绕组、所述网 侧变流器与一负载相连。

优选的，所述系统还包括：

撬棍装置，所述撬棍装置被连接于所述双馈电机的控制绕组和所述机侧滤 波器之间；

斩波器装置，所述斩波器装置与所述直流电感器相并联；

并网接触器，所述并网接触器被接在所述变压器与所述双馈电机的功率绕 组之间，用于接通和断开所述双馈电机与所述三相交流电源的连接。

优选的，所述网侧变流器还用于向所述三相交流电源提供无功功率。

优选的，所述双馈电机变频调速系统的电网功率因数保持恒定。

应理解，在本实用新型范围内中，本实用新型的上述各技术特征和在下文 (如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优 选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。

附图说明

图1为本实用新型的一个实施例中的基于电流源变流器的双馈电机变频调 速系统的拓扑结构示意图。

图2为本实用新型的另一实施例中的基于电流源变流器的双馈风力发电系 统的拓扑结构示意图。

图3为本实用新型的一个实施例中的机侧变流器的逻辑控制框图。

图4为本实用新型的一个实施例中的网侧变流器的逻辑控制框图。

图5a、图5b分别为2MW双馈风机典型功率曲线和转速曲线示意图。

图6为本实用新型的一个实施例中的双馈电机超同步、同步和次同步工作 点下的定子补偿无功功率与风速的关系图。

图7为本实用新型的一个实施例中的双馈电机超同步、同步和次同步工作 点下的定子补偿无功前后的直流电流与风速的关系图。

图8a、图8b为本实用新型的一个实施例中的双馈电机超同步、同步和次 同步工作点下的双馈电机的直流电流和转矩波形图。

图9a、图9b为本实用新型的一个实施例中的工作点变化时，系统的电网 电压和电网电流的波形图。

图10a、图10b为本实用新型的一个实施例中的工作点变化时，双馈电机 定子电压和定子电流的波形图。

图11a、图11b为本实用新型的一个实施例中的工作点变化时，网侧变流 器电压和电流的波形图。

具体实施方式

本发明人经过广泛而深入的研究，首次开发了一种基于电流源变流器的双 馈电机变频调速系统，机侧变流器和网侧变流器采用PWM电流源型变流器。

术语

如本文所用，术语“解耦控制”指采用某种结构，寻找合适的控制规律来消 除系统中各控制回路之间的相互耦合关系，使每一个输入只控制相应的一个输 出，每一个输出又只受到一个控制的作用。

如本文所用，术语“功率因数”指交流电路中，电压与电流之间的相位差(Φ) 的余弦叫做功率因数，用符号cosΦ表示，在数值上，功率因数是有功功率和 视在功率的比值，即cosΦ＝P/S。

基于电流源变流器的双馈电机变频调速系统

本实用新型相对于常规的基于电压源变流器的双馈系统而言，主要优点包 括：(a)当双馈电机的工作状态变化时(例如，从超同步工作点转为同步)时， 电流源变流器动态响应快，极大地缩短了系统电压、电流保持稳态的过渡时间； (b)由于电流源变流器自身的电路结构，因此具有较强的短路保护能力，并且 容易实现多个变流器的并联。

下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型。应理解，这些实施例仅用 于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。

需要说明的是，在本专利的权利要求和说明书中，诸如第一和第二等之类 的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不 一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而 且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而 使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还 包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设 备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素， 并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要 素。

实施例1

在本实用新型提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇 文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本实用新型的上述讲授 内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形 式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本实用新型提供了一种基于电流源变流器的双馈电机变频调速系统。图1为 本实用新型的一个实施例中的基于电流源变流器的双馈电机变频调速系统100 的拓扑结构示意图。

如图1所示，所述双馈电机变频调速系统包括：双馈电机2以及与所述双 馈电机2的转子相连的机械负载3；机侧变流器4，与所述双馈电机2的控制 绕组相连；机侧滤波器6，连接在所述机侧变流器4的交流侧端口并且位于所 述双馈电机2的与所述机侧变流器4之间；网侧变流器5，与所述机侧变流器 4相连并且接入交流电网；网侧滤波器7，连接在所述网侧变流器6的交流侧 端口并且位于所述交流电网与所述网侧变流器6之间；直流电感器8，连接在 所述机侧滤波器6与所述网侧滤波器7之间；所述双馈电机2的功率绕组直接 接入所述交流电网；控制器，其输入量为系统测量单元得到的电气信号，通过 本专利提出的控制算法，输出机侧变流器4和网侧变流器5所需的PWM驱动 信号，用于控制所述机侧变流器4的机侧电流与所述网侧变流器5的网侧电流。

具体地说，机侧变流器和网侧变流器均为采用RB-IGBT(逆阻型开关器) 并联结构的电流源变流器。

机侧变流器包括多组并联连接的开关器，每组所述开关器包括两个串联连 接的逆阻型IGBT9并具有集电极和发射极，每组所述开关器的集电极构成所 述机侧变流器4的机侧集电极，每组所述开关器的发射极构成所述机侧变流器 4的机侧发射极；

网侧变流器5与所述机侧变流器4结构相同且布置相反，所述网侧变流器 5包括多组并联连接的开关器，每组所述开关器包括两个串联连接的逆阻型 IGBT9并具有集电极和发射极，每组所述开关器的集电极构成所述网侧变流器5的网侧集电极，每组所述开关器的发射极构成所述网侧变流器5的网侧发射 极；

机侧变流器4的机侧发射极与所述网侧变流器5的网侧集电极相连并且所 述直流电感器连接在所述机侧发射极和所述网侧集电极之间；所述机侧变流器 的机侧集电极与所述网侧变流器5的网侧发射极相连；

双馈电机2的控制绕组与所述机侧变流器4相连，所述机侧滤波器6包括 多个并联连接的机侧电容器并被连接在所述双馈电机的控制绕组和所述洁厕 变流器的输入侧之间；

所述网侧滤波器7包括多个并联连接的网侧电容器和多个分别与所述网侧 电容器串联连接的网侧电感器，所述网侧变流器5被接入所述三相交流电源， 所述网侧滤波器7被连接在所述网侧变流器5与所述三相交流电源之间；

所述双馈电机的功率绕组被接入所述三相交流电源。

在该实施例中，三相交流电源是指交流电网，也可以是三相负载，例如变 压器等。机械负载3与双馈电机2的转轴连接，当机械负载3进行机械旋转时， 带动双馈电机转子转动并产生电压和电流，并入交流电网向电网供电；反过来， 交流电网可以通过该系统向双馈电机供电，从而双馈电机控制机械负载的机械 运动。

而且，该系统还装设有控制器，用于测量系统的电气参量控制信号，例如： 定子电压、电流，转子电压、电流，双馈电机机械转动角度等；还用于将所测 量的控制信号反馈至机侧变流器4、网侧变流器5和双馈电机2，以及控制系 统的稳态性能。

在该实施例中，双馈异步电机可以按照下列公式(1)-(4)进行控制：

双馈异步电机的功率则可按照公式(5)控制：

其中U代表电压，I代表电流，ψ代表磁链，下标s代表定子，下标r代表 转子。ω_s是同步角频率，ω是电机机械角频率，s是转差率，n_p是电机的极对 数，J是电机的转动惯量，T_e是电磁转矩，T_L是负载转矩。L_m是励磁电感，L_s是定子等效自感，L_r是转子等效自感。P_s，Q_s，P_r，Q_r分别是双馈电机(DFIG) 的定子有功、定子无功、转子有功、转子无功。带有下标d表示电机转子的直 轴分量，下标q则表示电机转子的交轴分量。

图3是本实用新型的一个实施例中的机侧变流器的逻辑控制框图，具体地 说，在该实施例中，假设电磁功率的参考值为P_{e_ref}，定子侧提供的无功功率 为Q_{s_ref}。机侧变流器采用定子磁链定向的矢量控制方式。

在定子磁链定向的条件下，可以令ψ_sd＝ψ_s，ψ_sq＝0，即忽略暂态量、定子 电阻和转子电阻，根据公式(1)-(2)推导可得到公式(6)：

按照公式(10)控制转子电流d轴分量和q轴分量，可以实现对定子有功 和无功的解耦控制，这种控制方式能够提高系统100的稳态性能。

如图3所示，整个双馈电机变频调速系统的电磁功率参考值为P_{e_ref}，定子 无功功率的参考值为Q_{s_ref}，根据公式(6)得到双馈电机转子电流q轴分量和 d轴分量基于基尔霍夫电流定律，流入机侧变流器的电流等于双馈电机的 转子电流与转子电容电流之和，图4中的I_crd和I_crq分别为转子电容电流的d轴 分量和q轴分量，可以分别通过公式(7)～(8)计算得到：

即，I_crd＝-sω_sC_RSCU_rq——(7)

I_crq＝sω_sC_RSCU_rd——(8)

其中，其中s是电机的转差率，ω_s是同步角频率，C_RSC是机侧变流器电容(即 转子并联电容)，U_rd和U_rq分别代表转子电容电压的d轴分量和q轴分量。

转子电流的d轴分量与转子电容电流的d轴分量相加后得到流入机侧变流 器的电流的d轴分量I_{RSC_d}，转子电流的q轴分量与转子电容电流的q轴分量相 加后得到流入机侧变流器的电流的q轴分量I_{RSC_q}，I_{RSC_d}和I_{RSC_q}经过空间矢量调 制(SVM)算法模块后输出6路PWM波(脉冲宽度调制波)，并且，作为 转子相位角也输入SVM算法模块。

上述6路PWM波输入到机侧变流器中用于控制机侧变流器的6个开关管 (图1中未示出)的通断状态，从而输出所需的机侧三相电流I_{RSC_abc}。图4右 下角为机侧的电气回路，该电气回路包括参量：机侧交流器变流侧的电容C_RSC， 电感L_RSC和电阻R_RSC。而且，该电气回路用于测量表征双馈电机电力状态的信号， 并进一步对测量所得的信号进行坐标变换以用于系统控制。图4中所包含的需 测量的信号包括但不限于：转子三相电压U_{RSC_abc}，转子三相电流I_rabc，定子三相 电流I_sabc，定子三相电压U_sabc以及电机转子转过的机械角度θ_r。图4包含坐标变 换模块2r/3s、2r/2s和2s/3s。

转子三相电压U_{RSC_abc}经过2r/3s模块转换为转子dq轴电压U_{RSC_dq}；转子三相 电流I_rabc经过2r/3s模块转换为I_rdq；电机转子转过的机械角度θ_r经过微分模块 d/dt微分得到得到电机转子的机械角速度ω_r；定子三相电流I_sabc经过2s/3s模块 转换为两相静止坐标系下的定子两相电流I_sαβ，并进一步经过2r/2s模块从I_sαβ转 换为来两相旋转坐标下的定子两相电流I_sdq；定子三相电压U_sabc经过2s/3s模块 转换为两相静止坐标系下的定子两相电流U_sαβ，并进一步经过2r/2s模块从U_sαβ 转换为来两相旋转坐标下的定子两相电流U_sdq。

进一步地，图3左下角为双馈电机定子磁链观测器，用于根据定子电压U_sαβ 和电流I_sαβ来估算定子磁链的幅值ψ_s和相角作为双馈电机变频调速系统的控 制参量。

进一步地，机侧变流器的直流电流参考值I_{dc_ref_rsc}为

图4是本实用新型的一个实施例中的网侧变流器的控制框图，该网侧变流 器采用基于电网电压定向矢量控制的控制方式。网侧变流器用于维持该变频调 速系统的直流电流稳定，同时向电网注入一定量的无功功率，使得并网电流能 够满足电网的功率因数要求。

如图4所示，该系统(以下“系统”均指“本实用新型的变频调速系统”)的 直流母线电流的参考值为实际值为I_dc，两个电流信号之差经过PI控制器 后得到网侧并网电流的有功分量与网侧电容电流的d轴分量I_cid相加后得 到流入网侧变流器的电流的d轴分量I_{GSC_d}。网侧并网电流的无功分量为预先 设定值，在一个实施例中，可以为0。网侧变流器与机侧变流器的电气结构 类似，流入网侧变流器的电流等于网侧并网电流与网侧电容电流之和，也就是， 网侧并网电流的无功分量与网侧电容电流的q轴分量I_ciq相加后得到流入网 侧变流器的电流的q轴分量I_{GSC_q}。其中，I_cid和I_ciq分别根据公式(10)-(11) 计算得到：

I_cid＝-ω_sC_GSCU_gq——(10)

I_crq＝ω_sC_GSCU_gd——(11)

其中ω_s是同步角频率，C_GSC是网侧变流器电容，U_gd和U_gq代表网侧电容电压 的d轴分量和q轴分量。

电流I_{GSC_d}和I_{GSC_q}通过空间矢量调制(SVM)算法模块后输出6路PWM波， 该PWM波输入到网侧变流器用于控制网侧变流器的6个开关管的通断状态， 从而输出所需的网侧三相电流I_{GSC_abc}。图5右下角是网侧变流器的电气回路， 该电气回路包括网侧变流器交流侧的电容C_GSC、电感L_GSC和电阻R_GSC，并且该电 气回路与交流电网之间还存在并网线路电感L_g。进一步地，该电气回路用于测 量表征双馈电机电力状态的信号，并进一步对测量所得的信号进行坐标变换以 用于系统控制。图5中所包含的需测量的信号包括但不限于：网侧变流器三相 三相电压U_{GSC_abc}，并网三相电流I_gabc，电网三相电压U_gabc；还包括坐标变换模块 2r/3s、2r/2s和2s/3s。

网侧变流器三相电压U_{GSC_abc}经过2r/3s模块转换为转子dq轴电压U_{GSC_dq}；并 网三相电流I_gabc经过2r/3s模块转换为I_gdq；电网三相电压U_gabc经过2r/3s模块转 换为两相静止坐标系下的电网电压U_gdq，并进一步经过网侧PLL(锁相环)根 据U_gdq计算得到网侧相位角θ_g和从网侧计算的网侧角速度ω_g。

进一步的，根据图4所示的网侧变流器的控制框图，控制器能够控制网侧 变流器交流侧的电压和电流。

考虑到要实现单位功率因数运行以满足该系统的并网要求，因此双馈电机 的功率绕组(定子侧)提供的无功功率与网侧变流器提供的无功功率必须互相 抵消。网侧变流器采用如图4所示的电网电压定向的矢量控制方法，在该实施 例中，U_gd＝U_g,U_gq＝0。根据能量守恒定律，网侧变流器提供的有功功率为转差 功率无功功率为-Q_{s_ref}。在该实施例中，包含在网侧滤波器 中的滤波电感的电压压降可忽略不计，而网侧滤波器中的滤波电容上的电流则 不能忽略，因此网侧变流器电流可表示为

从而进一步计算出转子侧变流器直流电流参考值为

仍在该实施例中，双馈电机变频调速系统100采用直流母线优化控制方 法，该方法用于控制系统在直流电流取最小值的情况下运行。具体地说，该方 法包括：由双馈电机的功率绕组(定子侧)提供一部分无功功率，从而使双馈 电机的控制绕组(转子侧)的电流减小并且使得同时从网侧变流器流入交流电 网的电流增大；当二者相等时，控制器控制双馈电机按照公式 I_{dc_ref_gsc}＝I_{dc_ref_rsc}进行控制。通过对I_{dc_ref_gse}＝I_{dc_ref_rec}进行求解，可以得到 定子需要提供的无功功率Q_{s_ref}公式(14)：

其中式中L_s为电机定子等效自感，L_r为电机转子等效自感，L_m为电机励磁电感，k为 电机绕组等效变比，为电机定子磁链幅值，ω_s为电机同步旋转角频率，s为电机 转差率，V_g为电网电压幅值，C_g为网侧滤波电容，P_{e_ref}为整个系统的电磁功率参 考值。

该方法相对于现有技术而言，能够进一步减小系统的直流电流值，使得直 流回路和变流器的有功损耗达到最小，提升了系统运行效率；还可以减小直流 电流造成的电阻发热和电流应力，从而优化系统运行，提升系统寿命。

实施例2

基于电流源变流器的双馈电机变频调速系统

图2是本实用新型的一个实施例中的基于电流源变流器的双馈风力发电系 统的拓扑结构。该拓扑结构包括变压器18(接入三相交流电源)，双馈电机以 及与所述双馈电机转轴相连的风力机10；还包括：机侧变流器4，网侧变流器 5，机侧滤波器6，网侧滤波器7以及直流电感器8；

所述机侧变流器4包括多组并联连接的开关器，每组所述开关器包括两个 串联连接的逆阻型IGBT并具有集电极和发射极，每组所述开关器的集电极构 成所述机侧变流器的机侧集电极，每组所述开关器的发射极构成所述机侧变流 器的机侧发射极；

所述网侧变流器与所述机侧变流器结构相同且布置相反，所述网侧变流器 包括多组并联连接的开关器，每组所述开关器包括两个串联连接的逆阻型 IGBT并具有集电极和发射极，每组所述开关器的集电极构成所述网侧变流器 的网侧集电极，每组所述开关器的发射极构成所述网侧变流器的网侧发射极；

所述机侧变流器的机侧发射极与所述网侧变流器的网侧集电极相连并且 所述直流电感器连接在所述机侧发射极和所述网侧集电极之间；所述机侧变流 器的机侧集电极与所述网侧变流器的网侧发射极相连；

所述双馈电机的控制绕组与所述机侧变流器相连，所述机侧滤波器包括多 个并联连接的机侧电容器并被连接在所述双馈电机的控制绕组和所述洁厕变 流器的输入侧之间；

所述网侧滤波器包括多个并联连接的网侧电容器和多个分别与所述网侧 电容器串联连接的网侧电感器，所述网侧变流器被接入所述三相交流电源，所 述网侧滤波器被连接在所述网侧变流器与所述三相交流电源之间；

所述双馈电机的功率绕组被接入所述三相交流电源。

进一步地，图2所示的拓扑结构还包括：

撬棍装置15，所述撬棍装置被连接于所述双馈电机的控制绕组和所述机侧 滤波器之间；

斩波器装置16，所述斩波器装置被接在所述直流电感器的两端；

并网接触器17，所述并网接触器被接在所述变压器与所述双馈电机的功率 绕组之间，用于接通和断开所述双馈电机与所述三相交流电源的连接。

其中，双馈电机的转轴直接与风力机10的转轴相连，同时风力机10还可 配备增速器11(升速齿轮箱)、制动器12、变桨单元13、偏航装置14等。

在一个测试例中，风力机10(风力发电机)按照图2所示的拓扑结构搭 建仿真模型，并且采用2MW双馈风力发电机的参数，参数如表1所示。

表1 2MW双馈电机参数表

变流器与滤波器采用表2的参数进行设计：

表2变流器与滤波器参数表

其中，机侧滤波器的谐振频率理论值为800Hz，网侧滤波器的谐振频率理 论值为400Hz，最大直流纹波理论值为40A。

图5则为2MW风力机的功率曲线和转速曲线示意图。风力机包括三种工 作状态：超同步、同步和次同步。因此分别选取对应这三种状态的工作点进行 仿真分析，例如，根据图6选取：超同步工作点为风速16m/s，电机转速1800rpm， 机械功率2000kW；同步工作点为风速6.7m/s，电机转速1500rpm，机械功率 400kW；以及，次同步工作点为风速5.5m/s，电机转速1200rpm，机械功率 200kW。

然后采用仿真软件对该双馈风机发电系统进行稳态仿真分析，以测试图2 所示的基于电流源变流器的系统的变频调速能力的优劣。具体地说，首先根据 上述三种工作点(超同步、同步、次同步)计算出于直流母线优化控制方法所 需的双馈电机的功率绕组提供的无功功率(又称为“定子无功”)；然后，根据 公式(1)～(10)，将表1～2的参数带入仿真软件，计算得到该系统200中的 定子无功、直流电流与风速的关系曲线。该关系曲线如图6～7所示。

图6为本实用新型的一个实施例中的双馈电机超同步、同步和次同步工作 点下的定子补偿无功功率与风速的关系图。从图6可以看出，超同步工作点下 定子发出无功0.395pu，直流电流802A，优化幅度2.8％；同步工作点下定子 发出无功0.184pu，直流电流200A，优化幅度34.7％；次同步工作点下定子发出 无功0.157pu，直流电流148A，优化幅度44.2％。

图7为本实用新型的一个实施例中的双馈电机超同步、同步和次同步工作点 下的定子补偿无功前后的直流电流与风速的关系图。根据图7可知，风速越小， 直流电流的优化幅度越大，当风机处于某些次同步状态时，直流电流的优化幅度 甚至能达到50％以上，而这意味着更小的变流器容量、更小的损耗和更低的成本。

图8为本实用新型的一个实施例中的双馈电机超同步、同步和次同步工作 点下的双馈电机的直流电流和转矩波形图。如图8所示，随着风速的变化，在1s 和1.5s时刻，风机运行点由超同步变为同步再变为次同步。其中超同步工作点直 流电流理论值802A，仿真结果802A；同步工作点直流电流理论值200A，仿真结 果200A；次同步工作点直流电流理论值148A，仿真结果148A。超同步工作点时 转速为60πrad/s，理论转矩-10610Nm，实际转矩-10689Nm；同步工作点时转速为 50πrad/s，理论转矩-2546Nm，实际转矩-2422Nm；次同步工作点时转速为40πrad/s， 理论转矩-1592Nm，实际转矩-1547Nm。理论结果与仿真结果一致，证明了本文提 出的直流母线电流优化控制技术具有很高的稳态精度。此外，由超同步变为同步 的调节时间为0.16s(8个工频周期)，由同步变为次同步的调节时间为0.04s(2 个工频周期)，这表明该系统200所采用的直流母线电流优化控制方法具有较好的 动态性能。

图9～11分别为本实用新型的一个实施例中的工作点变化时，系统的电网 电压和电网电流的波形图、双馈电机定子电压和定子电流的波形图以及网侧变流 器电压和电流的波形图。每幅图包含左右两个部分，其中左边反映了超同步工作 点变为同步工作点时的参数变化波形，而右边则反映了同步工作点变为次同步工 作点时的参数变化波形。从图9～11可以看出，风力机工作点发生改变时，双馈电 机的功率绕组和网侧变流器侧的功率因数不断发生改变，但并入交流电网的电路 则能够始终保持单位功率因数运行，并网电流谐波总量小于5％，符合并网要求。

综上所述，本实用新型的优点在于：基于电流源变流器的双馈电机变频调 速系统的直流母线电流优化控制方法能够保证整个系统具有优秀的动态性能 和稳态性能，能够适应多种不同工况；进一步地，可以在不改变电网功率因数 的条件下继续减小直流电流，从而减小变流器的容量、成本和体积，减小变流 器的热损耗和热应力，增加系统寿命；此外，该方法只需改变控制算法，无需 添加任何额外装置，极大地节省了设备成本和维护成本。

以上已详细描述了本实用新型的较佳实施例，但应理解到，在阅读了本实用 新型的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改。 这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (8)

1.一种双馈电机变频调速系统的直流母线电流控制系统，其特征在于，所述双馈电机变频调速系统包括：

双馈电机以及与所述双馈电机的转子相连的机械负载；

机侧变流器，与所述双馈电机的控制绕组相连；

机侧滤波器，连接在所述机侧变流器的交流侧端口并且位于所述双馈电机的与所述机侧变流器之间；

网侧变流器，与所述机侧变流器相连并且接入交流电网；

网侧滤波器，连接在所述网侧变流器的交流侧端口并且位于所述交流电网与所述网侧变流器之间；

直流电感器，连接在所述机侧滤波器与所述网侧滤波器之间；

所述双馈电机的功率绕组直接接入所述交流电网；

控制器，其输入量为系统测量单元得到的电气信号，通过本专利提出的控制算法，输出机侧变流器和网侧变流器所需的PWM驱动信号，用于控制所述机侧变流器的机侧电流与所述网侧变流器的网侧电流，机侧变流器和网侧变流器均是电流源型变流器。

2.如权利要求1所述的双馈电机变频调速系统的直流母线电流控制系统，其特征在于，所述机侧变流器使用定子磁链定向的矢量控制方法，用于实现对定子有功和无功的解耦控制。

3.如权利要求1所述的双馈电机变频调速系统的直流母线电流控制系统，其特征在于，所述网侧变流器使用电网电压定向的矢量控制方法，用于维持直流电流恒定。

4.如权利要求1所述的双馈电机变频调速系统的直流母线电流控制系统，其特征在于，所述系统还包括直流母线优化控制模块，所述直流母线优化控制模块根据I_{dc_ref_gsc}＝I_{dc_ref_rsc}控制所述系统的直流电流，其中Idc_ref_rsc为所述网侧变流器的直流电流参考值，Idc_ref_gsc为所述机侧变流器的直流电流的参考值。

5.如权利要求1所述的双馈电机变频调速系统的直流母线电流控制系统，其特征在于，所述系统包括三相交流电源，所述双馈电机的功率绕组、所述网侧变流器与一负载相连。

6.如权利要求5所述的双馈电机变频调速系统的直流母线电流控制系统，其特征在于，所述系统还包括：

撬棍装置，所述撬棍装置被连接于所述双馈电机的控制绕组和所述机侧滤波器之间；

斩波器装置，所述斩波器装置与所述直流电感器相并联；

并网接触器，所述并网接触器被接在变压器与所述双馈电机的功率绕组之间，用于接通和断开所述双馈电机与所述三相交流电源的连接。

7.如权利要求5所述的双馈电机变频调速系统的直流母线电流控制系统，其特征在于，所述网侧变流器还用于向所述三相交流电源提供无功功率。

8.如权利要求3所述的双馈电机变频调速系统的直流母线电流控制系统，其特征在于，所述双馈电机变频调速系统的电网功率因数保持恒定。