双馈电机并网发电投切控制

双馈电机并网发电投切控制在基于双馈电机的变速恒频风力发电系统中，尤其是在兆瓦级大功率的场合，双馈发电机的投切控制对双馈型风力发电机的安全运行起到至关重要的作用。双馈发电机的投切控制包括投入控制和切出控制，其中切入控制包括双馈发电机的空载运行过程，这一过程与并网发电时的控制策略有较大的差异。而在切出控制过程中，由于双馈发电机的定子仍然与电网相连，其控制策略与并网发电时的控制基本一致。因此本章将对投切控制中的切入控制，即空载并网控制策略进行较为深入的研究，同时，也对切出控制的实现过程进行了简要描述。双馈型风力发电机的投切控制要求在较小的电流甚至零电流的情况下使双馈发电机切入或切出电网，从而减小风力发电系统的投切过程对电网的冲击，使系统安全可靠的运行，同时也有效地延长了发电系统的寿命，降低其运行和维护成本。就切入控制而言，基于双馈发电机的变速恒频风力发电机的切入控制与其它变速及定速风力发电机的切入控制有所不同，在基于双馈电机的变速恒频风力发电机中，双馈电机与电网之间为柔性连接，即在转子励磁变流器容量允许的范围内，双馈发电机定子电压的频率和幅值大小不依赖于其转子转速。正是这一特性使得双馈发电机在其转速到达变流器容许的调速范围后，可以根据电网电压的需要实时改变转子励磁电流的频率、相位、相序等，从而使得双馈发电机的定子电压跟随电网电压，进而实现软切入的目的。而双馈发电机的切出过程是一个使其定子电流逐渐减小到零的过程，该过程中首先将转子电流中的转矩分量减小到零，然后调整其励磁电流使其定子电流为零，从而使得双馈电机在定子零电流情况下从电网脱开，完成双馈型风力发电机的软解列过程。实现双馈风力发电机软切入的关键是双馈电机空载定子电压的控制，就空载定子电压控制而言，目前多采用定子电压开环控制策略，包括转子电流开环控制和转子电流闭环控制等。其中，转子电流开环控制策略所依据的是双馈电机的稳态方程，包括定子电压的稳态方程和转子电压的稳态方程，这一方案无需调节器设计，控制系统相对较为简单，但是这一方案的突出不足之处表现在：一方面，定子电压的控制精度不仅受双馈电机参数的影响，而且受功率电路自身特性的影响，致使定子电压控制精度不高；另一方面，双馈电机转子回路的欠阻尼特性，使得转子电流开环控制系统的动态响应特性较差。而在转子电流闭环控制系统中，对定子电压的控制所依据的依然是定子电压的稳态方程，所不同的是对转子电流的控制，依据的是转子电压的动态方程，通过合理的转子电流调节器设计，能够起到改善转子回路振荡特性，进而改善系统动态响应特性的功能，而且转子电流的闭环控制降低了功率电路自身特性对定子电压控制的影响。但这一方案也存在其不足之处，主要表现在：一方面，由于定子电压依然为开环控制，因此定子电压的稳态控制精度同样受双馈电机参数的影响；另一方面，转子电流中可能出现的直流偏量使得定子电压的幅值产生低频的脉动，即定子电压中含有转速频率相关的谐波成分。

为有效提高定子电压控制精度，本文对定子电压瞬时值闭环控制策略进行了探讨，并依次提出了定子电压矢量交叉耦合控制策略和定子电压矢量解耦控制策略。1双馈电机的空载数学模型由于双馈电机空载运行，其定子绕组脱离电网，这使其与并网运行状态相比的主要区别在于：定子电流为0，而且定子电压完全受其转子电压或电流的控制。由于空载控制目的是使双馈电机的定子电压跟随电网电压，因此，在采用同步旋转坐标系时，该坐标系与双馈电机并网发电时相同，仍然采用电网电压定向，即以电网电压空间矢量的方向为q轴方向，顺时针旋转90度的方向为d轴方向。在此坐标系中，列出定转子磁链方程和定转子电压方程如下：Jds mdrIqs mqrfdr=Ld中广Lrlqrf dUs=-^^qs+瓦Wds1d[Uqs=+"Wds+dt^^f dJ"dr一叩qr+不Kr1d["广"qr+°sWdr+dWqr将式9-1代入式9-3，得:f…du=-oLi+—Wds1mqrdtds1 ,r•du=oLi+Wqs1mdrdtqs稳态时，可令上式中的微分项为零，则有：fUds=-O1Lmlqru=①LiIqs1mdr（9-1）（9-2）（9-3）（9-4）（9-1）（9-2）（9-3）（9-4）（9-5）2基于PI调节器控制的定子电压矢量交叉耦合控制策略对于三相系统而言，定子电压的瞬时值闭环控制，可以考虑采用三相综合矢量进行闭环控制。分析双馈电机空载定子电压的稳态方程式9-1，并且采用定子电压定向，则在稳态情况下，在同步旋转dq坐标系中定子电压的d轴分量〃出=0，而定子电

压的q轴分量"=u，因此，首先可以考虑通过定子电压的q轴分量u进行闭环控制，并且将电网电压的q轴分量u与双馈电机定子电压的q轴分量"的差值，经PI调节器输出作为转子电流的为轴分量的指令值并。与此同时将电网电压的d周分量u与双馈电机定子电压的d轴分量u的差值，经PI调节器输出作为转子电流q轴分量的指令值i*。这就是双馈电机空载电压的矢量控制策略，其控制结构如图9-1所示： 印图9-1双馈电机空载运行时，电压矢量闭环控制结构由上述分析可知，该控制策略所依据的是定子电压的稳态方程，是通过定子电压u、u的交叉耦合项-①Li、①Li的控制分别实现对定子电压的d轴dsqs smqrsmdr分量和q轴分量进行控制。因此可称之为基于定子电压矢量的交叉耦合控制策略。在对双馈电机实施矢量控制时，通常需要通过光电编码器等速度传感器对双馈电机转子位置和转速进行检测，在用光电编码器对转子位置进行检测时，通常存在转子初始位置的计算问题，通过电压矢量闭环控制可以有效克服转子位置检测的偏差对双馈电机空载定子电压相位的影响。

3基于PI调节器和谐振调节器协同控制的定子电压矢量交叉耦合控制策略由于转子电流采样信号的飘逸以及AD转换的偏差等原因可能使得所控制的转子电流中出现直流分量，这一直流偏量会使得旋转电势的幅值出现转差频率的脉动量，从而导致双馈电机空载定子电压的脉动。为有效消除双馈电机空载定子电压的幅值脉动现象，本节考虑在PI调节器的基础上并行一转差频率的谐振调节器，即对双馈电机空载定子电压的交叉耦合控制策略实施PI调节器和谐振调节器协同控制，这即是基于PI调节器和谐振调节器协同控制的定子电压交叉耦合控制策略。由于在双馈电机空载定子电压中，占主要部分的是工频交流正弦量，而幅值的波动量仅为定子电压的一小部分，因而在PI调节器与谐振调节器并行控制时PI调节器的控制通道为主控通道，而谐振调节器的控制通道为辅助控制通道，即从控通道。在输出限幅设定时采取主控通道有限的原则进行综合限幅，即主控通道的限幅值为空载运行时转子电流的最大允许值，而从控通道的限幅值为转子电流的最大允许值与主控通道的输出值之差。4定子电压矢量解耦控制策略（验证后，似乎不可行）式9-5是双馈电机空载运行时的定子电压的稳态表达式，以上各空载定子电压控制方案都是以这一表达式为基础的，但事实上，双馈电机空载运行时其定子电压的动态表达式可描述为：（9-6）u=-wLi（9-6）ds 1mqrmdru=①Li+Lisqs1mdrmqr将上式变换成以下形式:「i]，「s「i]，「sw_「u]dr= /11ds•IL（s2+wM-wsuLqr」m11—,qs若将双馈电机空载运行时的电流内环等效成为一个小惯性环节，（9-7）则空载运行时转子电流到定子电压的传递结构如图9-2所示.图9-2转子电流和空载定子电压之间的传递结构dr（dr（9-8）由式9-6可以看出,u=sL

imqr(9-9)—qs=3L ，一^ds=—(9-9)i1mi 1mdr qr由式9-9不难看出，式9-9所表述的即为前几节所探讨的空载定子电压矢量控制策略中，转子电流到定子电压的传递函数。由于式9-9在互感参数L和电网频率w一定的情况下，空载电压矢量控制策略中，转子电流到定子电压的传递增益为1固定值。而在式9-8中所示的转子电流到定子电压的传递增益随着作用信号频率的增大而增大，若以此式为依据，对定子电压实施控制，势必会增加双馈电机空载定子电压的动态控制增益，从而进一步提高定子电压的控制效果，这就是本节所提出的定子电压的电压矢量解耦控制策略。对于图9-2中的交叉耦合项可通过前馈解耦的控制策略予以前馈补偿，并且分别以转子电流的q轴分量i控制空载定子电压的q轴分量"，而以转子电流d轴分量,］控制空载定子电压［的d轴分量u^。在对式9-6中的'd轴、q轴电压之间的耦合项 —\u、一进行前馈控制后，可得转子电流到L\2+W2,qs L\2+w2,d定子电压的传递函数，即空载运行时，定子电压环的被控对象传递函数为：(9-10)G(s)="ds(qs)(s)=Ls2+w:vi (s) m(9-10)于是可得双馈电机空载定子电压的解耦控制方案，如图9-3所示：

图9-3双馈电机空载定子电压的解耦控制结构(a)解耦控制结构原理图；(b)解耦控制系统结构图；5双馈电机的切入和切出过程前几节就如何控制双馈电机的空载定子电压使其跟随电网电压进行了讨论，空载定子电压控制是实现双馈电机软切入控制的关键，本节将在上一节双馈电机空载定子电压控制的基础上，就切入、切出的控制过程进行讨论。5.1双馈电机的切入控制双馈电机并网发电的切入过程包括空载控制过程、并网过程和功率追踪过程，如图9-4所示：在空载控制过程中，其控制的主要目的是使双馈电机的空载定子电压较好地跟随电网电压，以实现软并网。并网控制，是在检测到双馈电机的定子电压满足并网条件的情况下，吸合双馈电机的定子接触器将其直接并入电网，双馈电机并入电网后通常需要保持一段时间，以使得双馈电机进入稳态。这主要出于两方面的考虑：一方面由于双馈电机的并网模型中具有两个欠阻尼极点，且其振荡频率在电网频率附近，这样当双馈电机空载定子电压波形与电网电压波形之间的任何不同都将会在双馈电机种产生一个电磁振荡过程；另一方面，双馈电机并网前后其转子电流控制环的被控对象将发生变化。基于这两方面的考虑，在双馈电机切入电网后通常需要稳定一段时间。在双馈电机进入新的稳定状态后，将其发电功率或电磁转矩逐渐控制为所需要的量。之所以要逐渐增加，主要有两方面的考虑：其一，为减小对电网的冲击，发电机在并入电网后其有功功率以每秒钟10%额定功率的速度逐渐增大其有功功率；其二、为减小对风力发电机齿轮箱、转轴等机械部件所受到的冲击，维持风力发电机的安全运行和确保其有效使用寿命。5.2双馈电机的切出控制双馈电机的切出过程是切入过程的逆过程，切入过程的关键是对双馈电机的空载定子电压进行控制，而切出过程的关键是对双馈电机的定子电流进行控制。与切入过程类似，切出过程也可通过对定子电流进行闭环控制，使其逐渐减小为0,从而在零电流的情况下将双馈电机从电网切出，即完成双馈电机的软解列过程。但因在某些情况下，切出控制的情况较为紧急，如电网故障需要紧急脱网，甚至某些情况下变流器已经失去了对双馈电机进行正常控制的能力，并且在双馈电机切出后通常不需要再维持其正常工作状态，甚至在切出后需要强迫电机去磁，以使其恢复到零电压状态，因此，切出过程通常仅需要通过定子电流开环控制，首先将转子电流的转矩分量减小至零，再通过转子电流励磁分量的调整使得定子电流减小为零即可。双馈电机的软切出过程如图9-5所示。图中软切出前双馈电机运行在1800r/m，额定转矩在t=0.8s时刻开始切出过程，到t=1.8s时定子电流减小为0,在t=1.9s时脱离电网。图9-5双馈电机的软切出过程①G(()=(s+加户-叫)〜、—0.5j0.5j(()='Cj)—(SjOG(z)=^£_z—e-j®i0.5G(z)=^£_z—e-j®i0.5jz0.5j0.5jG⑴=1-z-151 1-z-s0.5j0.5jG(z)=